基于参数化的房屋三维模型批量快速构建技术研究

基于参数化的房屋三维模型批量快速构建技术研究

张慧鑫

成都师范学院物理与工程技术学院成都611130

摘要：本文基于二维GIS房屋数据与参数化三维建模技术，利用CityEngine建模软件，研究分类房屋三维建模，实现了批量快速构建具有一定细节信息的房屋三维模型。

关键词：房屋快速建模；参数化建模；CityEngine；CGA规则

1.引言

目前，常见的房屋三维批量快速建模方法有：（1）基于二维GIS房屋轮廓数据，经垂直拉升，构建体块模型（LOD1级）。这种方法构建的体块模型缺少了房屋细节，缺乏真实感。（2）采用三维建模软件手工建模。这种方法构建的模型精细度高，但效率低、成本高、可移植性差[1]。

城市环境保护、灾害应急管理等领域，不仅需要一种兼顾模型构建效率和模型精细程度的建模方法，同时还要求这种方法能最大限度的利用现有的二维空间数据，以使构建的模型位置精确、语义丰富，方便进行三维查询与分析等操作。本文基于二维GIS数据，寻找一种兼顾建模效率、成本以及模型精度的房屋三维建模方法，并要求这种方法具有一定的通用性。

2.基于CityEngine的房屋建模原理

（1）CityEngineCGA参数化建模

参数化建模通过将模型参数化，通过改变模型中的参数值就能建立和分析新的模型[2]。参数化的批量建模精细程度高，能够满足大部分城市三维建模的要求[3]。

CityEngine是一款基于参数化的三维建模与规划设计软件，能通过规则快速的调用二维GIS数据中的属性数据，进行自动化批量、快速地建模，从而很好地利用了现有的二维GIS数据，提高了三维模型场景的建模效率，为大范围三维模型地快速构建提供了新的手段[4]。

CityEngine提供了CGA规则代码库，用户可根据需要在CGA文件中调用和编辑相应函数来实现具体、详细的建模设计。CityEngineCGA参数化建模基本原理是将模型结构拆分，进行逐个详细分析，通过CGA对每个部分规则定义，执行循环与迭代等操作，最后完成整个模型的建模。在CGA规则文件驱动下可以达到批量、快速建模的效果，节省大量的人工重复劳动、时间和经济成本。

CGA规则的语法形状结构是树形的，是从而下且不可逆的过程，可以使用节点来描形状、分割、重复、组件的分割、执行结果等步骤，进而创建建筑物模型[5]。常用CGA基本规则函数：拉伸extrude（axisWorld，height）；拆分组件comp（compSelector）；切割split（splitAxis）；模型着色color（s）；color（r，g，b）：对模型赋予相应的颜色；替换函数i（insert）：用已有的模型或模型部件替换当前的模型；尺寸函数s（scopesize）：设置scope.s（尺寸向量）改变几何体尺寸。

（2）CityEngine房屋建模流程

在CityEngine中，房屋建模流程流程如下：

1）数据处理。获取数据并检查二维矢量数据的属性、拓扑关系、地理参考等信息正确性。

2）构建场景并导入GIS数据。是实现模型浏览、动态建模显示的基础。

3）规则建模。CityEngine的三维建模主要依靠CGA文件的编写，修改模型时只需修改规则文件即可，非常适用于大量、快速、对于细节要求不是太高的城市建模。

4）细化调整。包括模型表面纹理贴图、模型替换、模型参数调整等内容，使得所创建的模型更加真实美观。

5）模型导出与管理。将创建好的模型导出为相应的格式并发布到网上实现模型共享。

3.房屋三维模型批量构建

本文选取某大学校区及周边部分小区房屋建筑进行建模实验分析。

（1）数据获取：在OpenStreetMap官网免费下载实验区OSM格式房屋建筑二维数据。

（2）数据处理：充分利用OSM属性信息，实现规则属性与shp字段自动关联，获取shp字段值。

（3）CGA规则文件：在规则文件中定义建筑属性，同时限制每一个属性的取值范围。定义的属性可以在CityEngine的属性编辑窗口中暴露给用户，方便用户随时调整参数值。

（4）规则调用：将所有房屋类型规则文件导入Project中；在Project规则文件中定义建筑类型属性amenity与shp文件amenity字段实现参数数值关联；最后通过判断语句调用规则文件库中相应类型的房屋规则代码文件，实现房屋快速、批量的三维模型构建。

（5）应用规则与模型生成：选中试验区域（图1所示）内房屋平面轮廓数据，对全区域应用Project规则文件，生成模型，并调整模型参数，使其符合实际情况。对学生宿舍进行模型参数调整完成后，局部模型效果如图2所示。对部分房屋添加Logo，效果如图3所示。

图1实验区数据图2局部楼房生成效果图

图3某医院Logo表达效果

（6）模型生成结果及浏览

对实验区域内各类房屋建筑应用Project规则文件作为开始规则，点击模型生成工具，调整相关的参数后，实验区内所有房间建筑三维模型整体场景。

4.结语

本文基于参数化建模技术，对实验区房屋建筑进行快速、批量建模，通过将房屋建筑按照其用途进行分类并抓住各类型房屋的特征，针对每一种类型的房屋按照其特有特征创建三维模型生成规则文件，实现建筑三维模型的生成以及建筑名称注记、建筑Logo的表达。

与传统的三维建模手段相比，参数化方法避免了大量重复的手工建模操作，通过将重复工作整合到规则代码中，对建模对象应用规则，便能快速地生房屋三维模型，创建的规则模板还可稍作修改重复用于其它区域的快速建模，能够通过调节参数为后期模型的调整、修改提供便捷。本文所构建的三维模型精细程度适中，将创建的模型输出为通用的格式，可应用于应急救灾、环境保护等对模型精细程度要求一般的领域。

参考文献：

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

[2]李娟，刘溪，韩婕玉.基于参数化建模的三维城市设计方法探讨[J].城市管理与科技，2013（03）：66-68.

[3]赵磊.数字城市建设中三维建模方法的研究比较[J].山西科技，2013（01）：91-92.

[4]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（04）：5-8.

[5]邓敏旋.基于GoogleEarth数字景区平台的设计与开发[D].东华理工大学，2016.

作者简介：

张慧鑫（1983年—），女，山西阳泉，讲师、工程师，硕士研究生。

2010年6月毕业于西南交通大学，硕士研究生学历，主要从事专业教学工作和科研工作。曾主持校级科研项目1项，主研国家自然基金1项，并参与多项省部级科研项目；发表论文数10篇，其中CSCD核心1篇，EI检索1篇；主编专著1部，主编教材1部。现在主研方向是三维GIS与虚拟地理环境。

基金项目：成都师范学院校级科研项目（编号：CS16ZB01）