三维GIS技术，六大新进展
近两年，实景三维中国建设、新基建下的BIM+GIS、CIM、数字孪生、自然资源三维立体 “ 一张图 ” 和国土空间规划等应用需求的出现，共同推动着三维GIS技术不断创新发展，从而打造出多行业、新型的三维GIS应用。在SuperMap GIS 10i(2020)新版本（下称新版本）中，新一代三维GIS技术体系实现了全新升级。本文详细介绍新一代三维GIS技术体系的六大新进展。
01
三维空间数据模型及其应用
2018年，SuperMap在空间数据模型方面进行了全面升维，从二维网络升维到三维网络，从点、线、面升维到三维体，从不规则三角网 (TIN) 升维到不规则四面体网格 (TIM)，从栅格升维到体元栅格，从而构建了全空间表达的数据模型体系。
▲图 1 全空间表达的数据模型体系
三维体对象模型可表达有明确边界的三维体对象，三维场数据模型可表达连续的、非匀质的三维属性场。新版本提供了三体和体元栅格两类数据模型相互转换的功能。体元栅格通过提取等值面，可以提取出三维体对象；三维体对象通过体素化，可以转换为体元栅格。
▲图 2 三维数据模型相互转换
例如，如何实现在三维体对象上叠加非匀质的属性场？这就需要采用体素化的方法。首先，我们需将三维体数据模型体素化，转换为体元栅格（可将无效的区域过滤，展示整个建筑物的外轮廓），然后，体元栅格与非匀质的属性场进行代数运算，就可以得到叠加属性场的建筑模型。
▲图 3 三维体对象体素化生成体元栅格
▲图 4 建筑模型叠加非匀质的属性场
再例如，如何从地震波速场中提取某个波速值的 3D 结构？这就可以使用提取等值面的方法，从体元栅格表达的地震波速场中，提取某个波速值的三维体数据模型。
▲图 5 地震波速场（左）提取某个波速值的3D结构（右）
02
基于GPU的三维空间分析和空间查询
从基于 GPU 的三维空间分析到基于 GPU 的三维空间查询的技术演进历程大致分为三个阶段。
第 一 阶 段：2014 年，SuperMap GIS 提供了一整套基于GPU 的三维空间分析和表达功能，可以在三维场景中交互地获取三维空间分析的结果，并实时的渲染出来（见图6左上）。
第 二 阶 段：2017 年，SuperMap GIS 支持了将基于GPU 的三维空间分析的结果输出为三维体对象。例如，可视化分析后输出表达可视范围的可视体，阴影率分析后输出表达阴影范围的阴影体（见图6右上）。
第三阶段：今年，SuperMap GIS 支持了基于分析结果（三维体对象）进一步实现基于 GPU 的三维空间查询能力，可实时返回查询结果。例如，在天际线分析时，基于实时构建的天际线限高体，可以进一步实时查询出与它相交、相离的对象 ID；又如，将某一摄像头作为观察点构建可视体，可以进一步实时查询出可视体中包含的三维对象，并实时返回对象ID；实时空间查询功能也可以应用于空域管理领域，可实时查询飞机进入哪个空管区域；另外，基于实时框选的能力可以查询三维对象，并且基于查询结果可以进行求交、求并、求差运算，该功能被广泛应用于 BIM 行业（见图6下）。
▲图 6 技术演进历程
我们还将基于GPU的实时三维空间分析和表达能力应用于地质体领域。在三维场景中，可以对地质体进行实时剖面分析、实时裁剪分析以及实时开挖，查看地块下方和周边的地质层分布。新版本还可以通过爆炸、夸张等表达方式实现对地质体的实时表达，以及对地质体构建虚拟钻孔，可实时查看钻孔信息。
▲图 7 地质体剖面分析（上）和裁剪分析（下）
▲图 8 地质体开挖分析（上）和钻孔信息查询（下）
SuperMap 的合作伙伴青岛市勘察测绘研究院将上述能力应用于青岛市地质信息辅助决策系统中，通过实时开挖、剖切等能力，实时查看地质层的结构分布，从而为地下工程风险评估等提供支撑。
▲图 9 青岛市地质信息辅助决策系统示例
03
多源数据融合与分布式技术
新版本中，我们优化了影像 / 地形（TIN/ 栅格）瓦片缓存、TIN缓存和倾斜摄影模型等数据的加载/下载性能以及运算性能。针对影像 / 地形（TIN/ 栅格）瓦片缓存，通过支持块存储、批量下载以及针对影像新增 WebP 压缩等优化方法，下载性能提升了2~5 倍，而且新增支持存储至 MongoDB。
TIN 瓦片不仅可以表达地形表面，还可以支持更多的运算能力，因为它很好地保留了特征点，相比栅格瓦片可以更精确地表达，还可以更精确地护坡处理地形和开挖隧道。借助 TIN 瓦片的运算能力，可以将 TIN 瓦片广泛应用于交通、铁路等行业。所以针对 TIN 瓦片，新版本提升了镶嵌、开挖、裁剪以及基于地形提取点 / 线 / 面高程值等运算性能，而且优化了边界效果，并且新增支持通过点集、等高线直接生成 TIN 瓦片。
倾斜摄影模型是另外一类常用的三维数据。今年，新版本提升了基于模型提取点、线、面的运算性能；新增纹理重映射算子，优化模型纹理的存储；优化合并根节点，提升全幅下载 / 加载性能；新增支持模型存储至SQLite/MongoDB。
另外，新版本新增支持更多三维设计格式。之前，SuperMapGIS 主要支持导入多款 BIM 软件的数据模型，如支持无损接入CATIA、Bentley、Revit、Autodesk Civil 3D、AutoCAD、Tekla 等主流BIM软件的数据模型，还支持直接读取3DXML、RVT、SKP和IFC等格式的 BIM 数据。今年，SuperMap GIS新增支持导入CityGML、GIM等三维设计格式。
CityGML适合表达和存储三维实体对象以及三维实体对象之间的拓扑和语义信息，适用于新型基础测绘领域。GIM格式是国网电力三维模型交换标准格式，被广泛应用于电力行业。
▲图 10 支持导入CityGML（左）和GIM（右）模型
去年，SuperMap GIS基于分布式技术，提供了倾斜摄影模型、激光点云、地形 / 影像等的分布式处理能力。今年，SuperMap GIS还新增支持对手工建模数据、BIM数据进行分布式处理。由此基于分布式技术实现了常规三维数据的高效全流程管理能力。
▲图 11 基于分布式技术的常规三维数据高效全流程管理能力
为更方便用户搭建三维数据自动化处理业务流，新版本还提供了三维数据地理处理 (GP) 工具和算子，SuperMap iDesktopX提供一款地理处理编辑器，方便用户调整和构建GP文件，SuperMap iServer 提供地理处理服务，可实现GP文件复用、发布。下图中高亮部分是GP算子支持分布式计算，SuperMap GIS后续会提供更多支持分布式计算的GP算子。
▲图 12 三维数据地理处理(GP)算子
04
S3M标准：
从数据格式标准到数据服务接口标准
早在 2017 年 9 月，S3M 格式就在GitHub开源了。在2019年8月《空间三维数据模型格式》(S3M)标准，正式实施。在标准实施之后，众多厂商提出了新需求：除了本地访问S3M数据，是否可以通过在线的方式访问S3M在线服务？于是，SuperMap 与自然资源部信息中心、国家基础地理信息中心、中国城市规划设计研究院、上海市测绘院、深圳市规划国土房产信息中心以及黄河勘测规划设计研究院有限公司共7家单位，联合编制了《空间三维模型服务接口》标准。该标准于2020年9月7日正式发布，并于2020年10月7日起正式实施。
▲图 13 从S3M数据格式标准到S3M数据服务标准
《空间三维模型数据服务接口》标准是S3M格式标准的配套标准，适用于S3M数据的 Web发布和访问，规定了S3M数据服务的基本要求、总体框架和接口定义。
另外，今年有更多可视化厂商对接了S3M标准。去年，大量倾斜摄影建模软件（包括深圳珠科Altizure、东方道尔 P3BJet、大势智慧重建大师(GET3D)、瞰景科技 Smart3D 2019、大疆智图DJI Terra），对接了S3M格式标准。今年，有北京睿呈时代信息科技有限公司等前端可视化厂商对接了S3M格式标准。游戏引擎Ventuz的中国代理商维图斯（中国）有限公司也完成了Ventuz与S3M的对接，通过S3M标准，Ventuz能直接加载倾斜摄影模型，并可以将模型作为游戏的底图。
▲图 14 Ventuz 通过S3M格式标准加载倾斜摄影模型
这给我们一个启发，是否可以通过S3M标准打通三维GIS与游戏引擎的跨界融合？于是我们做了这样一个技术尝试：通过在游戏引擎中实现一款三维GIS插件打通三维GIS与游戏引擎的跨界融合。
05
三维GIS与游戏引擎跨界融合
今年，SuperMap为游戏引擎Unreal Engine和Unity提供了两款三维GIS插件，它们被统一命名为三维GIS游戏引擎开发包(SuperMap Scene SDKs for game engines)。那么三维GIS游戏引擎开发包都提供了哪些能力？
• GIS数据可视化能力
通过SuperMap提供的三维GIS插件，游戏引擎可以动态加载大规模、多源异构、本地 / 在线的GIS数据（包括地形、影像、倾斜摄影模型、激光点云、手工建模数据、BIM 数据），其中，大多数数据是通过S3M标准来对接的。新版本还在游戏引擎中增加了三维地球，支持本地/在线的地形、影像数据，如图15所示为在 Unreal Engine4 中动态加载全球尺度的地形/影像数据。
▲图 15 Unreal Engine4通过SuperMap GIS动态加载全球尺度的地形数据
• GIS空间分析和查询能力
新版本提供了模型实时剖切分析、地形等值线分析以及属性查询等能力。在后续版本中，SuperMap GIS会陆续增加通视分析、可视域分析等三维GIS分析能力。
▲图 16 在Unreal Engine4进行模型剖切分析
▲图 17 在Unity中进行地形等值线分析
• 场景制作工具链
SuperMap计划后续打通从游戏引擎到GIS的场景制作工具链，其中，GIS可以提供真实坐标系下的点、线、面数据，游戏引擎可以为这些数据赋予更炫酷的材质。
通过SuperMap提供的三维 GIS 插件，用户可以将真实地理坐标的GIS数据实时加载到游戏引擎中，基于这些真实地理坐标的三维数据和游戏特效，可以搭建各类仿真场景，为多种模拟演练提供技术支撑。例如，在Unreal Engine4中基于三维数据和游戏特效可搭建应急仿真场景（图18），在Unity中基于倾斜摄影模型和游戏特效可模拟虚拟战场仿真场景（图19）。
▲图 18 基于三维数据和游戏特效搭建应急仿真场景
▲图 19 基于倾斜摄影模型和游戏特效搭建虚拟战场仿真场景
我们目的是打造GIS和游戏引擎共赢的产品生态，赋能产业发展。对于游戏引擎的用户来说，借助于三维GIS可以在游戏引擎中接入大规模的GIS数据和支持GIS分析能力。对于GIS用户来说，不需要重新制作一套新的数据，在游戏引擎和三维GIS中可以使用同一套数据，借助于游戏引擎可以制作大屏等炫酷的效果，得到更具有真实感、沉浸感的三维体验。
06
三维特效与仿真
除了借助游戏引擎的三维特效，今年，SuperMap自身的渲染引擎（组件、桌面）增加了动态波浪、实时反射、轮船尾迹等海洋效果，以及体积云、流云、镜头光晕、日夜交替等天空效果，还支持GLTF2.0动画模型，并且动态图层也支持了动画模型。
如图20所示，在新版本组件和桌面产品中制作的海洋天空特效，可用于海洋天空的仿真。同时，基于体积云特效还可以模拟飞机冲破云层的效果。
▲图 20 海洋天空特效
▲图 21 体积云特效
今年，SuperMap对新一代三维GIS技术体系进行了全新升级，优化了三维体数据模型和体元栅格，并且提供了这两类数据模型相互转换的能力；完善了三维空间分析与空间查询；新增了对地质体数据的支持；支持了手工建模数据、BIM数据的分布式计算能力；新增支持了《空间三维模型数据服务接口》标准，作为S3M格式标准的配套标准；另外在游戏引擎Unreal Engine和Unity中增加了两款三维GIS插件，赋能GIS和游戏引擎的产业发展。
欢迎下载试用相关产品，体验更多新功能。下载地址：http://support.supermap.com.cn/DownloadCenter/ProductPlatform.aspx（或点击文末阅读原文查看）。
▲图 22 新一代三维GIS技术体系
文/三维研发中心 何倩
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