CityEngine使用模板創(chuàng)建三維城市.doc

產(chǎn)品應用與技術推廣部CityEngine使用模板創(chuàng)建三維數(shù)字城市易智瑞（中國）信息技術有限公司2020年2月版權聲明本文檔版權為Esri中國信息技術有限公司所有。未經(jīng)本公司書面許可，任何單位和個人不得以任何形式摘抄、復制本文檔的部分或全部，并以任何形式傳播。制定及修訂記錄版本完成日期編寫/修訂紀要編寫者備 注1.02012.1.18新建甘鑫平于強CityEngine使用模板創(chuàng)建三維數(shù)字城市應用模板可以很好的指導大家使用GIS數(shù)據(jù)創(chuàng)建地圖，三維場景和應用。這些模板可以用來當作創(chuàng)造類似的地圖和場景基礎。三維設計是CityEngine一個重要的優(yōu)勢，這對于城市規(guī)劃是非常有用的。通過如下三節(jié)內容全面介紹借助模板如何使用ArcGIS和CityEngine完成三維數(shù)字城市的創(chuàng)建與規(guī)劃：1） 二維數(shù)據(jù)轉化為三維數(shù)據(jù)；2） 創(chuàng)建三維數(shù)字城市；3） 三維數(shù)字城市規(guī)劃設計；1 二維數(shù)據(jù)轉化為三維數(shù)據(jù)ArcGIS提供了ArcScene和ArcGlobe兩種應用程序，二維數(shù)據(jù)可以以三維的形式進行可視化展示。然而，一般采用設置圖層的“Base Heights”屬性實現(xiàn)。某些情況下，把二維幾何圖形轉化為貼附地形表面的三維要素是非常必要的。這樣，當你想使用這些要素和地表交互或者進行空間分析的時候會更具有真實性。如下的操作步驟描述了如何使用三維數(shù)據(jù)并結合地形數(shù)據(jù)來創(chuàng)建三維貼附地形的三維要素，模板中使用的數(shù)據(jù)是虛擬城市模板的一部分。數(shù)據(jù)下載地址：/Dev/blogs/3dgis/archive/2011/09/29/2D-to-3D.aspx。1.1 打開2Dto3D.sxd文檔在“2Dto3DMaps and GDBs”下啟動2Dto3D.sxd文檔。右鍵單擊DEM圖層，點擊【屬性】，在【基本高度】標簽下啟用【在自定義表面浮動】選項，如圖2。設置完成以后DEM可以看到高低起伏，而二維數(shù)據(jù)卻在DEM下面。我們可以通過設置圖層屬性（【基本高度】-【在自定義表面浮動】）來顯示，但是如果你得到真實的三維要素，那需要將二維要素轉化為基于DEM的三維要素。1.2 二維線轉化為三維線我們已經(jīng)構建了一個創(chuàng)建好的模型來快速生成3D線。右鍵點擊“2Dto3Dlines”GP模型（位于CityData.gdb中Conversion工具箱中）并【編輯】。通過模型我們可以看到要對“Streets”進行簡化，去掉多余的曲線；然后，簡化的街道數(shù)據(jù)被“Interpolate Shape” 工具轉化為3D街道數(shù)據(jù)。點擊【模型】-【驗證整個模型】，然后【運行】。定位到書簽“3Dstreets”和“Bridges”查看分析結果。1.3 二維點轉化為三維點我們同樣構建了一個模型來快速生成3D點。右鍵點擊“2Dto3DPoints”GP模型（位于CityData.gdb中Conversion工具箱中）并【編輯】?？梢钥吹剑癝treet furniture”點數(shù)據(jù)直接被“Interpolate Shape”工具轉化成3D點。點擊【模型】-【驗證整個模型】，然后【運行】。關閉模型后，雙擊“2Dto3DPoints”模型，選擇“vegetation”圖層并修改輸出數(shù)據(jù)名稱為“Vegetation3D”，【確定】將“vegetation”點數(shù)據(jù)生成3D點。1.4 二維的面轉化為三維面首先，打開并編輯“2Dto3DPolygons”GP模型。可以看到這個模型有2個輸出結果：“Building1_footprints3D”、“Building1_footprints3D_bufferline”，讓我們分析一下這個模型都做了哪些事情?！癇uilding1_footprints3D”是實際的3D建筑物底面，而“Building1_footprints3D_bufferline”是3D的線要素，它將參與地形整平，使得建筑物底面更好的與地形貼合。A、“Building1_footprints3D”的生成需要4步：1） 面要素轉點要素（FeatureToPoint）2） 向點要素添加Z信息（Add Surface Information）3） 鏈接點屬性給原始的多邊形（Join Field）4） 基于Z信息，將2D多邊形轉化為3D多邊形（Feature to 3D by Attribute）B、“Building1_footprints3D_bufferline”的生成需要3步：1） 對2D多變形創(chuàng)建緩沖區(qū)（Buffer）2） 將生成的緩沖區(qū)多邊形轉化為線（Polygon To Line）3） 根據(jù)DEM把2D線轉化為3D線（Interpolate Shape）點擊【模型】-【驗證整個模型】，然后【運行】。對于“Building2_footprints3D”重復相同的操作。1.5 利用3D多邊形把地形整平從場景中我們可以看到一部分3D多邊形不能很好的與地形貼合，我們接下來要做的就是將地形整平（“tin”存儲于DEM文件夾）。右鍵單擊“BurnFeaturesIntoDEM”GP模型并編輯。模型分為兩步：編輯Tin、將Tin轉化為柵格。點擊【模型】-【驗證整個模型】，然后【運行】。對于“Building_footprints3D”重復相同的操作。注：這一步需要在英文界面下完成。1.6 創(chuàng)建三維數(shù)字城市矢量數(shù)據(jù)處理完成以后，可以加載到CityEngine中作為基礎數(shù)據(jù)，再賦予相應的規(guī)則快速創(chuàng)建城市模型，更詳細的操作請關注下一節(jié)。 2 創(chuàng)建三維數(shù)字城市上一節(jié)介紹了將二維數(shù)據(jù)轉化為三維數(shù)據(jù)，并作為CityEngine的基礎數(shù)據(jù)。下面介紹的過程中建立三維費城的二維和三維地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)。使用的數(shù)據(jù)是虛擬城市模板的一部分。2.1 下載數(shù)字城市模板有兩種方法下載數(shù)字城市的模板：1、登錄CityEngine模板庫官方網(wǎng)站：/home/group.html?owner=CityEngine&title=CityEngine%20templates&content=all 下載CityEngine: Philadelphia example；2、啟動CityEngine，菜單File - Help - Download Tutorials and Examples 在Examples 選項卡中Philadelphia 例子既可以，如圖1所示圖1下載模板2.2 加載數(shù)字城市模板如果在CityEngine模板庫中，下載模板則需要將模板導入到CityEngine工作空間中：1、菜單File - import - Project - existing project into workspace，如圖2所示：圖2導入模板到工作空間中2、在 Select archive file 選擇項中選擇 Example_Philadelphia.zip文件。在Project選項卡中選擇Example_Philadelphia_2011_1，點擊Finish即可。圖3導入模板2.3 創(chuàng)建新的場景這個模板中已經(jīng)有3個已經(jīng)準備好的場景，您可以雙擊這些場景進行瀏覽，如圖4所示：圖4現(xiàn)有場景現(xiàn)在讓我們從頭開始，創(chuàng)建一個新的場景。菜單File-New-CityEngine-CityEngine scene ，選擇項目的場景目錄，給它一個名稱和設置坐標系統(tǒng)(EPGS:2272)如圖5所示：圖5創(chuàng)建場景2.4 添加地形和影像在Example_Philadelphia_2011_1/data/DEM 目錄下面找到DEM_burn.tif，選中它然后將它拖動到視窗里面（viewport）。在Choose coordinate system for DEM_burn.tif對話框中選中同樣的坐標系(EPGS:2272)。在彈出的Terrain對話框中，Texture file選項卡中選擇貼在地形上的影像（data/basemap/Philly_basemap3.tif）。如圖6所示圖6選擇影像點擊Finish按鈕，按“f”鍵盤場景放大到數(shù)據(jù)的位置。如圖7所示圖7地形和影像2.5 添加GIS數(shù)據(jù)在Example_Philadelphia_2011_1/data目錄下面找到Results.gdb，選中它然后將它拖動到視窗里面（viewport）。在File Geodatabase Import對話框中（如圖8所示），點擊Finish，將GIS數(shù)據(jù)加載到了場景中如圖9所示：圖8 File Geodatabase Import對話框圖9 GIS數(shù)據(jù)2.6 使用規(guī)則1、使用矢量建筑輪廓和屬性創(chuàng)建三維建筑A、選擇 “Building1_footprints3D ”圖層的所有對象：可以選中圖層上的一個對象，右鍵菜單 Select-Select Objects in the Same Layer 選中該圖層上的所有對象，如圖10所示： 圖10選擇同一圖層上的所有對象B、在Example_Philadelphia_2011_1/ rules目錄下面找到GIS-Driven buildings.cga規(guī)則文件，選中它然后將它拖動到“Building1_footprints3D”圖層選中的所有對象上。矢量對象按照GIS-Driven buildings文件中的規(guī)則產(chǎn)生三維模型，如圖11所示：圖11 GIS-Driven building規(guī)則產(chǎn)生模型C、這個規(guī)則使用了GIS數(shù)據(jù)中的屋檐高度(Eave_Ht)，脊高(Ridge_Ht)和屋頂樣式(Roof _Form)等屬性數(shù)據(jù)來生成三維建筑。使用規(guī)則創(chuàng)建模型的優(yōu)勢是，您可以通過改變規(guī)則來輕松地修改模型。例如，選擇一個感興趣的建筑打開Inspector對話框，可以修改屋檐高度，脊高，屋頂樣式、側面紋理和屋頂紋理等屬性，如圖12所示：圖12 修改模型屬性2、使用建筑輪廓導入已有三維模型如果您已經(jīng)有了一些三維模型，這些模型都是通過第三方建模軟件生成的。有兩種方式可以將這些模型導入到CityEngine中：A、如果模型帶有地理坐標，例如dae/kml文件，可以直接將這些文件拖到CityEngine中。也是使用菜單File-Import 使用導入對話框工具，將一個目錄下面的所有*.kml文件導入到場景中。B、如果模型沒有位置信息，您可以使用矢量建筑物輪廓來為模型定位。選擇Building2_footprints3D圖層上的所有矢量對象，在Example_Philadelphia_2011_1/ rules目錄下面找到Collada_Buildings.cga規(guī)則文件，選中它然后將它拖動到Building2_footprints3D 圖層選中的所有對象上。即可將已有的模型按照地理位置導入到CityEngine場景中，如圖13：圖13導入已有模型注：1、可以看到CityEngine可以很好的支持已有三維模型，CityEngine可以很非常方便模型的進行模型修改或更新。2、選擇所有矢量對象的時候，可以選擇某一個模型然后右鍵菜單 Select-Select Objects in the Same Layer。還可以在Scene對話框（如圖14所示）上關閉其他矢量圖層，軟后Ctrl+A，選中打開圖層中的所有對象。圖14關閉其他圖層3、創(chuàng)建植物和街道設施GeoDatabase中的植物點數(shù)據(jù)，它提供了植物的位置并且?guī)в兄参锏拇笮『皖愋偷葘傩浴８鶕?jù)這些數(shù)據(jù)可以將已有的三維模型按照正確的大小導入到場景中。選擇Vegetation3D layer圖層上的所有矢量對象。在Example_Philadelphia_2011_1/ rules目錄下面找到Vegetation.cga規(guī)則文件，選中它然后將它拖動到Vegetation3D laye 圖層選中的所有對象上。同樣的方式選中StreeFurniture3D layer圖層上的所有矢量對象，將Street Furniture.cga規(guī)則賦予它們，效果如圖15所示：圖15植物和街道設施4、創(chuàng)建街道從圖16上可以看到街道矢量部分插入到了地面里面。圖16街道陷入地形這是由高程的精度低或者構建街道的三角網(wǎng)稀疏造成的，可以在CityEngine中進行調整：選擇Streets3D layer上的所有矢量對象，菜單Layer-Align Shapes To Terrain，在Align Terrain 對話框（如圖17所示）上Maximal raise distance選項卡中選擇1米，點擊Apply按鈕。圖17調整地形選擇Streets3D layer上的所有矢量對象，賦予Street Construction.cga規(guī)則，可以在Inspector對話框調整中調整Vehicles per km和People percentage為道路添加一些車輛和行人，如圖18所示：圖18創(chuàng)建街道2.7 導出結果3D城市創(chuàng)建完成后，可以使用CityEngine進行瀏覽也可以將創(chuàng)建好的模型導入到ArcGIS中以進行海量數(shù)據(jù)的瀏覽和更深入的分析。將模型導入到ArcGIS中可以先將模型導出成COLLADA (dae)，更詳細的操作請關照下一節(jié)。3 三維數(shù)字城市規(guī)劃設計從上面的教程我們可以知道，CityEngine最大的優(yōu)勢在于直接使用GIS數(shù)據(jù)來快速創(chuàng)建虛擬城市。另外，還提供了強大三維設計能力，對于城市規(guī)劃設計起到了積極作用。下面利用費城數(shù)據(jù)，以地塊的規(guī)劃和設計為例講述CityEngine基于規(guī)則建模的過程。模板中使用的數(shù)據(jù)是虛擬城市模板的一部分。3.1 加載數(shù)字城市場景這是案例準備了3個場景，在上面的描述中已經(jīng)講解了如何使用GIS數(shù)據(jù)和規(guī)則創(chuàng)建前兩個場景。雙擊“Philadelphia.02.as-built.cej”場景。注：你可以雙擊“Philadelphia.03.redevelopment-scenario.cej”場景，查看最終設計結果3.2 選擇感興趣區(qū)域我們的研究區(qū)域就是位于費城城中心的需要重新開發(fā)的地塊，首先選擇區(qū)域（按住鼠標左鍵，拖拽矩形區(qū)域）和裁剪區(qū)域（Edit -Cut）。3.3 創(chuàng)建新的地塊首先，我們需要在這個位置創(chuàng)建新的地塊，共4個。CityEngine就可以輕松的做到：1） 選擇相鄰的街道；2） 打開“Inspector”窗口；3） 在“Block Parameters”標簽下，設置“shapeCreation”為true；CityEngine會在這個區(qū)域創(chuàng)建的地塊，但是現(xiàn)在我們看到的結果超過了4個，接下來需要簡單的修改參數(shù)即可，比如最大、最小地塊數(shù)。1） 選擇這些地塊；2） 打開“Inspector”窗口；3） 在“Block Parameters”標簽下，修改“l(fā)otAreaMin”為3000，“l(fā)otAreaMax”為5000，“irregularity”為0。4） 如果你想讓地塊和地形很好的貼合，可以做如下操作：Layer-Align Terrain To Shapes準備工作已經(jīng)完成，接下來開始設計。3.4 使用規(guī)則建模接下來我們將對新建的地塊應用規(guī)則，以生成滿足規(guī)劃要求的三維模型。實質上，世界上很多國家已經(jīng)制定了相關的分區(qū)法，約束土地利用、建筑物高度、密度和其他方面。CityEngine規(guī)則用來快速生成虛擬場景，并修改規(guī)則參數(shù)以展現(xiàn)不同的設計方案。該軟件一個很大的特點是能夠即時的輸出設計方案相關的報告參數(shù)，包括建筑面積比或密度、地段覆蓋率以及休憩用地率等。這些參數(shù)可以很方便的和分區(qū)法所允許的值進行對比。1） 選中這4個地塊，然后拖放“Generic Modern Building.cga”；2） 選擇“Parcel”規(guī)則作為開始規(guī)則并確定；3） 將生成4個帶有分區(qū)參數(shù)的模型；假如，我們想增加建筑面積比的同時還要保證能夠有一些開放的空間，你可以手動的修改不同的參數(shù)組合或者使用樣式功能來快速完成預定設計。1） 選擇一棟建筑并打開“Inspector”窗口；2） 打開“Reports”標簽，可以看到“Floor Area Ratio（建筑面積比）”、“Lot Coverage（地段覆蓋率）”等；3） 修改規(guī)則參數(shù)，比如“Nbr of Floors”，“Setbacks”，“Layout”；4） 修改參數(shù)以后可以查看相關的輸出指標報告3.5 修改樣式另外一個很好的功能就是樣式。樣式能夠幫助我們快速的在不同的設計方案之間切換，它包括了一些基本的預先設定好的規(guī)則參數(shù)。1） 選擇某個地塊或建筑；2） 打開“Inspector”窗口；3） 單擊樣式按鈕，選擇其中某個樣式；4） 針對不同建筑選擇不同的風格；注：選擇所有的建筑，并選擇“Default”樣式，將會恢復到最開始的狀態(tài)。3.6 導入到ArcGIS根據(jù)上面的設計，我們可以把設計好的建筑導入到ArcGIS中做進一步分析，比如日照分析，通視分析。1） 在CityEngine中選擇需要導出的模型；2） 執(zhí)行導出模型操作：File -Export -Collada -Finish 選擇“ArcGIS Compatibility”并設置“Global Scaling Factor”（注：“ArcGIS Compatibility”、“Global Scaling Factor”兩個參數(shù)在最新的CityEngine2011版本中才提供）。利用ArcGIS工具箱工具導入*.dae模型，3D Analyst Tools -轉換 -導入3D文件。模型執(zhí)行完成，即