隨著科技的進步, 三維GIS技術目前已成為測繪領域研究的熱點, 相對與傳統的二維GIS技術而言, 三維GIS有著二維GIS無法比擬的優勢。隨著現代城市的迅猛發展, 城市規劃領域已經越來越依賴于三維建模技術的輔助與支持, 三維GIS以其更真實、更直觀的立體模型展示, 為城市建設的方方面面帶來了更好的體驗。[1]傳統手工建模方式雖然也能得到逼真的三維城市效果, 但需要投入大量的人力物力, 得到的模型卻僅供瀏覽, 沒有建立達到信息與數據庫之間的聯系, 不能對建筑信息進行有效管理, 并在各種審核監管工作中難以滿足用戶需求。[2]由此我們利用ESRI公司下的三維建模軟件City Engine對建筑進行建模, 并應用了BIM的思想對建筑的相關參數信息進行數據庫建立, 再通過編寫功能腳本實現對建筑信息的科學管理, 以達到在模型視覺觀賞性的基礎上實現了對模型信息的數據化管理與應用。
一、基于City Engine的三維建模流程及關鍵技術
與傳統建模軟件不同, City Engine建模是通過編寫參數化的CGA規則生成建模, 并且可以批量生成?；贑ity Engine是ESRI公司軟件體系下的一部分, 其建?；A數據主要來源于現有的GIS空間數據, 即利用帶有詳細屬性信息的shapefile文件數據作為建模的原始數據, 再通過一系列CGA規則編寫達到快速建模的效果。
本文以佛山科學技術學院的基礎實驗樓為例, 整體流程如圖1所示, 通過前期對數據的采集, 利用電子版底圖進行數字化處理并在ArcGIS中添加屬性, 然后導入到City Engine中進行規則編寫建模。為了更好地展現信息管理功能, 本文選取基礎實驗樓5樓的一間電腦機房進行功能實現, 借助3DsMAX及Sketch Up等建模軟件進行局部精細建模, 最后通過City Engine中腳本的編寫實現BIM功能。
(一) 數據的采集
數據采集對于建模來說非常重要, 將影響到制作過程中模型的好壞, 其主要分為兩個部分:
1. 建筑物尺寸數據
在對建筑物進行建模之前, 需要獲取建筑物內外的長寬高等信息, 故首先利用測量儀器對建筑物外部進行整體勘測, 得到較為準確的數據之后, 對數據進行預處理, 通過計算確保每一個數據在建模拼合過程中使得建筑物每一層樓能較為完好地拼合在一起。再利用卷尺測量電腦機房的門、窗、桌子的長寬高等信息, 得到基礎數據。
2. 建筑物紋理數據
紋理數據是指附著在建筑表面的彩色圖案, 其影響建筑的美觀。在紋理數據采集過程中, 如果進行全部紋理采集工作量將非常大, 采集過程也較為困難, 能否完美拼合將很大程度決定建筑物的外形, 所以在紋理采集工作中, 要將紋理進行分類, 不同紋理應當區分, 相同紋理可共同使用一個紋理貼圖。由于實地采集的紋理數據在分辨率、角度、尺寸、色調等方面不統一, 不能滿足三維模型紋理貼圖的需求, 所以需要對原始數據進行處理。[3]
(二) 底圖數字化處理
利用已有的掃描版底圖, 先在Auto CAD中進行底圖的描繪, 這個過程中需要利用實際測量的尺寸對比掃描版底圖的尺寸, 得到對應比例, 在描繪完成底圖之后再按照這個比例進行相應的放大縮小, 為減少誤差, 這期間需要描繪修改多次, 確保與實際的吻合度和準確性。描繪工作完成之后, 利用Arc GIS軟件將CAD文件轉換為Shapefile文件, 由于此時的shapefile文件主要以線為主, 考慮到建筑物的墻是具有厚度的, 而不是由一條線拉伸而來, 所以在此基礎上對shapefile文件生成緩沖區, 厚度為墻的厚度。接著對shape file文件進行屬性信息完善, 添加在建模過程中所需要的屬性, 其中重點完善基礎實驗樓的電腦機房里物體的屬性信息。
(三) 建筑物的三維建模
City Engine程序化自動建模是基于CGA規則定義了一系列的細節算法規定模型生成, 越來越相近地迭代進化模型[4,5]?；诘貕K實際的建筑樣式, 通過編寫詳細的CGA規則, 讀取建筑物的所有屬性信息, 并根據樓層數 (floors) 字段對建筑進行拉伸、細化和貼紋理[6]。圖2a是一個基礎的CGA規則, 而圖4b是該圖層屬性查看窗口。將CGA規則應用到相對應的底圖 (圖2c) 中, 即可迅速生成需要的模型并賦予紋理貼圖, 根據City Engine參數化的規則編寫方式, 在模型細節調整時, 可直接修改模型參數, 實現交互式的模型調整。[7,8]可發現在生成的模型 (圖2d) 與傳統的建模方式不同。
(四) 腳本的編寫
完成建模部分之后, 為了更好地將所建的模型得到功能上的提升, 就需要借助python腳本實現, 本文所研究的對BIM功能就需通過腳本的編寫來實現這一過程。本項目一共有3個腳本, 以實現不同的目的功能。
(1) 漫游腳本, 通過設置攝像機的坐標、時間以及三個角度的參數來調整攝像機的方向和位置, 已達到較好的視覺體驗和模型觀賞;
(2) 位置腳本, 在Arcmap中設置物塊的標識編號, 且是唯一的, 通過city engine的接口功能提取每一塊地物的屬性編號, 經過遍歷得到該物塊, 獲取該物塊的攝像機參數達到位置查詢的目的。
(3) 物體信息查詢, 通過點擊需要查詢的物體, 運行腳本獲取該物塊屬性便可查詢物體信息。
二、生成三維模型效果
完成之后的三維模型, 主要從整體和局部展示:
整體:
如圖3。
局部:
如圖4。
三、在City Engine中構建BIM模型
(一) 主要功能
1. 對基礎樓整體進行漫游
在作品中, 我們通過規則的編寫實現對實驗基礎樓模型的構建, 細到以一面墻體、一塊房間地板為單位, 通過編寫腳本, 以便實現在漫游過程中的觀賞性與交互性, 獲取用戶對樓層結構的整體認知。
2. 對室內BIM模型的定位及查詢
通過腳本的編寫, 可以實現對室內 (505課室) 物體的定位, 并快速獲得該物體的屬性信息, 極大地增強了建筑維護機制。這也就是我們作品的特色所在, 也符合當下建筑產業的發展趨勢。
(二) 特點
1. 基于BIM數據構建起來的精細建模
本作品, 側重于BIM數據的構建。而BIM數據的構建嚴格按照BIM的設計原則, 并且不借助于第三方BIM建模軟件?；谶@些BIM數據, 在后期的建模中, 通過在city engine中關聯字段, 對每一堵墻、每一塊地板都進行了規則的編寫, 實現了科學可控的精細建模。此外, 在紋理及其各種貼圖的呈現上, 力求細致、真實, 將一磚一瓦等細節都細致地體現出來, 并且也很大程度實現了對每一面墻紋理的一一對應。這大大打破了city engine粗略建模的傳統。
2. BIM模型的應用
在city engine的環境下, 利用BIM管理模型數據, 可對整體模型進行科學系統的功能實現, 包括對物體的定位及屬性信息的查詢。這就說明本作品不僅僅是作為一個供以觀賞的模型, 而是擁有數據支撐的可管理更新的模型, 這是本作品的一個亮點所在。
(三) 應用價值
本項目是以佛山科學技術學院的一棟重要建筑——基礎樓為例, 對其進行精細建模。我們的核心在于構建出BIM數據模型, 有了屬性數據的支撐, 可對整棟建筑進行科學信息化的管理, 可輕易地實現需求人員在無線端熟悉該地區的地理環境與樓層構造, 以便提供路線和位置查詢;再者, 快速便捷地得知需求物體的準確位置和屬性信息。以此為例, 在不同行業中, 可根據其不通過的需求將數據不斷地豐富, 應用到相關領域的方方面面, 大大提高了三維建模的應用價值。
四、建模過程中體現的優勢與不足
使用City Engine可以利用二維數據快速創建三維場景, 并能高效的進行規劃設計, 構建BIM數據模型, 發揮其可視化、虛擬化、協同管理、成本和進度控制等優勢, 將極大地提升工程決策、規劃、設計、施工和運營的管理水平, 減少返工浪費, 有效縮短工期, 提高工程質量和投資效益。
(一) BIM數據建模的優勢
在建模方面:過程式建模與交互式建模有一個很大的區別:過程式建模速度慢, 效率較低, 且其信息冗余較大, 幾何紋理等增大了幾何復雜度, 同時增加了場景的內存開銷不易存儲, 這是文件通常會很大;而交互式建模不同于過程式建模, 其將人的語義識別能力和計算機在計算方面的優勢相結合, 建模速度很快, 沒有復雜繁瑣的過程, 大大滿足了日益增長的建模應用需求, 且其信息輕量、已存儲, 并可對模型進行部件級編輯處理, 構建出具有真實感的三位模型。
在實現BIM上:傳統方法實現BIM功能是使用第三方軟件例如Autodesk Revit通過對過程式建模后的模型進行屬性信息編輯, 其工作量較大, 需要對模型的每一個部件屬性進行編輯, 容易混亂。而在使用City Engine建模前期我們已經對交互式建模的底圖屬性進行規范化編輯, 進行交互式建模之后利用City Engine腳本功能調用先編輯好的屬性表進行BIM技術的實現。
(二) BIM數據建模的不足
City Engine在三維建模上的應用并不是很廣泛, 其功能也還未像普通過程式建模那樣被大眾所知。相對于過程式建模而言, City Engine更適合批量建模, 其精細度要小于過程式建模軟件, 要達到與過程式建模相同水平的精細度, 需要花費較多時間去細化, 且難度較大。在部分建模方面例如道路建模, 經常會因為坡度問題而導致道路邊緣角度外側出現裂縫、替換模型時經常找不準軸向, 需要多次嘗試不同軸向才能找到最佳軸向。但總體上講, 不管是交互式建模還是過程式建模, 都各有優缺點, 作為后起之秀的City Engine不久將會被廣泛使用, 功能也逐步完善, 所以其發展前景也是不可估量的。
五、結語
本文通過City Engine分析了從最基礎的數據到模型建立的整個過程, 利用CGA規則實現建模, 在較好地利用二維GIS數據的同時提高了三維模型制作的效率, 也證明了即使是批量建模軟件也能在精細的細節處理上精益求精。重點在于實現BIM功能, 利用ArcGIS軟件所有的文件帶有自身存儲屬性信息的功能, 對物體信息進行完善, 通過在City Engine中腳本的編輯調用物體的屬性信息, 實現了模型信息的查詢功能。
摘要：隨著數字城市建設的推進, 三維場景建模的研究日益受到重視。本文將探討基于CityEngine軟件的參數化建模技術, 以佛山大學為例, 借助AutoCAD軟件生成的基礎實驗樓結構圖等數據, 通過CGA規則生成外部建筑的基本流程。在此基礎上實現了室內精細建模, 以快速高效地實現校園建筑可視化。近期幾年, 以建筑信息模型為核心的BIM技術之發展與應用, 在營造建筑產業已蔚為一股不可小覷之趨勢。BIM技術它是利用計算機軟硬件技術, 通過建筑信息模型的創建和使用, 實現建筑信息有效傳遞和共享的技術。因此后期我們著重利用CityEngine中腳本的編輯功能應證了對建筑信息管理 (BIM) 的可行性, 擴展了參數化建模的應用領域。
關鍵詞：CityEngine,建模,CGA規則,建筑信息管理 (BIM)
參考文獻
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