[GIS热点] 3DGIS-GIS数码城市(CCGIS) | BIM与GIS | 构建三维模型的技术手段 | CAD的数据模型 | CAD与GIS建模差异 | CAD与GIS的数据集成方案

参考文章：

1. 3DGIS 与 BIM 融合技术方案
2. 《从CAD 模型到数码城市GIS 模型的若干问题》龚俊，朱庆，眭海刚，宋成芳(武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室, 湖北武汉　430079)

3D GIS

【三维GIS】模拟、表示、管理、分析客观世界中的三维空间实体及其相关信息的计算机系统，能为管理和决策提供更加直观和真实的目标和研究对象
【特点】真实的感受；管理复杂空间对象能力及空间分析的能力；理论研究和系统建设工作比二维GIS更加复杂
【三维空间数据模型】
1.面模型：侧重于三维地理实体的表面表达，便于显示和数据更新，但空间分析难以进行
2.体模型：侧重于三维空间实体表示 ，适用于空间操作和分析，但存储空间占用较大、计算速度也较慢
3.与二维数据模型对比：四面体格网法（TEN，以四面体为基本几何元素）；八叉树模型（按照XYZ三个方向从中间进行分割，割成八个立方体）；三维边界表示法（三维的点、边、面表）
【三维空间数据结构】是三维空间数据模型的具体实现；客观对象在计算机中的底层表达；是对客观对象进行可视化表达的基础
【三维GIS的问题】三维数据实时廉价获取；大数据量的存储与快速处理；完整的三维空间数据模型与数据结构；三维空间分析方法的开发

【数据模型】

1. 点云模型：以采样点为基元的几何模型；自然的表示方式；数据结构简单、存储空间紧凑，表达能力强；不能直接应用，需要进行曲面重构
2. 表面模型：能满足面面求交、线面消除、明暗色彩图等应用；在线框基础上，增加有关面、表面特征、边连接方向等信息，实现以面的集合来定义和描述形体。
3. 三维实体模型：三维的三角网数据；三角形所确定的三个数据点数据的基础上，由一组通过空间位置，在不同平面内的线相互连接而成的；实体模型是建立三维模型的基础。

背景：GIS数码城市

建设三维CCGIS（cyber city GIS数码城市）需要解决若干关键技术问题，如三维重建、数据组织与管理、虚拟现实技术的集成与应用等。而三维重建是首要解决的问题，三维城市模型是建立是数码城市GIS应用的基础和前提条件。

三维城市模型

三维城市模型需要不同的细节层次的几何与纹理。GIS在其中作为容器承载着不同细节层次（Level of Detail，LOD）的信息，主要负责宏观架构，并提供宏观的数据；BIM以建筑物为研究单元，故其提供城市建筑物的微观细节等；而CAD作为优秀的制图软件，其作为重要的数据源，并且支撑着项目中对制图的需求。

【从细节层次（LOD）的维度来看，构建三维城市模型的常用技术手段有】

	数据	技术手段	说明
DEM重建与正射影像数据	DEM+正射影像	利用DEM重建以逼真地形地面形态，通过叠加正射影像数据生成真实感很强的虚拟景观	此方法提供一种**“空中看世界”**的视角，但三维模拟与虚拟仿真给人一种不真实的感觉
摄影测量、激光扫描	三维编码数据或实际影像纹理	摄影测量、激光扫描或其他地面测量手段采集三维编码数据和实际影像纹理逼真表示城市景观的现状	此方法构建的为2.5D的场景，一般不表示实体内部特征，根据不同分辨率的影像可以达到各种细节水平，应用于大范围城市模型的快速重建
建筑物表面数据拉伸	二维线划数据+高度属性+纹理材质数据库	根据建筑物底部边界线和相应的高度属性进行三维重建，表面纹理则可以采用纹理材质数据库中的简单数据直接生成	用于表现较低细节水平的城市景观轮廓特征
CAD、3DS、3DMAX等精细建模	CAD系统的数据	使用CAD系统设计的数据，逼真表示规划设计城市的精细结构和材质特征	此方法可以达到较高水平的细节程度（真三维实体），不仅能表示城市外观，而且还能充分展示建筑物内部形态

CAD与GIS

CAD的数据模型

【CAD的数据模型】以下三类CAD数据模型在几何设计中取得了较好的效果，一个CAD系统可能会组合利用几种不同的数据模型，CAD系统能够构造各种各样的几何对象，能对这些对象进行方便的交互式操作，同时还能对模型数据进行有效的管理。

数据模型	说明
构实体几何模型CSG	此模型在CAD领域中应用最广泛，基本思想是：将预先定义好的简单形体（通常称为体元或体素，如立方体、球、圆柱、圆锥等）通过正则的集合运算（并/交/差）和刚体几何变换（平移/旋转）形成一有序的二叉树（称为CSC树），以此表达复杂的几何形体
界表达模型BR	此模型使用一定数量的面片（三角形和四边形）去包围一个空间区域上的闭合实体，对于一些特殊的面采用B样条曲线予以表达，理论上能够建立较大区域范围内的三维模型
间枚举法	Spatial Occupancy Enumeration，该方法使用空间一些具有相同形状的Cell的并集描述一个对象在三维空间的几何形态，因此对三维空间几何对象的描述，只是一种近似的表达

几种常见三维系统及其文件格式

CAD与GIS建模的差异

方面	CAD	GIS
研究对象	人造对象、规则几何图形及组合	研究地理对象与事物，较之人造对象更复杂，数据量更大，数据采集的方式多样
侧重点	注重物体的相对位置和几何形态等信息，以符号化的形式分层管理数据	注重地理实体的空间信息和属性信息集成管理
功能	图形功能特别是三维图形功能强，属性库功能相对较弱	属性库结构复杂，功能强大
空间分析	拓扑关系较为简单	强调对空间数据的分析，图形属性交互使用频繁
坐标系	几何坐标系（相对坐标）	地理坐标系（大地坐标系）
组织内容	CAD文件是由诸如颜色、线型、线宽、符号等静态图形特征组织后的图层集合，实体或元素都包含在单一文件中，属性数据主要描述依据图层和注记。物体以线型、图层、颜色、字体等几何特性和空间位置数据记录等方式表达	GIS所存储和处理的数据包含许多地学方面的特征，包括空间位置、投影方式、地理要素间的关系等

CAD/GIS集成常用的数据模型

集成常用的数据模型	说明
数据格式转换模式	利用数据转换程序对空间数据进行格式转换，达到在目标系统中应用的目的。例如dwg文件转shp文件
数据直接访问	在一个GIS软件中实现对CAD多种数据格式的直接访问，例如在ArcGIS中可直接对CAD的dwg文件进行读取和相应的简单操作
数据互操作模型	通过规范接口自由处理所有格式空间数据和在GIS平台通过网络处理空间数据

BIM与GIS

【BIM】建筑信息模型（Building Information Modeling）是基于充分信息表达、建筑全生命周期、三维可视化技术、协同作业的特点，BIM 彻底改变了建设工程设计、建造和运维方式。具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化型和可出图性八大特点。

【BIM与GIS】
1.“BIM+GIS”作为BIM多维度应用的一个重要方向，GIS提供的专业空间查询分析能力及宏观地理环境基础深度挖掘了BIM价值。
2.GIS可为BIM 提供“云+端”的成熟应用技术，可解决BIM轻量化运维情景下的技术及管理问题。在 3DGIS 技术支持下，BIM 与倾斜摄影模型、地形、三维管线等多元空间数据的融合，实现宏观与微观的相辅相成、室外到室内的一体化管理

BIM与GIS融合的技术方案

融合方案	说明	例子
数据对接层面	利用数据转换程序对空间数据进行格式转换，达到在目标系统中应用的目的	例如SuperMap GIS 提供了便捷的 BIM 导入机制，支持常用主流的 BIM 数 据格式（FBX、IFC、DAE.X、OBJ、3DS、OSGB/OSG），以关键字段“图元 ID”为媒介确保 模型与属性一一对应关联，从 BIM 软件到 3D GIS 平台实现模型无缝对接、属性无损集成
数据可视化层面	使用LOD结构和实例化技术解决BIM数据量大、纹理细微的显示问题	SuperMap GIS 采用 LOD 结构和实例化技术突破了高密度模型的浏 览性能瓶颈：LOD 技术可根据距离远近来选择展示不同精细程度的模型，极大缓解显卡渲 染压力；采用实例化技术实现复用模型，显著提高渲染效率
数据管理层面	利用GIS的云端一体化技术，实现BIM轻量化运维管理

应用案例

1. BIM+倾斜摄影促进智慧城市建设
2. BIM+三维管线构建完整管线管理系统
3. 室内导航、三维城市建模、市政模拟、资产管理

CAD-BIM-GIS应用场景

【应用场景】如何把CAD数据自动化建模后转到GIS？并在GIS上如何展示？

• 【基于CAD数据的三维小区建模的步骤】图纸预处理；地理实体构建；产权空间构建（原始数据->信息提取->实体建模->集成输出）

【2019南师简答题】比较CAD和GIS在对象建模上的差异，简述用于CAD/GIS集成的常用数据模型