基于CityEngine 的三維虛擬校園構(gòu)建

張獻(xiàn)偉 劉衛(wèi)軍 楊志強(qiáng)

（新疆工程學(xué)院土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊830091）

自然資源部將于今年起推動(dòng)實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)，目前，智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)試點(diǎn)城市總數(shù)達(dá)50 個(gè)[1]。隨著三維數(shù)字建模技術(shù)的發(fā)展，眾多優(yōu)秀的 GIS 軟件公司也相繼推出了各自的三維 GIS 軟件[2]。傳統(tǒng)的三維建模方法是運(yùn)用專門的三維建模軟件對(duì)建筑物手工進(jìn)行繪制，具有很高的模型精度也比較美觀，但對(duì)于海量的三維模型就顯得力不從心。

CityEngine 以計(jì)算機(jī)生成建筑模型作為設(shè)計(jì)語言[3]，通過規(guī)則對(duì)空間三維模型進(jìn)行定義與描述，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精細(xì)建模。利用CityEngine 進(jìn)行校園三維建模可以同時(shí)兼顧速度與建模質(zhì)量。借助 CityEngine 平臺(tái)獲取建筑物的三維信息描述和數(shù)字平臺(tái)搭建，可實(shí)現(xiàn)校園場(chǎng)景和三維地理位置融為一體進(jìn)行全方位場(chǎng)景瀏覽、查詢校園構(gòu)筑物信息，使用戶獲得身臨其境的感覺。

本文以新疆工程學(xué)院新校區(qū)為例，獲取校園 googleeearth 高分影像、數(shù)碼建筑紋理貼圖，以 CAD 校園平面圖和高分影像的二維校園為參考，完成校園內(nèi)地物的矢量化，利用 CityEngine 軟件構(gòu)筑三維模型及場(chǎng)景，利用紋理貼圖進(jìn)行建筑物構(gòu)筑，建立具有界面動(dòng)態(tài)瀏覽、實(shí)景查詢等功能。

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1 影像數(shù)據(jù)及CAD 數(shù)據(jù)

采用的影像圖數(shù)據(jù)是來自軟件自帶的Get Map Date 功能獲取的。

對(duì)校園的規(guī)劃圖CAD 數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，將需要用到的建筑物及地面數(shù)據(jù)進(jìn)行保留其余數(shù)據(jù)整改，盡量使數(shù)據(jù)貼合學(xué)校建筑物的現(xiàn)狀。

1.2 紋理貼圖數(shù)據(jù)

采用分辨率較高的手機(jī)來得到建筑物紋理貼圖數(shù)據(jù)，建筑物頂端貼圖采用影像圖數(shù)據(jù)。在用高分辨率的手機(jī)獲取紋理數(shù)據(jù)，在完成紋理數(shù)據(jù)采集工作后將圖片導(dǎo)入美圖軟件中對(duì)圖片進(jìn)行后期處理，使影像更加清晰、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

2 主要建筑物矢量化

在手工創(chuàng)建完道路網(wǎng)后軟件會(huì)在各道路之間自動(dòng)形成街區(qū)，各街區(qū)內(nèi)即可對(duì)校園內(nèi)主要建筑物及草地、荒地、硬化路面等地物進(jìn)行矢量化，對(duì)教學(xué)樓和實(shí)驗(yàn)樓等較為復(fù)雜的建筑進(jìn)行切分，保證后續(xù)調(diào)整中只需部分調(diào)整并不影響整棟建筑。

3 建筑物三維模型

建筑物的三維建模方法一般分為以下幾個(gè)步驟：

3.1 需要對(duì)所研究的區(qū)域的整體情況有大致的了解并進(jìn)行勘察工作。需要明確某些地區(qū)的建筑物和影像圖的差別及某些建筑和地物已經(jīng)滅失然而影像圖卻依然存在，要做好標(biāo)注。確定建筑物的總高度和每層高度，在后期貼圖時(shí)可以對(duì)每一層和底層進(jìn)行分開貼圖建筑物的還原度會(huì)更好。

3.2 矢量化完成后選中建筑物地塊將其拉伸到所測(cè)量高度。

3.3 當(dāng)建筑物立面比較復(fù)雜或有凹凸時(shí)需要進(jìn)行分割操作。校園的建筑大多比較規(guī)則，相對(duì)于城市大量復(fù)雜的建筑較容易建立三維模型，因此可以不采用規(guī)則建立模型。教學(xué)樓拉伸成圖如圖1。

圖1 建筑物白模

4 貼圖處理與場(chǎng)景發(fā)布瀏覽

立面外觀貼圖時(shí)，主要有外觀建模和手工貼圖兩種，對(duì)墻體進(jìn)行紋理貼圖可以極大的增強(qiáng)建筑模型的逼真效果，是模型真實(shí)的重要基礎(chǔ)，本文涉及的建筑物比較少選用手工貼圖，貼圖處理前后如圖2 所示。

圖2 貼圖處理前后對(duì)比圖

建立場(chǎng)景后，可以將場(chǎng)景模型發(fā)布到Web Scene 上與他人共享，發(fā)布前確保所有圖層處于可見狀態(tài)，選中場(chǎng)景內(nèi)所有模型導(dǎo)出到CityEngine Web Scene, 以3D Web Scene Viewer 打開，如圖3 所示。在該平臺(tái)下還可以對(duì)場(chǎng)景內(nèi)的建筑進(jìn)行搜索和定位，如圖4 所示。

圖3 場(chǎng)景發(fā)布與瀏覽

圖4 搜索與查詢

結(jié)束語

本文基于CityEngine 平臺(tái)對(duì)高校內(nèi)的主要建筑物和道路網(wǎng)進(jìn)行探討，通過搜集資料獲取了校園內(nèi)的主要建筑如教學(xué)樓、宿舍樓、實(shí)驗(yàn)樓等，對(duì)主要建筑進(jìn)行了建模并創(chuàng)建較符合實(shí)際情況的校園三維場(chǎng)景圖，實(shí)現(xiàn)校園場(chǎng)景發(fā)布與瀏覽、數(shù)據(jù)查詢等功能。