作者：北京超图软件股份有限公司 冯振华 何倩 王博 陆国伟
地理信息系统（GIS）平台软件是国家信息化建设的重要支撑，广泛应用于国土、测绘、规划、环保、市政、房产、交通、水利、公安、应急、商业、农业、旅游、电力、管线、物流、军事等领域。三维GIS软件技术是当前GIS平台软件技术最为重要的发展方向之一，是GIS技术升级换代的必然要求，有着巨大的市场空间。一、三维GIS的兴起与二维GIS相比，三维GIS因更接近于人的视觉习惯而更加真实，同时三维GIS能提供更多信息，能表现更多的空间关系。无论单位用户还是个人用户，都对三维GIS有迫切的需求。2005年Google Earth的发布，使得三维GIS得到业界广泛关注，在全球范围掀起了一股前所未有的三维虚拟地球热潮，商用三维虚拟地球可视化软件开始大量涌现，在国内，以××Globe或××Earth命名的三维可视化软件就多达数十个。基于以上三维可视化软件，各应用单位建立了大量的三维可视化应用系统，由于可视化效果比二维的更加真实，所以三维可视化应用系统很快得到了业界的青睐[1]。然而短短几年后，业界开始不满足于“面子工程”或“花架子”的三维可视化效果，并对三维GIS的实用性产生怀疑，三维GIS的发展似乎陷入困境。二、二、三维一体化GIS技术的提出为解决三维GIS实用性问题，2009年SuperMap推出了国际第一款二、三维一体化GIS平台软件，同时首次提出了二、三维一体化GIS技术理论，即实现数据模型、数据存储与管理、可视化与空间分析、软件形态等的二、三维一体化[2]，以解决早期二维GIS、三维GIS相互分离和三维GIS实用性的问题，并为三维GIS的发展引领了一个新的技术方向。随后，二、三维一体化的应用系统开始大量涌现。众多厂商推出了各自的二、三维一体化解决方案，如基于成熟的二维GIS系统和三维可视化系统搭建的二、三维一体化系统。另外，国内外GIS厂商也开始积极推进二、三维一体化GIS平台软件的研发。二、三维一体化GIS技术逐步成为三维GIS发展与研究的主流。三、数据驱动下的三维GIS软件技术（一）三维数据获取方式的变革推动三维GIS软件技术的发展三维数据获取是三维GIS建设首先要进行的任务，三维数据获取成本是影响三维GIS大范围推广应用的重要因素。早期三维数据生产主要靠手工建模，导致生产成本高，生产时间周期长。这些因素制约了三维GIS的推广与应用。倾斜摄影测量、激光测量等三维数据获取技术的进步，使得快速获取大规模多源异构三维数据成为现实，降低了三维空间数据获取门槛和采集成本，提升了三维空间数据的更新频率和现势性[3]。其中，倾斜摄影自动化建模技术作为国际测绘地理信息领域的新兴技术，因其“三高一低”（高精度、高效率、高真实感、低成本）的独特优势自2014年被业界关注，并被广泛应用于多个行业，大大降低了三维空间数据生产的人工成本和时间周期，也推动了三维GIS软件技术的发展和更为广泛的应用[4]。另外，高精度的建筑信息模型（BIM）数据作为三维GIS一个重要的数据来源，推动了三维GIS从宏观走向微观，从室外走向室内。（二）多源三维数据融合技术随着三维GIS软件技术的不断发展，目前大多数三维GIS软件都支持倾斜摄影数据、激光点云数据、BIM数据等三维空间数据从接入、处理、发布到多端应用的全流程管理。对于倾斜摄影数据而言，最为关键的技术是倾斜摄影模型单体化技术。这是由倾斜摄影建模数据构建出来的一个连续的不规则三角网（TIN）网格，不会把建筑、地面、树木等地物区分出来，是无法选中单个建筑的，需要进行一定的处理才能实现单体化。目前较为常见的单体化方法是切割单体化、ID单体化、动态单体化等[5]。其中，动态单体化是通过矢量底面数据灵活、快速地实现倾斜摄影模型的动态单体化表达，见图1。基于矢量底面的单体化，不仅便于数据更新，而且可以充分利用矢量面数据模型的空间查询和空间运算能力，支持二、三维一体化的GIS应用。该方法也同样适用于激光点云数据。
图1 基于矢量底面的倾斜摄影模型单体化
伴随着大规模三维数据的不断积累，数字高程模型/数字正射影像、倾斜摄影模型、激光点云、BIM等多源数据的高效融合匹配显得尤为重要，对降低GIS应用系统的建设成本、提高空间数据的使用效率具有重要的现实意义。目前，一般的三维GIS软件都具有坐标转换和坐标配准能力，支持多源数据在平面坐标系和地理坐标系之间的转换，将BIM模型与倾斜摄影模型、地形等多源数据统一到一个坐标系，实现各种信息对齐。一些GIS软件，如SuperMap GIS，还提供诸如三维空间数据镶嵌、压平、裁剪、挖洞及设置缓坡等操作和处理功能，实现数据平滑衔接，在实景三维中国、城市设计、智慧城市等行业得到了广泛应用。四、信息技术驱动下的三维GIS软件技术信息技术（IT）的迅速发展也推动了三维GIS软件技术的发展。虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）、三维打印等技术的发展，带来了沉浸式的三维交互方式，实现了自由漫游三维场景与GIS功能交互操作，使得三维GIS应用在人机交互上拥有更丰富的视觉感和体验感[6]。尤其是AR/MR技术与GIS的结合带来了身临其境的三维新体验，极大地推动了三维GIS的发展。如图2所示，把数字化的建筑信息模型（BIM）投到任何需要的场景中，实现建筑可视化和楼层剖切等，该功能可应用于规划领域，将设计方案与真正的施工现场做比对，及时发现问题并修正。
图2 基于AR技术可视化和剖切BIM模型 另外，HTML5和WebGL技术的普及，为构建浏览器－服务器（B/S）架构的三维GIS“零插件”客户端提供了可能性，推动了三维WebGIS客户端从胖客户端到瘦客户端再到零客户端的发展。国内外众多GIS厂商均采用前沿的HTML5和WebGL技术，推出了各自的三维WebGIS客户端产品，提升了用户的Web开发及终端访问体验，如图3所示。
图3 三维“零客户端”产品的天际线分析
分布式技术的出现和发展，为存储、管理、分析计算和处理海量三维空间数据提供了有力支撑。结合三维GIS软件技术和分布式技术，可以实现大规模倾斜摄影建模数据、激光点云数据、地形和影像数据以及三维场数据等三维空间数据从数据接入、数据处理、服务发布到多端应用的高效全流程化管理。如图4所示，SuperMap GIS提供了完备的三维数据地理处理（GP）算子用于三维空间数据的高效处理。
图4 三维数据地理处理算子
五、应用需求牵引下的三维GIS软件技术国内三维GIS的市场需求，是三维GIS软件技术生长的沃土。近年来，实景三维中国建设、新基建下的“BIM+GIS”应用、城市信息模型（CIM）、数字孪生、自然资源三维立体“一张图”和国土空间规划、新型智慧城市、城市设计、应急救援等工作的深入开展，也推动着三维GIS软件技术的不断创新和发展。如图5、图6、图7所示，CIM、数字孪生、智慧城市等建设工作的深入开展，三维GIS软件作为数字底盘，可以实现海量动态时空数据的管理、可视化、查询和分析等[7-8]。如图8、图9所示，自然资源与不动产登记信息管理基础平台、自然资源三维立体时空数据库等自然资源信息化工作的开展，需要三维GIS来实现海量数据在三维空间的表达和应用一体化[9]。 图5 城市设计数字化平台（威海）
图6 三维规划设计云平台（香港规划署）
图7 规划建设管理平台（雄安）
图8 自然资源与不动产登记信息管理基础平台（自然资源部信息中心）
图9 自然资源三维立体时空数据库（国家基础地理信息中心） 六、三维GIS技术体系的发展及应用在日新月异的新型测绘技术、信息技术和应用需求的牵引下，三维GIS软件技术得以快速发展。经过20多年的发展，我国在三维GIS软件技术领域取得了重大突破，不仅打破了国外技术垄断，并且与美国软件相比更具优势[10]，并逐渐形成了三维GIS技术体系。新一代三维GIS技术体系，是以二、三维一体化GIS技术为基础框架，在传统的空间数据模型的基础上进一步拓展三维空间数据模型，融合倾斜摄影、BIM、激光点云等多源异构数据，集成多种信息技术，推动三维GIS实现室内/室外一体化、宏观/微观一体化、空天/地表/地下一体化，支撑全空间的三维GIS应用。（一）二、三维一体化数据模型的发展及应用随着三维GIS软件技术的发展以及三维GIS在地质、城市规划、智慧城市、“BIM+GIS”等领域的广泛应用，三维GIS对现实世界的表达已全面扩展到空/天、地表和地下，并从室外走向室内，从宏观走向微观。因此，在三维GIS理论层面，需要构建全空间表达的数据模型体系，即三维GIS平台软件需要具备空天/地表/地下一体化、室内室外一体化、宏观微观一体化的全空间表达能力。从概念模型的角度，空间数据模型可以分为三类：对象数据模型、场数据模型以及网络数据模型。对象数据模型用于描述离散的空间要素，包括二维点/线/面、三维点/线/面及三维体数据模型。场数据模型用于描述空间中连续的、非匀质的空间现象或要素，包括二维场数据模型和三维场数据模型。网络数据模型用于描述对象之间的连通关系，包括二维网络数据模型和三维网络数据模型。1.三维体数据模型的发展与应用三维体数据模型采用拓扑闭合的三角网曲面来表达三维体对象。由于具有拓扑闭合性的特点，三维体数据模型不仅支持交、并、差等布尔运算，运算后的结果仍然保持拓扑闭合性，即仍然是三维实体；而且可以计算体积和表面积等属性，也可以进行降维运算，计算三维体的任意剖面，以及计算三维体的任意投影面，将三维实体对象降维成二维、三维面对象，以满足二、三维一体化GIS应用的需要[3]，如图10所示。
图10 立面投影 三维体数据模型不仅可以用来表达房屋、地质体等现实中存在的事物，也可以用来表达抽象的三维对象。如图11所示，三维体数据模型用于表达建筑在三维空间中的阴影范围，将此阴影范围定义为阴影体，通过分析临近建筑窗户和阴影体的三维空间关系，可以判定临近建筑的采光是否受到影响，常被应用于城市规划、城市治理等领域。
图11 三维体数据模型表示的阴影体 如图12所示，三维体数据模型可以用于表达摄像头在三维空间的监控范围，将此可视范围定义为可视体，通过可视体的布尔运算，获得摄像头的监控范围，再通过判定三维对象与可视体的三维空间关系，判定三维对象是否可见，常被应用于安保、监控等方面。
图12 三维体数据模型表示的可视体 2.三维场数据模型的发展与应用对连续、非匀质的三维场数据的表达与模拟的缺失，是长期困扰三维GIS领域的难题。早期基于平面图的空间数据模型不能满足对三维属性场的表示，比如电磁场、污染场、温度场、湿度场、地质属性场等。但随着三维场数据模型的理论和各种技术的发展和完善，国内部分GIS厂商在三维GIS平台软件中实现了对三维场数据模型的建模表达和应用。主要原理是：基于栅格（grid）和不规则三角网（TIN）进行从二维到三维的升维拓展，可得到体元栅格（voxel grid）和不规则四面体网格（TIM）两大类三维场数据模型，并借助三维可视化等关键技术，最终可实现对三维场数据的存储、表达和分析计算。三维场数据模型本质上是通过规则或不规则的体元来表达三维属性场的分布。其中，体元栅格可表示三维连续空间或现象的规则划分，TIM可以表示三维连续空间或现象的不规则划分[11]。基于体元栅格和TIM，可实现对电磁场、空气污染场、地质属性场等连续、非匀质的三维空间属性场数据的建模与表达，可被广泛应用于5G技术、城市规划、房产、环保、应急救灾、地质等领域。如图13所示，在某项目中，体元栅格用于表达5G通信信号覆盖，可以查看区域内通信天线覆盖情况、建筑物表面信号强度分布情况和信号强度的等值线分布情况，运营商可以根据直观的可视化结果调整基站选址、优化网络服务；还可以通过调整信号强弱得到不同的效果图，然后根据直观的可视化效果选择最优的网络效果。
图13 5G信号场强度表达 如图14所示，体元栅格用于表达日照时长，可以表示指定区域中每个位置能够被太阳光照射的时长。通过对体元栅格按属性值过滤显示，可以查看区域内部（如房屋）日照时长的分布情况；通过对体元栅格进行剖切查看，可以提取任意位置的日照时长属性值。
图14 体元栅格表达日照时长并按属性过滤显示
此外，如图15所示，体元栅格可以表达地震场，通过对体元栅格进行剖切，可以实时查看地下不同深度和纵剖面上地震波传播速度情况，还可以根据不同数值进行过滤和筛选，动态显示不同波速值区间的三维结构。基于此可以发现同一地下深度中的异常值，为地球内部结构研究、地震预报等提供参考。
图15 体元栅格表达地震速度结构模型并按属性过滤显示 为更好地应用三维空间数据模型，TIM、体元栅格、三维体对象三大类数据模型还可以相互转换（图16）。TIM通过插值计算转换成体元栅格；体元栅格通过三维德洛奈剖分，可以转换成TIM；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16 三维数据模型相互转换
（二）三维空间分析和空间查询的演进及应用随着三维GIS技术的快速发展以及三维可视化技术的日趋成熟，人们对三维GIS的实用性提出了更高的要求，三维空间分析逐步成为三维GIS领域新的研究热点。三维空间分析包括三维空间距离量算、三维缓冲区分析、可视域分析、通视分析、三维网络分析等各种复杂的分析能力。目前，图形处理单元（GPU）加速技术已经越来越多地应用图形与非图形问题，并且随着高配置图形硬件门槛的降低，可以将GPU强大的并行运算能力应用到三维空间分析和查询技术中。目前，基于GPU的三维空间分析和空间查询技术不仅可以在三维场景中交互地获取三维空间分析的结果，并实时地渲染出来，还可以输出为三维体对象；并且，基于分析结果（三维体对象）可以进一步实现基于GPU的三维空间查询能力，可实时返回查询结果。如图17所示，将某一摄像头作为观察点构建可视体，不仅可以实时渲染分析结果，还可以将可视范围和不可视范围输出为三维体对象表达的可视体和不可视体，而且基于可视体可以进一步实时查询出可视体中包含的三维对象，并实时返回对象标识符（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（图18）。
图17 查询可视体内的三维对象并实时返回ID
图18 空域管理 基于GPU的实时三维空间分析和表达能力还可以应用于地质体领域，为地下工程风险评估等提供支撑，如图19所示。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。另外，通过爆炸、夸张等方式可以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19 地质信息辅助决策系统（青岛市勘察测绘研究院）
七、三维空间数据标准体系随着三维GIS技术和应用的发展，三维空间数据的开放与共享成为一个必须解决的问题。为实现不同格式的三维空间数据的开放、共享与互操作，国内外各标准化机构、团体和GIS厂商先后推出了多个数据标准与访问的标准和规范，如S3M、3D Tiles、I3S等[12-13]这些数据标准主要是用于流式传输和渲染大量的三维地理空间对象，支持在网络和离线环境下的高性能三维可视化与空间分析。3D Tiles和I3S都是开放式地理信息系统协会（OGC）社区标准。3D Tiles最初是由Cesium提出的三维数据规范，支持如摄影测量数据、激光点云、3D建筑、BIM、计算机辅助设计（CAD）模型等大规模异构三维数据。T/CAGIS 1—2019《空间三维模型数据格式》（S3M）是中国地理信息产业协会发布的团体标准，适用于海量、多源异构三维地理空间数据在网络环境和离线环境下的存储、交换与共享，为多源三维地理空间数据在不同终端（移动设备、浏览器、桌面电脑）地理信息平台中的存储、高效绘制、共享与互操作等问题提供了解决方案。2020年，中国地理信息产业协会又发布了T/CAGIS 2—2020《空间三维模型数据服务接口》标准，它是S3M格式标准的配套标准，规定了空间三维模型数据服务的基本要求、总体框架和接口定义，适用于满足T/CAGIS 1—2019的多源异构空间三维模型数据的Web发布与访问，支持应用系统之间的互联互访互操作。八、跨界融合及应用(一) BIM与GIS的跨界融合及应用随着BIM在大型工程领域的广泛应用，BIM与GIS的融合成为新的研究热点[14-15]。BIM与GIS更倾向于是一种互补的关系，BIM是用来整合和管理建筑物本身所有阶段的信息，GIS则是整合及管理建筑外部环境信息。BIM将三维GIS从宏观延伸至微观，拓展了三维GIS的应用领域。BIM与GIS融合的基础是数据融合。目前，有三种实现BIM与GIS数据融合的方式：①通过自行研发的BIM插件将BIM数据转换到GIS数据库；②通过IFC、OBJ、FBX等中间数据格式实现交互；③GIS软件直接读取BIM数据。BIM导入GIS平台后，通常使用三维体数据模型来表达。可实现对BIM数据的数据处理、三维空间分析和查询等操作，如三维空间关系判断、布尔运算、三维空间分析等。BIM的轻量化是“BIM+GIS”的关键技术之一，主要用于提高BIM数据的管理效率。实现BIM轻量化处理的主要技术包括实例化存储与绘制、细节层次（level of detail，LOD)、批次绘制等，可实现海量BIM与GIS数据的集成应用。目前，BIM与GIS的跨界融合已被广泛应用于建筑、桥梁、隧道、水利大坝等大型工程应用领域。图20为水电工程与三维GIS结合的典型案例，在水电BIM与GIS结合方面实现了技术创新和实际应用，有力提升了水电企业多维度管理水平及决策指挥水平。
图20 数字化平台三维可视化展示和会商平台（雅砻江水电站）
(二) 三维GIS与游戏引擎的跨界融合及应用三维GIS与游戏引擎的跨界融合，可以为游戏引擎提供真实地理坐标的三维地理底图，为制作真实场景游戏提供技术方案。反过来，地理信息产业应用，可以借助游戏引擎在可视化表现和三维渲染方面的超强能力，改善用户视觉体验，为更多用户带来身临其境、更具交互性、游戏级的三维体验。目前，国内外GIS厂商，如SuperMap、Cesium、Esri，推出了各自的三维GIS插件用于三维GIS与游戏引擎（Unreal Engine、Unity）的跨界融合。基于三维GIS插件，游戏引擎可以动态实时加载大规模、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），还可以实现模型实时剖切分析、地形等值线分析以及属性查询等三维GIS空间分析和查询能力（图21、图22）。目前，SuperMap Scene SDKs_Unreal Engine（Basic）已在虚幻商城上架，可免费下载试用。基于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，可为模拟演练、应急救灾、国防、自动驾驶、数字孪生城市、影视、游戏等领域提供技术支撑。 图21 Unreal Engine通过SuperMap三维GIS插件加载精模数据（S3M数据格式）
图22 Unity通过SuperMap三维GIS插件加载BIM（S3M数据格式） 九、结语三维空间数据获取方式的变革、信息技术的发展，以及不同应用领域对三维GIS不断提出的创新需求，推动着三维GIS理论和软件技术不断发展和完善，逐渐形成了二、三维一体化GIS技术、新一代三维GIS软件技术体系等，基于此构建了成熟的三维GIS平台软件。反过来，完善的三维GIS理论和软件技术体系也为CIM、智慧城市、实景三维中国等领域的应用赋能，为这些应用提供了数字底盘。未来，随着用户应用需求的深度发掘，三维GIS软件技术会继续发展和完善，并且不断融合人工智能，进一步推动三维GIS软件技术向更智能化的方向进化，实现对现实世界智能化的感知和分析。
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注：本文收录于《中国地理信息产业发展报告（2021）》（测绘出版社）