三维GIS技术篇——新一代三维GIS技术新解读

发布时间:2020 年 01 月 14 日  文/三维研发中心 何倩
导读:全空间表示的数据模型、多源三维数据融合、三维交互与输出新技术、从封闭的三维数据格式到开放的三维数据标准,一起来看新一代三维GIS技术新解读。

 

 图1 SuperMap新一代三维GIS技术体系

  新技术的不断涌现和发展,以及数字孪生、CIM、智慧城市、城市设计、实景三维中国建设等市场应用需求,共同推动了三维GIS理论和应用的发展,也推动了三维GIS技术的发展,新一代三维GIS技术体系应运而生。

  新一代三维GIS技术体系,以二三维一体化GIS技术为基础框架,进一步拓展全空间数据模型及其分析计算能力;更全面地融合倾斜摄影、BIM、激光点云、三维场等多源异构数据,并制定了开放的《空间三维模型数据格式》(S3M)标准;基于分布式技术实现倾斜摄影模型、激光点云等实景三维数据的高效全流程管理;集成WebGL、虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、3D打印等IT新技术,带来更真实、更便捷的三维体验,推动三维GIS实现空天地一体化、室外室内一体化与宏观微观一体化,赋能全空间的新一代三维GIS应用。

  全空间表示的数据模型

  空间数据模型是人们对现实世界地理空间实体、现象以及它们之间相互关系的认识和理解,是现实世界在计算机中的抽象与表达,是新一代三维GIS技术的基石。

  从二维网络数据模型到三维网络数据模型,从点、线、面到三维体,从不规则三角网(TIN)到不规则四面体网格(TIM),从栅格(Grid)到体元栅格(Voxel Grid),新一代三维GIS技术体系形成了完整的数据模型体系,具备了二三维一体化、空天地一体化、室内室外一体化、宏观微观一体化的全空间表达及分析计算能力(图2)。

  

图2 全空间表示的数据模型体系

  自2018 GIS 软件技术大会提出全空间表达的数据模型体系后,超图不断探索三维数据模型体系的落地应用。其中,三维体数据模型可以用来表达地面建筑(BIM)等。TIM可用于表达地质属性场等三维场,体元栅格可以用于表达空气污染、风场、信号场等。除此之外,三维数据模型还可以用于多个领域。

  三维体数据模型和体元栅格可以用于通信行业。如图3所示,三维体数据模型用于表达通信专业模型——波瓣,通过波瓣表达天线信号的方向和强度。如图4所示,体元栅格用于表达区域内5G信号强度覆盖,运营商根据结果优化网络服务,相信随着5G时代的到来,相关的应用会进一步发展。

图3 三维体数据模型表达通信专业模型——波瓣
 
图4 体元栅格的应用:区域内通信天线覆盖与5G信号强度覆盖
 

  三维体数据模型可以应用于地下空间的表达。三维体数据模型在地铁隧道工程中的应用,实现了地质半透/实体查看、掘进面地质剖切、测量盾构机当前位置与最近三个溶洞的距离、查询某段距离岩溶体积并与注浆数据对比分析等功能,可以实现查看盾构机位置与周边岩溶发育的时空关系,从而提前发现并处置重要安全隐患节点。

  体元栅格数据模型也可以应用于地下空间。国家地震台网中心制作了高精度地震速度采样数据,可以将该数据导入超图平台,并插值成体元栅格,然后发布为服务,在WebGL客户端可视化表达,可以借助于数值过滤和动态剖切,直观地表达地下结构中的异常值,从而为地震预报等提供参考。

  多源三维数据融合

  SuperMap GIS不仅提供了倾斜摄影建模数据快速加载、处理、查询、分析、发布及应用的全流程解决方案,还实现了高精度激光点云数据的快速加载与流畅可视化。为灵活、快速实现倾斜摄影模型动态单体化表达,SuperMap GIS提出了基于深度学习的“虚拟动态单体化”方法。“虚拟动态单体化”也适用于激光点云数据。

  SuperMap GIS还提供了CATIA、Bentley、Revit、Autodesk Civil3D、AutoCAD、Tekla等主流BIM软件的数据模型无损接入技术,支持直接读取3DXML、RVT、SKP和IFC 等格式的BIM数据,通过多层次细节、模型轻量化等多项技术,实现了海量BIM数据的高效加载和实时绘制。

  不仅如此,SuperMap GIS采用逐顶点坐标转换、坐标配准、镶嵌压平以及层LOD处理等方法和操作,实现了倾斜摄影模型、激光点云数据、BIM模型、三维场数据和基础地理数据等不同精度、异构数据之间的融合匹配和平滑衔接。

  三维交互与输出新技术

  ● 基于WebGL技术的无插件客户端

  基于WebGL技术的三维“零客户端”——SuperMap iClient3D for WebGL,不仅支持自发光纹理、自定义光源、泛光、高动态光照(HDR)、PBR材质等高真实感的三维特效,还提供丰富、逼真、高性能的粒子特效等,可广泛应用于智慧城市运营、智慧政务、应急救灾等多个行业。SuperMap iClient3D for WebGL还支持海量、多源、异构数据的高性能加载与显示,支持点云数据以EDL模式绘制,支持实例化图层和MVT矢量瓦片图层,支持完善的GIS功能(如空间分析及结果输出等)。

  ● 身临其境的三维体验(VR/AR)

  VR/AR技术的发展,为三维GIS带来了身临其境的全新体验。SuperMap GIS基于AR实现了虚拟BIM场景与真实场景的融合,而且提供剖切、浏览管线、属性查询以及通视分析等功能。

  基于分布式技术的三维数据高效全流程管理能力

  SuperMap GIS基于分布式技术,提供了倾斜摄影模型、激光点云、地形/影像以及三维场数据等的分布式处理能力,实现三维数据从数据接入、数据处理、服务发布到多端应用的高效全流程管理(图5),助力“实景三维中国”建设,实现高效存储、管理和处理TB/PB级海量三维数据。采用分布式处理方案,对倾斜摄影数据和点云数据进行处理和验证。图6所示为292GB的倾斜摄影数据采用不同处理模式进行相同操作的性能比对。图7所示为180GB的激光点云数据采用不同处理模式进行相同操作的性能比对。由图可知,在算力提升6倍的情况下,性能可提升7倍乃至7.5倍,加速比大于1,且可扩展。随着算力的提升,性能还会得到进一步的提升。加速比是同一个任务在单处理器系统和并行处理器系统中运行消耗的时间的比率,用来衡量并行系统或程序并行化的性能和效果,是衡量硬件投入产出比的重要指标。

 

 图5 分布式处理方案

  

图6 分布式技术加速倾斜摄影数据处理

 

 图7 分布式技术加速点云数据处理

  从封闭的三维数据格式到开放的三维数据标准

  《地理空间数据库访问接口》标准(OGDC)和《空间三维模型数据格式》(S3M)标准的发布,促进了三维数据的共享与标准化。其中,国家标准《地理空间数据库访问接口》(OGDC)规范了数据访问接口,打破了不同GIS软件之间数据无法直接访问的壁垒;团体标准《空间三维模型数据格式》(S3M)规范了适用于大规模多源异构数据的高效传输与可视化的三维模型数据格式,实现不同系统之间的数据共享。

 

  为方便大家使用,SuperMap还基于两部标准提供了丰富、免费、开放的资源(扫描图8、9二维码获取)。

 

 图8 OGDC开放资源地址

  

图9 S3M开放资源地址

  基于OGDC免费开发包,合作伙伴可以将BIM数据、地质建模数据等,写入到SuperMap三维GIS平台(图10)。

  Altizure、东方道尔P3BJet、大势智慧重建大师(GET3D)、大疆智图DJI Terra等倾斜摄影建模软件,通过开放的S3M读写开发包对接了S3M标准。基于开放的S3M读写开发包,倾斜摄影建模软件可以直接生成S3M格式的数据,然后发布为服务,在三维WebGL客户端浏览展示(图11)。

 

 图10 基于OGDC免费开发包实现数据写入

  

图11 倾斜摄影建模软件对接S3M标准进展

  基于以上技术的发展和进化,超图期望构建一个开放的三维GIS标准体系,赋能三维GIS开放的生态圈。未来,超图会不断优化和发展新一代三维GIS技术,并且联合上下游合作伙伴,一起为三维GIS开放式生态圈的良性发展贡献力量。

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