随着科技的进步, 三维GIS技术目前已成为测绘领域研究的热点, 相对与传统的二维GIS技术而言, 三维GIS有着二维GIS无法比拟的优势。随着现代城市的迅猛发展, 城市规划领域已经越来越依赖于三维建模技术的辅助与支持, 三维GIS以其更真实、更直观的立体模型展示, 为城市建设的方方面面带来了更好的体验。[1]传统手工建模方式虽然也能得到逼真的三维城市效果, 但需要投入大量的人力物力, 得到的模型却仅供浏览, 没有建立达到信息与数据库之间的联系, 不能对建筑信息进行有效管理, 并在各种审核监管工作中难以满足用户需求。[2]由此我们利用ESRI公司下的三维建模软件City Engine对建筑进行建模, 并应用了BIM的思想对建筑的相关参数信息进行数据库建立, 再通过编写功能脚本实现对建筑信息的科学管理, 以达到在模型视觉观赏性的基础上实现了对模型信息的数据化管理与应用。
一、基于City Engine的三维建模流程及关键技术
与传统建模软件不同, City Engine建模是通过编写参数化的CGA规则生成建模, 并且可以批量生成。基于City Engine是ESRI公司软件体系下的一部分, 其建模基础数据主要来源于现有的GIS空间数据, 即利用带有详细属性信息的shapefile文件数据作为建模的原始数据, 再通过一系列CGA规则编写达到快速建模的效果。
本文以佛山科学技术学院的基础实验楼为例, 整体流程如图1所示, 通过前期对数据的采集, 利用电子版底图进行数字化处理并在ArcGIS中添加属性, 然后导入到City Engine中进行规则编写建模。为了更好地展现信息管理功能, 本文选取基础实验楼5楼的一间电脑机房进行功能实现, 借助3DsMAX及Sketch Up等建模软件进行局部精细建模, 最后通过City Engine中脚本的编写实现BIM功能。
(一) 数据的采集
数据采集对于建模来说非常重要, 将影响到制作过程中模型的好坏, 其主要分为两个部分:
1. 建筑物尺寸数据
在对建筑物进行建模之前, 需要获取建筑物内外的长宽高等信息, 故首先利用测量仪器对建筑物外部进行整体勘测, 得到较为准确的数据之后, 对数据进行预处理, 通过计算确保每一个数据在建模拼合过程中使得建筑物每一层楼能较为完好地拼合在一起。再利用卷尺测量电脑机房的门、窗、桌子的长宽高等信息, 得到基础数据。
2. 建筑物纹理数据
纹理数据是指附着在建筑表面的彩色图案, 其影响建筑的美观。在纹理数据采集过程中, 如果进行全部纹理采集工作量将非常大, 采集过程也较为困难, 能否完美拼合将很大程度决定建筑物的外形, 所以在纹理采集工作中, 要将纹理进行分类, 不同纹理应当区分, 相同纹理可共同使用一个纹理贴图。由于实地采集的纹理数据在分辨率、角度、尺寸、色调等方面不统一, 不能满足三维模型纹理贴图的需求, 所以需要对原始数据进行处理。[3]
(二) 底图数字化处理
利用已有的扫描版底图, 先在Auto CAD中进行底图的描绘, 这个过程中需要利用实际测量的尺寸对比扫描版底图的尺寸, 得到对应比例, 在描绘完成底图之后再按照这个比例进行相应的放大缩小, 为减少误差, 这期间需要描绘修改多次, 确保与实际的吻合度和准确性。描绘工作完成之后, 利用Arc GIS软件将CAD文件转换为Shapefile文件, 由于此时的shapefile文件主要以线为主, 考虑到建筑物的墙是具有厚度的, 而不是由一条线拉伸而来, 所以在此基础上对shapefile文件生成缓冲区, 厚度为墙的厚度。接着对shape file文件进行属性信息完善, 添加在建模过程中所需要的属性, 其中重点完善基础实验楼的电脑机房里物体的属性信息。
(三) 建筑物的三维建模
City Engine程序化自动建模是基于CGA规则定义了一系列的细节算法规定模型生成, 越来越相近地迭代进化模型[4,5]。基于地块实际的建筑样式, 通过编写详细的CGA规则, 读取建筑物的所有属性信息, 并根据楼层数 (floors) 字段对建筑进行拉伸、细化和贴纹理[6]。图2a是一个基础的CGA规则, 而图4b是该图层属性查看窗口。将CGA规则应用到相对应的底图 (图2c) 中, 即可迅速生成需要的模型并赋予纹理贴图, 根据City Engine参数化的规则编写方式, 在模型细节调整时, 可直接修改模型参数, 实现交互式的模型调整。[7,8]可发现在生成的模型 (图2d) 与传统的建模方式不同。
(四) 脚本的编写
完成建模部分之后, 为了更好地将所建的模型得到功能上的提升, 就需要借助python脚本实现, 本文所研究的对BIM功能就需通过脚本的编写来实现这一过程。本项目一共有3个脚本, 以实现不同的目的功能。
(1) 漫游脚本, 通过设置摄像机的坐标、时间以及三个角度的参数来调整摄像机的方向和位置, 已达到较好的视觉体验和模型观赏;
(2) 位置脚本, 在Arcmap中设置物块的标识编号, 且是唯一的, 通过city engine的接口功能提取每一块地物的属性编号, 经过遍历得到该物块, 获取该物块的摄像机参数达到位置查询的目的。
(3) 物体信息查询, 通过点击需要查询的物体, 运行脚本获取该物块属性便可查询物体信息。
二、生成三维模型效果
完成之后的三维模型, 主要从整体和局部展示:
整体:
如图3。
局部:
如图4。
三、在City Engine中构建BIM模型
(一) 主要功能
1. 对基础楼整体进行漫游
在作品中, 我们通过规则的编写实现对实验基础楼模型的构建, 细到以一面墙体、一块房间地板为单位, 通过编写脚本, 以便实现在漫游过程中的观赏性与交互性, 获取用户对楼层结构的整体认知。
2. 对室内BIM模型的定位及查询
通过脚本的编写, 可以实现对室内 (505课室) 物体的定位, 并快速获得该物体的属性信息, 极大地增强了建筑维护机制。这也就是我们作品的特色所在, 也符合当下建筑产业的发展趋势。
(二) 特点
1. 基于BIM数据构建起来的精细建模
本作品, 侧重于BIM数据的构建。而BIM数据的构建严格按照BIM的设计原则, 并且不借助于第三方BIM建模软件。基于这些BIM数据, 在后期的建模中, 通过在city engine中关联字段, 对每一堵墙、每一块地板都进行了规则的编写, 实现了科学可控的精细建模。此外, 在纹理及其各种贴图的呈现上, 力求细致、真实, 将一砖一瓦等细节都细致地体现出来, 并且也很大程度实现了对每一面墙纹理的一一对应。这大大打破了city engine粗略建模的传统。
2. BIM模型的应用
在city engine的环境下, 利用BIM管理模型数据, 可对整体模型进行科学系统的功能实现, 包括对物体的定位及属性信息的查询。这就说明本作品不仅仅是作为一个供以观赏的模型, 而是拥有数据支撑的可管理更新的模型, 这是本作品的一个亮点所在。
(三) 应用价值
本项目是以佛山科学技术学院的一栋重要建筑——基础楼为例, 对其进行精细建模。我们的核心在于构建出BIM数据模型, 有了属性数据的支撑, 可对整栋建筑进行科学信息化的管理, 可轻易地实现需求人员在无线端熟悉该地区的地理环境与楼层构造, 以便提供路线和位置查询;再者, 快速便捷地得知需求物体的准确位置和属性信息。以此为例, 在不同行业中, 可根据其不通过的需求将数据不断地丰富, 应用到相关领域的方方面面, 大大提高了三维建模的应用价值。
四、建模过程中体现的优势与不足
使用City Engine可以利用二维数据快速创建三维场景, 并能高效的进行规划设计, 构建BIM数据模型, 发挥其可视化、虚拟化、协同管理、成本和进度控制等优势, 将极大地提升工程决策、规划、设计、施工和运营的管理水平, 减少返工浪费, 有效缩短工期, 提高工程质量和投资效益。
(一) BIM数据建模的优势
在建模方面:过程式建模与交互式建模有一个很大的区别:过程式建模速度慢, 效率较低, 且其信息冗余较大, 几何纹理等增大了几何复杂度, 同时增加了场景的内存开销不易存储, 这是文件通常会很大;而交互式建模不同于过程式建模, 其将人的语义识别能力和计算机在计算方面的优势相结合, 建模速度很快, 没有复杂繁琐的过程, 大大满足了日益增长的建模应用需求, 且其信息轻量、已存储, 并可对模型进行部件级编辑处理, 构建出具有真实感的三位模型。
在实现BIM上:传统方法实现BIM功能是使用第三方软件例如Autodesk Revit通过对过程式建模后的模型进行属性信息编辑, 其工作量较大, 需要对模型的每一个部件属性进行编辑, 容易混乱。而在使用City Engine建模前期我们已经对交互式建模的底图属性进行规范化编辑, 进行交互式建模之后利用City Engine脚本功能调用先编辑好的属性表进行BIM技术的实现。
(二) BIM数据建模的不足
City Engine在三维建模上的应用并不是很广泛, 其功能也还未像普通过程式建模那样被大众所知。相对于过程式建模而言, City Engine更适合批量建模, 其精细度要小于过程式建模软件, 要达到与过程式建模相同水平的精细度, 需要花费较多时间去细化, 且难度较大。在部分建模方面例如道路建模, 经常会因为坡度问题而导致道路边缘角度外侧出现裂缝、替换模型时经常找不准轴向, 需要多次尝试不同轴向才能找到最佳轴向。但总体上讲, 不管是交互式建模还是过程式建模, 都各有优缺点, 作为后起之秀的City Engine不久将会被广泛使用, 功能也逐步完善, 所以其发展前景也是不可估量的。
五、结语
本文通过City Engine分析了从最基础的数据到模型建立的整个过程, 利用CGA规则实现建模, 在较好地利用二维GIS数据的同时提高了三维模型制作的效率, 也证明了即使是批量建模软件也能在精细的细节处理上精益求精。重点在于实现BIM功能, 利用ArcGIS软件所有的文件带有自身存储属性信息的功能, 对物体信息进行完善, 通过在City Engine中脚本的编辑调用物体的属性信息, 实现了模型信息的查询功能。
摘要：随着数字城市建设的推进, 三维场景建模的研究日益受到重视。本文将探讨基于CityEngine软件的参数化建模技术, 以佛山大学为例, 借助AutoCAD软件生成的基础实验楼结构图等数据, 通过CGA规则生成外部建筑的基本流程。在此基础上实现了室内精细建模, 以快速高效地实现校园建筑可视化。近期几年, 以建筑信息模型为核心的BIM技术之发展与应用, 在营造建筑产业已蔚为一股不可小觑之趋势。BIM技术它是利用计算机软硬件技术, 通过建筑信息模型的创建和使用, 实现建筑信息有效传递和共享的技术。因此后期我们着重利用CityEngine中脚本的编辑功能应证了对建筑信息管理 (BIM) 的可行性, 扩展了参数化建模的应用领域。
关键词：CityEngine,建模,CGA规则,建筑信息管理 (BIM)
参考文献
[1] 李宏旭, 杨李东, 基于City Engine的三维城市规划设计与研究[J].测绘与空间地理信息, 2016, 39 (5) :55-57.
[2] 李永泉, 韩文泉, 黄志洲.数字城市三维建模方法比较分析[J].现代测绘, 2010, 33 (2) :33-35.
[3] 段雅萍, 郝连秀, 王瑞富.基于CityEngine的城市三维模型构建方法与问题分析[J].地理空间信息, 2017, 15 (5) :75-77.
[4] Esri (中国) 信息技术有限公司.City Engine中文教程[Z].
[5] 谢年, 向煜, 徐艇伟.基于规则的快速三维建模技术研究[J].城市勘测, 2013 (4) :5-8.
[6] 喻铮铮, 胡圣武.河南理工大学新校区的数字校园建设[J].测绘与空间地理信息, 2006, 29 (2) :105-108.
[7] 吕永来, 李晓莉.基于City Engine平台的高速铁路建模方式的研究与试下[J].测绘, 2013 (1) :19-22.
[8] 肖乐斌, 钟耳顺, 刘纪远等.三维GIS的基本问题探讨[J].中国图象图形学报, 2001, 6 (9) :842-848.