三维GIS软件技术发展及应用
作者:北京超图软件股份有限公司 冯振华 何倩 王博 陆国伟
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。
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。
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]。
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。
(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)。
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。
(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。
参考文献
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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)
目 录
第三篇 我国测绘地理信息领域科技与产业的自主创新发展
第四篇 高分辨率遥感卫星发展研究报告
第五篇 立足第二代卫星导航产业 促进北斗产业化发展分析
第七篇 数字孪生技术在战场地理环境保障中的应用探索(查看原文)
第八篇 数字孪生在新型基础测绘中的应用(查看原文)
第十篇 全国水利一张图技术及其应用进展
第十一篇 高精地图技术及应用发展现状(上篇) 高精地图技术及应用发展现状(下篇)
第十二篇 三维GIS软件技术发展及应用
第十四篇 2020中国室内定位行业发展
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来源:《中国地理信息产业发展报告(2021)》(中国地理信息产业协会编著,测绘出版社)(欢迎转载,请注明来源)
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