使用CityEngine规划和可视化室内与室外空间3D路线外文翻译资料

 2022-09-25 16:52:58

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使用CityEngine规划和可视化室内与室外空间3D路线

KyoHyouk金，约翰·威尔逊P.

空间科学研究所，南加州大学洛杉矶分校，CA，USA

摘要：随着现代建筑规模逐渐扩大与越发复杂，3D室内路线设计是时下比较受关注的话题。不同的元素，比如路线查找，室内建模和可视化路线需要共同协作来实现这一目标。为了这个目的，我们提出了一个框架，它利用了现有的数据源和工具，可以最大限度地减少所需的潜在三维室内路线应用的时间和精力。我们的3D室内建筑模型是从CAD文件或Shape文件(.shp)和CityEngine生成其内部结构的过程建模方法。一个美国残疾人法案（ADA）使用的3D网络是通过结合3D地面线和过渡层，例如楼梯和电梯创建实现。所得的路线以及室内和门面模型，由CityEngine中产生的3D WebScene可视化。我们的研究表明了CityEngine中对3D室内模型生成以及3D路由可视化的实用性。

关键词：CityEngine; 程序建模; CGA形状语法; 3D-GIS; 3D室内寻址

1 简介

三维（3D）建筑模型是一些工程项目中必需的一个组件，如城市设计，城市规划，虚拟现实，娱乐，潜在太阳能估计和应急响应。目前其中许多方法已经使用不同的数据源，如数字表面模型（DSM）或空中的立体影像。更多的细节和这个话题的全面概述在Haala中由嘉田提出的。除了​​这些部分，3D虚拟场景，包括建筑模型以及城市其他功能（如道路，树木等）已经被其他生成，也会继续被使用，无论是手动创建或半自动的基于摄影测量，计算机视觉，或生成模拟技术。在这种情况下，有可能迅速重建高视觉质量的3D虚拟场景，特别是许多国家的主要城市。这些例子都导致我们需要设计更详细的模型或新应用需求方式。2D操作典型的地理信息系统（GIS）正在迅速走向三维空间，而在同样的方式下，3D建筑建模也正在经历相同的过渡，使得建筑物的室内空间现在愈发接近现实状况。显然，这一趋势引起了新的应用，例如我们工作的重点，室内建模，路径查找和路径可视化。

随着尺寸的增加和现代建筑的复杂性，室内路线查找正变得越来越重要。显然，花了大量时间在室内的人常常需要面临路线查找问题。游客们很难找到复杂的环境如多层次的公共建筑和大学校园内的到目的地的最佳路径。此外，对于有特殊需要，基于任一粗略地图或多个辅助符号上的常规引导系统是不够的。为了克服这些限制，使用更先进的路线规划系统，充分利用国际最先进的技术，如三维GIS室内定位和路径建模系统，是很有必要的。另外，室内的路径系统可用于设施管理和紧急响应，例如，在关键事件的情况下，及时响应和决策是必要的，以提供疏散通道，可以最大限度地减少生命或财产损失。最近，一些大公司的地理空间部门，如谷歌，微软和Navteq公司，已经开始提供室内布局信息以及室内路径设计。然而，目前仅限于二维可视化，使得只能够进行2D浏览。然而，较少关注已存在了框架利用现有的资源来支持3D室内路径分析和可视化。整合现有的软件和组合相关的功能可以大大减少为实现这一目标所需的时间和精力。鉴于这样的背景下，本文介绍如何综合使用现有的工具用相关的功能相结合，生成3D模型，尤其是对室内空间，以确定最佳的3D室内路径，并可视化这些3D信息。

本文的其余部分的结构如下。第2节简要介绍了CityEngine中，用于生成和可视化室内控件和外立面模型其内置的建模语言。 在第3节，对我们研究的工作流程提出详细说明。此后，第4节使用在南加州大学（USC）校园大学的例子建设体现路径规划结果，以及可视化，另外包括我们总结，并提供最终的结论和步骤关于今后的工作。第5节。为了实现一个全面运作的室内路径规划的应用，不同的元素，如室内模式，路径的发现和路径可视化共同协作（1）。考虑3D可视化和相应网络的服务，附加的因素，诸如兼容性和性能，也应考虑在内。许多研究已经进行了关于这个方面中，其中大部分是主要集中于特定元素（即3D设计的网络模型）并产生可视化的三维模型。

2. CityEngine中和CGA形状语法

CityEngine中是用于产生大型建筑物和虚拟城市的一个3D建模应用程序。它最初是由程序公司开发，现在正在进一步由ESRI的苏黎世研发中心开发的。在CityEngine中应用程序依赖于程序建模（帕里什和2001年穆勒，穆勒等人2006年），而这又是基于L-系统。CityEngine中支持一个内置的称为“计算机生成的体系结构（CGA）的形状语法的过程建模，最初是由Muller等人开发的编程语言（2006）。

CGA形状语法是由旺卡等人介绍了集语法的扩展（2003）。改进的功能包括对结构建模的工具。CGA形状语法适用很多套造型规则，如复制，缩放，旋转和分离最初的形状如2D建筑物轮廓。在CityEngine中，这组操作顺序组织起来，从而形成一个CGA规则文件。用户可以使用CityEngine中内置的编辑器做出自己的CGA规则。对于最初的形状，CityEngine中可以输入不同类型的地理空间数据集，并参考相关的语义信息，然后可以选择用于生成独特的3D模型的不同的方案。其中之一的CGA形状语法较前一形状语法的优点是它支持组件分割以允许形状分为较小尺寸的形状（Muller等人，2006）。例如，一旦CGA形状语法用于创建从初始形状的原始质量模型，它可以被用来门面建模和用于门，窗和装饰物添加更多的细节（Muller等人，2006）。规则这个应用有效用于设置功能和组件的空间分布为相应建筑形状（普鲁辛凯维奇等人，2001）。

作为一个例子，图2示CGA形状语法如何可以用于建筑门面建模。原始质量模型首先从初始2D文件（图2a）中产生。那么第一个门面细分成一个底层和高层。随后，每层被进一步分成一个底部窗台，格子，顶部凸起区，根据每层参数，每一格子被进一步划分为中心的窗口和墙壁区域的两端，这是重复的瓷砖和预定数量的窗口块，图2b示意使用此过程门面模型产生。更细节的正面同样能够插入建模使用预定义的建筑形状​​或申请相应的纹理图2C和2D。

3工作流程

本节详细介绍我们在本研究完成的工作任务。正如图3所示，我们首先使用CAD文件和Shape文件导入CityEngine中，分别产生的3D室内和建筑物立面的模型。一个3D网络数据集的创建，从3D布线在ArcScene中进行。所得的路线，以及3D模型，发布到CityEngine中用于可视化三维网络场景，可以使用互联网浏览器支持的WebGL进行访问。每一步的细节在以下各小节中讨论。

1）3D建模的室内空间的主要特征提取

一个3D室内模型主要用于3D室内路由应用可视化。在这种情况下，高度细节化可以实现，这取决于用户或应用程序的特定需求，如图4，考虑到可视性能和构建的3D模型所需的时间，我们的目的是建立三维在LoD2.5复杂基础的室内模型。因此，建议室内模型包括各种场所，如办公室，大厅，走廊，回廊，以及内墙;然而，它不显示门窗的形状。

用于室内路线应用程序所需的主要特征是通过从CAD文件中提取的地理处理模型采用，以识别与主要特征相关联的层的名称和从CAD层提取它们的主要特征的几何形状，而语义信息是从在CAD文件中的点层来决定，并通过相应的特征和间隔的空间加入。由于在原始CAD文件固有的一些一致性问题，一些人工处理是不可避免的。图5a和5b示出了原始的CAD文件和表示的所有功能，与提取出的多边形。对于每个特征或空间中的语义信息被存储在属性表所示。一些不包括在输入的CAD文件，如部门名称和居民的信息的其他信息，在一个单独的表被编译并加入到多边形层。相同的策略被用于提取壁多边形，如图5c所示。表1概括包含在得到的多边形层的属性字段。上部七个字段被从输入的CAD文件确定的，和其他人从单独的表连接。

2）3D室内模式生成

一旦我们提取了所有的多边形空间，他们被导入到CityEngine中和CGA规则被应用，从而产生3D室内模式。高层次规则首先被分配不同的颜色给每个空间，这取决于它的使用类型，在外形文件从外地ROOM_DESCP简称和基于位置的地板平面图。以同样的方式，另一CGA规则施加到墙壁多边形。在这种情况 下，CGA规则首先定位墙壁多边形到相同的水平的平面图和挤出墙壁至预定高度。这两种模式相结合，我们获得每个楼层三维室内模型图6示意了在艾伦Hancock的基金会（AHF）建筑物地下室的所得三维室内模型。

由于CAD文件包含在二维空间中的数据，并错过了一些关于不同楼层之间的连接信息，需要进行一些手动处理，尤其是楼梯和电梯。在原始的CAD文件中，电梯被定义为具有唯一层名称，使得它们可以容易地提取一个封闭多边形。然而，阶梯被表示为一系列如图7a和这些特征不能被定义为使用一个简单的地理处理模型的多边形折线。因此，一系列连接的多边形被手工画出，和属性字段，如

3）3D网络建设

除了3D室内模型中，3D网络数据集是必要用于执行3D室内路径。对于每一个平面图，2D地板系由所示图8a连接所有空格走廊或走廊创建。关联属性表包括地板，ADA_RESTRICTED，偏好和REAL_HGT领域。本场ADA_RESTRICTED表示给定网段是否限制轮椅通道。因此，它被设置为0，所有的普通路径，斜坡和下斜路边石，以及电梯，设置为1的楼梯。偏好表示用于确定最优路径的给定的网络段的偏好程度。较高的值（即接近1）被分配到穿过走廊或走廊的网段，而较低的值被分配给那些通过办公处。这种方法有效地避免了发现通过许多办公室通过，如在图9所示的路由。字段REAL_HGT表示给定的楼层，将其从底层DEM与预定义的楼层高度确定的高于地面的实际高度。我们建立了二维拓扑之后，地面线要素转换为3D路线使用此REAL_HGT领域的功能。

以同样的方式，连接不同的楼层的转换也首先在二维数字化。红色线段图8A显示连接每个过渡的基础设施与底层地板.对应起始点应连接到上部和下部楼层的端点的四个楼梯的中心线。所述在相应的属性表中添加领域如T_FLOOR和T_ELEV，其分别表示所连接的地板的地板数目和实际高度，。最后，相邻的建筑物现有的道路网络也被连接到所述入口到建筑物，图8b示出了校园道路（绿色）构成完成的3D多网络中，室内地板线（灰色），楼梯（红色）和电梯（蓝色）。使用所有这些要素数据集，我们创建了ArcGIS网络分析一个3D网络数据集。

4）最佳路径发现

Esri的ArcGIS网络分析支持各种基于网络的分析任务，包括航线，最接近的设施，服务等方面的计算。对于路径的分析，众多的网络参数可以在网络建设过程中进行调整。显然，如果输入特征数据集包括所有的几何形状和属性相关的信息，能够进行更高级的和详细的路线分析任务。虽然传统的室外路径分析是基于标准，如速度最快，最短和最曲折，但是室内路径分析主要是根据可访问性和安全标准，其中无障碍是ADA遵守的基本要求。两个网络属性（即ADA_RESTRICTED和ROOT_PREFERENCE）加入到该网络数据集为限制和成本“类型，其目的在”3D网络的构建“前面解释。我们建立网络数据集后，在ArcScene用图10a呈现的地理处理模型执行路线调查分析。该模型利用一个3D网络数据集，限制和阻抗属性作为输入参数，发现两名用户指定的3D位置之间的最佳路径。一旦模型到了最佳路由，它增加了生成的3D路线在ArcScene中。图10b将当前地图文档显示添加到ArcScene中的最优路径层。

4.示例

接下来，我们提出了一系列关于南加州大学园校区的例子。我们建立的高画质建筑模型，其中一个包含3D室内模式，以及一个3D室内网络数据集。三个示例路线是用在“最佳路线发现”提出的方法并在ArcScene确定。由此产生的路线，然后用ArcToolbox中“Buffer3D”修改，导出为多面体形状文件，然后导入到CityEngine中为静态层。由此产生的三维网络生成到CityEngine中可以通过大多数网页浏览器支持WebGL的格式进行访问。该CityEngine中WebViewer中还提供了用于交互式导航三维幅场景（图11A）的用户界面。在AHF建筑物的3D室内模式如在图11b所示。主要特征提取与语义信息解释也可以通过使用搜索图标或通过点击在图11b所示WebViewer中的每个对象进行查询。图12示出了具有在Web查看3D模型可视化的三个示例性3D路径的结果。对于在图12a和12b所示的路线，选择了目标点位于AHF大楼的地下室空间科学研究所（SSI）的主大堂内。接通ADA_RESTRICED网络属性，该模型中发现的楼梯既为进入大楼和下降到地下室以下的路径。然而，随着ADA_RESTRICTED关闭时，发现的模式可供轮椅路线，如图12c和12d呈现。在图12a和12b示出的以前的路线相比，所得到的路径使用斜坡代替楼梯进入大楼。它也可用于电梯，而不是阶梯以下，即使将所得的路由不是最快，与最短的相比，在图12a的路线和12b。另一个ADAcompatible路由例子示于图12e和12f中，显示了建筑物内的路由的结果。它从四楼一间办公室，并于地下室的办公室结束。显然，模型中发现以下的电梯，而不是使用楼梯的最佳路径。给定的3D模型和路由可视化在本实施例可以在

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