浅析城市规划面向城市规划参数化设计技术与系统（一）
最后更新时间：2024-01-16
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论文导读：
【摘 要】针对城市规划行业目前普遍使用的AutoCAD软件所绘制的图形层次较低且缺乏关联、智能性不足、方案修改维护成本高，以及现有参数化设计系统技术门槛较高等问题，提出一套面向城市规划的参数化设计新技术，并开发了相应的系统。文章共分三部分，本文为第一部分，给出了参数管理与自动化生成相分离的参数化设计系统架构思路及基于属性块的城市图元参数管理方法。第二、三部分分别给出了DXF-SHP文件格式自定义转换、参数化三维建模技术，并通过实际规划案例，证明了所述技术和系统的可行性和高效性。
【关键词】参数化设计；城市规划；CityEngine；系统架构；参数管理
1 引言
目前，城市规划行业普遍使用的辅助设计软件是AutoDesk公司的AutoCAD，该软件在规划实践中存在如下诸多问题：（1）规划方案由点、线、面等低层次几何图形拼凑而成的，缺乏高层次城市地物对象的概念，不符合人类的认知习惯；（2）几何图形之间缺乏关联，呈离散分布，导致整个方案的设计、修改和维护成本异常庞大；（3）整个规划方案中的任何细节均需人工确定，缺乏智能性和辅助决策能力。为了解决上述问题，近年来不少学者将参数化设计技术引入建筑、规划领域，并开发了相应的参数化设计系统，如Esri公司的CityEngine[1-3]。然而该系统技术门槛较高，主要表现在：（1）方案的建立由形式化或结构化的文法规则驱动，因此用户必须掌握计算机语言和具备编程能力；（2）城市地物类型丰富多样，因此必须建立庞大的文法规则库，才能表现真实世界的复杂空间形态；（3）软件系统的操作方式、使用习惯完全不同于AutoCAD，对于规划设计者而难度较大。这些问题将严重制约参数化设计技术在城市规划领域的发展和普及。
事实上，要将参数化设计技术引入城市规划领域，需要考虑该领域的特殊性：（1）规划对象的特殊性。规划对象为城市地物，如道路、地块、建筑等，且种类风格各异，因此参数化设计系统必须具有表现这些对象的能力；（2）规划人员的特殊性。大部分的规划人员不具备计算机语言和编程基础，依旧习惯于使用熟悉的AutoCAD软件进行辅助设计，参数化设计系统必须考虑这些使用者的现实条件。为促进参数化设计技术在城市规划领域的普及和应用，针对上述特殊性，本文提出了一套面向城市规划的参数化设计技术，并开发了相应的系统。
2 面向城市规划的参数化设计系统架构
在一般的参数化设计系统里，参数管理和自动化生成是紧密整合在一起的，因此用户既须负责管理参数，又需编写参数化生成规则和建立模型库等，这对于广大规划设计者而言门槛太高。为此，文本提出将参数管理与自动化生成相分离的思路：前者，研究基于AutoCAD平台的高效的参数管理方法及开发相应插件，形成一个面向规划设计者的客户端；后者，借助CityEngine Pro 2011平台，研究文件格式转换、规则库构建、自动化生成脚本设计等内容，并封装复杂技术细节，形成一个相对封闭的服务端。最后，研究并搭建服务网站，将上述两者连接成一个整体。
系统的整体框架如图
图所示：（1）首先城市地图以DWG或DXF文件格式导入客户端，由规划设计者利用插件，并参照服务网站风格库管理模块，将相应参数赋予各个城市地物图元，并另存为带参数的DXF文件；（2）规划设计者将DXF文件经过网站的项目管理模块上传到服务器，并立即被服务端获取；（3）服务端执行自动生成脚本，调用文件格式转换工具、材质库、CGA规则库等快速、自动地生成规划方案；（4）服务端将方案文件传入到服务网站供客户端下载。整个过程，规划设计者只需在客户端内（熟悉的AutoCAD平台下）为图元赋予适当的参数即可，无需编写任何规则脚本或建立模型库，规划方案会在服务网站后台自动生成并提供下载。
3 基于属性块的城市图元参数管理技术
该方法首先手动将一个或者若干个需要相同参数集的图元选入选择集SS。其次，从指定的文件中导入参数集PAS，每个参数都包含“属性”、“提示文字”、“默认值”三个字段。接着，求出SS的中心点坐标P，并为每个参数创建一个属性定义ATTDEFS，以摘自：毕业论文工作总结www.7ctime.com
P点为中心自上而下依次排列。然后将ATTDEFS连同SS一起，创建一个块BLOCK。当然建立的块并不会在绘图区显示，最后还需要按照原坐标插入块参照REF，至此整个流程结束。图中实线框表示的是基本步骤，虚线框表示的是可选步骤。其中，更改和读取注册表内的设置，主要用于让用户选择不同的属性块创建方式，比如可以选择为多个选中图元创建一个属性块，也可以选择分别为每个图元创建一个属性块等；“插入提示文字”，便于规则设计者理解所创建的每个属性定义的含义，方便后期的维护；“修改块参照的颜色和图层属性”是为了便于识别和统一管理。由本方所述方法最终生成的属性块如图所示。整个绑定流程中，除第一步“选择图元集”需要少量手动交互外，其他步骤均由程序自动完成，大大提高了创建属性块的效率，使规划设计者得以从繁琐的操作中解脱出来。
（b）整体模式的属性块
（c）独立模式的属性块
图3 属性块效果示意
本文利用OpenDCL开发的对话框界面如图所示。在属性定义选项面板下，设置了一个GRID属性列表，用于显示整个参数集。表中一行代表一个参数，包含“属性”、“提示”、“默认值”三个字段，分别对应属性定义（Attribute Definition）的三个要素。对话框提供了三种导入参数集的方式：（1）从外部文件导入，界面提供了“打开”、“保存”、“另存”、“关闭”等操作外部文件的按钮；（2论文导读：属性块在工程图形中的研究与应用. 天津冶金. 2008（3）： 28-30.郭平. AutoCAD中的"属性源于：毕业设计论文模板www.7ctime.com块"及其应用. 电子设计工程. 2011， 19（6）： 30-32.兰度. AutoCAD可视化对话框开发工具OpenDCL使用简介. 城市勘测. 2009（6）： 87-89， 92.胡长鹏，张巨俭，刘瑞璞. 基于VLISP和
）手动输入，界面提供了手动创建一条参数的按钮，同时还可以直接在界面上对参数进行排序、删除、修改等操作；（3）从系统剪切面板粘贴，当用户从外部复制了一组参数集到系统剪切面板后，单击“粘贴”按钮即可使其快速输入列表；（4）从AutoCAD绘图区属性块实体上吸取，通过该功能用户可以直接从图上得到想要的参数集。
4 总结
本文针对现有规划技术手段落后、已有参数化设计系统门槛又较高的问题，提出将参数管理与自动化生成相分离的参数化设计系统架构思路，重点研究了图元与参数的绑定、参数的组织与管理技术。该部分的作用是使规划设计人员能够在熟悉的AutoCAD平台下快速地为各城市图元添加属性，为后面的参数化三维建模提供条件。
参考文献：
Müller P， Vereenooghe T， Wonka P， et al. Procedural 3D Reconstruction of Puuc Buildings in Xkipché[C]. EG， 2006.
Müller P， Wonka P， Haegler S， et al. Procedural modeling of buildings[J]. ACM Trans. Graph. 2006， 25： 614-623.
[3] Parish Y I H， M U Ller P. Procedural modeling of cities[C]. New York， NY， USA： ACM， 2001.
[4]虞自奋. 属性块在工程图形中的研究与应用[J]. 天津冶金. 2008（3）： 28-30.
[5]郭平. AutoCAD中的"属性源于：毕业设计论文模板www.7ctime.com
块"及其应用[J]. 电子设计工程. 2011， 19（6）： 30-32.
[6]兰度. AutoCAD可视化对话框开发工具OpenDCL使用简介[J]. 城市勘测. 2009（6）： 87-89， 92.
[7]胡长鹏，张巨俭，刘瑞璞. 基于VLISP和OpenDCL的西装智能CAD系统的实现[J]. 天津工业大学学报. 2010， 29（5）： 33-36.
作者简介：
吴宁（1984-），男，博士，研究方向为城市规划新技术应用研究；
陈秋晓**（1972-），通讯作者，男，博士、副教授。
*基金项目：
“国家国际科技合作计划”项目（2010DFA92720） 及"863"项目（2009AA12Z121）资助
【摘 要】针对城市规划行业目前普遍使用的AutoCAD软件所绘制的图形层次较低且缺乏关联、智能性不足、方案修改维护成本高，以及现有参数化设计系统技术门槛较高等问题，提出一套面向城市规划的参数化设计新技术，并开发了相应的系统。文章共分三部分，本文为第一部分，给出了参数管理与自动化生成相分离的参数化设计系统架构思路及基于属性块的城市图元参数管理方法。第二、三部分分别给出了DXF-SHP文件格式自定义转换、参数化三维建模技术，并通过实际规划案例，证明了所述技术和系统的可行性和高效性。
【关键词】参数化设计；城市规划；CityEngine；系统架构；参数管理
1 引言
目前，城市规划行业普遍使用的辅助设计软件是AutoDesk公司的AutoCAD，该软件在规划实践中存在如下诸多问题：（1）规划方案由点、线、面等低层次几何图形拼凑而成的，缺乏高层次城市地物对象的概念，不符合人类的认知习惯；（2）几何图形之间缺乏关联，呈离散分布，导致整个方案的设计、修改和维护成本异常庞大；（3）整个规划方案中的任何细节均需人工确定，缺乏智能性和辅助决策能力。为了解决上述问题，近年来不少学者将参数化设计技术引入建筑、规划领域，并开发了相应的参数化设计系统，如Esri公司的CityEngine[1-3]。然而该系统技术门槛较高，主要表现在：（1）方案的建立由形式化或结构化的文法规则驱动，因此用户必须掌握计算机语言和具备编程能力；（2）城市地物类型丰富多样，因此必须建立庞大的文法规则库，才能表现真实世界的复杂空间形态；（3）软件系统的操作方式、使用习惯完全不同于AutoCAD，对于规划设计者而难度较大。这些问题将严重制约参数化设计技术在城市规划领域的发展和普及。
事实上，要将参数化设计技术引入城市规划领域，需要考虑该领域的特殊性：（1）规划对象的特殊性。规划对象为城市地物，如道路、地块、建筑等，且种类风格各异，因此参数化设计系统必须具有表现这些对象的能力；（2）规划人员的特殊性。大部分的规划人员不具备计算机语言和编程基础，依旧习惯于使用熟悉的AutoCAD软件进行辅助设计，参数化设计系统必须考虑这些使用者的现实条件。为促进参数化设计技术在城市规划领域的普及和应用，针对上述特殊性，本文提出了一套面向城市规划的参数化设计技术，并开发了相应的系统。
2 面向城市规划的参数化设计系统架构
在一般的参数化设计系统里，参数管理和自动化生成是紧密整合在一起的，因此用户既须负责管理参数，又需编写参数化生成规则和建立模型库等，这对于广大规划设计者而言门槛太高。为此，文本提出将参数管理与自动化生成相分离的思路：前者，研究基于AutoCAD平台的高效的参数管理方法及开发相应插件，形成一个面向规划设计者的客户端；后者，借助CityEngine Pro 2011平台，研究文件格式转换、规则库构建、自动化生成脚本设计等内容，并封装复杂技术细节，形成一个相对封闭的服务端。最后，研究并搭建服务网站，将上述两者连接成一个整体。
系统的整体框架如图
图所示：（1）首先城市地图以DWG或DXF文件格式导入客户端，由规划设计者利用插件，并参照服务网站风格库管理模块，将相应参数赋予各个城市地物图元，并另存为带参数的DXF文件；（2）规划设计者将DXF文件经过网站的项目管理模块上传到服务器，并立即被服务端获取；（3）服务端执行自动生成脚本，调用文件格式转换工具、材质库、CGA规则库等快速、自动地生成规划方案；（4）服务端将方案文件传入到服务网站供客户端下载。整个过程，规划设计者只需在客户端内（熟悉的AutoCAD平台下）为图元赋予适当的参数即可，无需编写任何规则脚本或建立模型库，规划方案会在服务网站后台自动生成并提供下载。
3 基于属性块的城市图元参数管理技术
3.1 图元与参数的绑定
参数化设计的首要条件是地理空间数据与非地理空间数据相关联。AutoCAD平台虽未直接提供实现该功能的机制，但借助属性块[4， 5]可以间接实现。然而，手工创建属性块的步骤缺非常繁琐：1）绘制代表城市地物的几何图元；2）为每一个参数创建对应的属性定义（Attribute Definition）；3）同时选中几何图元与属性定义，创建并插入块。当涉及到大量城市地物需绑定参数时，手工交互量将变得异常庞大。为此，本文采用Visual Lisp语言，整合上述步骤，提出了一种快速创建属性块的方法，其具体流程如图所示：该方法首先手动将一个或者若干个需要相同参数集的图元选入选择集SS。其次，从指定的文件中导入参数集PAS，每个参数都包含“属性”、“提示文字”、“默认值”三个字段。接着，求出SS的中心点坐标P，并为每个参数创建一个属性定义ATTDEFS，以摘自：毕业论文工作总结www.7ctime.com
P点为中心自上而下依次排列。然后将ATTDEFS连同SS一起，创建一个块BLOCK。当然建立的块并不会在绘图区显示，最后还需要按照原坐标插入块参照REF，至此整个流程结束。图中实线框表示的是基本步骤，虚线框表示的是可选步骤。其中，更改和读取注册表内的设置，主要用于让用户选择不同的属性块创建方式，比如可以选择为多个选中图元创建一个属性块，也可以选择分别为每个图元创建一个属性块等；“插入提示文字”，便于规则设计者理解所创建的每个属性定义的含义，方便后期的维护；“修改块参照的颜色和图层属性”是为了便于识别和统一管理。由本方所述方法最终生成的属性块如图所示。整个绑定流程中，除第一步“选择图元集”需要少量手动交互外，其他步骤均由程序自动完成，大大提高了创建属性块的效率，使规划设计者得以从繁琐的操作中解脱出来。
3.2 参数的组织与管理
从绑定的流程可见，需要从外部文件导入一个参数集。这种依赖外部文件的管理方式不够直观、操作繁琐、难以保证外部文件格式的正确性。因此需将参数集的组织与管理整合到AutoCAD平台中来，并提供友好的交互对话框。目前，可以设计AutoCAD对话框的语言有：DCL、VBA、ObjectDCL和OpenDCL[6]。DCL并不是一个可视化的编程环境；VBA虽是可视化的，但在与Lisp/VisualLisp进行大量数据通信时，速度和稳定性难以保证[7]；ObjectDCL与OpenDCL均是可视化的对话框制作工具，提供了类似于MFC的消息响应机制，且能打包成独立的VLX可执行文件。但ObjectDCL是商业化产品，因此功能类似的开源免费语言OpenDCL是本文合适的选择。（a）原始图元（b）整体模式的属性块
（c）独立模式的属性块
图3 属性块效果示意
本文利用OpenDCL开发的对话框界面如图所示。在属性定义选项面板下，设置了一个GRID属性列表，用于显示整个参数集。表中一行代表一个参数，包含“属性”、“提示”、“默认值”三个字段，分别对应属性定义（Attribute Definition）的三个要素。对话框提供了三种导入参数集的方式：（1）从外部文件导入，界面提供了“打开”、“保存”、“另存”、“关闭”等操作外部文件的按钮；（2论文导读：属性块在工程图形中的研究与应用. 天津冶金. 2008（3）： 28-30.郭平. AutoCAD中的"属性源于：毕业设计论文模板www.7ctime.com块"及其应用. 电子设计工程. 2011， 19（6）： 30-32.兰度. AutoCAD可视化对话框开发工具OpenDCL使用简介. 城市勘测. 2009（6）： 87-89， 92.胡长鹏，张巨俭，刘瑞璞. 基于VLISP和
）手动输入，界面提供了手动创建一条参数的按钮，同时还可以直接在界面上对参数进行排序、删除、修改等操作；（3）从系统剪切面板粘贴，当用户从外部复制了一组参数集到系统剪切面板后，单击“粘贴”按钮即可使其快速输入列表；（4）从AutoCAD绘图区属性块实体上吸取，通过该功能用户可以直接从图上得到想要的参数集。
4 总结
本文针对现有规划技术手段落后、已有参数化设计系统门槛又较高的问题，提出将参数管理与自动化生成相分离的参数化设计系统架构思路，重点研究了图元与参数的绑定、参数的组织与管理技术。该部分的作用是使规划设计人员能够在熟悉的AutoCAD平台下快速地为各城市图元添加属性，为后面的参数化三维建模提供条件。
参考文献：
Müller P， Vereenooghe T， Wonka P， et al. Procedural 3D Reconstruction of Puuc Buildings in Xkipché[C]. EG， 2006.
Müller P， Wonka P， Haegler S， et al. Procedural modeling of buildings[J]. ACM Trans. Graph. 2006， 25： 614-623.
[3] Parish Y I H， M U Ller P. Procedural modeling of cities[C]. New York， NY， USA： ACM， 2001.
[4]虞自奋. 属性块在工程图形中的研究与应用[J]. 天津冶金. 2008（3）： 28-30.
[5]郭平. AutoCAD中的"属性源于：毕业设计论文模板www.7ctime.com
块"及其应用[J]. 电子设计工程. 2011， 19（6）： 30-32.
[6]兰度. AutoCAD可视化对话框开发工具OpenDCL使用简介[J]. 城市勘测. 2009（6）： 87-89， 92.
[7]胡长鹏，张巨俭，刘瑞璞. 基于VLISP和OpenDCL的西装智能CAD系统的实现[J]. 天津工业大学学报. 2010， 29（5）： 33-36.
作者简介：
吴宁（1984-），男，博士，研究方向为城市规划新技术应用研究；
陈秋晓**（1972-），通讯作者，男，博士、副教授。
*基金项目：
“国家国际科技合作计划”项目（2010DFA92720） 及"863"项目（2009AA12Z121）资助