摘要：在利用住房建設(shè)與規(guī)劃自然資源領(lǐng)域中的海量二維地理信息系統(tǒng)（GIS）房屋矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行三維城市建筑建模的過程中，普遍存在模型屬性關(guān)聯(lián)缺失、語義信息不完整等問題，導(dǎo)致模型在管理層面難以實現(xiàn)精細(xì)化、準(zhǔn)確化與可視化，且當(dāng)前三維城市模型大多僅支持可視化展示，缺乏深入的交互分析能力。針對上述問題，本文提出一種基于虛幻引擎5（UE5）的高效三維城市建筑建模方法。以二維矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建一條完整的“語義信息鏈”，實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)預(yù)處理、語義化規(guī)則建模到元數(shù)據(jù)驅(qū)動交互的全流程覆蓋。實驗結(jié)果表明，本方法在將模型分組效率提升數(shù)十倍、幾何完整率提升約40%的同時，實現(xiàn)了響應(yīng)時間低于0.5 s的多種實時交互，顯著提升了建模效率與可視化效果，有助于推動語義化三維模型在智慧城市中的應(yīng)用，并為城市規(guī)劃、樓宇管理、應(yīng)急響應(yīng)等業(yè)務(wù)場景提供了可靠的技術(shù)支撐。

0 引言

隨著實景三維中國建設(shè)戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，實景三維信息產(chǎn)品基于立體化、實體化、真實化三大基本特征，正通過立體化重構(gòu)、實體化建模與真實化描述等核心技術(shù)手段，從靜態(tài)的二（或2.5）維數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型、數(shù)字柵格地圖、數(shù)字線劃地圖（4D）產(chǎn)品向?qū)崟r（準(zhǔn)實時）動態(tài)的實體化產(chǎn)品升級演進(jìn)。這一趨勢不僅提供了更高質(zhì)量的時空信息服務(wù)，也將有效支撐更高層次的時空分析，助力實現(xiàn)更高水平的時空賦能［1］。未來三維城市建模將突破傳統(tǒng)單一幾何重建的局限，通過融合多源環(huán)境數(shù)據(jù)與語義屬性，構(gòu)建室內(nèi)室外一體、地上地下貫通的高精度城市信息模型。這一發(fā)展趨勢對建模技術(shù)的精準(zhǔn)性、交互性及智能化水平提出了更高要求［2-3］。

實景三維產(chǎn)品是對傳統(tǒng)4D數(shù)據(jù)產(chǎn)品的繼承與發(fā)展，可依據(jù)不同行業(yè)應(yīng)用需求，構(gòu)建多種行業(yè)產(chǎn)品［4］。在住建這一重要應(yīng)用領(lǐng)域，雖然數(shù)字化水平顯著提升，但既有建筑數(shù)據(jù)，如地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）矢量∕柵格數(shù)據(jù)，普遍缺乏建筑層數(shù)、結(jié)構(gòu)類型等關(guān)鍵屬性信息［5］。以北京市為例，其400多萬棟單體建筑對應(yīng)大量歷史沉淀建筑矢量數(shù)據(jù)，生成的三維建筑模型又常存在語義信息缺失、關(guān)聯(lián)性弱、交互分析能力不足等問題。如何高效地將二維矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為攜帶語義屬性的三維模型并加以利用，成為亟待解決的難題。

當(dāng)前主流三維建模技術(shù)面臨的瓶頸為：Maya、3ds Max等傳統(tǒng)方法高度依賴人工操作，效率低且成本高，難以適應(yīng)大規(guī)模建模需求［6-7］。傾斜攝影等自動化批量技術(shù)雖提升了生成效率，卻普遍存在模型非單體化、幾何細(xì)節(jié)缺失及紋理畸變等質(zhì)量問題［8］。而基于城市引擎（CityEngine）的規(guī)則化建模方法雖在效率與幾何精度之間取得了平衡，但其研究與應(yīng)用大多止步于三維幾何模型的批量生成與可視化，未能充分利用模型的語義屬性，導(dǎo)致其功能局限于靜態(tài)展示，無法支撐專題查詢、空間分析及空間數(shù)據(jù)挖掘等深層次應(yīng)用，嚴(yán)重制約了三維模型在智慧城市管理等領(lǐng)域的深度應(yīng)用價值［9-10］。

針對上述問題，本文集成CityEngine的程序化建模與虛幻引擎5（unreal engine 5，UE5）的實時渲染與交互優(yōu)勢［11-12］。通過構(gòu)建從數(shù)據(jù)預(yù)處理、語義化規(guī)則建模到元數(shù)據(jù)驅(qū)動交互的完整技術(shù)鏈路，不僅實現(xiàn)了語義信息從二維到三維的無損傳遞，更構(gòu)建了具備深度查詢與動態(tài)分析能力的“可感知、可交互”三維場景，突破了傳統(tǒng)模型靜態(tài)展示的局限，為智慧城市深度應(yīng)用提供了新方案。

1 技術(shù)路線

本文提出的三維城市建筑建模方法涵蓋三個核心環(huán)節(jié)，分別為數(shù)據(jù)預(yù)處理、語義化規(guī)則建模、可交互三維場景構(gòu)建。

技術(shù)路線遵循“數(shù)據(jù)、模型、應(yīng)用”的遞進(jìn)邏輯。首先，對二維GIS矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行語義化預(yù)處理，通過統(tǒng)一屬性字段構(gòu)建語義體系；其次，利用計算機(jī)生成建筑（computer generated architecture，CGA）規(guī)則，實現(xiàn)語義驅(qū)動高效建模，使建筑屬性直接控制其三維幾何形態(tài)的批量生成；最后，在UE5環(huán)境中將承載語義的元數(shù)據(jù)與藍(lán)圖交互功能深度綁定，生成兼具高精度與深度分析能力的可交互語義化三維建筑模型。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

傳統(tǒng)二維建筑GIS數(shù)據(jù)普遍存在屬性字段不統(tǒng)一、語義信息割裂、跨平臺傳遞丟失等問題，導(dǎo)致三維建模過程中，難以實現(xiàn)語義信息向三維模型的有效傳遞與空間一致性，進(jìn)而使得基于模型的空間查詢與統(tǒng)計分析等功能難以實現(xiàn)［13-14］。本文依托GIS軟件實現(xiàn)對傳統(tǒng)二維建筑數(shù)據(jù)的語義化預(yù)處理。首先，驗證數(shù)據(jù)的完整性，確保包含建筑輪廓、室內(nèi)區(qū)域、建筑屋頂（復(fù)制于建筑輪廓）三類核心圖層；其次，建立統(tǒng)一語義屬性字段體系，涵蓋空間標(biāo)識、功能類型、樓層數(shù)、圖層類型等關(guān)鍵語義參數(shù)（表1）；最后，通過疊加分析驗證建筑輪廓與室內(nèi)區(qū)域的空間匹配關(guān)系，確保建模空間位置精確（圖2）。上述預(yù)處理流程構(gòu)建了一套結(jié)構(gòu)統(tǒng)一、語義明確的標(biāo)準(zhǔn)化二維數(shù)據(jù)集，為后續(xù)實現(xiàn)從二維語義屬性到三維模型的無損傳遞與驅(qū)動奠定了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表1 關(guān)鍵語義參數(shù)對照

圖2 圖層疊加分析

1.2 語義化規(guī)則建模

面對城市級海量建筑建模對效率、成本與質(zhì)量提出的需求，傳統(tǒng)手工建模與傾斜攝影技術(shù)均存在明顯瓶頸。盡管基于CityEngine的規(guī)則化建模技術(shù)具備高效批量生成、空間數(shù)據(jù)兼容性強(qiáng)、參數(shù)可動態(tài)調(diào)節(jié)及成果輕量化等優(yōu)勢［15-18］，但其傳統(tǒng)應(yīng)用多止步于建筑外部幾何形態(tài)的批量生成，普遍存在模型“語義信息缺失”問題。本文以語義驅(qū)動CityEngine規(guī)則建模為核心技術(shù)路徑，以統(tǒng)一的語義屬性體系為內(nèi)核，通過規(guī)則邏輯直接解析并驅(qū)動從建筑輪廓到室內(nèi)分區(qū)等多源圖層數(shù)據(jù)，旨在實現(xiàn)從“帶有屬性的二維數(shù)據(jù)”到“具備語義關(guān)聯(lián)的三維實體”的根本性轉(zhuǎn)變，從而為建筑模型的分層抽離、精細(xì)化查詢與深度交互分析提供了可能，從根本上突破了傳統(tǒng)規(guī)則建模成果交互性弱、分析能力不足的瓶頸。

本文批量建模方法的核心在于構(gòu)建了一套參數(shù)化、可復(fù)用的CGA規(guī)則鏈，其本質(zhì)是實現(xiàn)語義信息對幾何生成過程的直接驅(qū)動。該規(guī)則鏈通過讀取預(yù)處理后矢量數(shù)據(jù)中的語義屬性字段，利用CGA規(guī)則（表2）將其作為關(guān)鍵參數(shù)，動態(tài)控制建筑地板、墻壁及屋頂?shù)葮?gòu)件的生成邏輯。這種“語義驅(qū)動規(guī)則，規(guī)則定義形態(tài)”的模式，使得同一套規(guī)則能夠自適應(yīng)于不同形態(tài)與屬性的建筑，從而成功實現(xiàn)了從依賴“一對一”手工建模的傳統(tǒng)模式，向“一對多”的批量化、語義化生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變。

表2 CGA規(guī)則函數(shù)對照

針對不規(guī)則圖形中心縮放導(dǎo)致的穿模問題，經(jīng)多次實驗，選用offset函數(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)s函數(shù)，較傳統(tǒng)方法模型完整率提升了約40%，保障了批量產(chǎn)出模型的視覺質(zhì)量與幾何準(zhǔn)確性。兩種縮放方法對比效果如圖3所示。

圖3 兩種縮放方法效果對比

本文實現(xiàn)了語義信息從二維到三維的無損傳遞與承載。所生成的三維模型涵蓋了整體樓幢輪廓、分層結(jié)構(gòu)與內(nèi)部獨(dú)立戶室的多級幾何細(xì)節(jié)。通過將承載了語義信息的三維模型以Datasmith格式導(dǎo)出，所有在預(yù)處理階段注入的語義屬性字段均被完整保留，并作為模型的“元數(shù)據(jù)”（Metadata）嵌入UE5環(huán)境。這確保了模型不僅是視覺上的幾何體，更是一個內(nèi)涵豐富語義信息的數(shù)據(jù)載體。此步驟為在UE5中實現(xiàn)基于屬性的查詢、分析與交互提供了根本前提，使得三維模型真正成了可查詢、可分析、可管理的語義化數(shù)字資產(chǎn)。

1.3 可交互建筑模型構(gòu)建

三維城市的最終價值在于其“可洞察、可管理、可模擬”的能力，這要求模型必須具備深度的交互性與動態(tài)分析功能。UE5憑借其Nanite虛擬微多邊形幾何體與Lumen動態(tài)全局光照技術(shù)，為實現(xiàn)超大規(guī)模、高真實感城市場景的實時渲染提供了底層支持［19-21］。本研究基于UE5引擎，突破傳統(tǒng)三維場景“只可視不可析”的局限，以貫穿始終的語義化模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一個元數(shù)據(jù)驅(qū)動、結(jié)構(gòu)層次化、功能可擴(kuò)展的交互建筑模型系統(tǒng)。

本文將元數(shù)據(jù)作為驅(qū)動系統(tǒng)交互架構(gòu)的基石，通過藍(lán)圖系統(tǒng)直接讀取Datasmith模型攜帶的元數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與具體的交互功能綁定（表3）。這種設(shè)計使得交互邏輯與模型實體高度解耦，同一套交互機(jī)制可復(fù)用于所有建筑，極大提升了開發(fā)效率與系統(tǒng)的可維護(hù)性。

表3 元數(shù)據(jù)實現(xiàn)功能對照表

針對CityEngine導(dǎo)出模型缺乏層級結(jié)構(gòu)的難題，本研究提出了一種基于元數(shù)據(jù)的自動層級構(gòu)建方法。該方法智能解構(gòu)初始導(dǎo)入的扁平化Datasmith模型，并依據(jù)元數(shù)據(jù)將其重組為“樓棟-樓層-構(gòu)件”的清晰層級樹（圖4）。具體而言，系統(tǒng)首先根據(jù)樓棟唯一編碼（houseId）創(chuàng)建“樓棟父容器”；其次在每個樓棟容器內(nèi)，按樓層數(shù)（f）生成“樓層子容器”和“樓頂子容器”；最后所有模型實體根據(jù)其類型（TS）被自動歸類至對應(yīng)的BUILD、IN或ROOF容器中。此方法從根本上杜絕了人工操作的失誤，為實現(xiàn)大規(guī)模場景的交互管理提供了必要的組織結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖4 層級組織結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)復(fù)雜的交互邏輯，本研究設(shè)計了核心交互邏輯狀態(tài)機(jī)（圖5），用于統(tǒng)一管理建筑的分層抽離、信息查詢與高亮等功能的執(zhí)行流程與狀態(tài)切換。同時，設(shè)計并實現(xiàn)了一種時序可視化算法，根據(jù)元數(shù)據(jù)中的建筑建設(shè)開工和竣工時間、樓層數(shù)，將時間序列數(shù)據(jù)映射到模型的層數(shù)表現(xiàn)上。為城市規(guī)劃、項目復(fù)盤等場景提供了強(qiáng)大的動態(tài)模擬與分析工具，公式為

圖5 核心交互邏輯狀態(tài)機(jī)

式中，F(xiàn)為當(dāng)前顯示樓層數(shù)；f為地上樓層數(shù)；S為開工時間；T為用戶控制時間軸位置；E為竣工時間；round為四舍五入取整函數(shù)；lerp為線性插值函數(shù)。

2 實驗與結(jié)果分析 2.1 實驗區(qū)與數(shù)據(jù)源

實驗對象選取北京市通州區(qū)土橋中街某小區(qū)3棟樓宇，建筑形態(tài)包括地上10層（地下1層）與地上15層（地下1層）。原始數(shù)據(jù)來源于住建歷史單體建筑SHP數(shù)據(jù)，建筑輪廓、室內(nèi)區(qū)域、建筑屋頂（復(fù)制于建筑輪廓）已包含空間幾何與語義屬性信息等基本數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果

實驗選用QGIS平臺對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行語義化預(yù)處理，重點(diǎn)驗證三類核心圖層的幾何一致性與關(guān)鍵語義字段的完整性，確保數(shù)據(jù)在跨平臺傳遞過程中語義信息不丟失、結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，為后續(xù)語義驅(qū)動的程序化建模奠定基礎(chǔ)。

2.3 語義化規(guī)則建模結(jié)果

將預(yù)處理過的SHP數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CityEngine中，編寫CGA規(guī)則并與三類圖層關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)語義驅(qū)動的分層批量建模。

CGA規(guī)則核心代碼如下：

所生成的三維建筑模型（圖6）幾何定位準(zhǔn)確，無穿插或重疊現(xiàn)象，細(xì)節(jié)表現(xiàn)精確。內(nèi)部區(qū)域依據(jù)功能類型以不同顏色區(qū)分房間（紅色）和功能區(qū)（藍(lán)色），實現(xiàn)了語義信息的可視化表達(dá)。模型導(dǎo)出為Datasmith格式，所有原始語義字段均作為元數(shù)據(jù)完整保留，有效支持后續(xù)模型交互、數(shù)據(jù)查詢等核心應(yīng)用需求。

圖6 三維模型生成效果

2.4 可交互建筑模型構(gòu)建結(jié)果

實驗采用UE5構(gòu)建可交互建筑模型，將模型自動分組后實現(xiàn)建筑分層抽離、顯示信息彈窗、時序可視化等交互功能。

1）導(dǎo)入Datasmith文件，其中元數(shù)據(jù)完整繼承了建筑二維矢量數(shù)據(jù)的語義屬性字段，并支持對CityEngine模型空間幾何數(shù)據(jù)及材質(zhì)參數(shù)的無損傳遞。借助這一全量繼承機(jī)制，傳統(tǒng)建模流程中常見的 “語義信息丟失” 問題得以有效避免，實現(xiàn)了幾何模型與語義屬性的深度綁定，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動交互提供了核心保障。

2）基于交互邏輯狀態(tài)機(jī)與時序可視化算法，借助UE5的可視化編程系統(tǒng)，以低代碼方式通過元數(shù)據(jù)利用藍(lán)圖節(jié)點(diǎn)（表4），實現(xiàn)樓棟展開、樓層抽離與建筑時序可視化等交互功能。藍(lán)圖邏輯由元數(shù)據(jù)驅(qū)動，使得同一套交互架構(gòu)可復(fù)用于所有樓棟模型，顯著提高了開發(fā)效率。

表4 關(guān)鍵藍(lán)圖節(jié)點(diǎn)及實現(xiàn)功能

3）應(yīng)用自動層級構(gòu)建方法后，系統(tǒng)能夠基于元數(shù)據(jù)自動構(gòu)建清晰的結(jié)構(gòu)，從分組前的扁平松散狀態(tài)，轉(zhuǎn)化為清晰的樹形層級結(jié)構(gòu)，并將模型按邏輯層級快速分組，同時將交互藍(lán)圖關(guān)聯(lián)至對應(yīng)模型，為后續(xù)交互功能的實現(xiàn)奠定了組織結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。該工具徹底取代了傳統(tǒng)基于3ds Max的手動分組流程：實測顯示，對100棟建筑進(jìn)行分組處理的時間從小時級縮短至分鐘級，效率提升達(dá)數(shù)十倍，實現(xiàn)了全自動化的分組操作。具體效率對比數(shù)據(jù)參見表5。

表5 人工分組與自動化工具效率對比

4）實現(xiàn)建筑分層抽離、顯示信息彈窗交互功能（圖7）。點(diǎn)擊建筑樓頂可觸發(fā)按樓層展開，點(diǎn)擊指定樓層可實現(xiàn)單樓層抽離，點(diǎn)擊室內(nèi)區(qū)域（如房間、電梯間）則激活信息彈窗并觸發(fā)高亮顯示。射線檢測命中到信息彈窗顯示響應(yīng)時間≤0.5 s，滿足實時交互需求。

圖7 實際操作演示

5）實現(xiàn)時序可視化交互功能。利用滑塊時間軸、輸入查詢等UI控件控制時間變化，實現(xiàn)三維城市模型的時序可視化，可精準(zhǔn)還原建筑從開工到竣工的動態(tài)建設(shè)過程，提升三維模型交互分析能力。

3 結(jié)束語

本文針對智慧城市建設(shè)中海量建筑精細(xì)化建模與實時交互展示的技術(shù)瓶頸，提出了一種基于UE5的三維城市的高效構(gòu)建方法。通過整合GIS數(shù)據(jù)處理、程序化語義建模與UE5動態(tài)交互三項技術(shù)，構(gòu)建了以語義信息為紐帶的完整三維城市建筑建模技術(shù)路線。不僅兼顧了建模精度與建模效率，更通過對語義化三維模型的初步探索，實現(xiàn)了時序可視化、空間查詢、動態(tài)分析等功能，為城市規(guī)劃、樓宇管理、應(yīng)急響應(yīng)等場景提供了可靠的技術(shù)支撐，形成了標(biāo)準(zhǔn)化、低成本、強(qiáng)交互的創(chuàng)新解決方案。未來可基于現(xiàn)有技術(shù)框架進(jìn)一步拓展多元應(yīng)用場景，推動語義化三維模型在智慧城市建設(shè)中發(fā)揮更大價值。

引文格式：呂貝嘉，邢晨，唐建智，等.基于Unreal Engine 5引擎的三維城市建筑建模方法［J］.北京測繪，2026，40（3）：343-349.

作者簡介： 呂貝嘉（1987—），男，北京人，大學(xué)本科，工程師，從事地理信息系統(tǒng)研發(fā)工作。
E-mail: 183730128@qq.com

來源：北京測繪雜志社 轉(zhuǎn)自：測繪學(xué)術(shù)資訊