基于CityEngine的数字城市建模分析

测绘与空间地理信息

ＧＥＯＭＡＴＩＣＳ＆ＳＰＡＴＩＡＬＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ｖｏｌ.４２ꎬＮｏ.８Ａｕｇ.ꎬ２０１９

基于ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ的数字城市建模分析

王开放１ꎬ孔维华２ꎬ赵　硕１ꎬ吴　祥１ꎬ邵　卫１

(１.山东理工大学建筑工程学院ꎬ山东淄博２５５０００ꎻ２.浙江水利水电学院ꎬ浙江杭州３１００１８)

摘要:随着数字城市的迅速发展ꎬ传统的三维建模方式费时费力ꎬ难以满足快速建模的需求ꎮ通过对当前建模

方法的学习总结ꎬ本文提出了一种基于ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ的快速构建城市三维模型的方法ꎬ构造出符合我国城市类型的规则化模版ꎮ首先获取城市数字高程数据和属性数据ꎬ然后将数据转换为满足ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ需求的格式ꎬ最后利用计算机编写程序规则快速自动建模ꎮ最后以淄博市沂源县某小区为例ꎬ通过应用编写的规则程序ꎬ成功实现了该小区的快速三维建模ꎮ

关键词:数字城市ꎻ三维模型ꎻＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅꎻ规则化建模

中图分类号:Ｐ２０８　　　文献标识码:Ａ　　　文章编号:１６７２－５８６７(２０１９)０８－０１６６－０３

ＤｉｇｉｔａｌＣｉｔｙＭｏｄｅｌｉｎｇＡｎａｌｙｓｉｓＢａｓｅｄｏｎＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ

(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅꎬＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＺｉｂｏ２５５０００ꎬＣｈｉｎａꎻ

２.ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒꎬＨａｎｇｚｈｏｕ３１００１８ꎬＣｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｄｉｇｉｔａｌｃｉｔｙꎬｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｔｉｍｅ－ｃｏｎｓｕｍｉｎｇａｎｄｈａｒｄｔｏｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｒａｐｉｄｍｏｄｅｌｉｎｇ.ＴｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｕｍｍａｒｙｏｆｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅｔｏｑｕｉｃｋｌｙｂｕｉｌｄａｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｃｉｔｙａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔａｒｅｇｕｌａｒｉｚｅｄｔｅｍｐｌａｔｅｔｈａｔｃｏｎｆｏｒｍｓｔｏｔｈｅｕｒｂａｎｔｙｐｅｉｎｏｕｒｃｏｕｎｔｒｙ.ＦｉｒｓｔｏｆａｌｌꎬｉｔｏｂｔａｉｎｓｔｈｅｕｒｂａｎｄｉｇｉｔａｌｅｌｅｖａｔｉｏｎｄａｔａａｎｄａｔｔｒｉｂｕｔｅｄａｔａꎬａｎｄｔｈｅｎｔｒａｎｓｆｏｒｍｓｔｈｅｄａｔａｉｎｔｏａｆｏｒｍａｔｔｈａｔｍｅｅｔｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ.Ｆｉｎａｌｌｙꎬｃｏｍｐｕｔｅｒｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｒｕｌｅｓａｒｅｕｓｅｄｆｏｒｒａｐｉｄａｎｄａｕｔｏｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｉｎｇ.Ｉｎｔｈｉｓｐａ￣ｐｅｒꎬａｄｉｓｔｒｉｃｔｏｆＹｉｙｕａｎＣｏｕｎｔｙꎬＺｉｂｏＣｉｔｙꎬｆｏｒｅｘａｍｐｌｅꎬｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｕｌｅｓａｎｄｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓｐｒｏｇｒａｍｍｅｄꎬｔｈｅｓｕｃ￣ｃｅｓｓｆｕｌｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｉｓｔｒｉｃｔｒａｐｉｄｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｄｉｇｉｔａｌｃｉｔｙꎻ３ＤｍｏｄｅｌꎻＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅꎻｒｅｇｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎｇ

ＷＡＮＧＫａｉｆａｎｇ１ꎬＫＯＮＧＷｅｉｈｕａ２ꎬＺＨＡＯＳｈｕｏ１ꎬＷＵＸｉａｎｇ１ꎬＳＨＡＯＷｅｉ１

０　引　言

数字城市不仅给用户提供逼真、客观、现势性强的城市三维信息情况ꎬ也给国家相关部门的政府管理方案制订提供一线数据基础[１]ꎮ在数字城市的建设中ꎬ三维建模是其核心和基础ꎮ三维建模技术在整个数字城市中起主导作用ꎬ同时三维建模也是其最耗时耗力的部分ꎮ目前在三维建模方面有多种软件ꎬ传统的三维建模软件是采用手工模型重建[２]ꎬ构造出来的基本是精细模型ꎬ在向顾客展示预览效果方面表现出极大优势ꎮ但传统的人工三维模型虽然展示效果好ꎬ但建模周期长、建模成本高ꎬ且共享性不好ꎮ若要对整个数字城市建模ꎬ数据种类较多ꎬ数据量大ꎬ若没有一个快速的建模方法或建模工具ꎬ仅依靠传统的建模方法ꎬ是远远无法满足市场需求的[３]ꎬ因此ꎬ如何快速、高效、逼真地生成三维模型库ꎬ是目前大

收稿日期:２０１８－０３－２６

范围三维建模的关键问题ꎮ

本文主要介绍一种在ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ平台下ꎬ基于规则的三维快速建模方法ꎬ通过规则能调用二维数据中属性数据ꎬ进行程序批量快速建模ꎬ很好地利用了已有的二维数据ꎬ同时提高了大范围城市三维建模的效率ꎬ为大场景三维快速建模提供了一种新的方法[４]ꎬ实现数据的共享、不同平台的互操作、数字城市地理框架的构建ꎮ

１　三维建模的概述

１.１　数字高程模型数据的获取

数字高程模型简称ＤＥＭꎬ利用地形高程数据对三维地形进行数字化模拟ꎬ是实现模型构建的重要基础ꎬ主要描述地球表面起伏形状的地面高程信息[５]ꎮ

一般获取数字高程模型的方式:

１)常用的ＤＥＭ数据是通过全站仪或ＲＴＫ测量获得ꎬ

作者简介:王开放(１９９４－)ꎬ男ꎬ山东滨州人ꎬ测绘工程专业硕士研究生ꎬ主要研究方向为地理信息系统应用开发ꎮ

第８期

王开放等:基于ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ的数字城市建模分析

１６７

这种方式得到的ＤＥＭ数据精度较高ꎬ但人工劳动强度大ꎬ作业效率低ꎬ工程进度慢ꎬ不适用于较大区域的数字城市三维建模内数字高程模型原始数据进行获取２)航空摄影测量法ꎮ

:利用航空摄影的原理ꎬ后期经过计算机软ꎬ对大区域

件的处理分析ꎬ得到所需的数字高程模型原始数据ꎮ但无人机中航导、摄影机等设备昂贵ꎬ对设备操作技术人员的技能要求也很高数字化仪进行内插３)地图获取法ꎬꎬ:导致数据采集成本高ꎮ

获得数字高程原始数据通过自动扫描跟踪扫描仪或手扶跟踪

ꎮ地图获取法的地图数据来源比较广泛ꎬ数据的采集方便容易ꎬ但是获取的数据可靠性差ꎬ与现实坐标存在较大差异ꎮ

１.２　地理坐标数据的获取

地理坐标数据的获取决定着一个模型重建在三维模型建设中的空间位置ꎮ一般采用全站仪或是ＲＴＫꎬ先通过控制测量建立控制网ꎬ确定某一地区控制点的三维坐标ꎬ利用全站仪对该地区进行数字地形图测量ꎬ通过碎部测量获得该地区坐标数据ꎮ当然ＲＴＫ也可以获得某一类地物的坐标ＲＴＫꎬ相对于测量建筑物外部轮廓的基本坐标误差的原因是所得到的数据精度远远低于全站仪ＲＴＫ的自身设计ꎬ然而全站仪可以通过小ꎬ产生这种较大ꎬ棱镜来减小自身的精度差ꎮ如在建筑物中ꎬ利用全站仪获得建筑物的大体外部轮廓ꎬ通过人工记录建筑物的层数、材质等基本属性信息ꎬ完成其空间地理坐标数据的获取ꎬ为下一步三维建模奠定基础ꎮ但是由于建设一个大范围的数字城市做到每一个地物都能表现其特有风格是不现实的ꎬ不仅费时费力且现实意义不大ꎬ为此在地理坐标数据获取时仅提取其地物种类一般固有标志特征ꎬ标志性建筑物着重表现其风格特色ꎬ一般建筑物就只是描述其外部大体轮廓ꎮ

１.３　纹理数据的获取

单个模型或是大区域范围多模型的建立ꎬ仅仅依靠空间地理坐标信息是远远不够的ꎬ不仅不能全面表达地物的特色和风格ꎬ而且制作出的模型没有色彩的衬托达不到逼真美观的效果ꎬ为此还需要纹理数据的获取ꎮ纹理数据一般为地物的纹理ꎬ具体可分为地形纹理数据和建筑物纹理数据ꎮ有些地形纹理数据和建筑纹理数据主要是通过航空摄影、遥感影像卫星或是街景地图获取ꎬ通过卫星或是航拍纹理数据范围较大ꎬ适合大区域范围内三维建模纹理数据的采集ꎬ然而对于小范围内的模型重建ꎬ大多采用相机或是手机拍照进行纹理数据的采集ꎬ获取方式简便费用低ꎮ总之ꎬ纹理数据的获取方式有很多ꎬ不同的纹理获取方式适用于不同三维建模的区域大小ꎬ在地物三维模型覆盖纹理数据后ꎬ会使模型更逼真美观ꎮ

２　ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ的三维建模应用及分析

２２.１.１　.１　建筑物

建筑物三维模型是通过建筑物外部轮廓线构建的建筑物模型构建原理和过程

ꎬ

一般通过ＣＡＳＳｔｏ的Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ”中建筑物底图原先是ＣＡＳＳ成果图转化获得建筑物的外部轮廓线.ｓｈｐ数据格式工具中处理得到.ｄｗｇ格式的ꎬ并且在数据处理过程中提取了面数据ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅꎬ在ＡｒｃＧＩＳ“软件所支持ＣＡＤꎬꎬ

并赋予相应的属性信息(如建筑物的高度、建筑物的楼层数、建筑物本身的样式等基本属性)ꎮ

建筑物在ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ软件中的模型可分为两种:一种是精细模型ꎬ精细模型在创建时ꎬ首先定义建筑物模型的基本属性ꎬ利用规则对建筑物进行拉伸构建出建筑物的高度和建筑物外部的基本轮廓ꎬ通过规则对建筑物进行分解[６]标志性建筑物外观形状奇特ꎬ对各个面形成的各个部分进行精细化处理ꎬ需进行精细化处理ꎻ另一种ꎬ通常为粗模型ꎬ这种模型的局部构造容易被忽略ꎬ如窗户的构建ꎬ粗模型的窗户构建是通过纹理贴图ꎬ构建出建筑物外部形象图２.１.２　为建筑物贴纹理

ꎬ仅仅满足视觉上的体验ꎮ

建筑物的纹理其实就是建筑物外部的颜色ꎬ随着建

筑物种类的增多ꎬ建筑物的纹理也在增多ꎬ建筑物不同部分的构造不同ꎬ其纹理也有区别ꎮ如果是对精细模型进行纹理数据处理ꎬ要对所采集的照片进行编码排序ꎬ组成一个纹理数据集ꎬ统一存放在ａｓｓｅｔｓ/ｆａｃａｄｅ文件夹中ꎮ在模型贴纹理时直接提取ꎻ如果建立的是粗模型ꎬ纹理要求不高ꎬ系统获取的纹理数据是随机定义的ꎬ所以建筑物每个部分的纹理构造也是随机的２.１.３　建筑物顶面操作

ꎮ

由于建筑物顶面的结构样式不同ꎬ对建筑物顶面处

理的方式也是不同ꎬ如平坦的楼顶或是平坦的房顶ꎬ这种建筑物顶面没有什么特殊构造ꎬ可以直接进行贴图处理ꎬ把建筑物楼顶美化一下ꎬ使其变得真实一些ꎮ另一种如村庄中单坡式或是双坡式平房ꎬ山上或是公园里四坡式顶面亭子ꎬ这种较复杂的建筑物顶面需要在ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ软件中通过调用不同的函数进行规则创建[７]备不同样式坡顶的纹理贴图ꎮ为了构建不同的建筑物顶ꎬ同时也要准面ꎬ在数据准备阶段就要对建筑物进行如下两方面的准备:在建筑物数据库中增加ＲｏｏｆＴｙｐｅ属性列ꎬ确定屋顶样式ꎻ在贴图准备时针对不同样式的坡顶准备不同材质的贴图ꎮ

２.２　静态模型

静态模型在ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ软件中只能够调整构建的三维模型的位置和大小ꎬ不能够改变其纹理特征ꎬ也不能够通过计算机编写程序规则代码对三维模型修改[８]模型来源于其他３Ｄ设计工具ꎬ例如:３ｄｓＭａｘ、ＳｋｅｔｃｈＵｐ、

ꎬ这种ＡｕｔｏＣＡＤ式是静态三维模型支持的主要数据格式等建模软件ꎮＯＢＪ、ＤＡＥ、ＫＭＺ/ＫＭＬ３种数据格ＯＢＪ过模型部件区分出来的格式ꎮ模型的复杂性或者精细构建的模型也都是通ꎬ现今较多使用ꎮ

在原有的静态模型中ꎬ可能会存在带有地理坐标的三维模型和没有地理坐标信息的三维模型两种情况ꎮ如果模型带有地理坐标信息ꎬ且坐标系统不一致的话ꎬ可通１６８

测绘与空间地理信息　

　　　　　　　　　　　　　　　２０１９年

过坐标转换转化成需要的坐标系统ꎬ就可以直接运用原有的三维模型场景ꎮ也会存在没有地理坐标信息的三维模型或是自定义坐标系的三维模型[９]

写规则对模型赋值ꎬ确定其地理坐标信息ꎬ这就需要通过编

ꎬ可加到所需模

型重建的场景中ꎮ

２.３　生成三维效果功能

利用实习得到的模型原始数据ꎬ通过模型空间地理信息的获取、数字高程的获取、纹理数据的获取ꎬ通过学习并利用ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ软件对淄博沂源县某小区内的建筑物、道路等重建模型ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅꎮ

１)三维模型的属性调整

软件中可操作的功能:

的效果ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅꎬ改变三维模型的属性软件中ꎬ可随时改变模型的规则达到想要

ꎬ如建筑物高程ꎬ每一层的高度和顶层高度ꎬ建筑物屋顶类型及建筑物的纹理特征等ꎮ

２)通过鼠标左键单击场景中的任意三维模型的任意部

三维模型信息查询

分ꎬ在Ｉｎｓｐｅｃｔｏｒ属性窗口中就会自动显示三维模型在地理数据库中包含的所有属性信息ꎬ这就是软件中三维模型的信息查询功能３)ꎮ

系统提供了规划指标分析功能规划指标的分析

ꎬ可以选择某一区域ꎬ

通过空间分析得到区域内的总的建筑物ꎬ从而统计出该区域的总面积、总建筑面积ꎬ同时可以分析得到建筑密度和容积率指标信息[１０]３　三维数字城市模型与ꎮ

ＡｒｃＧＩＳ结合

模型的制作主要靠ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ软件的三维建模技术ꎬ但是在ＡｒｃＧＩＳ软件中也可对ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ软件建出的三维模型进行预览和数据分析ＡｒｃＳｃｅｎｅ在ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ中进行三维浏览和分析ꎮ针对专业的软件中打开所要与ꎬ具体的步骤如下ＧＩＳ用户ꎬ可以在ＡｒｃＧＩＳ结合的三维模:首先型ｆｏｒｍａｔꎬ在软件左上角的文件中找到导出模型打开Ｃｈｏｏｓｅ经过一系列的参数设置后ｆｏｒｍｏｄｅｌｅｘｐｏｒｔ窗口导出成ꎬ把导出的.ＧＤＢ格式.ＧＤＢꎮ

格式的数

据加载到ＡｒｃＧＩＳ软件中就可以对所做模型进行场景预览和数据分析研究ꎮ

通过把三维模型导入ＡｒｃＧＩＳ中ꎬ利用ＡｒｃＧＩＳ软件的专业工具就可以对模型数据进行数据分析ꎬ如其中的拓扑关系、缓冲区、数据叠加等专业分析工具进行数据分析ꎬ也可通过ＡｒｃＧＩＳ软件对导入的模型进行三维动画的创建ꎬ向用户提供一种崭新的数据表达方式ꎮ

４　场景的发布与浏览

构建的三维场景ꎬ可利用火狐浏览器或ｇｏｏｇｌｅ浏览器进行浏览和操作ꎬ避免操作平台的限制ꎬ具体步骤:打开模型找到ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ　ＷｅｂＳｃｅｎｅ导出.３ＷＳ格式的数据ꎬ就可把三维模型发布到网页中ꎮ

１)Ｗｅｂ用户可利用界面上的导航键进行放大浏览

、缩小、旋转、

移动等ꎬ在场景的最下方还有两种自动浏览的效果动态图ꎬ可随意选择某一种方式观看场景效果动态图ꎮ如果需要在其他计算机上登录ꎬ需要把ＩｏｃａＩｈｏｓｔ改成原先计算机上用的２)ＩＰ地址ꎬ同时还要保证原有计算机开机并联网ꎮ

在属性查询

Ｗｅｂ浏览器中ꎬ可对场景中的某一图层进行手动关

闭和显示ꎬ可以直接鼠标单击场景中的任意位置ꎬ右侧将会显示其完整信息ꎮ也可直接在查找窗口中输入要搜寻的内容ꎬ会在三维场景和右侧同步定位并显示其详细信息ꎮ

５　结束语

ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ本文基于软件三维建模的功能ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ的数字城市建模分析ꎬ进行小区域内模型重ꎬ主要利用

建ꎬ在建模过程中不仅构建了房屋等主要建筑物的模型ꎬ

同时ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ也对植被、水体等地物进行了自动对目标区域进行建模中编写规则代码ꎬꎬ极大地提高了工作效率使计算机根据编写好的规则三维建模ꎮ在ꎬ减少

了人工工作量ꎮ

虽然ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ软件的三维建模功能比较强大ꎬ但是软件的运行和三维模型的快速重建是建立在编写规则代码的基础上ꎬ对于特殊情况的建模区域ꎬ如不规则不对称的建筑物在完成自动建模时还需要人工调整ꎬ智能性差ꎬ仍需进一步改进ꎮ

参考文献:

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