《空间三维模型数据格式》团体标准：为3D GIS而生

早在今年8月底，《空间三维模型数据格式》团体标准就已正式发布并实施。我们在上一篇文章《空间三维模型数据格式》团体标准发布，解读来了！（点击👈蓝色标题）中对其进行了多方面解读，诸如标准为何提出、制定过程、数据格式规范、相关技术特点和优势等，但相信仍有不少GISer对该标准定义的三维地理空间数据格式——Spatial 3D Model (S3M)怀有浓厚的兴趣。因此笔者将从亲历者的角度详细介绍S3M研发背后的故事。

缘起KML

最近有本书很火，那就是《谷歌方法》。该书第六章介绍了KML格式背后的技术专家罗尔夫。十几年前，最开始做三维GIS平台软件的这拨人，都对KML有一种特殊的喜爱。有时候客户会问我：“二维GIS有WMS等OGC标准，那三维GIS有OGC标准吗?”我通常会推荐KML。

KML（Keyhole Markup Language，Keyhole标记语言）最初是由Google旗下的Keyhole公司开发和维护的一种基于XML的标记语言，利用XML语法格式描述点、线、面、图片和模型等地理空间数据。2008年4月，KML的最新版本2.2版被OGC（Open Geospatial Consortium，开放式地理空间协会）宣布为开放地理信息编码标准，并改由OGC维护与发展。虽然KML是适用于网络环境下的地理信息协作与共享的三维数据标准，但它无法承载大规模的三维数据。

S3M的前身：SuperMap扩展的OSGB格式

2014年，倾斜摄影自动化建模技术开始在国内掀起一股热潮。市面上Smart3D（后改名为ContextCapture）、街景工厂等倾斜摄影建模软件，统一采用OSGB格式作为倾斜摄影数据的格式。SuperMap软件也在2014年最先支持了OSGB格式的倾斜摄影数据，并设计了一个扩展名为.scp的配置文件。该配置文件包含了坐标系的信息，以支持倾斜摄影模型数据和GIS数据在三维场景中的坐标匹配。

OSGB作为一种开放的数据格式，其开放性在一定程度上推动了三维空间数据格式的标准化进程，基于此，逐步形成了倾斜摄影建模上中下游完整的产业链：首先，无人机采集数据，再通过倾斜摄影建模软件生成OSGB格式的倾斜摄影模型数据。然后，OSGB格式的倾斜摄影模型数据可以通过SuperMap等GIS平台软件加载、显示、分析、管理以及发布服务。最后，GIS应用厂商可以基于SuperMap等GIS平台构建国土、规划、智慧城市等应用。

笔者在2013年开始接触倾斜摄影模型数据。最初，超图智慧城市事业部的同事拷贝了一份倾斜摄影模型数据给我。数据是一堆OSGB小文件，每个文件打开对应了一个3D瓦片（几个模型构成的连片数据）。我们解析OSGB文件后，发现3D瓦片之间有LOD层级关系，该LOD层级关系是通过PagedLOD组织的。以上所述的组织方式，决定了OSGB格式可以支持大规模倾斜摄影建模数据。但由于每个3D瓦片是几个模型构成的连片数据，所以它不支持对象化与单体化。

OSGB格式给了我们设计三维模型数据格式的两点启发：

1、通过3D瓦片将三维模型组织到一起，以方便在渲染时批次绘制，减少往显卡传输数据的次数，充分利用好带宽；

2、通过树状结构组织不同细节层次的3D瓦片文件，以降低几何复杂度。

倾斜摄影建模数据是全要素表达的切片数据，不会把建筑、地面、树木等地物区分出来，构建出来的是一个连续的三角网切片，无法对单个建筑进行操作，需要进行一定的处理才能实现“单体化”。

2015年我们设计并提出了3种单体化方法：虚拟动态单体化、ID单体化、切割单体化。S3M设计中更多使用的方法是ID单体化，所以这里只重点介绍下ID单体化。ID单体化是指三角面片中的每个顶点都对应存储一个32位的唯一标识(ID)，在渲染时，借助顶点着色器可以高效选中与高亮，批量改变对象颜色，以及批量改变对象的可见性。

提到“批量改变对象颜色，以及批量改变对象的可见性”，我们联想到BIM的使用场景：按照施工进度批量控制BIM构件的显示和隐藏。我们将三维模型数据格式，扩展到了对BIM模型等多源数据的支持。某次笔者在上海和某BIM客户交流时，他们的技术工程师问：“SuperMap的3D瓦片，既可以将N个BIM构件组合成一个批次，批量交给显卡渲染，又可以单独选中某个BIM构件，这是怎么做到的？”其实这里的原理就在于采用了ID单体化方法。

基于此，我们得出三维模型数据格式设计的第3条原则：

3、每个顶点对应存储一个ID，既支持多个模型组合成一个批次，又支持借助GPU实现高效对象化查询。

仅依赖ID单体化设计，三维模型数据格式就可以很好地支持BIM模型数据吗?答案并不是。要实现支持BIM模型，还需要实例化技术。

BIM模型通常会有大量重复的对象，比如：门、窗等，这些对象共用一份顶点、材质，只是位置、大小和旋转角度等不同。如果所有的对象都存储完整的信息，那么数据膨胀会非常厉害（甚至上百倍），内存占用就会非常大。因此采用实例化方式进行存储和渲染，非常适用于BIM数据，既降低了内存占用，又提升了渲染性能。

基于此我们得出三维模型数据格式设计的第4条原则：

4、通过实例化方式存储，解决BIM模型对象被多次重复引用的问题。

时间再往回倒。大约是2012年，我们与Khronos Group有过一次交流。提到Khronos Group这个组织，我们通常会想起OpenGL。当时，该组织正在定义一种适合于网络传输、高效绘制的三维模型格式标准，这个标准的名称是glTF，当时交流的话题是“超图是否有意愿一起参与制定glTF标准”。其实，这个提议没有引起笔者的兴趣，毕竟当时glTF还不为大家所知晓。但是他们的设计思路，却引起了笔者极大的兴趣，也给了很多启发。他们设计glTF格式的思路是：数据组织对应OpenGL的渲染API，使得渲染时尽量减少数据准备环节，可以支持快速填显卡。

这次交流，启发我们得出了设计三维模型格式的另外两条设计原则：

5、3D瓦片的数据组织对应OpenGL的API，以支持快速填显卡；

6、OpenGL的API支持点、线、三角网等对象的绘制，对应的是，数据格式也可支持点、线、三角网等多种类型的数据。

随后，我们基于OSGB切片格式，扩展支持了密集点云数据、点、线、面等数据类型。

综上所述，我们最终在OSGB切片格式上扩展实现了：

1、通过.scp配置文件，支持不同的坐标系统；

2、每个顶点对应存储一个ID，支持对象化；

3、支持实例化的方式存储；

4、支持3ds Max模型、BIM模型、点云、点、线、面等多源数据。

Spatial 3D Model(S3M)

2014年初，我们与Smart3D（后改名为ContextCapture）进行了第一次交流。他们非常欣喜SuperMap GIS能直接读取OSGB格式的倾斜摄影模型数据，并提出在产品文档中帮忙宣传SuperMap GIS，SuperMap GIS成为了Smart3D帮助文档唯一提到的一家中国GIS平台厂商。另外，他们提出了一个需求：因为他们的数据要上传到亚马逊云，所以期望SuperMap GIS能做一款基于WebGL的无插件客户端，可以在线访问倾斜摄影数据。那么技术问题来了，WebGL客户端是很难直接支持OSGB格式的，我们需要设计一种新的模型格式。

2015年底，我去成都参加三维成都研发团队的年终述职，成都团队花费了一年多的时间，终于实现在WebGL客户端加载倾斜摄影模型数据。这期间我接到一个用户的电话：“我们期望在WebGL客户端支持BIM数据，将BIM叠加到倾斜摄影模型上。”我的答复是：“可能明年年底能实现。”我是基于“支持倾斜摄影模型的研发花费了1年时间”，推导得出“支持BIM数据也要花费1年时间”。显然，用户很难满意这个答复。而实际的项目中，还需要支持3ds Max模型、BIM模型、点云、点/线/面等数据，这就需要更多时间才能实现，而且这种实现方式很低效。

于是，我给研发团队提出了一个想法：设计一种新的三维数据模型格式，将多源异构的数据都统一到这种格式下，实现支持各类数据。基于这个设计，我们只用了2-3个月的时间，就在WebGL客户端支持了各类三维数据。这就是最初设计S3M格式的发端。

S3M的命名，最初是参考了诺基亚地图（Here地图）的三维切片格式n3m—Nokia 3D Model的命名方式，我们的研发工程师将其命名为了SuperMap 3D Model(S3M)。N年之后，我们在和“CC”的一次交流时，了解到ContextCapture在推一种新的三维格式3SM，S3M和3SM好像“撞衫”了。

大约是2016年3月，Cesium推出三维数据规范——3D Tiles的测试版本，并在github上公开了这个格式的细节。我们也在2016年初，接触到了3D Tiles，也将S3M和3D Tiles做了对比，发现两者在设计上确实有很多相似之处。但是，正如前面所述，S3M是伴随着国内三维GIS的需求一步一步设计出来的，和3D Tiles之间还是存在很多差异，比如：3D Tiles针对不同数据类型定义了不同的文件类型（如模型数据、点云数据，使用不同文件类型），而S3M通过一种文件类型支持各类数据；S3M是通过在每个顶点对应存储一个ID，实现3D瓦片的对象化；S3M的属性切片文件，有单独的s3md文件存储，只有根节点有，没有冗余；3D-Tiles模型的切片采用glTF格式，而S3M的几何切片文件是s3mb文件……

2017年，我们决定在github上开源出S3M的细节，同时将S3M的定义由SuperMap 3D Model(S3M)变更为 Spatial 3D Model(S3M)，期望S3M格式成为一种开放的三维空间数据格式，从而推动三维地理空间数据的开放、共享，为三维GIS的发展贡献一份力量。

团体标准：《空间三维模型数据格式》

2018年6月，超图联合自然资源部信息中心、国家基础地理信息中心等11家单位，向标准管理委员会申请立项并获批复，开始起草制定《空间三维模型数据格式》。团体标准的申请经历了：提案、立项、起草、征求意见和审查等。2019年7月19日，中国地理信息产业协会审查批准，《空间三维模型数据格式》团体标准发布，于8月31日正式实施，并由中国标准出版社正式出版发行。

《空间三维模型数据格式》团体标准规定了三维地理空间数据格式的逻辑结构及存储格式要求。该标准适用于网络环境和离线环境下海量、多源三维地理空间数据的数据传输、交换和高性能可视化，以及满足不同终端（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。（开源地址：https://github.com/Super Map/s3m-spec。）

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。

目前，深圳珠科Altizure、东方道迩pixe3D Builder Engine(P3BJet)、大势智慧重建大师(GET3D)、瞰景科技集团Smart3D 2019、大疆智图等倾斜摄影建模软件已完成与该标准格式的对接，并且S3M还正在与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开展对接工作。

当《空间三维模型数据格式》团体标准正式发布前夕，我收到了一个意外的惊喜：Skyline在github上公开了3DML格式……

作者结语

这篇文章介绍了S3M研发背后的故事，这些故事贯穿了我在超图做三维GIS平台研发的十几年。从这些故事，我们可以从一个小侧面了解到，中国三维GIS应用需求的不断创新与进步，推动着像超图这样国产三维GIS平台软件的设计、发展与创新。国产三维GIS平台软件从十几年前跟着国外软件的脚步，到逐步跟着市场应用需求去设计与创新，可以这么说，正是有国内三维GIS市场应用需求，才培育出了像超图这样的国产三维GIS平台软件。正如这篇文章的名字《为3D GIS而生：<空间三维模型数据格式>标准(S3M)》，S3M也是伴随着国内三维GIS的需求一步一步设计出来的，我们开放出S3M格式，期望为三维GIS的发展与创新贡献一份力量。

注：点击文末阅读原文下载《空间三维模型数据格式》团体标准PDF文件！

撰文 | 冯振华

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