五问《空间三维模型数据格式》团体标准

发布时间:2019 年 11 月 06 日  文/三维研发中心 何倩 未来GIS实验室 蔡文文
导读:为什么制定《空间三维模型数据格式》标准?该标准对空间三维模型数据格式做了哪些规范?该标准规定的数据格式S3M具备哪些技术特点和优势?将如何推动我国三维地理空间数据的共享及深入应用?

  日前,经中国地理信息产业协会审查批准,T/CAGI S1-2019《空间三维模型数据格式》团体标准发布并已于8月31日正式实施。这是中国地理信息产业协会发布的第一个团体标准。

  为什么制定《空间三维模型数据格式》标准?该标准对空间三维模型数据格式做了哪些规范?该标准规定的数据格式S3M具备哪些技术特点和优势?将如何推动我国三维地理空间数据的共享及深入应用?该标准为何提出,经历了怎样的过程,有哪些单位参与?我们将为大家一一解读。

  一问:为什么制定《空间三维模型数据格式》标准?

  三维GIS应用的发展,受到各种因素的影响,其中三维数据获取的经济成本和时间代价是影响三维GIS大范围推广应用最重要的制约因素。

  早期,三维数据生产主要靠人工建模,导致生产成本很高,生产周期很长,生产的三维数据精度不高,制约了三维GIS的广泛应用。随着测绘技术的不断发展,新的三维数据获取手段也不断涌现,尤其是倾斜摄影测量、三维激光扫描等新型测绘技术的出现,使海量三维空间数据的获取成为可能。三维数据获取方式的变革,大大降低了三维数据生产的人工成本和时间周期。此外,BIM+GIS的应用热潮也让BIM数据成为了三维GIS应用的重要数据来源。

  但伴随着大规模的三维空间数据的不断积累,如何实现三维空间数据的高效发布、数据共享与互操作成为困扰大多数用户的问题。众多异构三维模型格式,比如.fbx,.X,.dae,.3ds等,通常用于表达单个模型,并且不具有地理位置信息,所以不具备表达大规模三维地理空间模型数据的能力。三维空间数据缺少统一、开放的格式规范。

  《空间三维模型数据格式》标准定义了一种开放式、可扩展的三维地理空间数据格式——Spatial 3D Model(S3M),为空间三维模型数据在不同终端之间的传输、交换与共享提供数据格式的具体规范。

  二问:该标准对空间三维模型数据格式做了哪些规范?

  相关规范如下:

  · 涵盖的数据类型

  该标准涵盖的数据类型包括但不限于:

  1、传统模型数据:城市级的人工建模三维模型数据;

  2、实景三维数据:包括大规模的倾斜摄影建模数据和点云数据;

  3、建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)数据:采用BIM设计软件制作的三维模型数据;

  4、矢量数据:包括二维点/线/面数据、三维点/线/面数据、城市三维管线数据。

  · 数据组织结构

  该标准规定了空间三维模型数据格式具体内容的组织方式,包括:

  1、树形结构:规定树形结构可以灵活地采用具有空间关系的空间数据结构,例如四叉树、八叉树、K-D树、R树等;

  2、细节层次(Level of Detail,LOD):规定采用包含LOD的树形结构对数据进行组织和管理,自上而下由粗糙层逐步过渡到精细层;

  3、实例化:规定采用实例化实现相同模型的反复渲染,支持实例化模型的表达;

  4、单体化:规定通过预留字段存储对象ID实现对象化/单体化表达,实现对建筑等地物进行单独的选中、赋予属性、查询属性、专题化表达、空间查询等操作,而且可以在GPU内实现该操作。

  · 文件存储格式

  该标准规定了空间三维模型数据的存储格式规范,采用json和二进制格式存储描述文件、数据文件、索引文件和属性文件。二进制数据尽量按照OpenGL的数据渲染格式进行组织,以提升可视化性能。

  该标准涵盖的所有类型的数据均采用S3MB(Spatial 3DModel Binary)格式,避免复杂多样的文件格式难以满足实际应用时在效率、功能等方面的需求。

  三问:该标准规定的数据格式S3M具备哪些技术特点和优势?

  该标准适用于网络环境和离线环境下三维空间数据的传输、交换与共享,适用于三维空间数据在不同终端(移动设备、浏览器、桌面电脑)上的三维地理信息系统相关应用。

  该标准定义的S3M数据格式具备以下技术特点和优势:

  1、支持表达多源地理空间数据:倾斜摄影模型、BIM、人工建模、激光点云、矢量、地下管线等多源数据。

  2、具备海量数据高效绘制的能力:支持LOD、批次绘制、实例化等,提升渲染性能。

  3、具备单体化选择和查询能力:支持高效选择、支持批量修改对象颜色、批量修改对象可见性。

  4、简洁易读:格式简洁,易解析,适用于WebGL等轻量级客户端。

  5、高效传输:数据紧凑,以二进制形式保存,占用空间小,传输性能高。

  6、快速载入显卡:数据结构尽可能跟OpenGL接口保持一致,减少加载时间,高性能,低消耗。

  7、跨终端:独立于任何终端,适用于PC端、Web端、移动端,具有较好的兼容性。

  8、扩展性好:支持扩展,允许增加一些多用途扩展或特定厂商的扩展。

  9、完善的工具支撑:提供开源免费的S3M数据解析和转换工具,支持3D-Tiles、OSGB等格式与S3M格式相互转换。

  10、完善的配套设施:完整的解决方案,成熟的可行性,强大的实用性。基于S3M形成了完整的B/S及C/S架构的三维GIS应用解决方案,从数据生成、服务器端发布到多种客户端加载应用等多个环节解决用户实际问题。

  四问:该标准将如何推动我国三维地理空间数据的共享及深入应用?

  该标准在通过以中国工程院院士刘先林为组长的标准审查组评审时,专家组一致认为:该标准具有先进性和适用性,对于推动我国三维地理空间数据的共享及深入应用具有重要作用。

  该标准将为不同应用系统之间的三维数据共享和互操作提供开放、标准、通用的数据格式基础,推动倾斜摄影建模、激光点云、BIM等多源异构的三维数据融合,并兼容多种软硬件环境,为实景三维中国和新型智慧城市建设贡献力量。

  开放的数据格式意味着任意三维数据提供方和三维数据接收方都可以支持对接。若用户都采用了规定的数据标准,那么不同单位、不同系统、不同行业就可以便捷地进行数据共享行为,这样不仅可以充分使用已有的数据资源,而且可以减少数据采集等重复劳动。例如,若是三维地理空间数据生产应用各阶段的用户都支持对接了S3M格式标准,就可以将获取到的倾斜摄影建模数据、激光点云数据、BIM数据等各类大规模数据统一为S3M格式。基于此,无论是规划建设全生命周期的各阶段还是不同单位甚至是不同行业(如智慧城市、公安等),都可以实现三维地理空间数据的共享和深入应用。

  三维地理空间数据是建设实景三维中国和新型智慧城市的基础性资源,数据开放共享是大数据发展和深入挖掘数据价值的基础,是推进实景三维中国和新型智慧城市建设的重要抓手和核心内容。《空间三维模型数据格式》标准的发布和实施,在一定程度上可以填补国家地理信息标准在三维数据相关方面的空白。

  五问:《空间三维模型数据格式》标准制定的背后故事。

  萌发设计S3M格式的念头是源于一次富有挑战性的经历。当时的情况是有工作人员希望在轻量级无插件的WebGL客户端实现加载应用大规模的倾斜摄影建模数据、BIM模型以及城市级别的地下管网等数据。但是令人遗憾的是,这些数据格式五花八门,要实现在WebGL端加载应用多源数据,就需要对各种数据做兼容。这个过程要花费大量的时间和精力,而且即使实现了也不利于轻量级的客户端或零客户端的表达和应用。如何将多源异构的数据都统一到同一格式?这是标准制定专家们最初思考的问题。

  在这之后,很多三维GIS用户的经历又推进了S3M格式的开放共享。比如某用户使用了某国外三维数据格式,但由于这个数据格式不公开,对于用户来说这些数据好像“只进不出”,当然也无法实现数据的共享,而且还存在由于系统升级等原因导致数据无法使用的情况,给用户造成了极大的不便。因此,用户的迫切需求也推进了《空间三维模型数据格式》的制定。

  该标准由中国地理信息产业协会提出,北京超图股份有限公司牵头起草,起草单位共有12家,其中有从事航空摄影测量、遥感测绘、数字影像图制作、地理信息系统建设及工程测量等的骨干单位,有甲级建筑企业、智慧城市软件开发商,更有作为全国城市规划研究、设计和学术信息中心的中国城市规划设计研究院,全国建筑行业最大的综合性研究和开发机构中国建筑科学研究院有限公司,在建筑行业享有很高声誉的中国建筑标准设计研究院有限公司。

  目前,深圳珠科Altizure、东方道迩pixe3D Builder Engine(P3BJet)、大势智慧重建大师(GET3D)等倾斜摄影建模软件已完成与该标准格式的对接,国内外多个倾斜摄影建模软件、BIM软件及前端的三维渲染引擎正在开展对接工作。

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