宋关福：三维GIS发展的五次浪潮(PPT配文+视频)

宋关福宋关福GIS笔记 2022-12-21

当前，面对实景三维中国、数字孪生城市等市场机遇，三维GIS迎来了重大发展机遇，也面临相关应用挑战。三维GIS经历了怎样的发展路径？下一步的发展方向是什么？2022年8月11日，在2022中国地理信息产业大会“企业家论坛”上，超图集团董事长兼CEO宋关福作《三维GIS发展路径与展望》主题报告，介绍了三维GIS发展的5次浪潮。以下为PPT及根据演讲内容整理的文字，文末提供演讲视频。

PPT摘录

尊敬的各位领导，各位专家，各位同行：

大家下午好！非常高兴有机会来这里跟大家汇报和交流。感谢协会提供这个机会。

近几年，三维GIS技术发展非常快，新技术、新名词层出不穷，让开发者和应用单位都有些困惑。我试图来跟大家一起回顾三维GIS技术发展的路径，探寻这发展背后的逻辑，希望能给大家未来的工作带去一些帮助。

在科幻小说《三体》里，一张卡片大小的二向箔，将太阳系从三维变成了二维，太阳系被灭亡，这就是所谓的“降维攻击”。

在现实中，数字世界被GIS软件“降维”统治了40年。

GIS管理的是数字地图，却一直长期沿用纸图的方式，把三维世界降维到二维。

好在从21世纪开始，GIS终于开启了三维GIS之路。

三维GIS的发展漫长而曲折，总结来说经历了五次发展浪潮：

2001年左右，三维地形分析引发第一次浪潮；

2006年左右，Google Earth推出后，三维地球带来了第二次浪潮；

2011年左右，二维三维一体化GIS技术把三维GIS带到了新的发展阶段；

2016年左右，面向业务的Web 3D技术带来了第四次发展浪潮；

去年，游戏引擎与GIS的结合引发了第五次浪潮。

GIS由此一浪高过一浪地发展迭代。

第一阶段按下不表。在第二阶段，三维球Google Earth问世前后，出现了一些相关开源的三维可视化的项目。基于这些开源的项目，国内外的厂商和机构开发了各种三维球，比如A Global、B Global，当然超图也开发了SuperMap Global。

那时的三维GIS面临两大问题：

第一个问题，重可视化、轻分析，或者少有空间分析。这样的三维GIS用来做展厅大屏可以，但做业务系统很鸡肋。此时的三维项目中，不少是“面子工程”，中看不中用。

第二个问题，二维和三维GIS的割裂。以超图为例，超图GIS软件中就有一个iDesktop二维桌面，还有三维桌面SuperMap Global。这两个系统的开发语言不同，内核没法统一。

而用户在实际工作中需要三维的同时也需要二维，只能在两个软件之间来回切换，非常不方便。

2006年，我们做了一个痛苦的决定：砍掉SuperMap Global这个球。为什么痛苦呢？因为砍掉之后，公司在几年之内都没有可以销售的三维GIS产品，销售同学不干。技术同学更不干，亲手写出来的代码跟“孩子”似的，被砍掉是非常痛苦的。

最终我们还是决定砍掉它，去研发二维三维一体化的GIS，希望为用户提供更好的三维GIS。

2009年，超图首次发布二三维一体化GIS，到2011年以后产品趋于成熟，为用户带来完全不一样的二三维一体化体验。

在二三维一体化的架构中，没有独立的三维软件，也没有独立的二维软件。比如桌面GIS软件只有一套，打开一份数据，想用二维方式呈现就打开一个二维窗口，想看三维就打开一个三维窗口，非常方便。

此外，在其他模块中如服务器GIS、组件式GIS和移动端GIS等，我们也实现了二三维一体化。

为什么二三维一体化很有必要？空间分析是GIS的灵魂，我们来看一下空间分析算法的数量。

目前GIS基础软件中，三维的空间分析的算子有70多个，二维的则有300多个，这些二维的空间分析算子都可以在三维场景里调用。

如果没有二三维一体化的体系架构，二维GIS长达几十年积累的空间分析算子就很难在三维中去使用，也很难为用户提供更多的价值。

屏幕上是三维空间分析的一些例子。这些分析不只是在屏幕上看一看，还可以输出三维体或数据集结果，再与其它数据结合进一步分析和计算。

为了满足业务系统的需要，我们还要解决一个问题。在做大屏展示时，我们可以用Client/Server的架构，可以用很重的客户端软件去渲染以达到理想效果。

但是Client/Server的结构只适合在同一个局域网里使用数据，而业务系统需要跨局域网访问。

比如，某个自然资源局发布的实景三维数据，其他局也要调用，C/S结构很难满足要求。因此，我们必须发展B/S架构，纯Web的3D GIS才能真正解决业务问题。

2016年，超图发布了纯Web 3D的引擎，配套发布了S3M数据格式，用户能够跨网段去共享数据、发布数据和使用数据。

2017年，超图把S3M数据格式开源了，方便大家共享。

2019年，在中国地理信息产业协会的领导下，十余家单位联合推出了S3M团体标准。

尽管Web 3D的渲染效果没有客户端的那么炫，但是我们仍然把它当作GIS的一个主攻方向。

重可视化、面子工程式的应用，其市场空间固然大，但真正能解决业务问题，能集成到业务系统中的三维GIS应用，将会有更大的空间，能为社会发挥更大的价值。

Web 3D渲染引擎技术演进过程为：Cesium开源的项目，推出了CesiumJS客户端，提供了一部分渲染能力，但功能有限，难以满足高端应用需求。

于是超图在这个框架上做了扩展，支持了更多的功能。为了满足用户需求，超图今年又发布了自研架构的 Web 3D渲染引擎——一款不依赖于开源框架的WebGL客户端。

基于这项技术，在浏览器里只输入一个URL的地址，就可以访问远程发布的三维GIS服务，不需要任何插件，甚至简单的微信浏览器都可以使用，还有强大的空间分析能力。

▲Web 3D引擎中通过环境光贴图(Irradiance&IBL)技术提升建筑外立面的视觉效果

▲Web 3D引擎中的雪天效果，不仅空中有雪花，地上还有积雪

▲Web 3D引擎中的雨天效果中，地面还有雨点的涟漪

▲Web 3D引擎中的城市夜景效果

除了可以方便地调用后台WebGIS服务器的分析功能以外，Web 3D的可视化效果也得到了很大的提升。更为重要的是，因为是无插件的Web客户端，这样的可视化技术，是可以真正集成到业务流程系统里去的。

在这个期间，GIS软件也支持了倾斜摄影三维数据、BIM数据和三维场技术。大家对倾斜摄影很熟悉，在这里展示一下，如何把倾斜摄影三维建的模型，从日景变成夜景。

因为倾斜摄影是可见光下的建模，构建的三维模型是日景模式。我们通过掩膜纹理技术，用人工智能技术将纹理当中的窗户识别出来（当然也可以手工去勾取），并构造掩膜纹理，就可以把日景三维场景转化为夜景效果。

BIM应用也非常广泛，它让GIS从宏观走进了微观。大家平时看到的BIM数据总是大红大绿，为什么用色这么夸张？因为要方便设计师分辨各个不同设备。但是在GIS的应用中，颜色夸张就显得不好看，于是我们运用一种PBR材质技术（基于物理特性渲染材质的技术），可以把金属管道渲染成金属的物理特性，把水泥墙面渲染成水泥的物理特性，以此来提高可视化效果。

前面的BIM数据是体三维对象模型，用于表达离散的、有明确边界的三维对象。如何表达三维空间连续变化的特性呢？

以前我们经常提2.5维，比如TIN(不规则三角网)、GRID（栅格）就是2.5维。2.5维用于表达一个表面或二维的场，但无法表达空气、水体等三维空间中连续变化的属性，如空气污染、5G信号强度、水污染等。这时，我们就要用新的三维场模型将TIN升级成TIM（不规则四面体网格）。

相对应的，我们也把GRID也升级为了Voxel GRID（体元栅格），用来真正表达连续变化的三维场。

▲带时序的体元栅格表达臭氧的时空分布

这是空气中臭氧的时空分布，它带有时间维度，可以动态地呈现三维空间连续变化的特性。

前几年，数字孪生兴起之后，催生了一批用游戏引擎开发应用的企业。这些公司市场估值非常高。他们的优势是系统呈现效果非常炫酷，但弱点是不具备大场景的真实地理坐标空间数据的管理能力，而且缺乏丰富的空间分析功能，要实现几百个空间分析，非常困难。

超图一直致力于为开发者赋能，我们能不能为这上述这些企业的开发者创造价值？于是我们打通了游戏引擎和GIS软件，在中间构建了一个桥梁——为游戏引擎开发了GIS插件：SuperMap Hi-Fi 3D SDK。

基于这个SDK，我们可以把GIS管理大场景数据的能力和强大的空间分析能力与游戏引擎结合，同时，游戏引擎又可以把高真实感的渲染能力赋能给GIS，形成双赢。

2021年4月8日，SuperMap Scene SDKs_Unreal Engine（Basic）插件在UE游戏引擎虚幻商城上线了。截至目前，该插件在全球范围内已经有超过7万的下载量。这个产品很受欢迎。

这是游戏引擎和GIS的结合效果，我们可以用真实地理场景来开发游戏。比如这个游戏场景中的地形、建筑都是倾斜摄影技术构建的三维数据，这些数据用SuperMap GIS存储和管理，游戏引擎通过SuperMap Hi-Fi 3D SDK调用这些数据。

当然，我们也可以将这个技术用于提升数字城市或其他三维GIS应用场景的可视化效果。这是光启元公司基于SuperMap Hi-Fi 3D SDK和Unity游戏引擎构建的上海三维城市管理系统。不仅效果炫，还具有强大的空间分析能力。

利用游戏引擎的粒子系统，还可以带来更加丰富的效果，如基于物理引擎实现瀑布等水流效果。