冯振华：新一代三维GIS技术新进展 | GTC专题论坛报告(视频+PPT+速记)

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在实景三维中国建设、数字孪生城市、新基建的驱动下，BIM+GIS/CIM迎来应用热潮。超图研究院副院长冯振华在GTC 2020【GIS基础软件新技术论坛】上作了题为《新一代三维GIS技术新进展》的报告，介绍了新一代三维GIS技术在三维数据模型体系、基于GPU的三维空间分析与查询、S3M标准制定、GIS与游戏引擎的跨界融合等层面的新进展。

现分享资料如下：

演讲视频

演讲PPT

非常荣幸在这里跟大家分享新一代三维GIS技术新进展。

我将从六个方面来介绍新一代三维GIS在今年的最新进展。

首先看第一个方面，三维空间数据模型及其应用。

SuperMap在2018年就发布了全空间表达的数据模型体系，将不规则三角网升维到不规则四面体网格，将栅格升维到了体元栅格，同时再加上2017年SuperMap提供的三维体对象模型，构建了一个全空间表达的数据模型体系。

三维体模型更适合去表达明确边界的三维体对象，体元栅格更适合去表达连续、非匀质的属性场。

在今年，SuperMap提供了这两大数据模型相互转换的能力，三维体模型可以通过体素化转换成体元栅格，体元栅格可以通过提取等值面来提取三维体对象。

我们来看这样的一个应用，使用三维体模型来表达建筑模型，那么如何在建筑模型上叠加非匀质的属性场呢？

首先可以先把建筑模型通过体素化转换成体元栅格（将无效区域过滤掉，就可以展示出建筑的整个外轮廓），将体素化的建筑模型和非匀质的属性场进行代数运算，就可以得到这样一个叠加属性场的建筑模型的体元栅格。

我们再看另外一个应用：我们使用体元栅格表达地震波速场，那要如何从地震波速场中提取出某个波速值的3D结构呢？可以使用提取等值面的方法，从体元栅格里提取三维体模型。

我们再看第二部分，基于GPU的三维空间分析和三维空间查询。

在2014年，SuperMap就提供了一整套基于GPU的三维空间分析的能力，借助这些能力可以在三维场景中交互获取三维分析的结果，并通过渲染的方式表达出来。

在2017年，SuperMap已经将这些分析结果输出成三维体对象，比如说将可视域分析输出成可视体。将天际线分析的结果输出成天际线限高体。基于天际线限高体，我们可以做进一步三维空间的查询。

在今年发布的SuperMap GIS 10i(2020)中，SuperMap提供了基于GPU三维空间查询的能力，可以在三维场景里实时查询出三维对象。

我们可以看这样的一个应用：天际线分析时，可以在三维场景里实时获得天际线，然后构建出天际线限高体，基于这个限高体再做进一步三维空间查询，查询出限高体内包含哪些三维对象。

再看另外一个应用，如何查询出可视范围内包含哪些三维对象呢？我们可以在这个摄像头上构建一个可视体，基于这个可视体可以实时查询出这个可视体内包含哪些三维对象，并把这些三维对象的ID实时的返回。

SuperMap还将三维空间查询应用到空域管理领域，可以实时的查询飞机进入了哪一个空管区域，实时返回查询结果。

还可以实现实时框选的能力，来批量查询三维对象，而且可以基于查询的结果进行求并、求交、求差的运算，这个功能在BIM行业应用的非常多。

我们做一个小结，在2014年，SuperMap提供了基于GPU的三维空间分析和表达的能力；在2017年，SuperMap将三维空间分析的结果输出成三维体对象；在今年，SuperMap可以基于这个三维分析结果（三维体对象）做进一步三维空间查询，而且这个三维空间查询是基于GPU的，是可以实时返回查询的结果。这样的话，我们可以通过这个图，看出从基于GPU的三维空间分析到基于GPU的三维空间查询的一个技术演进的过程。

SuperMap也将基于GPU实时的三维空间分析和表达应用到地质体领域。在三维场景里，可以对地质体进行实时的剖面分析，以及基于多边形对地质体进行实时的裁剪、开挖，而且还可以对地质体进行爆炸、夸张等方式表达。另外还可以对地质体实时的构建虚拟钻孔来查看钻孔信息。

我们来看这样的一个视频，在三维场景里可以对地质体做实时的剖面分析，来查看道路下面地质层的分布。

还可以基于多边形去实时的裁剪地质体，查看这个地块下面地质层的分布；还可以指定多边形去实时开挖这个地质体，查看地块周边地质层的分布。

还可以指定虚拟的钻孔，来查看钻孔信息。

SuperMap的合作伙伴青岛勘测院也将这些能力应用到青岛市地质信息辅助决策系统中，通过实时的开挖、剖切等能力，去实时的查看地质层中的结构分布，从而为地下工程风险评估提供技术支撑。

我们再看第三部分，多源数据融合与分布式技术。

在影像、地形瓦片缓存这一块，SuperMap GIS提升了下载/加载性能，通过支持块存储、批量下载，减少I/O的次数，来提升下载和加载的性能。另外针对影像瓦片，SuperMap GIS新增WebP压缩，相比JPG小40%，综合这些优化，整个影像地形瓦片下载/加载性能提升了2~5倍。

另外SuperMap GIS也支持影像地形瓦片存储至MongoDB分布式数据库。对于地形瓦片来说，在MongoDB数据库中，还可以进行局部的更新和历史数据的回溯。

TIN瓦片不仅支持表达，还支持更多运算能力，因为它可以很好地保留特征点，相比栅格瓦片，它可以支持更加精确地基于护坡的地形处理以及开挖隧道。这样的话，用户可以将这些运算能力运用到交通和铁路行业。今年SuperMap GIS也重点优化了TIN运算的性能，不仅提升了镶嵌、开挖、裁剪等等运算的性能，还提升了基于地形提取点、线、面高程值的运算性能。

另外，SuperMap GIS还优化了TIN地形的边界效果，还支持点集和等高线直接生成TIN瓦片，不需要再中转成DEM，这个在交通铁路行业应用非常多。

另外一类数据就是倾斜摄影建模数据，在今年SuperMap GIS提升了基于模型提取点、线、面高程值的运算性能。另外SuperMap GIS新增了纹理重映射的算子，那么对于有一些被修过的倾斜摄影模型来说，它纹理不够优化，SuperMap GIS提供的纹理重映射算子可以来优化纹理的存储。另外，SuperMap GIS优化了合并根节点的效果，提升了全幅加载和下载的性能；还支持存储至SQLite文件以及MongoDB。

这是一个倾斜摄影全幅加载性能的对比视频，这个倾斜摄影数据大约有100平方公里，数据量大约400GB，合并根节点之后，全幅的倾斜摄影建模数据可以在一秒之内全幅加载出来，相比合并根节点之前性能有了大幅度提升。

另外，SuperMap GIS还支持了更多三维设计格式的导入，在前几年我们主要在支持BIM软件的数据模型的导入。在今年SuperMap GIS新增支持了CiyGML，它是一个国际标准，可以表达和存储三维实体对象，以及三维实体对象之间的拓朴和语义信息，特别适合应用到新型基础测绘领域。

另外SuperMap GIS还新增支持了国网电力三维模型交换标准格式——GIM格式，这个格式在电力行业应用非常广。

在分布式处理方面，SuperMap GIS在去年支持了地形/影像数据，倾斜摄影建模数据以及点云的分布式处理能力。今年SuperMap GIS新增支持了手工建模数据、BIM数据，这样，基于分布式技术支持了常规的三维数据的全流程化管理能力。

我们做了这样一个测试，基于分布式计算来加速3ds MAX数据生成S3M缓存，这个数据大约有九万个模型，约200多平方公里。用单机模式的话，生成缓存需要13小时，使用7节点的分布式模式，只需要2小时就可以完成生成缓存的过程，性能提升了6.5倍。

为了更方便用户去制作三维数据自动化处理的业务流，SuperMap GIS提供了三维数据地理处理(GP)工具。SuperMap iDeskpoX里面提供了一款地理处理编辑器，方便用户去调整和构建GP文件，构建的GP文件可以通过SuperMap iServer发布出来。

SuperMap GIS提供了一整套三维数据的地理处理(GP)算子，方便用户去搭建自动化三维数据处理业务流。高亮部分是GP算子支持分布式计算，后续SuperMap GIS会新增更多的GP算子支持分布式计算。

SuperMap协助合作伙伴通过使用地理处理(GP)算子来制作自动化处理业务流，走通了白模、手工建模数据、倾斜摄影建模数据、点云、地形等各类数据的自动化处理业务流。

再看第四部分，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，SuperMap在GitHub上就开源了S3M格式。2019年8月，《空间三维模型数据格式》标准(S3M)，正式实施。实施之后有很多用户，包括倾斜摄影厂商和可视化厂商，纷纷对接了S3M标准。其中，尤其是可视化厂商，进一步提出这样的需求：除了本地访问S3M数据，是否可以通过在线的方式访问S3M的数据服务呢？于是，在去年下半年SuperMap向标委会提交了《空间三维模型数据服务接口》立项申请书，并在去年十月该标准正式立项。

在今年9月7日，《空间三维模型数据服务接口》标准正式发布，今年10月7日起本标准正式实施。

本标准是SuperMap联合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七家单位共同编制。

《空间三维模型数据服务接口》标准是S3M数据格式标准的配套标准，适用于S3M数据的Web发布和访问，同时规定了S3M数据服务的基本要求、总体框架和接口定义。

我们看一下这个标准在三维GIS应用中所处的位置，通常在三维GIS应用中会面对各类多源异构的数据，比如说BIM、手工建模数据、倾斜摄影建模数据等等，可以将这些数据生成S3M标准格式的数据放在服务端发布出来，各个终端就可以通过开放的《空间三维模型数据服务接口》标准，以在线的方式去访问S3M数据服务。

今年更多的可视化厂商对接了S3M标准，如大数据可视化厂商北京睿呈时代信息科技有限公司。

游戏引擎Ventuz的中国代理商也在游戏引擎中实现了对S3M标准的支持。Ventuz通过支持S3M标准，就可以直接加载倾斜摄影模型数据，这样倾斜摄影模型数据就可以作为游戏引擎的底图数据。

这给我们一个启发，我们是否可以通过S3M标准来打通三维GIS和游戏引擎呢？

我们接着来看第五部分，三维GIS与游戏引擎的跨界融合。

虽然三维GIS和游戏引擎分属两个不同的领域，但其实游戏也是需要地图的，通常制作的游戏都是在地图上设置各个关卡。三维GIS可以为游戏引擎提供真实坐标系的地理空间数据的支持。另外游戏引擎可以为三维GIS提供更为真实感、沉浸感的三维地理环境的表达。

数字孪生城市是这几年比较火的应用领域。我们认为三维GIS和游戏引擎的结合可以为数字孪生城市的应用提供更多创新的可能。

在去年上半年的达索（台湾）高峰论坛上，我遇到虚幻引擎的徐总和周总，探讨了三维GIS与游戏引擎结合的可能性，大家觉得这个领域还是非常有潜力。

于是SuperMap在去年就开始跟虚幻引擎展开一些合作，来尝试三维GIS和游戏引擎的跨界融合。今天非常荣幸邀请到了虚幻引擎的周总，做一个报告：《当GIS邂逅游戏引擎》，一会儿周总会给大家带来报告。

那SuperMap做了哪些事情？在前年年底立项的时候，SuperMap就开始着手研究游戏引擎和GIS对接。SuperMap在游戏引擎Unreal Engine4和Unity里面提供了两款三维GIS插件，这个插件被命名为三维GIS游戏引擎开发包。它提供了哪些能力？或者是它能够给用户带来哪些价值呢？

首先提供了GIS数据可视化能力，通过三维GIS游戏引擎开发包，游戏引擎可以支持大规模、多源异构、本地在线GIS数据的动态加载。其中，大部分数据是通过S3M标准来对接的。

同时SuperMap在游戏引擎中还增加了三维地球来支持本地/在线的地形影像数据。

SuperMap还想尝试在游戏引擎里增加更多的GIS分析和查询的能力。比如说在这个版本中，SuperMap GIS提供了模型实时剖切、地形等高线、属性查询这些能力，在后续的版本中会陆续增加通视分析和可视域分析等等三维空间分析能力。

SuperMap还计划在后续版本打通游戏引擎和GIS场景制作的工具链。GIS可以提供真实坐标系的点、线、面数据，游戏引擎可以为这些真实坐标系的点、线、面数据赋予更炫酷的材质。

我们先看一下在虚幻引擎中提供的三维GIS插件都提供了哪些能力？

SuperMap GIS为虚幻引擎提供了动态加载全球尺度的地形/影像数据的能力，这样借助虚幻引擎的特效，就可以对地形、地貌做更具真实感的表达。

另外，SuperMap GIS在虚幻引擎里还支持了动态加载本地/在线的BIM数据、手工建模数据，大规模的倾斜摄影建模数据、激光点云数据等三维GIS数据的能力，这些数据都是通过S3M标准来对接的。

在游戏引擎支持三维GIS数据之后，就可以在三维GIS上叠加更多的游戏引擎的特效，来搭建应急仿真的场景，为应急演练提供技术支撑。

另外SuperMap GIS还提供了实时剖切分析，在后续版本会提供更多的三维GIS分析的能力。

我们再看一下在Unity里提供的三维GIS插件都提供了哪些能力？

SuperMap GIS为Unity提供了支持动态加载本地/在线的BIM、手工建模数据、大规模的倾斜摄影建模数据、激光点云数据等这些三维GIS数据的能力。

同时SuperMap GIS也实现了实时剖切分析、地形等值线分析的能力。

在后续版本SuperMap GIS会增加更多基于模型和地形的分析能力。

游戏引擎可以直接加载真实坐标系的倾斜摄影模型数据，在倾斜摄影模型的底图上，可以增加更多的游戏特效来模拟虚拟战场仿真的场景。

我们对三维GIS与游戏引擎的跨界融合做一个小结。对于游戏引擎的用户来说，可以借助这个三维GIS插件直接接入大规模的GIS数据，同时还可以支持更多的GIS分析的能力。对于GIS用户来说，如果需要制作大屏等等更炫酷的效果，可以借助游戏引擎做更真实和沉浸感的体验。同时GIS用户不需要再重复制作一套数据，原来的GIS数据就可以直接放在游戏引擎里，我知道现在很多项目都是两套数据，游戏引擎一套，GIS系统一套，而现在只需要一套数据就可以了。

SuperMap想做的事情就是打造GIS与游戏引擎共赢的产品生态，GIS可以赋能游戏引擎，游戏引擎也可以赋能GIS。

再看最后一部分，三维特效与仿真。

除了借助于游戏引擎的三维特效，SuperMap自身的渲染引擎也增加了更多三维特效。在SuperMap组件、桌面产品里，支持海洋效果和天空效果，还支持GITF2.0动画模型，GITF2.0可以支持PBR材质，制作更多炫酷的效果。另外动态图层也支持动画模型，动态图层可以渲染更大数据量的模型数据。

这是在SuperMap组件桌面产品里制作的海洋和天空的特效，可以做海洋和天空等场景的仿真。SuperMap也提供了体积云特效，可以摹拟飞机穿越云层的效果。

最后我对新一代三维GIS技术做一个总结。在今年的版本中，SuperMap GIS优化完善了三维体模型和体元栅格，提供了这两大数据模型之间相互转换的能力，完善了三维空间分析和三维空间查询；新增对地质体数据的支持；在分布式计算方面，支持了手工建模数据和BIM数据的分布式计算的能力。

SuperMap GIS新增支持了《空间三维模型数据服务接口》标准，作为S3M数据格式标准的配套标准。SuperMap在游戏引擎Unreal Engine和Unity里增加了两款三维GIS插件，来赋能GIS和游戏引擎的产品生态。

我的报告就到这里，谢谢大家。

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