CityEngine 与 ArcGIS 结合的辅助道路规划设计

发布时间：2022-03-14

　　摘要: 结合 CityEngine 与 ArcGIS 构建了一种基于三维道路模型的道路设计方案快速集成和实时模拟的辅助规划设计平台。CityEngine 参数化建模软件基于 CGA 规则语法的建模技术，可以对道路的三维模型进行批量化快速构建，在此基础上借助 ArcGIS 的空间分析功能，可以开展地形分析、断面分析、土石方计算等辅助规划管理等工作，为道路规划、设计、管理部门提供了一种将可视化的设计成果进行三维展示的技术手段，帮助设计人员提高了工作效率与方案质量，为评价和决策者提供了直观、便捷的评价及决策依据。试验证明，通过将 CityEngine 参数化建模软件与 ArcGIS 的空间分析功能相结合，开发的城市道路三维可视化辅助设计平台可以直观、准确地展现城市道路设计方案，并在此基础上对道路三维模型进行空间分析，辅助决策者对方案进行评价及改动; 该平台有利于不同专业工作者之间的协同配合，可以显著提高道路设计工作的技术水平和工作效率，对于推动道路设计工作由二维向三维转变具有重要意义。

　　关键词: CityEngine; 参数化建模; 空间分析; 道路辅助设计

　　城市道路的规划设计是需要多个行业协同配合，且必须保证各阶段有序顺畅进行的一项十分复杂的系统工程。随着我国建筑业的飞速发展，我国城市道路工程的施工技术水平也随之提高，从而对工程施工的工期和工程质量的要求也越来越高，这样就给道路规划设计各阶段的设计，以及施工人员在数据交流和方案沟通上提出了更高的要求[1-3]。现阶段，计算机辅助设计软件( 以 AutoCAD 为主) 或基于这些软件的二次开发，仍是我国道路规划设计部门所采用的主要技术方法，如鸿业和纬地这种基于 CAD 二次开发的软件应用得最为广泛[4]。这种面向过程的二维设计方式经过长期的应用实践虽已成熟和完善，而且其设计成果也较利于工程出图，但是却存在成果展示不直观、数据交互能力差等诸多不足，不 利 于 GIS 软件对设计对象进行空间分析[5]，也不利于设计过程和设计成果在各专业间的信息传递、展示和共享，同时设计理念、结构展示和成果表达都不够直观，严重影响了工程建设的效率。本文将以基于 CityEngine 的 CGA 规则语法构建的城市道路及附属设施的三维模型为基础，以辅助城市道路规划设计为目的，借助 ArcGIS 的空间分析功能开发三维环境下的道路规划设计成果分析展示平台，以协助道路规划设计工作中各行业人员间进行直观便捷的方案交流，使道路规划设计更加高效[6]。

　　一、道路规划设计现状

　　三维建模技术的兴起为建筑设计行业带来了新的机遇，在建筑物的三维建模技术已经趋于成熟与完善的基础上，人们开始关注三维道路模型的应用。现阶段基于 AutoCAD 及其二次开发的软件进行道路规划设计仍是我国城市道路建设工作中普遍采用的方法，该方法借助二维图形表达设计成果，只在最终的成果展示阶段才将可视化的三维模型作为成果展示的一种手段。这种在二维软件中进行道路规划设计，再把二维的设计成果导入三维建模软件中构建三维模型的技术手段，只能单向进行，生成的道路三维模型将无法再导回到二维设计软件中进行修改，即不能实现二三维的联动，由于无法对设计成果进行实时改动，大大增加了工作量[7]。目前，基于三维 GIS 平台的城市道路设计和管理技术日趋成熟，为交通规划提供了可视化的空间地理信息服务[8]。因此，借助三维 GIS 平台推动城市道路规划设计工作由单向的二维方式向三维可视化方式转变是城市道路建设发展的必然趋势[9]。如果将三维建模技术应用在道路规划设计的三维可视化当中，可以真实地表现出设计与规划方案，并可以此为依据对方案进行分析，评价方案是否合理、与周围环境是否协调。在市政设计行业，基于三维地理环境辅助道路设计已得到了一定范围的应用。但受限于当前主流的计算机辅助设计平台和设计流程，包括 Civil 3D、鸿业市政设计软件等都只是将三维技术作为一种展示手段，没有体现三维辅助分析的优势; 另一方面， CAD 平台对三维成果的支持能力较弱，难以应用于大范围的成果展示中。与传统的基于计算机辅助规划体系的二维技术手段相比，三维环境下的成果分析具有交互性好、真实感强等特点，真正实现了设计过程中的所见即所得。本文将基于 CityEngine 的三维城市道路建模成果，结合 ArcGIS 空间分析功能，根据道路规划设计方案的实际需要，研究如何基于 CityEngine 参数化建模软件和 ArcGIS 空间分析功能开展道路规划设计，进行坡度分析、断面分析、填挖方计算等，为道路规划设计提供可视化的辅助手段[10]。

　　二、基于三维 GIS 平台的辅助道路规划设计思路

　　基于 CityEngine 的三维建模技术与 ArcGIS 空间分析功能相结合的辅助道路规划设计平台[11]，首先利用基础测绘数据生成逼真的三维城市道路模型; 再对模型进行纹理贴图，能够十分真实地展现出城市道路的空间状态; 同时还可以进一步对地下管线进行建模，形成地上地下一体化的三维数字模型，也就是在二维基础测绘数据的基础上，构建真实、直观、立体化的三维模型，可视化表达城市道路的空间信息。

　　在三维城市道路辅助规划设计平台上，可以完成道路空间属性的查询和分析、初步规划设计成果的三维可视化展示、道路规划设计数据的二三维联动、平纵横设计成果图表生成和土石方量计算等，为道路规划设计方案提供了可视化的辅助决策平台，如图 1 所示。因而，CityEngine 与 Arcgis 相结合的三维城市道路辅助规划设计平台能方便各行业各阶段的设计人员之间的沟通，加快设计进度，提高道路规划设计人员的工作效率。

　　三、城市道路三维场景的快速生成

　　城市交通线路在城市内部穿行，不可避免地会与城市建筑、地下管线等结构物发生冲突，而现有的二维线路设计模式无法直观地展现城市建筑、地下管网等构筑物的精确位置和规模。目前，城市三维场景建模的方式主要是通过三维建模软件制作单体模型，并导入三维 GIS 环境，效率低下，不能适应快速设计的要求。

　　CityEngine 所具有的利用二维基础数据快速批量、参数化创建三维场景的优势，不仅能提高城市道路规划设计的效率，还可以实时与 GIS 软件进行空间数据交互[12]，实现由“数据”到“场景”的直接快速建模过程，快速生成真实准确的大范围城市三维场景。CityEngine 建模采用的是基于规则的建模方法，即使用 CityEngine 内置的 CGA( computer generated architecture) 语言编写的规则文件( CGA 规则) ，通过赋予不同地块相应的 CGA 规则，从而进行自动化建模的方法。

　　CGA 文件包含了一系列决定模型如何生成的规则，即包含了一系列的几何和纹理特征设置函数。基于 CGA 规则的建模思想是根据建模对象的属性编写建模的初始规则，并根据设计方案的需要进行迭代优化，对模型进行细化[13]。建模常用规则见表 1，建模简单流程如图 2 所示。

　　1) 利用 Python 脚本函数 createShape 生成道路地块，将 OBJ 模型置于另一图层; 利用 setName 对道路地块命名，名称中包含道路的相关属性。

　　2) 使用 CGA 函数 comp 和 split 按横断面图式将道路地块划分为机动车道、非机动车道、分车带、人行便道等部分。

　　3) 使用 CGA 函数 exturde 对分车带和人行便道向上拉伸。

　　4) 再次使用 comp 和 split 对各部分进行划分。

　　5) 对划分的各功能带使用 texture 粘贴相应纹理，使用 i 插件在相应的位置插入树木模型、路灯模型、交通信号灯模型等。

　　四、系统主要功能的设计与实现

　　以 CityEngine 为平台基于 CGA 规则构建的三维城市道路模型，导出后可应用到基于 ArcGIS 二次开发的三维道路辅助设计系统当中进行进一步的分析。 1. 地形分析城市道路施工建设中的地形分析主要是对坡度坡向的分析。其中坡度是城市道路用地适宜性评价中重点考虑的对象，二者成反比关系，通常坡度越小用地适宜性就越好，当地形坡度过大时就要结合设计方案对道路用地进行填挖方改造; 同时，坡向也是需要重点考虑的内容，这些分析都通过对 DEM 进行数据计算和分析来实现。

　　1) 添加 Analyst 3D Tools 引用，选择 Analyst 3D Tools 中的 SurfaceSlope 类和 SurfaceAspect 类，并将其实例化。

　　2) 设定 SurfaceSlope 对象和 SurfaceAspect 对象的 in_surface 属性( TIN 文件的路径) 和 out_feature_ class 属性( 结果保存路径) 。

　　3) 调用 Geoprocess 的 Execute 方法运行 GP 工具，并将结果显示出来。

　　2. 剖面分析

　　剖面线反映的是道路表面高程的变化情况，在城市道路建设工程上经常需要提取道路剖面图，该项设计与交通安全、道路功能、城市景观等方面具有直接的关系[14-15]。

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　　在 ArcGIS 中，对于剖面线的绘制通常采用该区域的 TIN 表面，运用 ISurface 接口的 GetProfile 方法。实现思路如下:

　　1) 在表面绘制一条线。

　　2) 运用 ISurface 接口的 GetProfile 方法获取沿该线的剖面线。

　　3) 读取剖面线的属性，并将其在坐标系中显示出来。

　　3. 填挖方计算填挖方量的计算

　　结果作为一项重要的可量化的工程经济指标，能够直接反映出城市道路规划设计方案是否合理。当前传统的基于计算机辅助设计软件的填挖方计算只适用于小范围内的土方计算，对于较大范围( 数平方千米以上) 的计算，这些软件效率不高。与传统方法相比，ArcGIS 软件所提供的填挖方计算功能则可以很好地适用于较大范围内的填挖方计算。

　　要分析填挖方首先要有两套地表面，如现状地表面和规划地表面，然后才能进行对比分析。土方填挖计算是指计算规划前地表和改造后地表的体积差值的过程，差值为正时需要进行挖方作业，差值为负时则需要进行填方作业。在三维环境中，道路工程的土石填挖量计算实际上是对道路三维模型表面经细化后的每个三角面上的填挖方量计算，经过统一的算法，既实现了软件设计模式的模块化，又保证了填挖方计算的准确性。

　　在 ArcGIS Engine 中，计算填挖方量的操作通过添加或移除道路地形表面的物质实现对地表高程的修改，这一过程通过调用 ISurfaceOp 接口的 CutFill 方法来实现，该方法的原型如下:

　　public IGeoDataset CutFill( IGeoDatase beforeGeoDataset，

　　IGeoDataset afterGeoDataset ref object zFactor) ;

　　填挖方计算的实现思路为:

　　1) 获取输入填挖前后的删格数据集。

　　2) 调用 ISurfaceOp 接口的 CutFill 方法，返回填挖方数据。

　　3) 显示填挖方数据。运行结果如图 6 所示。

　　五、结束语

　　本文 在 三 维 GIS 基 础 上，基 于 CityEngine 和 ArcGIS 软件构建了面向道路规划设计的平台，不仅实现了对设计成果图形的整合，也实现了设计信息的整合，得到了城市道路三维模型，并可在此基础上开展参数化的道路设计及分析工作，实现了对方案的动态调整和实时模拟，增强了方案设计的效率和科学性，解决了传统 CAD 设计软件分析能力弱、三维 GIS 手工建模难以调整等两方面的问题。

　　CityEngine 参数化建模与 ArcGIS 空间分析功能相结合的城市道路三维辅助规划决策平台，对于提高道路设计的技术水平、推动设计方式由二维向三维转变等方面具有显著优势，不仅有助于不同专业的设计人员之间的协同配合，提高工作效率，决策者也可以凭借直观的三维模型对道路设计成果提出自己的见解，有效参与到道路的设计过程。由此可见，充分利用城市道路三维辅助规划决策平台实现道路设计各阶段的信息化、可视化，是道路规划建设发展的必然趋势。——论文作者:刘茂华1 ，杨 洋2 ，岳 强2

　　参考文献:

　　[1] 董春华，胡建平，王丽，等. 基于 CityEngine 的数字城市快速建模技术研究[J]. 城市建筑，2015( 14) : 207- 208.

　　[2] 陈良超. 三维数字城市在道路规划设计中的应用研究[C]∥2013 中国地理信息产业大会论文集. 潍坊: [s. n. ]，2013.

　　[3] 肖勇维. 路桥施工质量控制措施[J]. 城市建设理论研究( 电子版) ，2013( 7) .

　　[4] 何兴富. 基于数字地形模型的道路三维可视化及其应用[C]∥交通工程测量技术研讨交流会论文集. 厦门: [s. n. ]，2011.

　　[5] 王阳生. 基于数字地形的三维道路快速建模与应用[J]. 北京测绘，2014( 6) : 36-39.

　　[6] 薛梅，向泽君，陈良超. 重庆三维数字城市技术创新与实践[C]∥海峡两岸城市地理信息系统论坛 2012 年会. 开封: [s. n. ]，2012.

　　[7] 吕天青. 新建城市道路工程设计方案评价研究[D].武汉: 武汉科技大学，2013.

　　[8] 陈良超. 三维数字城市在道路规划设计中的应用研究[J]. 地理信息世界，2013( 6) : 33-37.

　　[9] 何兴富. 基于三维地形模型的道路选线与可视化模拟[J]. 城市勘测，2011( 3) : 19-21.

　　[10] 王阳生，何兴富. 一种道路参数化快速建模技术与应用[J]. 城市勘测，2014( 4) : 68-71.