地理信息系统设计开发课报告

《地理信息系统设计与开发》课程设计
报告
题目：CityEngine三维建模模拟局部光污染
CityEngine三维建模模拟局部光污染
摘要：
光污染是现代社会中伴随着新技术的发展而出现的问题。

光污染简单的讲就是过量的光辐射对人类生活和生产环境造成不良影响的现象。

CityEngine是三维城市建模的首选软件，应用于数字城市、城市规划、轨道交通、电力、管线、建筑、国防、仿真、游戏开发和电影制作等领域。

CityEngine可以利用二维数据快速创建三维场景，并能高效的进行规划设计。

本文设计是利用CityEngine软件通过二维数据转换为三维建立模型，通过界面输入参数，后台数据库对参数进行计算，输出污染程度供用户决策。

该系统主要实现的功能有地理数据的输入与编辑、空间分析功能、光污染模拟、光污染查询等。

关键词： CityEngine 光污染建模设计
一、设计目的及意义
随着现代都市的发展,光污染越来越来越严重，对人们的身心健康产生了很大的危害，为了防治光污染，减少光对人体的危害，为人们方便和快速了解光污染和对身边的光污染采取相应的防护措施，我们利用CityEngine建立三维模型，同时采用相关的编程技术模拟局部光污染，以达到如下目的：
1、通过城市设计提高城市夜景照明质量，规范建筑物外装修方式；
2、增进城市管理部门对城市光污染的重视，提高环保意识；
3、节约能源，倡导建设可持续发展的生态城市；
4、帮助规划部门对城市建筑进行规划；
5、帮助用户对装修材料购买的选择以及购房时预知光污染程度。

6、增强人们对光污染的了解，加强防范意识。

二、设计背景
随着现代都市的发展,出现了一种新的污染--光污染，它是继水污染、大气污染、噪声污染和固体废物等污染后又一城市环境公害，影响着人们的身心健康。

随着社会的发展，光污染问题越来越受到人们的重视,光污染虽未被列入环
境防治范畴，但它的危害显而易见，并在日益加重和蔓延。

在欧美和日本，光污染的问题早已引起人们的关注。

美国还成立了国际黑暗夜空协会，专门与光污染作斗争。

1、光污染简介
光污染是现代社会中伴随着新技术的发展而出现的问题。

光污染简单的讲就是过量的光辐射对人类生活和生产环境造成不良影响的现象。

光污染具有两个特点：①光污染是局部的，会随着距离的增加而迅速减弱；②在环境中不存在残留物，光源消失，污染即消失。

2、光污染分类
根据不同的分类原则，光污染可分为不同的类型。

2.1国际分类：白光污染、炫光污染、人工白昼；
2.2按视觉环境分类：室外视觉环境污染、室内视觉环境污染、局部视觉环
境污染；
2.3按光的波长分类：红外光污染、紫外光污染、激光污染及可见光污染；
2.4按时间分类：昼光光污染、夜光光污染；
3、光污染危害
3.1危害人体健康：长时间受强光刺激，造成眼部疲劳，增加各种眼部
疾病发病率；夜晚行车强光刺激会造成人突发性暂时失明和视力错
觉，易导致交通事故的发生；发生光污染越严重的地方，甚至诱发癌
症；
3.2影响天文学研究：由于城市夜晚的灯光太亮，已经对天观测产生极
大的干扰。

3.3生态破坏：破坏植物生长发育，破坏生物的自然生活规律，影响动
物繁殖能力，影响动物的辨别方向的能力。

3.4能源浪费：过度的照明会消耗大量的能源，多余的直射光或反射光
没有照到人们想要看到的目标物，消失到大气层中，造成极大地浪费。

3.5全球暖化肇事者之一：照明设备排放的大量热量助长了城市温度升
高。

Esri CityEngine介绍
1、CityEngine概述
Esri CityEngine是三维城市建模的首选软件，应用于数字城市、城市规划、轨道交通、电力、管线、建筑、国防、仿真、游戏开发和电影制作等领域。

Esri CityEngine 可以利用二维数据快速创建三维场景，并能高效的进行规划设计。

而且对ArcGIS的完美支持，使很多已有的基础GIS数据不需转换即可迅速实现三维建模，减少了系统再投资的成本，也缩短了三维GIS系统的建设周期。

2、CityEngine背景
CityEngine最初是由瑞士苏黎世理工学院，帕斯卡尔·米勒（Pascal Mueller）（米勒是Procedural公司创始人之一，后来成为Procedural公司CEO）设计研发。

当米勒在计算机视觉实验室博士研究期间，发明了一种突破性的程序建模技术，这种技术主要用于三维建筑设计，也为CityEngine软件的问世打下了基础。

在2001年，SIGGRAPH出版物上发表了《Procedural Modeling of Cities》研究文章，这表明了CityEngine正式走出实验室。

—2001年，瑞士苏黎世联邦理工学院计算机视觉实验室；
—2007年，从视觉实验室分离出来，成立 Procedural 公司；
—2008年7月，第一个商业版本的CityEngine 2008发布；
—2009年5月，发布CityEngine 2009；
—2010年6月，发布CityEngine 2010；
—2011年7月，Esri公司总裁Jack Dangermond先生在圣地亚哥的Esri 国际用户大会上向数万名与会者宣布收购瑞士Procedural公司，产品正式更名为Esri CityEngine；
—2011年10月，成立Esri苏黎世研发中心，为工作集中在城市设计、建模以及GIS集成方面；
—2011年11月，发布Esri CityEngine 2011；
—2012年6月，发布Esri CityEngine 2012。

3、CityEngine特点
①支持GIS数据
Esri CityEngine支持Esri Shapefile，File Geodatabase，KML和OpenStreetMap，可以利用现有的GIS数据，如宗地、建筑物边界，道路中心线，快速的构建城市风貌。

②标准行业3D格式
sri CityEngine 支持多数行业标准3D格式，包括Collada®，Autodesk® FBX®，DXF，3DS，Wavefront OBJ和E-OnSoftware® Vue。

创建的三维内容还可以导出为Pixar’s RenderMan® RIB格式，和NVIDIA’s mental ray® MI格式。

③动态城市布局
Esri CityEngine是一个全面的、综合的工具箱，使用它可以快速的创建和修改城市布局；它专门为设计、绘制、修改城市布局提供了独有的模型增长功能和直观的编辑工具，辅助设计人员调整道路，街区，宗地的风貌。

④可视化的参数接口设置
提供可视化的、交互的对象属性参数修改面板调来整规则参数值，比如房屋高度，房顶类型，贴图风格等，并且可以立刻看到调整以后的结果。

这种参数的调整是不会修改规则本身。

⑤提供节点式规则编辑器
通过可视化交互工具和CGA脚本方式的创建、修改规则。

⑥提供交互式规则生成工具
通过交互式工具根据建筑物侧面纹理交互式的创建详细的建模规则，规则能保存为CGA文件，可以使用规则编辑器进一步修改或者直接建模使用。

⑦基于规则批量建模
将CGA规则文件直接拖放到需要建模的地块，软件将根据规则将所有的宗地建筑物模型批量建好。

⑧集成Python环境
编写Python脚本，完成自动化的工作流程，比如批量导入模型、读取每个建筑的元数据信息等。

⑨输出统计报表
创建基于规则的自定义报表，用于分析城市规划指标，包括建筑面积、容积率等，报表的内容会根据设计方案的不同自动更新。

⑩支持多平台操作系统
支持Windows (32/64bit)，Mac OSX (64bit)和Linux (64bit)。

4、基于规则批量建模
规则定义了一系列的几何和纹理特征决定了模型如何生成。

基于规则的建模的思想是定义规则，反复优化设计，以创造更多的细节。

当有大量的模型创造和设计时，基于规则建模可以节省大量的时间和成本。

最初，它需要更多的时间来写规则文件，但一旦做到这一点，创造更多的模型或不同的设计方案，比传统的手工建模更快。

三、设计内容
1、主场景设计（白天、夜间）
在CityEngine中建立三维模型，以模拟地型、地表覆盖、太阳模型
（模拟太阳运转、光照强度等）天气、时间轴等；
2、建立三维城市模型：
白天：建立单独房屋建筑的参数（高度、宽度、方位等）用户可以根据自己的意向设置房屋，同时可以自己改变房屋的外属性（外表贴图等）夜间：建立单独房屋建筑的参数（高度、宽度、方位等）定义玻璃窗户等透明物的发光度模拟室内光同时设置路灯的发光材料，强度。

3、空气质量等的输入
用户可以根据自己的需求输入空气质量参数，经过数据库的运算然后输出光污染程度，（PM2.5、颗粒物大小、水分等）可以网络获取；
4、修改身边房屋等的参数、属性
与3相同，输入参数，数据库后台运算，用户根据自己位置的实际情况设置搭建身边房屋的相关属性；
5、确定、分析
完成软件相关参数的更改后通过后台分析、计算、定级，输出结果。

四、数据采集
1、建模数据
（1）栅格数据：西南林业大学遥感影像图；
（2）矢量数据：运用ArcGIS将影像数据进行矢量化，为CityEngine建模提供基础数据；
（3）文理图层：使地表（地形图层）构筑物等更加真实美观；
（4）障碍图层：在建模过程中，由于存在的的障碍因素（现实环境的障碍物），有些地方不能出现建筑物，通过对障碍图层进行分析，建立出更切合实际的模型。

2、光污染模拟数据
光的照射强度、光的频闪度、光照的时间、光照时段。

3、环境
开发平台：ArcEngine9.3；
开发语言：C#；
运行环建：WindowsXP、Windows7或Windows8
五、设计思路
建立一个完善实用光污染分析系统是十分必要的。

怎样将不同建筑物，不同光照强度，不同天气情况结合起来，综合分析光污染危害状况是本系统的出发点。

同时，为了满足用户更多元化的需求，我们尝试使用三维显示功能来展示分析的结果。

1、主场景设计（白天、夜间）
地型、地表覆盖、太阳模型（模拟太阳运转、光照强度等）天气、时间轴
2、建立三维城市模型
白天：建立单独房屋建筑的参数（高度、宽度、方位等）用户可以根据自己的意向设置房屋，同时可以自己改变房屋的外属性（外表贴图等）夜间：建立单独房屋建筑的参数（高度、宽度、方位等）定义玻璃窗户等透明物的发光度模拟室内光同时设置路灯的发光材料，强度。

3、空气质量等的输入
（PM2.5、颗粒物大小、水分等）可以网络获取。

4、修改身边房屋等的参数、属性
用户根据自己位置的实际情况设置搭建身边房屋的相关属性
5、确定、分析
完成软件相关参数的更改后通过后台分析、计算、定级，输出结果。

六、C ityEngine建模操作大致步骤
1、打开CityEngine新建一个工程文件。

2、新建工程文件的默认文件夹如下，注意每个工程文件下的文件夹存放不同
数据。

3、将矢量图，DEM,遥感影像图等数据底图导入CityEngine的工程文件中的
data里面。

4、将拍摄的建筑物纹理照片存放入assets文件夹内。

如下图为屋顶纹理图片
5、右键rules文件夹新建一个rules文件，在规则编辑器里面开始编辑
规则。

初步画好的模型可以利用规则贴外部的纹理图片。

得到更加真实的三维建筑图。

6、规则在整体上分为建筑规则,道路规则，绿化规则。

针对不同风格建又可以编写不同CGA规则,生成的规则文件自动保存在rules文件夹里。

将不同的规则拖放入下相应的地块中。

将建筑规则拖放入相应的建筑底块中，之后可以在Inspector面板中可以进一步修改建筑属性信息，如建筑物高度，屋顶样式；如图：
7、道路规则拖放入道路矢量中，同时也可以用道路创建工具和道路编辑工具自主创建道路网。

七、实现功能
1、地理数据的输入与编辑
将基础数据输入计算机，同时对数据进行修改、编辑与更新。

2、空间分析功能
开发光污染分析系统，借助系统的缓冲区分析、空间叠置分析、三维可视
化显示、表面分析等功能完成光污染的分布和危害程度分析。

3、光污染模拟
开发模拟分析模块，通过光强和照度的相应计算公式和不同建筑物反射率的不同，分别对可见光和红、紫外线等不可见光进行污染模拟，叠加后得到不同等级的光污染情况。

4、光污染查询
将相关的污染系数输入系统，可以查询当前情况下光污染程度；可为小区规划、房屋建筑、室内规划、建筑选材等提供相应的决策。