基于CityEngine的2．5維地圖生成方法與應用

李鋒(重慶市勘測院,重慶 400020)

Li Feng(Chongqing Survey Institute,Chongqing 400020,China)

基于CityEngine的2．5維地圖生成方法與應用

李鋒?
(重慶市勘測院,重慶 400020)

摘 要:針對2．5維城市地圖需求,本文設計并實現了基于CityEngine的三維體塊模型和精細模型生成及平行投影自動出圖方法,主要特點是支持矢量數據基于規則的建模以及坐標自動配準。與基于GIS軟件生成投影面實現2．5維效果相比,本方法實現了真實三維體塊模型和精細模型以及真實光照效果,通過規則將二維GIS數據和三維GIS模型進行掛接,有利于GIS數據可視化的廣泛應用。

關鍵詞:CityEngine;2．5維地圖;基于規則的建模

1　引 言

隨著三維數字城市的不斷發展,三維GIS和Web-GIS成為主要發展方向之一。由于成本、技術、終端等因素限制,2．5維地圖仍然具有一定優勢。以“E都市”、“都市圈”等地圖網站為代表,2．5維地圖解決了網絡發布和效率的問題,也提供了三維仿真的真實感。同時,2．5維地圖可以作為柵格底圖,可以疊加道路、管線等矢量圖層,提供直觀的地圖效果。

2．5維地圖研究方面,2010年,宋珉等研究了2．5維地圖的在制作算法[1],主要思路是基于GIS軟件生成投影面,并處理遮擋關系和明暗度,實現2．5維效果以及瓦片發布;2012年．阮明等提出了2．5維地圖的坐標轉換算法[2],并以南寧市2．5維地圖進行了驗證;2013 年,李鋒等提出了移動終端的離線電子地圖框架[3],支持2．5維地圖的瓦片生成、加密打包、移動終端應用等; CityEngine平臺研究方面,2013年,呂永來等研究了基于CityEngine的高速鐵路建模方法[4];2014年,張暉等探索了基于CityEngine的建筑物CGA規則建模方法[5]。

針對城市2．5維地圖需求,結合CityEngine建模平臺支持二維GIS數據基于規則快速構建三維場景的優勢,本文設計并實現了三維體塊模型和精細模型生成及平行投影2．5維地圖自動生成方法,實現了真實三維體塊模型和精細模型以及真實光照效果,通過規則將二維GIS數據和三維GIS模型進行掛接,有利于GIS數據可視化的廣泛應用。

2　技術路線

本文采用的技術路線包括4個步驟:建筑體塊模型生成、建筑精細模型生成、平行投影自動配準出圖、圖片緩存生成及發布。

2．1建筑體塊模型生成

根據建筑物帶屬性的shp文件,按照一定的規則,自動生成建筑體塊模型。規則應用到的建筑物shp文件的相關屬性如表1所示:

建筑體塊屬性 表1

建筑體塊模型生成的規則如表2所示:

建筑體塊生成規則 表2

在CityEngine中導入建筑物shp文件,選中所有面對象,應用建筑物體塊模型生成的CGA規則文件,即可完成體塊建模。之后對體塊模型設置半透明材質(透明度為50%),設置場景光源為地圖左上角(315°),光源高度角為42°,即可完成建筑物體塊模型場景生成。

2．2建筑精細模型生成

體塊模型對應于普查結果和普通建筑,對于具有標志意義的建筑,需要在體塊模型基礎上進一步生成精細模型。CityEngine支持基于建筑規則語義的初步形態、風格設計,完成建筑物外立面整體效果,實現建筑在三維地理環境中的形態表達。通過從建筑物構造領域知識抽取規則語義實現建筑形式化描述,主要流程包括3個階段:體塊建模、主體建模、表面紋理貼圖。如表3所示:

建筑精細建模階段 表3

通過建立不同風格的建筑物規則,基于“逐步迭代”的體型和紋理構建方式,針對不同風格建筑物的特點,制訂不同的城市建筑物規則。發揮規則的復用性和移植性的優勢,這些城市建筑物規則建立好后,可以形成規則庫,實現重復利用。

2．3平行投影自動配準出圖

三維透視投影會由于同一個視點而產生視錐體透視效果,生成的圖片處處分辨率不同,不適合大比例尺快速拼接和發布展示,平行投影,即正交投影,由于每個像元對應一個視點,生成的圖片每個像元的分辨率相同,適合快速無糾正拼接。

本文基于CityEngine實現了平行投影自動配準出圖算法,主要特點是根據不同的鏡頭姿態、出圖相片尺寸、和成圖比例尺作為已知參數,計算鏡頭參數,并進一步計算各個相片的鏡頭位置、相片tfw坐標信息,具有參數可調節、支持多比例尺、支持坐標信息文件自動配準等優勢,生成的tif和tfw文件可以直接作為柵格圖層導入到GIS軟件中。

2．4圖片緩存生成及發布

在2．5維地圖生成以后,為了便于地圖發布和不同分辨率的地圖快速調用,需要生成不同比例尺的地圖瓦片緩存。地圖瓦片緩存包含了不同等級集合的緩存地圖圖片以及描述其Cache的配置文件(Conf．xml)。瓦片按比例尺、行、列三級存放,可以使用Arc-GIS Server的地圖緩存功能構建。主要步驟有:①使用ArcMap編輯地圖文檔;②使用ArcGIS Server發布地圖服務;③使用ArcCatalog訪問地圖服務并生成瓦片緩存。瓦片緩存生成后,便可發布地圖服務,加速客戶端和移動端的地圖訪問效率。

3　多比例尺平行投影地圖生成算法

該算法主要步驟有:①計算相機參數fov、投影距離d;②計算各張圖片的相機位置及對應的tfw影像坐標信息文件;③基于CityEngine實現Python腳本自動出圖;④變換參數,實現多種比例尺和不同角度θ下的批量出圖。具體描述如下:

已知計算參數:

相機高度camera_h = 2000,方向正北,向下45°俯視,θ=45°;

形成圖片大小為512像素×512像素,即視圖窗口大小;

形成圖片比例尺為scale=1000(即1∶1 000比例尺,可調節)。

(1)計算相機參數fov、相機到投影中心的距離d。

按135相機,36 mm×24 mm底片,50 mm標準鏡頭,計算相機視野角度fov為:

按視圖窗口512像素×512像素,形成圖片分辨率為72 dpi,代表實際坐標從第一列像素中心到最后一列像素中心,相當于511個像素寬,并根據投影關系,計算511個像素寬的相片對應的實際寬度width_pic、地面實際寬度width和相機到投影中心的距離d:

(2)計算各張圖片的相機位置及對應的tfw影像坐標信息文件。

①根據投影關系,計算511個像素高的相片對應的實際高度height_pic、地面實際高度height:

②計算θ傾斜角下,相機位置到相片中心的偏移offset_x,offset_y:

offset_x=0

③計算(minx,miny)-(maxx,maxy)場景范圍內第(i,j)張相片對應的相機位置:

camera_x=minx+(i+0．5)×width(m)

camera_y=miny+(j+0．5)×height-offset_y(m)

④計算(minx,miny)-(maxx,maxy)場景范圍內第(i,j)張相片對應的tfw參數:

X方向上的像素分辨率:resolution_x = 0. 0254?scale/72

X方向的旋轉系數:0. 00

Y方向的旋轉系數:0. 00

Y方向上的像素分辨率:

resolution_y=-0. 0254?scale/ (72?sinθ)

柵格地圖左上角像素中心X坐標:

leftupper_x=minx+i?width

柵格地圖左上角像素中心Y坐標:

leftupper_y=miny+(j+1)?height

(3)基于CityEngine實現Python腳本自動出圖。

基于以上計算結果,通過Python腳本編程,實現平行投影相機設置、對每幅相片進行鏡頭姿態調整、圖片生成、計算相片坐標信息文件,從而實現批量自動出圖,Python腳本代碼如下:得,

ce=CE() #獲取CityEngine環境

views=ce．getObjectsFrom(ce．get3DViews(),ce．isViewport) views[0]．setCameraPerspective(False)#設置為平行投影

views[0]．setCameraAngleOfView(fov)

views[0]．setCameraRotation(-θ,0,0)

views[0]．setPoIDistance(d)

foreach(i,j)image in scene(minx,miny)-(maxx,maxy)

views[0]．setCameraPosition(camera_x,camera_h,-camera_ y) #設置相機位置views[0]．snapshot(ce．toFSPath('images') +" / "+str(i)+"_"+str(i)+"．tif") #抓圖

tfwPath=ce．toFSPath('images') +" / " +str(i) +" _" +str(j) +"．tfw"

tfwOutput=open(tfwPath," w") #自動輸出對應的tfw坐標信息文件

tfwOutput．write(str(resolution_x)+" ") tfwOutput．write("0．00 ") tfwOutput．write("0．00 ") tfwOutput．write(str(resolution_y)+" ") tfwOutput．write(str(leftupper_x)+" ") tfwOutput．write(str(leftupper_y)+" ")

tfwOutput．close()

(4)變換參數,實現多種比例尺和不同角度θ下的批量出圖。

如果是非正北方向出圖,可以計算旋轉后的場景范圍,然后重復步驟(2)～(3)獲得相應的圖片序列。對于其他參數,通過變換scale和不同傾斜角度θ,然后重復步驟(1)～(3),獲得相應的圖片序列。

4　地圖應用實例

以重慶市某區域建筑物GIS數據為例,數據集共包含37 879個建筑物底面要素,如圖1所示,經過本算法生成2．5維地圖如圖2所示。生成的2．5維地圖能夠和GIS面要素精確套合,如圖3所示。生成的2．5維地圖可以進一步疊加道路、管線等矢量數據,能夠更直觀展示相對位置關系,如圖4所示。

圖1　GIS房屋底面數據

圖2　2．5維體塊模型數據

圖3　2．5維地圖和GIS面套合結果(帶陰影)

圖4　2．5維地圖疊加管線矢量

5　結 語

結合CityEngine建模平臺支持二維GIS數據基于規則快速構建三維場景的優勢以及平行投影無縫拼接的特點,本文設計并實現了三維體塊模型和精細模型生成及平行投影2．5維地圖自動生成方法。該方法實現了真實三維體塊模型和精細模型以及真實光照效果,通過規則將二維GIS數據和三維GIS模型進行掛接,有利于GIS數據可視化的廣泛應用。進一步的研究工作是基于CityEngine,支持地質、建筑、地面、道路、植物、附屬設施等城市三維模型的規則化建模和分析,構建豐富的建模規則庫,實現豐富地圖應用。

參考文獻

[1] 宋珉,劉鵬超,趙維等．2．5維地圖制作算法研究與實現[J]．城市勘測,2010(5):104～106．

[2] 阮明,譚慶濤,王文瑞．2．5維地圖坐標轉換的算法及實現[J]．城市勘測,2012(2):78～80．

[3] 李鋒,明鏡,王昌翰．移動終端離線電子地圖應用框架研究[J]．測繪科學,2013,38(6):129～130．

[4] 呂永來,李曉莉．基于CityEngine平臺的高速鐵路建模方法的研究與實現[J]．測繪,2013,36(1):19～22．

[5] 張暉,劉超,李妍等．基于CityEngine的建筑物三維建模技術研究[J]．測繪通報,2014(11):108～112．

Li Feng
(Chongqing Survey Institute,Chongqing 400020,China)

Generataion Method and Application of 2．5-Dimensional Map Based on CityEngine

Abstract:Aiming at the requirements of the 2．5-dimensional city map,this paper designes and implements a generation method of 2．5-dimensional map based on CityEngine,with 3d block models and fine models generation and automatic map producing using parallel projection．The main features of the method are rule-based modeling of vector data and coordinate automatic registration．Compared with the method of 2．5-dimensional projection surface generation using GIS software,the method supports real 3d block models and fine models and real light effects and will help to GIS data visualization applications by rule-based connecting 2d-GIS data and 3d-GIS models．

Key words:CityEngine;2．5-dimensional;rule based modeling

文章編號:1672-8262(2015)04-20-04中圖分類號:P208．2

文獻標識碼:A

收稿日期:?2015—04—22

作者簡介:李鋒(1983—),男,工程師,主要研究方向為GIS應用和城市三維GIS。

基金項目:國家測繪地理信息局青年學術和技術帶頭人科研計劃項目(201405);重慶市應用開發計劃項目(cstc2014yykfB40004)。