基于CityEngine CGA规则建模在城市不同尺度场景的三维可视化应用.pdf

高质量发展专栏完善城市信息模型，构建城市大脑 赋能城市治理现代化 基于CityEngine CGA规则建模在城市不同尺度场景的三维可视化应用赵越，李昊（中规院（北京）规划设计有限公司）【摘要】为了能更好地解决在城市规划、智慧城市规划、交通规划等过程中的问题。文章通过ArcGIS对地理信息数据等多源数据的分析、处理和CityEngine CGA规则建模，旨在利用快速、批量创建城市不同尺度场景的三维模型来丰富辅助决策的技术手段，助力城市的高质量发展和精细化治理。【关键词】CityEngine；ArcGIS；三维模型可视化；场景中图分类号：P208 DOI：10.13655/ki.ibci.2024.03.002Three-dimensional Visualization Application of Modeling Based on CityEngine CGA Rule in Urban Scenes at Different ScalesZHAO Yue,LI Hao（CAUPD Beijing Planning&Design Consultants Ltd）【Abstract】In order to solve the problems in urban planning,smart city planning and transportation planning,this paper uses ArcGIS to analyze and process multi-source data such as geographic data,and CityEngine CGA rule modeling.The aim is to enrich technical approaches to assist decision-making and promote high-quality development and refined governance of cities by quickly and batch creating three-dimensional models of urban scenes at different scales.【Keywords】CityEngine;ArcGIS;3D model visualization;scene1 概述随着我国城镇化建设的快速推进和城市管理的发展，城市智能规划、智慧城市等取得了显著成绩。但是，目前城市规划仍存在重规划轻统筹，智慧城市中数据孤岛、信息烟囱问题依然严重1。依赖于新一代信息技术、虚拟现实等技术的发展，基于地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）、城市引擎（CityEngine，简称CE）2，建立的三维地理信息系统为新时期的城市规划信息化、智慧城市提供了强大支撑3。包含多时空、多维度、高分辨的地理空间数据的三维场景可以有效地辅助城市规划、建设、施工、管理运维等工作，为企业和政府的决策提供支撑。与传统手工建模软件和建筑信息软件相比，CE不仅能够兼容GIS数据，而且还可以大批量、高精细地规则创建大场景的三维模型4-5。近年来，许多专家学者基于GIS和CE三维建模应用在规划、建筑领域，如邝跃兵运用GIS和CE实现城市三维模型场景可视化、空间查询与分析6；李宏旭基于CE规则建模方法,实现了规划方案对比、建筑体量调整、规划指标计算等功能7；Jiang Yujie以湘西小溪传统村落为例，利用CE三维可视化研究了传统村庄空间形态的自成规律8；蔡周平等基于CE三维城市模型在智慧城市规划中的应用9。综上所述，国内外学者研究CE在总体规划、城市设计、数字城市等方面应用三维可视化方面的应用较多，本文基于GIS和CE软件及多类型数据，探索运用CE CGA规则建模在城市不同尺度场景的三维可视化方面的应用。2 研究方法从2001年帕斯卡尔米勒发明程序性的建模技术到2009年发布CE2009，最后被美国环境研究所收购并逐步实现了对GIS的融合支持。与手工精细建模软件（Sketchup、Rhino、3d Max等）、建筑信息模型软件（Archi CAD、Bentley Architecture、Revit、CATIA等）相比，作为批量参数化自动建模软件代表的CE的优势在于通过对各个模型的基本信息（楼高、层高、外立面等）生成规则的个性化定义（指令、代码等）并利用二维GIS数据来构建三维场景模型。其程序应用于整个场景并完成自动搭建，因此大大节10 高质量发展专栏完善城市信息模型，构建城市大脑 赋能城市治理现代化 省了时间成本，提升了建模效率。2.1 数据准备本文数据均包含地理坐标，主要有：某市建成区的建筑基底数据，包含楼高、用途性质等属性，CAD格式；某市建成区城市规划土地利用分类数据，包含容积率等各类地块信息，CAD格式；城市轨道交通数据，包含交通线、站点、各个出入口等信息，CAD格式；手机热力数据，以网格统计不同时间段的居住/就业人数等信息，CSV格式；设施POI数据，包含服务设施类型、地址、名称等信息，Shapefile格式（见表1）。表1 数据列表（来源：作者自绘）数据名称数据名称建筑基底数据城市规划土地利用分类数据轨道交通数据手机热力数据设施POI数据数据类型数据类型面面点、线网格点包含属性包含属性层高、是否是公共服务设施及其类别等位置、面积、用地类型、容积率、建筑面积等线路、站点、出站口、站点编号等获取日期、时刻、格网中心坐标点、格网统计人数（居住/就业）等服务设施信息点，包括信息点编号、名称、地址等数据格式数据格式CADCADCADCSVShapefile2.2 技术路线通过数据的收集，GIS与CE的相互配合，最终生成三维模型。各个步骤相互顺承、相互影响。基于CE CGA规则的三维建模流程图如图1所示。图1 CE CGA规则的三维建模流程图（图片来源：作者自绘）数据收集阶段：本文涉及到的数据基本通过网站获取、API获取和购买的方式。数据均含有地理坐标信息，方便后面在统一坐标系下精准落位、分析；数据处理阶段：通过 Python 和 GIS 的 model Builder等功能将多种数据格式批量转成符合导入CE 的数据格式（ShapeFile、FileGDB 等）。导入 CE后，由于数据的多样性，难免会出现数据不能精准贴合等问题，后续需要再次处理；CGA规则建模阶段：通过调节参数设置或者编写CGA代码，将二维数据生成三维模型，包括颜色、门窗纹理等细节渲染，有些个别的渲染需要单个手动调节；三维模型生成：最终生成的三维模型可以进行可视化展示、空间属性查询、对比分析和日照分析等功能应用，并且可以根据需要将三维模型转换成不同的输出格式（OBJ、3DS、DAE、FBX、ABC等）。2.3 建模规则与实现CE通过其独有的CGA规则，根据二维平面数据的各项属性定义规则、编写代码、生成具体的且包含细节的三维模型。根据本文研究内容涉及到的规则函数分析具体包括：定义函数attr、拉伸函数extrude、条件函数case.else.、set函数、切割函数split、颜色函数color、语法附注等。以下为本文具体建模规则和实现过程：1）建筑基底数据分层三维显示attr height=0Lot-extrude(height)buildingbuilding-split(y)3:flooldble|0.45:filetin*flooldble-/color(0,0.5,0.8,0.5)floorboxfloorbox-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业人口三维显示attr Floor=0attr FloorHeight=3.511 高质量发展专栏完善城市信息模型，构建城市大脑 赋能城市治理现代化 attr RK=0Colorattr Color=Lot-extrude(Floor*FloorHeight)MultiMulti-#color(#FF0080)case RK100&RK1000&RK3000&RKextrude(Floor*FloorHeight)MultiMulti-#color(#FF0080)case JY500&JY3000&JY6000&JY=11000:color(#AD5313)else:color(#6B0000)3 三维可视化技术研究运用随着城市的发展和技术的进步，三维模型在国土空间规划、交通规划、智慧城市等扮演的角色越来越重要。三维模型技术在经过了多年的发展，也逐步的应用到了各个行业。其优点如下：三维模型的可视化效果更为直观。三维模型可以直接展现城市地上、地下多种复杂的城市空间信息，直观的感受到城市空间结构和设施布局，方便城市工作者结合自身经验做出相关规划设计决策。三维模型强大的多维度分析功能可以提高工作效率。二维空间分析在面对复杂、大量、抽象的城市数据时，表现出明显的劣势和局限性。三维模型不仅在系统上包含了二维空间分析的功能，而且还可以进行日照分析、空间扩散分析、透视性分析等多维度分析。此外，三维模型通过扩展还可以多人线上同时讨论、修改、决策，增强了响应速度、体验感、工作效率和用户与模型之间的实时交互性。CE作为三维场景建模软件的代表广泛应用于空间规划、城市交通等方面，尤其是智慧城市、建筑设计、轨道交通等领域。郭容昱通过CE批量化的三维建模，可以迅速实现城市不同尺度场景的构建10。本文分别从宏观和微观不同层面来研究CE规则建模对于不同要素和指标在三维场景中的展现和分析。这种程序规则建模可以将二维矢量数据批量且自动的创建三维场景，在减少了成本和建模周期的同时，实现了所见即所得的空间设计，更是通过与GIS集成保证了空间精度和属性的一致。3.1 宏观层面城市宏观大场景的三维模型对高精度地理信息数据的可视化，直观且全面的展现城市空间格局、发展联系。通过全域、全周期的分析海量城市数据实现对城市现状、规划项目全要素、全过程的三维可视，识别城市发展现状问题，更好的服务于规划城市的发展方向和设施布局。交通方面，通过对道路交通现状、交通模拟、职住关系、轨迹预测等分析，可以有效的支撑未来交通道路规划建设和管理。土地管理方面，通过土地现状数据、地理信息数据、规划数据、政府招拍挂等数据，可以在提升土地配置效率和资源节约的基础上实现土地出让、划拨、招商等方面的土地管理工作。图2和图3分别为基于CE CGA规则批量生产的三维模型可视化大场景建筑物生成并且附加居住人口、就业人口、土地容积率等信息（见图2、图3）。图2 城市宏观层面三维模型可视化建筑上附加居住/就业人口（图片来源：作者自绘）12 高质量发展专栏完善城市信息模型，构建城市大脑 赋能城市治理现代化 图3 城市宏观层面三维模型可视化地块容积率且建筑上附加居住/就业人口（图片来源：作者自绘）3.2 微观层面宏观层面的CE三维建模可以为城市的规划和发展的大方向提供支撑，但方案的评估、项目的落地、政策的实施都是在社区、街道、轨道站点等微观层面。根据需求，微观层面的三维模型可视化可以展现地上地下一体化设计（见图4），分析街道沿线一定范围内的三维建筑模型之间或指标间的关系，通过CE三维漫游会有更直观的表现。轨道站点周边，通过微观三维建模，可以展现出站点与各类公共服务设施的关联关系（见图5），如站点到文化设施的最短路径。此外，在微观场景中局部融入Sketchup、3d Max等制作的更加精细化三维模型或者BIM建筑信息模型，并且可以通过预留接口引入AR，VR，MR，通过真实与虚拟场景加强人与环境的交互，用于展览馆、博物馆、科技馆等文化传播、展示和交流。4 结语在城市发展的转型期，社会高质量发展对精细的三维场景的需求越来越多。三维模型作为城市空间数据的重要载体直接可以应用到城市的规划、建设、管理、运营的各个阶段。文章表明，基于CityEngine CGA规则的不同场景的三维模型可视化，能够快速展现规划设计方案、进行多维分析，并实现不同规划设计的对比，是一种非常高效的技术手段。此外，未来通过 CityEngine 与大数据、人工智能的链接，可以实现城市人口、交通、环境等城市多种复杂业务场景的智能化分析，更好地为城市的数字化转型提供支撑。图4 城市微观层面三维模型可视化地下站点、地铁线路、地上建筑附加居住/就业人口（图片来源：作者自绘）图5 城市微观层面三维模型可视化500m范围内地铁站到各类公服设施的最短路径展示（图片来源：作者自绘）参考文献1 甄峰，席广亮，秦萧.基于地理视角的智慧城市规划与建设的理论思考J.地理科学进展，2015，34（4）：402-409.2 骆燕文，何江.“城市引擎”规则建模在城市规划中的作用与特点J.国际城市规划，2017，32（3）：106-112.3 张芳芳，沈少青，陈学业，等.智慧城市规划云平台的设计与实现J.测绘通报，2019（1）：123-126.4 范伦，韩健.基于CityEngine CGA规则的三维数字城市建模J.城市勘测，2019（3）：58-61.5 刘茂华，杨洋，岳强.CityEngine与ArcGIS结合的辅助道路规划设计J.测绘通报，2016（12）：64-67+95.6 邝跃兵.基于ArcGIS AE与CE的三维数字城市开发J.测绘与空间地理信息，2020，43（1）：115-117+121.7 李宏旭，杨李东.基于CityEngine的三维城市规划设计与研究J.测绘与空间地理信息，2016，39（5）：55-578 Yujie J,Ni L,Ziyue W.Parametric Reconstruction of Traditional Village Morphology Based on the Space Gene PerspectiveThe Case Study of Xiaoxi Village in Western Hunan,ChinaJ.Sustainability，2023，15（3）：2088.9 蔡周平，吴享，李强，等.城市引擎在智慧城市规划中的应用J.北京测绘，2021，35（10）：1298-1302.10 郭容昱，姚峰峰，李胜龙，等.城市级三维建模综合技术在雄安东西轴线综合工程规划中的研究应用J.住宅与房地产，2021（20）：71-77.通讯作者：李昊13