基于规则的三维地理信息系统自动建模

谢小魁，陈青海，陈煜均

（1.湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙410128；2.杭州经纬信息技术有限公司，浙江 杭州 311121；3.广州南方卫星导航仪器有限公司，广东 广州510665）

基于规则的三维地理信息系统自动建模

谢小魁1，陈青海2，陈煜均3

（1.湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙410128；2.杭州经纬信息技术有限公司，浙江 杭州 311121；3.广州南方卫星导航仪器有限公司，广东 广州510665）

利用ArcGIS生成平面矢量图形，并存储三维信息到属性数据库，再利用CityEngine编写规则自动生成模型。根据此方案制作了湖南农业大学三维模型。研究结果表明：基于规则的三维建模方法具有快速高效、更新方便等优点，特别适合海量数据背景下的智慧城市模型批量生成，同时可以满足不同参数条件下规划方案的比选要求，为景观规划和地理设计提供技术支持。

地理信息系统；三维建模；城市引擎

三维模型是三维地理信息系统的处理对象，是数字地球、数字中国和数字城市的重要组成部分[1]。传统三维建模常用AutoCAD、3DStudioMax 和SketchUp（草图大师）等软件进行[2-4]，存在效率低下、不支持属性数据的编辑和查询，只适用于单栋或小范围建筑物的三维重建[5]；这些方法不能快速、批量地生成建筑物内外部模型，缺乏可重用性，建模周期长[6]，造成了资源的极大浪费。基于规则的参数化建模通过编写规则，分层次逐渐对空间实体添加更多的细节，从而生成和优化模型[7-11]。美国环境系统研究所公司（environmental systems research institute，Inc.简称ESRI）的CityEngine是目前主流的基于规则的三维建模设计软件，可以调用ArcGIS的空间和属性数据，利用规则快速、自动、批量地生成大场景三维景观模型。

本文研究了利用ESRI CityEngine进行规则建模的方法，介绍了数据源获取、规则编写和模型生成过程，并以湖南农业大学为例，展示了建模效果。

1 CityEngine简介

CityEngine由瑞士Procedural公司在2008年发布并于2011年被ESRI公司收购，被广泛应用于数字城市、城市规划、轨道交通、电力、管线、建筑、国防、仿真、游戏开发和电影制作等众多领域[8]。CityEngine能与ArcGIS无缝集成，从而具有三维空间分析功能，使之成为真正的三维地理信息系统，而不仅仅是传统的三维展示系统。传统三维展示系统不具有三维分析功能（例如通视分析、日照分析、三维选线），无法利用现有的海量国家地理信息系统基础设施大数据。CityEngine可利用已有的基础地理信息数据实现三维建模，减少了系统的再投资成本，也缩短了三维GIS系统的建设周期[2]。

2 数据获取

三维建模一般需要先利用宏观定位数据建立场景,然后利用二维矢量数据（例如道路、建筑物、植被）、建筑物的高度数据、地物的纹理数据以及属性数据来设置规则参数。

1）宏观定位数据。宏观定位数据是景观各要素的空间定位框架，为单体建筑、道路、树木等提供定位基础，其数据一般来自国家和国际公共资源。宏观定位数据主要有土地利用现状图、各级别的行政区划数据，主要来自共享资源（如中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云）和网络电子地图（例如百度地图、搜狗地图、Google地图）等。

2）建筑物的几何信息。建筑物的外围几何信息主要来自3方面：①大比例尺地形图。我国目前大部分的大比例尺地形图主要是利用南方CASS制作的CAD地形图，因此可以利用CAD的距离量算DIST命令、角度标注命令dimangular进行距离和角度量算，获取建筑外围尺寸。②外业实测。外业实测主要利用全站仪进行测量，小范围研究区域也可以利用钢卷尺。GPS在建筑密集地区存在信号遮挡问题，测量建筑物精度较低。利用全站仪还可以采集道路、水系、植被、路灯等地物的精确坐标。③遥感影像量算。利用高分辨率航空影像，可以直接量取建筑、道路、河流等要素的位置、尺寸信息，制作平面图用于建模。

在实际运用中，一般需要对建筑物尺寸进行简化、细节剪除、数量取整，以使建模过程变得简单和方便。建筑物的高度信息可以利用激光测距仪进行实测。但进行大场景建筑高度实测的成本过高，可以通过文献法、估算法和高分辨率遥感影像量算进行。

3）建筑细节和纹理信息。用数码相机实地采集建筑物细节，包括建筑物形状、构成组件（门、栏杆、窗户、台阶等），然后利用PhotoShop进行处理，进行纹理拉伸、几何纠正、形状调整等。按照照片上的信息进行建模，并在建模完成后进行贴图。拍摄时要尽量获取建筑物的正面、整体照片，保证建筑物形态规则；纹理采集要全面，确保各侧面都采集齐全，没有遗漏[3]。

4）其他地物信息。在后期制作三维场景时，为了达到较高的仿真效果，需要添加一些地物信息，然后在ArcGIS中进行定位操作，形成点要素。根据拍摄的照片信息制作成三维模型，也可以在网上下载CityEngine模型[9]。

3 建模规则

CityEngine采用规则建模语言Computer Generated Architecture（CGA）来自动生成模型，CGA是一种逐步细化描述的语言，是从一个地块拉伸成为一个物体，然后通过分类和切割使三维模型逐渐精细。

在CityEngine中，所有的三维模型都是由二维的初始形状产生的，因此二维矢量数据可直接作为数据源。在CGA语言中默认使用变量Lot代表最初的地块形状，然后用extrude命令将二维形状拉伸成为最初的三维模型。再根据实际情况和拍摄的照片对模型执行不同的命令和贴图。

4 CityEngine建模流程

利用CityEngine建模的工作流程如图1所示。

图1 CityEngine建模流程

1） 建立图层。首先建立场景文件（scene），包含道路、建筑、绿地、水域和独立地物图层。因为错综复杂的道路网把其他地块分割开来，所以道路图层最好先建立。

2）导入图形和属性。从CAD、SHP文件导入空间数据，从Excel、DBF导入属性数据，并在ArcGIS里加入地块相关的属性，例如name、Floor_Height等。如果需要叠加遥感影像，要注意矢量数据的坐标系应与影像的坐标系一致[10]。

3）规则建模。CityEngine的三维建模主要依靠CGA文件的编写，而不是直接手动建模。修改模型时只需修改规则文件即可，不用将整个模型拆掉重建，这使得CityEngine非常适用于大量、快速、对于细节要求不太高的城市建模。这是CityEngine区别于AutoCAD、SketchUP（草图大师）和3D Studio Max等手工建模软件的主要方面。

4）纹理贴图。在使用拍摄的照片对物体进行贴图时，由于数码相机采集各物体的外形轮廓的纹理图片受物体高度、拍摄距离、透视关系、光照条件等因素影响，图片比例会失调，必须对每张图片用Photoshop等图像处理软件进行裁切、变换等处理，使之成为正射状态[11]。

5 实际效果

本研究过程中利用CGA语言编写了建筑物、植被等地物的建模规则。

1）建筑物建模。建筑物的规则编写主要考虑建筑物的底层Ground_Floor（因为大多建筑底层的高度和结构都与上面的楼层不同）、门的位置、窗台的结构、楼顶的样式。建筑物建模过程主要是生成building，根据采集的实体照片使用spilt命令纵向横向分割成为Floor和tile，tile按比例分割分出屋顶、墙体、大门和窗户，然后对屋顶、墙体和门窗使用texture命令贴图，或者使用i命令以类似的纹理文件.obj进行目标替换。湖南农业大学第八教学楼建模规则见图2，建模效果见图3。

图2 CGA建模规则实例

2）植被建模。首先分树种、龄级、季节建立植物模型库，以备后用。在生成初级的三维模型后用i命令导入植物的obj文件。

3）整体效果。本次制作了湖南农业大学校园的三维景观模型、图书馆、教学楼、住宅楼、绿地、道路、水域等，整体效果见图4。

图3 建筑物建模效果

图4 湖南农业大学三维景观

6 结 语

本次研究运用CityEngine软件，通过编写规则建立了湖南农业大学的三维景观模型，实现了三维展示。CityEngine导出的校园三维景观.3ws能在支持WebGL技术的浏览器中查看[9]。

由于此模型基于地理信息系统，可以直接用于信息查询、模拟飞行、导航、最短路径分析和空间分析（例如日照分析、建筑容积率、绿化率分析）；在此模型基础上，与学校业务管理结合，可以实现校园四季景观动态展示、实验仪器设备器材等物资管理的可视化、上课教室的可视化管理以及消防救援火灾避险模拟等基于三维地理信息系统的功能。

在三维地理信息系统中，采用基于规则的参数化建模，具有快速高效的特点，可以进行空间分析，为数字城市、景观规划和地理设计提供了技术支撑。

[1] 艾丽双.三维可视化GIS在城市规划中的应用研究[D].北京:清华大学,2004

[2] 薛亚婷.基于GoogleEarth及KML的数字校园设计与实现方法研究[D].兰州:兰州大学,2007

[3] 吴文静.SketchUp与ArcGIS在三维数字校园中的应用研究[D].哈尔滨:东北林业大学,2012

[4] 於永东,路明月.基于GIS 的三维虚拟校园设计与实现[J].南京信息工程大学学报（自然科学版）,2012,4(1):81-86

[5] 彭芳媛,周齐生,向常淦.基于航测数据的三维建模方法研究[J].测绘, 2011, 34(2):63-65

[6] 张晖,刘超,李妍,等.基于CityEngine的建筑物三维建模技术研究[J].测绘通报,2014 (11):108-112

[7] 周玲.基于参数化技术的数字城市三维建模方法[D].杭州:浙江大学,2013

[8] 周在辉,马静,许五弟,等.基于CGA的建筑物程序化建模研究[J].测绘与空间地理信息,2013,6(6):17-20

[9] 花利忠,王赵兵,邹丽妹,等.基于CityEngine与ArcGIS Flex API的校园WebGIS系统:以厦门理工学院为例[J].厦门理工学院学报,2013,21(4):57-61

[10] 赵波.GIS与数字地球[J].测绘工程,2002,2(2):7-9

[11] 包振虎,刘涛,张志华.基于ArcGIS Engine的三维数字校园的设计与实现[J].地理信息世界,2013(6):66-71

P208

B

1672-4623（2016）10-0026-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.10.007

谢小魁，博士，主要从事地理信息和农业资源遥感研究工作。

2015-12-17。

项目来源：湖南省普通高等学校教学改革研究资助项目（169）；湖南农业大学东方科技学院教学改革研究项目（50）。