新一代三维GIS技术体系再升维

编者按：在2018 GIS 软件技术大会上，超图发布了SuperMap GIS 9D(2019)系列产品，该版本全面拥抱空间大数据技术，并在微服务、容器化、云原生、自动化运维等方面全新升级，进一步优化和提升了云GIS功能，构建了新一代三维GIS技术体系。即日起，我们将陆续在“超图集团”公众号分享产品的新特性和亮点，后续更新敬请关注！

新一代三维GIS技术体系，以二三维一体化技术为基础框架，进一步拓展二三维一体化数据模型，融合倾斜摄影、BIM、激光点云等多源异构数据，推动三维GIS实现室外室内一体化、宏观微观一体化、空天/地表/地下一体化，赋能全空间的三维GIS应用。

为推动三维数据的共享与标准化，超图联合产业链上下游共同制定开放的三维空间数据规范Spatial 3D Model（S3M），集成WebGL、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、3D打印等IT技术，带来更真实、更便捷的三维体验。

这些新技术的涌现和发展，推动了新一代三维GIS理论和应用的发展，也推动了超图新一代三维GIS平台技术的发展，新一代三维GIS技术升级也应运而生。当前，新一代三维GIS技术体系有哪些升维？本文主要从数据模型升维、多源数据升维和IT技术体验升维三个方面展开阐述，如图1所示。

                                          图1 新一代三维GIS技术体系（红底色内容为SuperMap GIS 9D 2019版本新增）

空间数据模型全面升维

空间数据模型是地理信息系统对现实世界地理空间实体、现象，以及它们之间相互关系的认识和理解，是现实世界在计算机中的抽象与表达。

GIS空间数据模型从概念上可以分为三类：第一类是对象模型，用来描述离散空间的要素；第二类是网络模型，用来描述对象之间的连接关系；第三类是场模型，用来描述空间中连续分布的现象或者要素，如图2所示。

                                                                                    图2 GIS空间数据模型分类

在三个类别的空间数据模型中，对象模型已经完成了升维，从早期的二维的点、线、面到三维的点、线、面，再到三维体对象，我们使用高精度、拓扑闭合的三角网定义三维体对象模型，并定义了拓扑闭合的布尔运算，通过交、并、差等布尔运算后仍然是三维体对象模型。三维体对象模型不仅可以表示真实的建筑物体，还可以表示抽象的分析结果。GIS要从室外走向室内，室内数据需要BIM来解决。BIM的城市模型不是一张皮的表面模型，它是体对象，三维体对象模型就可以表达这样的地面建筑，如图3所示。

                                                                               图3 体对象模型表达地面建筑(BIM)

网络模型也已经完成了升维，从二维的网络拓扑升维到三维的网络拓扑，最典型的应用场景就是地下三维管线。三维的地下管线不仅仅是为了渲染出来看，更多的是用来分析，比如一个地方爆管了，要知道关闭哪些阀门，哪些管线受到了影响，有了三维的拓扑关系，才能做这样的网络分析。

第三类数据模型是表示非均质、连续空间现象的场模型，大众熟知的有不规则三角网（TIN）和栅格数据模型（Grid），如图4所示。

                                                                                    图4 表示连续空间现象的场模型

虽然倾斜摄影模型很漂亮，具有“照片化”的渲染效果，但是它实质上是一个表面模型，是基于TIN的数据模型，如图5所示。

                                                                         图5 基于TIN的三维城市表达(倾斜摄影模型)

Grid应用也比较广泛，其中最常见就是三维地形的表达，如图6所示。

                                                                           图6 基于Grid的三维地形表达

但是这些都不是真正的三维，而是“2.5维”，它们还没有完成升维，还需要再升维。

表达地质矿体可以用体对象模型，因为矿体比较大，可用体模型来表达。那么，电磁场、空气属性场、地质属性场……用什么数据模型表达这些连续、非均质的三维实体空间？GIS基础软件面临一个挑战——我们需要一种新的数据模型来描述上述现象。

TIN需要升维，从“2.5维”升维至三维，升维之后参考TIN(Triangulated Irregular Network)是三角化的不规则网络，对应的将其命名为“Tetrahedralized Irregular Mesh”，也就是四面体化的不规则网格，简称TIM，如图7所示。TIM可以表示三维连续空间或现象的不规则划分，由拓扑相连的多个不规则四面体构成，由于它的精度比较高，可以用来表达地下矿体、地质体属性场、大坝的形变等，如图8所示。

                                                      图7 不规则三角网（TIN）升维至不规则四面体网格（TIM）

                                                                         图8 不规则四面体网格表达地质体

Grid也需要升维，升维之后如图9所示，由三维空间规则排列的体元(立方体/正六棱柱)构成，用来表达三维连续空间或现象的规则划分，将其命名为“Voxel Grid”体元栅格，可以表达通讯信号、温度、风场、污染等三维场。

                                                                         图9 栅格（Grid）升维至体元栅格（Voxel Grid）

体元栅格还可以做一些分析的表达，比如在城市规划里的日照时长分析，如图10所示，分析出的结果可以用立方体栅格来表达，设置红色为日照时间比较长的，蓝色为日照时间比较短的，还可以根据每个栅格的值，动态过滤显示，查看内部效果。

                                                                                      图10 体元栅格表达日照率

很多场合需要更精细化的表达，比如大气污染，如图11所示，也可以根据属性值进行过滤显示，表达出污染较为严重的区域。体元栅格还可以动态剖切，查看内部剖切面的效果。

                                                                                   图11 体元栅格表达大气污染

TIM模型和体元栅格模型可以进行很多操作，TIM模型实现了从三维点集构建TIM，同时支持降维运算，获取任意剖面；体元栅格（Voxel Grid）可以用TIM插值为体元栅格，也可以用三维点集构建体元栅格，还可以用两个体元栅格做各种代数运算，做栅格的统计查询，降维运算获取剖面等操作。我们提到两个概念网格（Mesh）和栅格（Grid），“Mesh”是不规则三角网和不规则四面体网格，都是不规则排列的；“Grid”是体元栅格和栅格（Grid），都是规则排列的，这是两个概念的中文英文的区分，两个数据格式是可以相互转换的，TIN可以插值生成Grid，TIM也可以插值生成体元栅格，反之亦可。

GIS基础软件的空间数据模型实现了全面升维：从二维网络到三维网络，从二维点线面到三维点线面，再到体(Solid)，从不规则三角网（TIN）到不规则四面体网格(TIM)，从栅格(Grid)到体元栅格(Voxel Grid)。数据模型的完善，使得GIS可以完成赋予它的更多职责，比如：BIM可以让GIS从室外走向室内，新增的两个模型可以做全空间管理，包括天空中的各种场、地下的各种场等。

多源数据升维带来新挑战

遥感影像作为二维世界的基础底图，现在已经升维至通过高效率、高精度、高真实感和低成本的点云或者倾斜摄影数据来做为二三维一体化的基础底图。同样，我们通过CAD获取二维的数据，即进行建筑的平面设计，现也已升维至用BIM模型来进行建筑物的立体设计。空间数据的升维给GIS基础平台软件带来了全新的挑战，如图12所示。

                                                                             图12 空间数据的升维给GIS带来的新挑战

挑战一：倾斜摄影模型，如何对象化表达？

超图很早就提出了动态单体化的方法。这种思想来源于：在影像上选中一栋建筑物，叠加建筑物对应的矢量面就可以选择。倾斜摄影模型采用同样的思路，在显示层面做到动态单体化的表达，如此建筑物的属性信息可以存储在矢量面上，基于矢量的所有GIS功能，都可以用到倾斜摄影模型中，如图13所示。

                                                                                 图13 倾斜摄影模型对象化表达的由来

挑战二：BIM模型在GIS平台如何表示？

BIM是参数化的对象，在设计软件中渲染出三维模型的效果，设计人员可以很方便地通过调整参数（比如：长宽高，半径等）来调整模型的大小，GIS人员需要是模型对象的管理和基于三角网的空间运算和空间查询的能力，所以我们把BIM模型三角化，统一到三维体对象。三维体对象可以输出3D打印的格式，可以做三维空间关系判断（包含、相交等），以及三维空间运算（交、并、差），还支持表面积和体积的计算，为灵活定制城市设计规则提供了技术支撑。

SuperMap GIS 9D(2019)版本不仅支持原有的Revit、Bentley、Catia模型，还全新支持新增加Civil3D、建研院的PKPM格式，以及BIM交换格式IFC，如图14所示。

                                                                      图14 BIM软件及交换格式以及BIM模型在GIS中的表达

挑战三：BIM模型之间的连接关系如何表示？

前面提到网络数据模型已经完成升维，BIM管道模型可以提取出带拓扑连接关系的三维点、线对象，BIM对象的ID记录在点和线的属性中，三维点线构建三维网络数据模型，可以表示BIM对象之间的拓扑连接关系。

挑战四：如何将各种城市信息对齐?

点线面的坐标转换已经很成熟，这些转换能力能不能应用到三维数据中，对GIS平台也是一个挑战，同样对倾斜摄影模型、点云、BIM也支持坐标转换和配准，将三维数据统一到一个坐标系下。

挑战五：如何解决多源数据统一管理？

在数据接入方面，我们支持地理空间数据库访问接口（OGDC），多源数据可以通过OGDC接入到SuperMap数据库中，也可以接入到其他GIS平台（前提是支持OGDC）；在数据出口方面，联合上下游厂商共同制定三维数据标准：S3M，三维数据通过S3M实现数据的开放共享，支持在线/离线端应用。

IT技术升维三维体验

WebGL技术的发展，让三维GIS变得前所未有的简单，我们希望为用户提供触手可得的体验，我们提供了一款全功能三维WebApp——SuperMap iEarth。

SuperMap iEarth提供多源数据的加载能力，也实现了三维空间分析能力、多种可视化效果等全功能的支撑，它基于全功能三维“零客户端”SuperMap iClient3D for WebGL开发而成。

三维“零客户端”是基于WebGL技术的三维Web GIS开发包，支持跨平台、跨浏览器，它最大的技术特点就是无需安装插件，因此更加轻量和便捷，同时提供JavaScript语言的开发包，便于用户开发和扩展，如图15所示。

                                                                                        图15 全功能 “零客户端”三维

三维“零客户端”支持所有类型的三维数据，支持高效加载与展示，如图16所示；全功能的支持，把C++产品的所有GIS功能都移植到三维“零客户端”，如图17所示；同时还支持四边形、草图等线框模式，提供具有设计感、科技感的三维体验，如图18所示。

                                                                                 图16 三维“零客户端”——全数据支持

                                                                                 图17 三维“零客户端”——全功能支持

                                                                                 图18 三维“零客户端”——全新视觉体验

VR/AR技术的发展，让三维GIS变得前所未有的真实。SuperMap早期版本已经支持了HTC、Oculus VR头盔，虽然能给我们带来沉浸式的三维体验，但是安装设备步骤繁琐，而且还需要一台高配的个人电脑。

在移动联网时代，VR一体机的出现解决了这一问题。SuperMap GIS 9D(2019)版本支持VR一体机设备，为用户实现触手可得、身临其境的全新视觉体验。我们可以把数字化的BIM投到任何场景中，还可以投到施工现场，把设计方案和真正的施工现场做一个比对，及时发现问题并修正。AR与BIM、GIS结合还可以碰撞出更多的火花，产生更多的应用。

总结

超图SuperMap GIS 9D（2019）版本全系列产品支持三维，如图19所示。这是超图平台的一大特色，另一个特色是，三维GIS全面支持Linux三维，从组件、桌面到服务器端，整个产品体系三维能力都可以在Linux上运行。

                                                                                 图19 SuperMap GIS 9D (2019) 产品体系

超图对新一代三维GIS技术体系做了全面升维：

首先，超图对数据模型做了全面升维，从二维点、线、面升维到三维点、线、面、体，从二维网络升维到三维网络，从不规则三角网（TIN）升维到不规则四面体网格（TIM），从栅格升维到体元栅格；

在数据模型基础上，超图形成了完整的二三维一体化GIS技术体系，并且融合了多元的三维GIS数据，除了传统的三维GIS数据，还融合了倾斜摄影、激光点云、BIM、三维场等新兴的三维数据；

在IT技术方面，超图融合IT新技术，升维三维GIS交互与体验，基于WebGL技术实现了全功能的“零客户端”三维产品。在支持VR的基础上，增加了对AR的支持；

基于新一代三维GIS的技术，我们可以更方便地构建三维GIS应用。除了GIS技术创新外，IT技术、多元数据的发展、市场的应用等，都在推动三维GIS发展。目前，三维GIS已经从低谷期走到复苏期，即将走向成熟期。因此，三维GIS技术和理论都需要更多的创新来推动其发展。超图也愿意和上下游的合作伙伴一道，推动三维GIS从复苏期走向成熟期。