CityEngine與ArcGIS結合的輔助道路規劃設計

劉茂華，楊 洋，岳 強

(1. 沈陽建筑大學交通工程學院，遼寧 沈陽 110168； 2. 上海華測導航技術股份有限公司，上海 110122)

CityEngine與ArcGIS結合的輔助道路規劃設計

劉茂華1，楊 洋2，岳 強2

(1. 沈陽建筑大學交通工程學院，遼寧 沈陽 110168； 2. 上海華測導航技術股份有限公司，上海 110122)

結合CityEngine與ArcGIS構建了一種基于三維道路模型的道路設計方案快速集成和實時模擬的輔助規劃設計平臺。CityEngine參數化建模軟件基于CGA規則語法的建模技術，可以對道路的三維模型進行批量化快速構建，在此基礎上借助ArcGIS的空間分析功能，可以開展地形分析、斷面分析、土石方計算等輔助規劃管理等工作，為道路規劃、設計、管理部門提供了一種將可視化的設計成果進行三維展示的技術手段，幫助設計人員提高了工作效率與方案質量，為評價和決策者提供了直觀、便捷的評價及決策依據。試驗證明，通過將CityEngine參數化建模軟件與ArcGIS的空間分析功能相結合，開發的城市道路三維可視化輔助設計平臺可以直觀、準確地展現城市道路設計方案，并在此基礎上對道路三維模型進行空間分析，輔助決策者對方案進行評價及改動；該平臺有利于不同專業工作者之間的協同配合，可以顯著提高道路設計工作的技術水平和工作效率，對于推動道路設計工作由二維向三維轉變具有重要意義。

CityEngine；參數化建模；空間分析；道路輔助設計

城市道路的規劃設計是需要多個行業協同配合，且必須保證各階段有序順暢進行的一項十分復雜的系統工程。隨著我國建筑業的飛速發展，我國城市道路工程的施工技術水平也隨之提高，從而對工程施工的工期和工程質量的要求也越來越高，這樣就給道路規劃設計各階段的設計，以及施工人員在數據交流和方案溝通上提出了更高的要求[1-3]。現階段，計算機輔助設計軟件(以AutoCAD為主)或基于這些軟件的二次開發，仍是我國道路規劃設計部門所采用的主要技術方法，如鴻業和緯地這種基于CAD二次開發的軟件應用得最為廣泛[4]。這種面向過程的二維設計方式經過長期的應用實踐雖已成熟和完善，而且其設計成果也較利于工程出圖，但是卻存在成果展示不直觀、數據交互能力差等諸多不足，不利于GIS軟件對設計對象進行空間分析[5]，也不利于設計過程和設計成果在各專業間的信息傳遞、展示和共享，同時設計理念、結構展示和成果表達都不夠直觀，嚴重影響了工程建設的效率。本文將以基于CityEngine的CGA規則語法構建的城市道路及附屬設施的三維模型為基礎，以輔助城市道路規劃設計為目的，借助ArcGIS的空間分析功能開發三維環境下的道路規劃設計成果分析展示平臺，以協助道路規劃設計工作中各行業人員間進行直觀便捷的方案交流，使道路規劃設計更加高效[6]。

一、道路規劃設計現狀

三維建模技術的興起為建筑設計行業帶來了新的機遇，在建筑物的三維建模技術已經趨于成熟與完善的基礎上，人們開始關注三維道路模型的應用。現階段基于AutoCAD及其二次開發的軟件進行道路規劃設計仍是我國城市道路建設工作中普遍采用的方法，該方法借助二維圖形表達設計成果，只在最終的成果展示階段才將可視化的三維模型作為成果展示的一種手段。這種在二維軟件中進行道路規劃設計，再把二維的設計成果導入三維建模軟件中構建三維模型的技術手段，只能單向進行，生成的道路三維模型將無法再導回到二維設計軟件中進行修改，即不能實現二三維的聯動，由于無法對設計成果進行實時改動，大大增加了工作量[7]。目前，基于三維GIS平臺的城市道路設計和管理技術日趨成熟，為交通規劃提供了可視化的空間地理信息服務[8]。因此，借助三維GIS平臺推動城市道路規劃設計工作由單向的二維方式向三維可視化方式轉變是城市道路建設發展的必然趨勢[9]。如果將三維建模技術應用在道路規劃設計的三維可視化當中，可以真實地表現出設計與規劃方案，并可以此為依據對方案進行分析，評價方案是否合理、與周圍環境是否協調。在市政設計行業，基于三維地理環境輔助道路設計已得到了一定范圍的應用。但受限于當前主流的計算機輔助設計平臺和設計流程，包括Civil 3D、鴻業市政設計軟件等都只是將三維技術作為一種展示手段，沒有體現三維輔助分析的優勢；另一方面，CAD平臺對三維成果的支持能力較弱，難以應用于大范圍的成果展示中。與傳統的基于計算機輔助規劃體系的二維技術手段相比，三維環境下的成果分析具有交互性好、真實感強等特點，真正實現了設計過程中的所見即所得。本文將基于CityEngine的三維城市道路建模成果，結合ArcGIS空間分析功能，根據道路規劃設計方案的實際需要，研究如何基于CityEngine參數化建模軟件和ArcGIS空間分析功能開展道路規劃設計，進行坡度分析、斷面分析、填挖方計算等，為道路規劃設計提供可視化的輔助手段[10]。

二、基于三維GIS平臺的輔助道路規劃設計思路

基于CityEngine的三維建模技術與ArcGIS空間分析功能相結合的輔助道路規劃設計平臺[11]，首先利用基礎測繪數據生成逼真的三維城市道路模型；再對模型進行紋理貼圖，能夠十分真實地展現出城市道路的空間狀態；同時還可以進一步對地下管線進行建模，形成地上地下一體化的三維數字模型，也就是在二維基礎測繪數據的基礎上，構建真實、直觀、立體化的三維模型，可視化表達城市道路的空間信息。

在三維城市道路輔助規劃設計平臺上，可以完成道路空間屬性的查詢和分析、初步規劃設計成果的三維可視化展示、道路規劃設計數據的二三維聯動、平縱橫設計成果圖表生成和土石方量計算等，為道路規劃設計方案提供了可視化的輔助決策平臺，如圖1所示。因而，CityEngine與Arcgis相結合的三維城市道路輔助規劃設計平臺能方便各行業各階段的設計人員之間的溝通，加快設計進度，提高道路規劃設計人員的工作效率。

圖1 城市道路三維輔助規劃決策平臺的系統架構

三、城市道路三維場景的快速生成

城市交通線路在城市內部穿行，不可避免地會與城市建筑、地下管線等結構物發生沖突，而現有的二維線路設計模式無法直觀地展現城市建筑、地下管網等構筑物的精確位置和規模。目前，城市三維場景建模的方式主要是通過三維建模軟件制作單體模型，并導入三維GIS環境，效率低下，不能適應快速設計的要求。

CityEngine所具有的利用二維基礎數據快速批量、參數化創建三維場景的優勢，不僅能提高城市道路規劃設計的效率，還可以實時與GIS軟件進行空間數據交互[12]，實現由“數據”到“場景”的直接快速建模過程，快速生成真實準確的大范圍城市三維場景。CityEngine建模采用的是基于規則的建模方法，即使用CityEngine內置的CGA(computer generated architecture)語言編寫的規則文件(CGA規則)，通過賦予不同地塊相應的CGA規則，從而進行自動化建模的方法。

CGA文件包含了一系列決定模型如何生成的規則，即包含了一系列的幾何和紋理特征設置函數。基于CGA規則的建模思想是根據建模對象的屬性編寫建模的初始規則，并根據設計方案的需要進行迭代優化，對模型進行細化[13]。建模常用規則見表1，建模簡單流程如圖2所示。

表1 道路建模常用CGA語法表

圖2 CityEngine三維建模流程

三維道路建模的主要流程如圖3所示。

1) 利用Python腳本函數createShape生成道路地塊，將OBJ模型置于另一圖層；利用setName對道路地塊命名，名稱中包含道路的相關屬性。

2) 使用CGA函數comp和split按橫斷面圖式將道路地塊劃分為機動車道、非機動車道、分車帶、人行便道等部分。

3) 使用CGA函數exturde對分車帶和人行便道向上拉伸。

4) 再次使用comp和split對各部分進行劃分。

5) 對劃分的各功能帶使用texture粘貼相應紋理，使用i插件在相應的位置插入樹木模型、路燈模型、交通信號燈模型等。

四、系統主要功能的設計與實現

以CityEngine為平臺基于CGA規則構建的三維城市道路模型，導出后可應用到基于ArcGIS二次開發的三維道路輔助設計系統當中進行進一步的分析。

1. 地形分析

城市道路施工建設中的地形分析主要是對坡度坡向的分析。其中坡度是城市道路用地適宜性評價中重點考慮的對象，二者成反比關系，通常坡度越小用地適宜性就越好，當地形坡度過大時就要結合設計方案對道路用地進行填挖方改造；同時，坡向也是需要重點考慮的內容，這些分析都通過對DEM進行數據計算和分析來實現。

在ArcGIS Engine中，TIN表面的坡度和坡向計算是通過調用Analyst 3D Tools類庫中的GP工具實現的。實現思路如下：

1) 添加Analyst 3D Tools引用，選擇Analyst 3D Tools中的SurfaceSlope類和SurfaceAspect類，并將其實例化。

2) 設定SurfaceSlope對象和SurfaceAspect對象的in_surface屬性(TIN文件的路徑)和out_feature_class屬性(結果保存路徑)。

3) 調用Geoprocess的Execute方法運行GP工具，并將結果顯示出來。

系統運行結果如圖4所示。

圖4 城市道路三維輔助規劃決策平臺坡度分析運行結果

2. 剖面分析

剖面線反映的是道路表面高程的變化情況，在城市道路建設工程上經常需要提取道路剖面圖，該項設計與交通安全、道路功能、城市景觀等方面具有直接的關系[14-15]。

在ArcGIS中，對于剖面線的繪制通常采用該區域的TIN表面，運用ISurface接口的GetProfile方法。實現思路如下：

1) 在表面繪制一條線。

2) 運用ISurface接口的GetProfile方法獲取沿該線的剖面線。

3) 讀取剖面線的屬性，并將其在坐標系中顯示出來。

系統運行結果如圖5所示。

3. 填挖方計算

填挖方量的計算結果作為一項重要的可量化的工程經濟指標，能夠直接反映出城市道路規劃設計方案是否合理。當前傳統的基于計算機輔助設計軟件的填挖方計算只適用于小范圍內的土方計算，對于較大范圍(數平方千米以上)的計算，這些軟件效率不高。與傳統方法相比，ArcGIS軟件所提供的填挖方計算功能則可以很好地適用于較大范圍內的填挖方計算。

要分析填挖方首先要有兩套地表面，如現狀地表面和規劃地表面，然后才能進行對比分析。土方填挖計算是指計算規劃前地表和改造后地表的體積差值的過程，差值為正時需要進行挖方作業，差值為負時則需要進行填方作業。在三維環境中，道路工程的土石填挖量計算實際上是對道路三維模型表面經細化后的每個三角面上的填挖方量計算，經過統一的算法，既實現了軟件設計模式的模塊化，又保證了填挖方計算的準確性。

在ArcGIS Engine中，計算填挖方量的操作通過添加或移除道路地形表面的物質實現對地表高程的修改，這一過程通過調用ISurfaceOp接口的CutFill方法來實現，該方法的原型如下：

public IGeoDataset CutFill(

IGeoDatase beforeGeoDataset,

IGeoDataset afterGeoDataset

ref object zFactor);

填挖方計算的實現思路為：

1) 獲取輸入填挖前后的刪格數據集。

2) 調用ISurfaceOp接口的CutFill方法，返回填挖方數據。

3) 顯示填挖方數據。

運行結果如圖6所示。

五、結束語

本文在三維GIS基礎上，基于CityEngine和ArcGIS軟件構建了面向道路規劃設計的平臺，不僅實現了對設計成果圖形的整合，也實現了設計信息的整合，得到了城市道路三維模型，并可在此基礎上開展參數化的道路設計及分析工作，實現了對方案的動態調整和實時模擬，增強了方案設計的效率和科學性，解決了傳統CAD設計軟件分析能力弱、三維GIS手工建模難以調整等兩方面的問題。

CityEngine參數化建模與ArcGIS空間分析功能相結合的城市道路三維輔助規劃決策平臺，對于提高道路設計的技術水平、推動設計方式由二維向三維轉變等方面具有顯著優勢，不僅有助于不同專業的設計人員之間的協同配合，提高工作效率，決策者也可以憑借直觀的三維模型對道路設計成果提出自己的見解，有效參與到道路的設計過程。由此可見，充分利用城市道路三維輔助規劃決策平臺實現道路設計各階段的信息化、可視化，是道路規劃建設發展的必然趨勢。

[1] 董春華,胡建平,王麗,等.基于CityEngine的數字城市快速建模技術研究[J].城市建筑,2015(14):207-208.

[2] 陳良超.三維數字城市在道路規劃設計中的應用研究[C]∥2013中國地理信息產業大會論文集.濰坊：[s.n.]，2013.

[3] 肖勇維.路橋施工質量控制措施[J].城市建設理論研究(電子版),2013(7).

[4] 何興富.基于數字地形模型的道路三維可視化及其應用[C]∥交通工程測量技術研討交流會論文集.廈門：[s.n.],2011.

[5] 王陽生.基于數字地形的三維道路快速建模與應用[J].北京測繪,2014(6):36-39.

[6] 薛梅,向澤君,陳良超.重慶三維數字城市技術創新與實踐[C]∥海峽兩岸城市地理信息系統論壇2012年會.開封：[s.n.]，2012.

[7] 呂天青.新建城市道路工程設計方案評價研究[D].武漢：武漢科技大學,2013.

[8] 陳良超.三維數字城市在道路規劃設計中的應用研究[J].地理信息世界,2013(6):33-37.

[9] 何興富.基于三維地形模型的道路選線與可視化模擬[J].城市勘測,2011(3):19-21.

[10] 王陽生，何興富.一種道路參數化快速建模技術與應用[J].城市勘測，2014(4):68-71.

[11] 丁海峰.基于SketchUp的小區可視化信息系統研究[D].南京:南京工業大學,2011.

[12] 王璐,朱小燕,谷中仁.基于CityEngine的校園三維模型建模研究[J].電子世界,2015(21):30-32.

[13] 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(1):19-22.

[14] 艾效夷,王麗英.機載LiDAR點云數據平面特征提取[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2015,34(2):212-216.

[15] 何珊珊,郭彥,朱文海.道路交通網絡需求脆弱性指標的敏感性分析[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2014,33(11):1577-1580.

[16] 劉全海，冉慧敏，李樓.顧及地形特征的三維道路及景觀快速建模方法[J].測繪通報，2016(6)：30-34.

[17] 高陽，王留召，李明.車載激光彩色點云的道路標志線提取方法[J].測繪通報，2016(4)：28-32.

Study on Road Auxiliary Design Using CityEngine and ArcGIS

LIU Maohua，YANG Yang，YUE Qiang

2016-09-22

遼寧省科技廳公益事業基金(2015003004)；上海市科委項目(15511101600)；青浦區科委項目(2016-7)

劉茂華(1981—)，男，博士生，副教授，主要從事3S理論與應用的研究工作。E-mail:liumaohua1115@126.com

劉茂華，楊洋，岳強.CityEngine與ArcGIS結合的輔助道路規劃設計[J].測繪通報，2016(12)：64-67.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0403.

P208

B

0494-0911(2016)12-0064-04