波哥大3D城市模型的快速建模方法：案例研究

引文：Gustavo ALOMALIA，Diego LOAIZA，Claudia Zaveliiga，Xun Luo，Rafael ASOREY-CACHEDA.应用于波哥大3D城市模型的过程建模：案例研究。虚拟现实智能硬件，2021，3（5）：423-433DOI：10.1016/j.vrih.2021.06.002虚拟现实智能硬件2021年11月3日第5·文章·应用于波哥大三维城市模型的过程建模：案例研究GustavoALOMCAXA1*，DiegoLOAIZA1，ClaudiaZIGA1，XunLUO2，RafaelASOREY-CACHEDA31. 哥伦比亚圣地亚哥-德卡利大学工程系，邮编：7600012. 天津理工大学工程系，天津3003843. 信息通信技术系，卡塔赫纳理工大学，ES30202，西班牙*通讯作者，usc.edu.co投稿时间：2021年3月28日修订日期：2021年6月15日接受日期：2021年6月20日由圣地亚哥-德卡利大学研究总局资助的“众包优化无线传感器网络部署（CRoWD）”项目，613-621119-852。摘要背景计算机生成动画（CGA），当应用于三维（3D）城市模型（3DCM）时，可以用作支持城市决策的强大工具。这导致了一个新的范例，程序建模的基础上，允许已知的城市结构的整合。方法本文介绍了一种新的工作流程，在短时间内开发高质量的近似城市模型，并使设施从其他城市导入到一个给定的城市模型，遵循特定的生成规则。结果因此，这个工作流程提供了一个非常简单的方法来观察，研究和模拟已经在其他城市开发的模型的实施，在一个城市，他们还没有通过。这些模型的例子包括所有类型的移动系统和城市基础设施。结论这使我们能够感知某些决策对环境的影响， 真实世界，以及进行简单的模拟，以确定可能发生的变化，在人流，交通和其他城市活动。计算机动画;地理信息系统;城市规划;三维城市建模1介绍本文提出了一种新的工作流程，在短时间内开发高质量的近似城市模型。使用计算机生成动画（CGA）规则，一个紧凑的，高效的，和可重用的程序表示的多边形三维（3D）建筑模型生成。这导致了一个新的范例，允许新的城市结构集成到近似的城市模型，为城市规划和模拟项目提供了一个强大的工具此外，它还提供了一个2096-5796/©版权所有2021北京中科学报出版有限公司Elsevier B. V.代表KeAi Communization Co. Ltd.提供的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。www.vr-ih.com虚拟现实智能硬件2021年11月3日第5波哥大一个5公里长、4公里宽的城区的案例研究。研究的目标是生成目标区域的近似三维ciry模型（3DCM是城市的计算机模型），并添加一条新的高速公路，取代其中一条主要道路。在这项研究中，二维GIS数据被用来生成一组三维城市设施。为此，大约20000个3D模型，涉及城市设施，如道路，房屋，树木和绿地，使用程序建模在不到3分钟的时间内挤出。最终结果显示了一个高清晰度的3DCM，它具有一个新的公路网和城市结构集，部署在一个原本空旷的地形上，可以作为模拟项目和城市规划的基础。这避免了繁重的手动建模任务，并提供了可以分析，更改和调整的3DCM。生成的3DCM可作为城市规划和模拟项目的基础。3DCMs在城市问题的决策过程中非常重要[1]。 在与城市规划有关的领域（决策过程、城市特征分析、建筑和城市设计、可视化等）实施3DCM，自2000年以来，20世纪60年代的GIS[2]。GIS是硬件、软件和地理数据的有组织集成，旨在捕获、存储、操作、分析和显示涉及现实世界城市设施、道路、土地使用、海拔等的地理信息。航空图像作为选择地理信息系统数据的基础，涉及将纳入城市数字地形模型（DTM）的道路和地块。这种集成使用地形的三维模型生成道路和地块的二维模型。缺乏地理信息的城市中的城市空间受到生成道路建模过程的影响。该过程将严格遵循先前创建的定位、方向和高程数据，并将道路端到端连接起来。在DTM上生成新街道。3D可视化改善了心理图像，从而通过文本表示三维数据来帮助传统上使用2D数据的城市规划师的工作[3]。目前，3D模型及其数据结构的开发还处于概念阶段。因此，它在解决城市地区问题中的适用性需要进一步探索[4，5]。从这个意义上说，新的程序建模技术允许从2D数据表示中建模大型城市设施，而不需要单独建模，从而显着减少了3DCM的开发时间[3，6]。城市空间是由建筑物、地块、街区和街区的集合组成的，它们通过街道相互连接。3DCM的可信度取决于地理空间数据的准确性和城市设施的详细程度（LoD）[4]。3DCM的构建始于各种来源和技术（航空，垂直和倾斜照片，高分辨率卫星图像等）。过程建模根据特定规则生成适合现有数据集的数据。程序化城市建模技术具有与其他传统技术相同的表达能力和精度，并增加了操作的便利性[7]。这遵循形状语法的基本原理，其主要概念基于一组规则：从初始公理形状开始（例如，建筑物的轮廓）时，迭代地应用规则，用其他形状替换形状。这些建模技术的自动化性质可以利用人群和车辆建模的相关研究，帮助调整和改进过程。在一些方法中，这是通过推理允许生成更大和更复杂的环境的规则和参数来实现的。在大多数这些方法，即车辆和人群，并考虑它们之间的相互作用的一些模拟模型的代理人解决。424Gustavo ALOMIA et al：Procedural modeling applied to the 3D city model of Bogota：A case study车辆和行人与3DCM中模拟的不同类型道路的相互作用可能与模型的整体鲁棒性非常相关。例如，[8]中的工作通过基于模型的模拟和专注于自动驾驶汽车的数据驱动动画来解决这些代理的流动。在该模型中，交通流类似于人群流，并与CityEngine进行了测试。此外，城市环境的布局可以根据人群的属性进行设计，优化参数，如流动性，可达性和舒适度，使用数据驱动的方法与非线性回归来管理人群和环境之间的关系。这些虚拟代理（行人和车辆）的行为可以用深度神经网络和奖励函数来模拟，这使它们能够适应不断变化的环境，其中涉及大量决策，如[10]所述。[11]中详细介绍的方法引入了一个可参数化的连续模型来模拟疏散场景中人群中个体的行为。[12]中的方法考虑了地域的地理不连续性，并分析了运输系统流的行为。这可以更好地验证在创建3DCM时使用的参数。使用[12]提供的相同方法构建的3DCM可以更有效地使用可持续交通系统[13]，更好地规划紧急疏散路线[14]，以及更有效地规划货运车辆路线[15]。本研究的主要贡献是开发了一种新的工作流程，用于从城市数据的二维表示生成3D模型。因此，该工具可以辅助城市规划决策，并为此类过程的控制和评估提供支持。此外，该工作流程是集成可参数化人群和交通仿真模型的第一步，这些模型与3DCM的交互可以通过某种方式进行控制。这将允许拟议的工作流程通过模拟人和车辆的流动来产生更准确的环境。因此，这项工作提出了一个新的范例，程序建模的基础上，将已知的城市结构和设施从其他城市导入到一个给定的城市模型，按照特定的生成规则。因此，可以观察，研究和模拟在其他城市已经开发的模型的实施，在一个城市，他们还不存在。本文的其余部分组织如下。第2节介绍了3DCM生成工作流程并描述了其主要元素。为了生成3DCM，将程序建模与来自GIS的数据集成。第3节介绍了一个案例研究的结果，在波哥大市，通过高速公路连接部分城市的可能性进行了分析，这个工作流的应用。最后，第4节结束了本文。23DCM生成建议的工作流程的目的是提供一种机制，使用CGA的大规模生成的三维城市模型。因此，工作流程可以在短时间内生成包含基本城市设施的近似3DCM，从而实现探索，分析和修改。因此，这种灵活性允许根据自定义规则自动修改城市模型，为城市规划和模拟新场景提供工具。该工作流由从GIS数据库生成3DCM的四个步骤组成，如图1所示。图1描述了建议的工作流程，该工作流程利用来自OSM的GIS数据作为输入，并生成高质量的3DCM作为最终输出。以下段落描述了每个步骤的所有程序和执行参数。工作流的第一步是数据捕获。 在这一 阶段，重点是提供一般-425虚拟现实智能硬件2021年11月3日第5图13DCM生成的建议工作流程。用途底图和参考图层，如影像、街道、地形和边界，它们是建模过程的基础。由于它们与地理空间数据集的兼容性，城市模型在称为地块的规则网格中生成[16]。每个地块都包含有关该区域使用的GIS数据以及相邻地块的叠加控制，如图2所示。在城市建模的背景下，3D建筑物对象可以从矢量数据中生成，例如土地使用和地籍地段[16]。因此，在这第一步中，收集了地理信息系统地籍数据。这些数据随后以光栅格式存储，并离散化为相同大小的单元中的连续空间。GIS制图数据以矢量格式存储，该格式将每个城市设施的顶点链接到自定义地形位置。图2封装层结构。捕获的地籍数据表示地理位置的要素，如点、线或多边形。因此，为了测量形状，多边形表示足够大以具有边界的对象，例如国家、湖泊或大片土地。线表示太窄而不能作为多边形的对象，例如河流、道路或管道。点用于太小而不能成为多边形的对象，例如城市，学校，房屋或消防栓[17]。因此，街道轴线的几何形状是直线。在组织矢量和光栅数据后，将创建用于定义OpenStreet Maps街道类型中街道宽度的线图层属性。根据每个城市设施的地理属性，每个点都被分配了一个2D足迹，包括建筑类型、高度和楼层数，如图2所示。第二步是建模。GIS三维城市建模是目前最有效的城市建模方法。这将生成一个可重用的模型，可以应用于各种应用程序。此外，它是在相对快速地创建，以最小的劳动[15]。建议的3D建模过程使用来自CityEngine Software的ESRI地图，该地图从DTM和数字表面模型（DSM）捕获栅格数据，426Gustavo ALOMIA et al：Procedural modeling applied to the 3D city model of Bogota：A case study将其与步骤1中输出的GIS数据集成。几何形状与DTM一致。然而，由于缺乏与特定区域相关的GIS数据，执行生成建模过程以扩大道路网络并向不包含城市信息的DTM区域添加新的足迹[18]。此过程确定评估区域是否具有所需数量的封装外形。如有必要，启动生成建模。它从场景中道路的末端开始，通过迭代过程，在DTM上扩展道路网络的范围，在街道上生成新的2D多边形，并为它们的挤出和建模过程提供更多的城市设施。此外，建模步骤使用基于语法的程序挤出来执行，以从2D足迹生成3D城市设施。这种技术定义了基于规则库的形状语法：从初始公理形状（例如，建筑物的轮廓或足迹）开始，迭代地应用规则，用其他形状替换形状，并生成新的几何结构。CGA规则文件由定义如何创建结构的若干规则组成。第三步是新要素的整合。拟议的工作流程包含一个挤出过程，通过创建或获取新的CGA规则并将其整合到足迹中，除了重建现有的城市设施外，还可以生成或添加新的城市结构。CGA规则可以使用关于存储在GIS数据中的属性的信息，诸如楼层数量、楼层高度、屋顶类型和墙壁材料类型，以生成详细的高级3D模型。要创建详细的高级模型，将从初始公理形状挤出的形状划分为窗和门等元素，并将纹理或颜色添加到这些元素中，以准确表示每个特征的属性。构建一组建筑物或公寓的3D模型需要大量资源。在CGA中，挤出是基于模块化开发方法创建具有高度和多样化细节水平的3D模型的过程。挤出过程包括使用2D轮廓线（可从地籍数据中获得）来构建几何模型;场景中所有网格的每个轮廓线都经历一个迭代过程，该过程将向多边形添加新特征，如程序规则的挤出类型所指定。事实上，我们的方法应用了程序规则，将我们设计的不同方面分成更小的代码块，然后将其连接起来以生成设施和环境。这些形成独立CGA规则的代码块以几种方式组合，以通过不同的组合以较少的编码实现更大的形态多样性。代码块的组织和分类如下：Envelope，它使用高度、街道偏移、形状、地块覆盖率和建筑方向等参数表示设施的外部形状;Volume，它细化设施的外部形状并确定墙、门、窗、楼板、绿地等的位置;和立面，它为在指定区域分布植物的体积和绿色空间中定义的建筑元素添加了细节。最后一步是渲染步骤。在使用CGA规则挤出2D轮廓线之后，确定了建筑样式。这会将可视化样式从实体更改为具有立面纹理的逼真样式。因此，创建的城市设施和地形被集成为单个对象，并且3DCM纹理之间的颜色均衡由渲染引擎执行。由此产生的3DCM是地球表面及其相关物体的数字表示，如建筑物，树木，植被和人造元素，属于城市地区[18]。城市设施三维模型的大规模生成涉及到城市模型的多级建模和多重表示[1]。基于规则的自动推导允许大规模的过程建模[19]。在缺乏地理信息的城市中，城市空间受到生成式道路建模的影响427虚拟现实智能硬件2021年11月3日第5该过程包括生成道路网络、将从道路网络中提取的块细分为地块、在每个地块内生成建筑物（该建筑物紧密遵循先前创建的定位、方向和高程数据）、将道路终点相互连接以及在DTM顶部生成新街道。该集成的属性由CGA规则文件解释，并执行可视化过程。为了处理向高LoD道路模型的相应图形转换，我们引入了CGA规则，该规则从步骤1开始评估街道网络的参数，并应用预先建立的几何和纹理参数。CGA规则文件被划分为单独的函数，用于解释每个多边形的属性，并根据地块的高度进行拉伸。3波哥大一个小社区的3DCM生成：案例研究在本节中，我们使用第2节的工作流程来获取波哥大一个小地点的3DCM，该地点由CGA规则生成，包含几个城市元素，如房屋、建筑物、公园和道路等。哥伦比亚波哥大市被选为一个典型案例研究。这座城市是哥伦比亚最大的城市，2021年人口普查有77743955名居民，面积为1775平方公里。尽管它的规模很大，但就人口和扩展而言，没有高容量的道路连接这个大都市内的不同地点。本案例研究将重点放在波哥大的一个小区域，通过第2节中描述的工作流程，将分析将城市现有道路的一部分转换为高速公路的影响。从GIS数据到其他格式的映射并不是一门精确的科学[20]，在数据捕获阶段，可以采用多种来源和技术（航空、垂直和倾斜照片、视频、高分辨率卫星图像、激光扫描仪、机载传感器和自动检测的对象和高度，等）。 的 提出 工作流 使用 地理信息系统打开街道地图作为捕获波哥大城市数据的工具，特别是Chapinero和Los Cerros之间的数据，如图3所示图3使用GIS开放街道地图获取波哥大市的城市数据。栅格数据集（如图1所示）经过处理并生成为DTM和DSM格式的数字高程模型。DTM是所有3D建筑建模操作的基础，而DSM则用作道路网络的基础[21]。所使用的DTM和DSM是存储在ESRI文件地理数据库中的传统2D GIS数据集，该数据库来自该区域的CAD绘图和地理特征的属性[15]。ESRI地图专注于提供通用底图和参考图层，如影像、街道、地形、边界和人口统计，可用于各种应用程序。因此，建模过程是使用ESRI软件CityEngine 2020.0进行的，该软件使GIS空间数据能够轻松导入和显示。该软件有一个脚本编辑器，可以使用形状语法规则生成大量对象[22]。它们是用CGA语言编程的，并在细分的地籍地段上实施，以进一步完善几何形状并生成新的428Gustavo ALOMIA et al：Procedural modeling applied to the 3D city model of Bogota：A case study建筑物。适用于地籍地段的程序规则包括土地使用建筑参考、随机地段省略、土地适宜性地图和建筑物对象可视化。为了创建一个合理的街道模型，DTM和DSM在CityEngine编辑场景中与波哥大街道的2D模型集成。图4a显示了GIS数据集与DTM和DSM集成之前的地形，从图3中的划定区域捕获。公路建模过程使用一组2D矢量地块作为输入，然后将其加载到CityEngine中并与地形对齐。图4b所示的2D街道模型与地形对齐。最初，城市设施的挤压产生了一个基本的结果。因此，有必要对地块应用CGA规则，以产生更高的LoD，并生成具有合理街道网络和高质量建筑的完整城市模型。CGA规则文件被划分为单独的函数来解释每个多边形的属性，并根据其高度进行挤出，如图4c所示。图4（a）波哥大的DTM和DSM;（b）波哥大的道路、DTM和DSM之间的集成;（c）CGA生成的公路。在具有建筑物地籍信息的覆盖区上进行简单的拉伸，生成基本的几何结构，如图5a所示。为了将可视化样式从纯色改变为看起来更真实，即，根据城市的立面纹理，选择“medium_city_style”建筑风格，如图5b所示。通过将过程建模规则引入到建筑物覆盖区中，将模型转换为形状。然后从内部存储库中获取图像用于立面建模。可以从所有建筑物的共享文件夹中获取通用立面纹理。相比之下，特殊的立面设计可以存储在独特的建筑专用文件夹中。使用这种方法，只要基本规则包含反映建筑结构的立面，就可以在几分钟内忠实地重建建筑。通过这种方式，可以在本工作中讨论的不同阶段期间对特定区域的不同视觉视角进行比较，如图6所示。提供详细的建筑物模型对于涉及空间分析和真实感可视化的应用非常重要。当前的图形处理硬件包括允许选择性地去除遮挡的若干有用功能。这还包括在像素级选择性地去除遮挡，这可以避免昂贵的着色操作[18]。纹理渲染技术应用于429虚拟现实智能硬件2021年11月3日第5图5(a)从足迹挤出的基本形状;（b）波哥大的低分辨率3DCM。图6比较波哥大3DCM从第一步到最后一步提出的工作流程。该模型可以增强立面风格和阴影对邻近建筑物和地面的影响，如图7所示。生成的3DCM使波哥大市增加高速公路系统的影响可视化。该模型比原始模型更完整，并作为模拟城市规划项目和评估其后果的基础。一些实际应用包括洪水，交通，能源消耗，供水和处理，空气污染，噪音和环境质量的建模。因此，这一特定结果可用于评估公路基础设施的视觉影响或其对交通模式和城市流动性的影响。在最终的3DCM上部署的街道网络具有高速公路网络，而不是简单的道路。由于对空白区域进行了生成式建模，道路网络覆盖的区域和足迹数量有所增加。这些区域的密度明显更高，并且具有颜色均衡过程，可以改善3DCM的阴影和遮挡效果。430Gustavo ALOMIA et al：Procedural modeling applied to the 3D city model of Bogota：A case study图7在渲染引擎的应用之后，使用CGA规则生成最终的波哥大社区3DCM。4结论本文提出了一种工作流程，集成GIS数据和新的过程建模技术，以生成一个3DCM。该工作流程还旨在允许以创建新应用程序的方式修改不同元素。目标是将其作为城市规划活动的工具，并适用于任何城市环境。这项工作也将奠定基础的工具，自动产生CGA规则的GIS数据提取的发展。目前，没有任何方法可用于自动GIS数据捕获，可以作为3D建模的地理数据库。为了验证工作流程，我们提出了一个案例研究，表明它能够在短时间内重建公路网以及不同类别的建筑物，从而形成可用于规划项目和城市模拟的3DCM基础。随着新的3D建模技术的发展，用于环境可视化和导航的模型已经完善。然而，数据的探索和空间分析导致了GIS技术的显著发展。3DCM对于使用地理信息的规划任务至关重要[22]。然而，GIS和3D城市模型的集成目前仍处于概念状态，尽管其应用已经得到验证，但仍需要进一步发展。过程建模可以使用2D GIS图层来突出大规模的城市设施，而不需要逐站点建模。这减少了开发城市环境3D模型所需的时间。我们的方法使用程序建模技术，自动生成复杂的城市结构，包括建筑物和房屋，从一组GIS数据和程序规则。竞合利益我们声明我们没有利益冲突。引用1[10]何S，贝苏耶夫斯基G，图尔V，帕托G，莫罗G.所有范围和异构多尺度3D城市模型。在：3D城市模型的使用，可用性和实用性法国南特，法国Les Ulis，EDP Sciences，2012DOI：10.1051/3u3d/2012020062Tsiliakou E，Labropoulos T，Dimopoulou E. 3D GIS环境下的过程建模。国际三维信息建模杂志，2014，3（3）：17431虚拟现实智能硬件2021年11月3日第5DOI：10.4018/ij3dim.20140701023[10]杨文，李文.以三维规则为基础的城市建模，以支持城市重建过程。ISPRS International Journal of Geo-Information，2018，7（10）：413DOI：10.3390/ijgi71004134Martínez J A. Potencialidades del SIG 3D y los Modelos Urbanos Interactivos（The Potential of the SIG 3D and theInteractive Urban Models ） . III Congreso Iberoamericano de Grafico Digital [SIGRADI Conference Proceedings]Montevideo（Uruguay）. 19995Ahmed F C，Sekar S P.在日常城市规划过程中使用三维体积分析。应用空间分析与政策，2015，8（4）：393DOI：10.1007/s12061-014-9122-26罗永文，何建，何永涛.一种支持区域保护规划的基于规则的城市建模方法。可持续城市与社会，2017，28：277DOI：10.1016/j.scs.2016.10.0037陈国南，艾施，王卡，穆勒，张鄂.交互式程序街道建模。In：ACM SIGGRAPH 2008 papers on-SIGGRAPH.洛杉矶，加利福尼亚州，纽约，ACM出版社，2008年DOI：10.1145/1399504.13607028赵庆文，毕宏康，李文智，毛天林，王志清，林文春，邓正光。视觉交通模拟：模型、评估及在自动驾驶中的应用。计算机图形论坛，2020，39（1）：287-308 DOI：10.1111/cgf.138039冯天，余丽芬，杨淑君，尹国健，周凯.大众驱动的中型布局设计。ACM图形学报，2016，35（4）：1DOI：10.1145/2897824.292589410Lee J，Won J，Lee J. Crowd Simulation by Deep Reinforcement Learning。第11届运动、交互和游戏国际年会论文集。利马索尔塞浦路斯，纽约，纽约州，美国，ACM，2018：1-7 DOI：10.1145/3274247.327451011孙华，胡林林，寿文春，王军。自组织群体动力学：基于GIS和多智能体系统方法论的演习训练个体地震应急响应模式研究。传感器，2021，21（4）：1353 DOI：10.3390/s2104135312Birgillito G，Rindone C，Vitetta A.不连续空间中的乘客流动性：案例研究中的海上屏障进出模型。先进交通杂志，2018，1电话：021 - 8888888传真：021 - 888888813Croce A I，Musolino G，Rindone C，Vitetta A.可持续交通和能源：电动汽车运输服务的定量评估。可再生和可持续能源评论，2019，113，109236 DOI：10.1016/j.rser.2019.06.04314刘伟，王伟，王伟.疏散训练的作用。见：风险分析VIII。克罗地亚布拉克岛，南安普敦，英国，WIT出版社，2012年DOI：10.2495/风险12041115Croce AI，Musolino G，Rindone C，Vitetta A.交通系统模型和大数据：利用传统调查、FCD和GIS进行分区和图形构建。ISPRS International Journal of Geo-Information，2019，8（4）：187 DOI：10.3390/ijgi804018716Koziatek O，Dragiević S. iCity 3D：一种用于城市垂直发展三维建模的地理模拟方法和工具。景观与城市规划，2017，167：356DOI：10.1016/j.landurbplan.2017.06.02117Lloyd C，Sturrock H，Leasure D，Jochem W，Lázár A，Tatem A.利用GIS和机器学习对中低收入地区城市建筑的居住状况进行分类。遥感，2020，12（23）：3847432Gustavo ALOMIA et al：Procedural modeling applied to the 3D city model of Bogota：A case studyDOI：10.3390/rs1223384718特克塞弗湾城市引擎3D建模2015 DOI：10.13140/RG.2.2.30548.30085。19王旭，宋永春，唐平。基于形态语法和街区形态分析的生成性城市设计。建筑研究前沿，2020，9（4）：914DOI：10.1016/j.foar.2020.09.00120[10]李国雄，李国雄.模拟城市空间的外观和行为。计算机图形学论坛，2010，29（1）：25DOI：10.1111/j.1467-8659.2009.01535.x21胡晓霞，刘晓芳，何志民，张建华.基于ESRI cityEngine的三维城市批量建模。2013年IET智能与可持续城市国际会议（ICSSC）上海，IET，201322卢奥Y，HeJ。基于规则的过程建模在城市规划中的作用。In土木与建筑工程计算会议。日本大坂，2016433