基于CityEngine CGA規(guī)則建模在城市不同尺度場(chǎng)景的三維可視化應(yīng)用

趙越， 李昊

（中規(guī)院（北京）規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

1 概述

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速推進(jìn)和城市管理的發(fā)展，城市智能規(guī)劃、智慧城市等取得了顯著成績(jī)。但是，目前城市規(guī)劃仍存在重規(guī)劃輕統(tǒng)籌，智慧城市中數(shù)據(jù)孤島、信息煙囪問題依然嚴(yán)重［1］。依賴于新一代信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展，基于地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡(jiǎn)稱GIS）、城市引擎（CityEngine，簡(jiǎn)稱CE）[2]，建立的三維地理信息系統(tǒng)為新時(shí)期的城市規(guī)劃信息化、智慧城市提供了強(qiáng)大支撐［3］。

包含多時(shí)空、多維度、高分辨的地理空間數(shù)據(jù)的三維場(chǎng)景可以有效地輔助城市規(guī)劃、建設(shè)、施工、管理運(yùn)維等工作，為企業(yè)和政府的決策提供支撐。與傳統(tǒng)手工建模軟件和建筑信息軟件相比，CE不僅能夠兼容GIS數(shù)據(jù)，而且還可以大批量、高精細(xì)地規(guī)則創(chuàng)建大場(chǎng)景的三維模型［4-5］。

近年來，許多專家學(xué)者基于GIS和CE三維建模應(yīng)用在規(guī)劃、建筑領(lǐng)域，如鄺躍兵運(yùn)用GIS 和CE 實(shí)現(xiàn)城市三維模型場(chǎng)景可視化、空間查詢與分析［6］；李宏旭基于CE 規(guī)則建模方法,實(shí)現(xiàn)了規(guī)劃方案對(duì)比、建筑體量調(diào)整、規(guī)劃指標(biāo)計(jì)算等功能［7］；Jiang Yujie以湘西小溪傳統(tǒng)村落為例，利用CE三維可視化研究了傳統(tǒng)村莊空間形態(tài)的自成規(guī)律［8］；蔡周平等基于CE三維城市模型在智慧城市規(guī)劃中的應(yīng)用［9］。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究CE 在總體規(guī)劃、城市設(shè)計(jì)、數(shù)字城市等方面應(yīng)用三維可視化方面的應(yīng)用較多，本文基于GIS 和CE 軟件及多類型數(shù)據(jù)，探索運(yùn)用CE CGA規(guī)則建模在城市不同尺度場(chǎng)景的三維可視化方面的應(yīng)用。

2 研究方法

從2001 年帕斯卡爾米勒發(fā)明程序性的建模技術(shù)到2009年發(fā)布CE2009，最后被美國(guó)環(huán)境研究所收購并逐步實(shí)現(xiàn)了對(duì)GIS的融合支持。與手工精細(xì)建模軟件（Sketchup、Rhino、3d Max等）、建筑信息模型軟件（Archi CAD、Bentley Architecture、Revit、CATIA等）相比，作為批量參數(shù)化自動(dòng)建模軟件代表的CE的優(yōu)勢(shì)在于通過對(duì)各個(gè)模型的基本信息（樓高、層高、外立面等）生成規(guī)則的個(gè)性化定義（指令、代碼等）并利用二維GIS 數(shù)據(jù)來構(gòu)建三維場(chǎng)景模型。其程序應(yīng)用于整個(gè)場(chǎng)景并完成自動(dòng)搭建，因此大大節(jié)省了時(shí)間成本，提升了建模效率。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文數(shù)據(jù)均包含地理坐標(biāo)，主要有：①某市建成區(qū)的建筑基底數(shù)據(jù)，包含樓高、用途性質(zhì)等屬性，CAD格式；②某市建成區(qū)城市規(guī)劃土地利用分類數(shù)據(jù)，包含容積率等各類地塊信息，CAD格式；③城市軌道交通數(shù)據(jù)，包含交通線、站點(diǎn)、各個(gè)出入口等信息，CAD格式；④手機(jī)熱力數(shù)據(jù)，以網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)不同時(shí)間段的居住/就業(yè)人數(shù)等信息，CSV格式；⑤設(shè)施POI數(shù)據(jù)，包含服務(wù)設(shè)施類型、地址、名稱等信息，Shapefile格式（見表1）。

表1 數(shù)據(jù)列表（來源：作者自繪）

2.2 技術(shù)路線

通過數(shù)據(jù)的收集，GIS 與CE 的相互配合，最終生成三維模型。各個(gè)步驟相互順承、相互影響。基于CE CGA規(guī)則的三維建模流程圖如圖1所示。

圖1 CE CGA規(guī)則的三維建模流程圖（圖片來源：作者自繪）

數(shù)據(jù)收集階段：本文涉及到的數(shù)據(jù)基本通過網(wǎng)站獲取、API 獲取和購買的方式。數(shù)據(jù)均含有地理坐標(biāo)信息，方便后面在統(tǒng)一坐標(biāo)系下精準(zhǔn)落位、分析；數(shù)據(jù)處理階段：通過Python 和GIS 的model Builder 等功能將多種數(shù)據(jù)格式批量轉(zhuǎn)成符合導(dǎo)入CE 的數(shù)據(jù)格式（ShapeFile、FileGDB 等）。導(dǎo)入CE后，由于數(shù)據(jù)的多樣性，難免會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不能精準(zhǔn)貼合等問題，后續(xù)需要再次處理；CGA規(guī)則建模階段：通過調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置或者編寫CGA代碼，將二維數(shù)據(jù)生成三維模型，包括顏色、門窗紋理等細(xì)節(jié)渲染，有些個(gè)別的渲染需要單個(gè)手動(dòng)調(diào)節(jié)；三維模型生成：最終生成的三維模型可以進(jìn)行可視化展示、空間屬性查詢、對(duì)比分析和日照分析等功能應(yīng)用，并且可以根據(jù)需要將三維模型轉(zhuǎn)換成不同的輸出格式（OBJ、3DS、DAE、FBX、ABC等）。

2.3 建模規(guī)則與實(shí)現(xiàn)

CE 通過其獨(dú)有的CGA 規(guī)則，根據(jù)二維平面數(shù)據(jù)的各項(xiàng)屬性定義規(guī)則、編寫代碼、生成具體的且包含細(xì)節(jié)的三維模型。根據(jù)本文研究?jī)?nèi)容涉及到的規(guī)則函數(shù)分析具體包括：定義函數(shù)attr、拉伸函數(shù)extrude、條件函數(shù)case..else..、set 函數(shù)、切割函數(shù)split、顏色函數(shù)color、語法附注等。以下為本文具體建模規(guī)則和實(shí)現(xiàn)過程：

1）建筑基底數(shù)據(jù)分層三維顯示

attr height=0

Lot--＞

extrude(height)

building

building--＞

split(y) { 3 : flooldble | ～0.45 : filetin }*

flooldble--＞

//color(0,0.5,0.8,0.5)

floorbox

floorbox--＞

comp(f) { side : sidefacade | top :

topfacade }

sidefacade--＞

extrude(rand(0.05,0.15))

topfacade--＞

color(220,220,220)

filetin--＞

comp(f) { side : sideblack }

sideblack--＞

color(0,0,0,0.5)

extrude(0.2)

2）建筑上附加居住人口和就業(yè)人口三維顯示

attr Floor = 0

attr FloorHeight = 3.5

attr RK = 0

@Color

attr Color = ""

Lot --＞

extrude(Floor*FloorHeight) Multi

Multi --＞

#color("#FF0080")

case RK＜=100: color("#FFFF80")

case RK＞100&&RK＜=1000:color("#FAD155")

case RK＞1000&&RK＜=3000:color("#F2A72E")

case RK＞3000&&RK＜=7000:color("#AD5313")

else: color("#6B0000")

attr Floor = 0

attr FloorHeight = 3.5

attr JY = 0

@Color

attr Color = ""

Lot --＞

extrude(Floor*FloorHeight) Multi

Multi --＞

#color("#FF0080")

case JY＜=500: color("#FFFF80")

case JY＞500&&JY＜=3000:color("#FAD155")

case JY＞3000&&JY＜=6000:color("#F2A72E")

case JY＞6000&&JY＜=11000:color("#AD5313")

else: color("#6B0000")

3 三維可視化技術(shù)研究運(yùn)用

隨著城市的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，三維模型在國(guó)土空間規(guī)劃、交通規(guī)劃、智慧城市等扮演的角色越來越重要。三維模型技術(shù)在經(jīng)過了多年的發(fā)展，也逐步的應(yīng)用到了各個(gè)行業(yè)。其優(yōu)點(diǎn)如下：①三維模型的可視化效果更為直觀。三維模型可以直接展現(xiàn)城市地上、地下多種復(fù)雜的城市空間信息，直觀的感受到城市空間結(jié)構(gòu)和設(shè)施布局，方便城市工作者結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)做出相關(guān)規(guī)劃設(shè)計(jì)決策。②三維模型強(qiáng)大的多維度分析功能可以提高工作效率。二維空間分析在面對(duì)復(fù)雜、大量、抽象的城市數(shù)據(jù)時(shí)，表現(xiàn)出明顯的劣勢(shì)和局限性。三維模型不僅在系統(tǒng)上包含了二維空間分析的功能，而且還可以進(jìn)行日照分析、空間擴(kuò)散分析、透視性分析等多維度分析。此外，三維模型通過擴(kuò)展還可以多人線上同時(shí)討論、修改、決策，增強(qiáng)了響應(yīng)速度、體驗(yàn)感、工作效率和用戶與模型之間的實(shí)時(shí)交互性。

CE 作為三維場(chǎng)景建模軟件的代表廣泛應(yīng)用于空間規(guī)劃、城市交通等方面，尤其是智慧城市、建筑設(shè)計(jì)、軌道交通等領(lǐng)域。郭容昱通過CE批量化的三維建模，可以迅速實(shí)現(xiàn)城市不同尺度場(chǎng)景的構(gòu)建［10］。本文分別從宏觀和微觀不同層面來研究CE 規(guī)則建模對(duì)于不同要素和指標(biāo)在三維場(chǎng)景中的展現(xiàn)和分析。這種程序規(guī)則建?？梢詫⒍S矢量數(shù)據(jù)批量且自動(dòng)的創(chuàng)建三維場(chǎng)景，在減少了成本和建模周期的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了所見即所得的空間設(shè)計(jì)，更是通過與GIS集成保證了空間精度和屬性的一致。

3.1 宏觀層面

城市宏觀大場(chǎng)景的三維模型對(duì)高精度地理信息數(shù)據(jù)的可視化，直觀且全面的展現(xiàn)城市空間格局、發(fā)展聯(lián)系。通過全域、全周期的分析海量城市數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)城市現(xiàn)狀、規(guī)劃項(xiàng)目全要素、全過程的三維可視，識(shí)別城市發(fā)展現(xiàn)狀問題，更好的服務(wù)于規(guī)劃城市的發(fā)展方向和設(shè)施布局。交通方面，通過對(duì)道路交通現(xiàn)狀、交通模擬、職住關(guān)系、軌跡預(yù)測(cè)等分析，可以有效的支撐未來交通道路規(guī)劃建設(shè)和管理。土地管理方面，通過土地現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)、政府招拍掛等數(shù)據(jù)，可以在提升土地配置效率和資源節(jié)約的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)土地出讓、劃撥、招商等方面的土地管理工作。圖2 和圖3 分別為基于CE CGA規(guī)則批量生產(chǎn)的三維模型可視化大場(chǎng)景建筑物生成并且附加居住人口、就業(yè)人口、土地容積率等信息（見圖2、圖3）。

圖2 城市宏觀層面三維模型可視化——建筑上附加居住/就業(yè)人口（圖片來源：作者自繪）

圖3 城市宏觀層面三維模型可視化——地塊容積率且建筑上附加居住/就業(yè)人口（圖片來源：作者自繪）

3.2 微觀層面

宏觀層面的CE 三維建模可以為城市的規(guī)劃和發(fā)展的大方向提供支撐，但方案的評(píng)估、項(xiàng)目的落地、政策的實(shí)施都是在社區(qū)、街道、軌道站點(diǎn)等微觀層面。根據(jù)需求，微觀層面的三維模型可視化可以展現(xiàn)地上地下一體化設(shè)計(jì)（見圖4），分析街道沿線一定范圍內(nèi)的三維建筑模型之間或指標(biāo)間的關(guān)系，通過CE三維漫游會(huì)有更直觀的表現(xiàn)。軌道站點(diǎn)周邊，通過微觀三維建模，可以展現(xiàn)出站點(diǎn)與各類公共服務(wù)設(shè)施的關(guān)聯(lián)關(guān)系（見圖5），如站點(diǎn)到文化設(shè)施的最短路徑。此外，在微觀場(chǎng)景中局部融入Sketchup、3d Max等制作的更加精細(xì)化三維模型或者BIM建筑信息模型，并且可以通過預(yù)留接口引入AR，VR，MR，通過真實(shí)與虛擬場(chǎng)景加強(qiáng)人與環(huán)境的交互，用于展覽館、博物館、科技館等文化傳播、展示和交流。

圖4 城市微觀層面三維模型可視化——地下站點(diǎn)、地鐵線路、地上建筑附加居住/就業(yè)人口（圖片來源：作者自繪）

圖5 城市微觀層面三維模型可視化——500m范圍內(nèi)地鐵站到各類公服設(shè)施的最短路徑展示（圖片來源：作者自繪）

4 結(jié)語

在城市發(fā)展的轉(zhuǎn)型期，社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展對(duì)精細(xì)的三維場(chǎng)景的需求越來越多。三維模型作為城市空間數(shù)據(jù)的重要載體直接可以應(yīng)用到城市的規(guī)劃、建設(shè)、管理、運(yùn)營(yíng)的各個(gè)階段。文章表明，基于CityEngine CGA 規(guī)則的不同場(chǎng)景的三維模型可視化，能夠快速展現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案、進(jìn)行多維分析，并實(shí)現(xiàn)不同規(guī)劃設(shè)計(jì)的對(duì)比，是一種非常高效的技術(shù)手段。此外，未來通過CityEngine 與大數(shù)據(jù)、人工智能的鏈接，可以實(shí)現(xiàn)城市人口、交通、環(huán)境等城市多種復(fù)雜業(yè)務(wù)場(chǎng)景的智能化分析，更好地為城市的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供支撐。