三维产品白皮书.docx
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三维产品白皮书
三维产品白皮书
2018年11月印制
一背景
(一)政策背景
国家先后发布了《中共中央国务院关于深化科技体制改革加快国家创新体系建设的意见》、《中共中央国务院关于深化体制机制改革加快实施创新驱动发展战略的若干意见》、《国家创新驱动发展战略纲要》等重大政策,极大地优化了我国测绘地理信息科技发展环境,也提出了新的更高要求。
国家测绘地理信息局印发了《关于加强测绘地理信息科技创新的意见》和《信息化测绘体系建设技术大纲》等相关科技政策文件,为科技创新发展指明了方向。
建立和完善了国家测绘地理信息局重点实验室管理办法、全国测绘地理信息科普教育基地管理办法等管理制度,为加强科技创新管理工作打下了良好的政策基础。
三维地理信息系统作为测绘地理信息化建设的重要支撑系统,以其直观易懂的地图表现及其强大的空间分析能力,日益受到重视。
目前我国三维地理信息系统的应用需求非常强烈,如应急、城建、公安、消防、国土、海洋、林业等行业均需要三维地理信息系统进行辅助决策。
随着数字城市及智慧城市建设的推进,三维地理信息系统的建设及应用将更加普及。
(二)技术环境
大地测量与导航定位方面。
现代测绘基准关键技术取得突破,基本具备涵盖全部陆海国土、高精度、三维、动态的能力。
卫星导航与智能终端、互联网融合发展,应用技术水平显著提高,具备了区域服务能力并稳步向全球推进。
摄影测量与遥感方面。
我国卫星遥感数据获取、处理与应用能力显著提升,与国际先进水平的差距不断缩小。
数字航摄仪、大面阵航空数码相机、多角度倾斜数码相机、机载LiDAR、机载SAR等航空遥感技术装备研发成功并推广应用,全面提升了我国航空遥感数据获取能力和水平。
地理信息与地图制图方面。
突破了基于倾斜影像的三维城市模型自动提取技术,提高了三维城市建模和可视化效率。
矢量瓦片技术促进了地理信息在移动端的广泛使用。
突破了基于知识的多尺度地理信息数据自动化制图技术,让制图更加平民化。
“图数分离”制图综合数据模型突破了跨尺度缩编问题,为全国多尺度地理信息数据的联动更新奠定了技术基础。
基础地理信息动态更新技术体系有力支撑了国家基础地理信息数据库“一年一版”目标的顺利实现。
地理国情普查与监测方面。
开展了首次全国地理国情普查,建立了全覆盖多尺度地理空间单元分类体系,形成了多尺度国家省市三级基础地理国情要素与专题要素监测分类指标体系,攻克了信息提取与变化检测、综合统计与分析、地理国情解释与评价等关键技术。
(三)行业现状和痛点
1、行业现状
近些年,由于政府对空间信息产业的重视,加大投入,以及优秀人才的参与,国内空间信息技术取得了长足的进步。
国内企业顺势推出各种各样的三维地理信息平台产品,虽然起步较晚,产品结构框架还不太完整,在海量数据处理能力、三维建模、三维分析、跨平台通信、二次开发支持等方面,相比国外软件也有一定的差距。
但是,国产软件基于国内客户需求而研发的先天性,提供的空间信息化解决方案可能更适合国内客户。
再者,国产三维地理信息软件具有更高的安全性,不仅适合国内大型企业、单位应用,而且能更方便地为各行业的特定需求开发提供底层技术支持,扩展性能更为强大。
此外,国产三维软件在海量数据的快速浏览、矢量数据的查询和分析等功能方面也领逐步增强,甚至显现出优于国外软件的趋势。
另外,较高的性价比也是国产软件最为明显的优势之一。
2、行业痛点
标准规范问题。
当前,我国三维地理信息系统的相关标准规范还不够完善,各地建设三维地理信息系统的标准并不统一。
这不仅是研发单位进行系统方案设计、项目实施及质量检测等工作增加了难度,降低了生产效率,同时也会造成三维地理信息系统产品内容不全、产品质量达不到应用要求、数据无法有效共享等问题。
资源割据问题。
我国的数据政策存在有一定的不足,要改变“资源割据,信息孤岛”的现状,需要对数据政策进行改革,使得数据能够正确快速地发展,才能够为三维地理信息系统的建立提供数据等信息。
数据可视化与应用脱节的问题。
在可视化层面,三维场景几何上由点、线、面组成。
而在应用层面,人们更关心每个三维实体到底代表什么含义、有哪些特性。
例如建(构)筑物,我们更关心其建筑性质、层户细节、以及其中关联的人文活动数据。
再如设施设备,我们更关心其设备类型、参数、运行履历等。
数据生产成本、生产周期以及与应用相匹配问题。
三维模型数据测量采集与制作是整个三维系统构建过程中的一部分,不同的数据生产手段和工艺有不同的特点及局限。
片面追求效果转嫁数据生产成本,或片面追求成本损害应用贯通,对行业的可持续健康发展造成负面影响。
(四)三维平台实践
三维平台是具有完全自主知识产权的三维地理信息系统平台。
平台整合倾斜摄影、点云扫描、BIM/CAD、矢量参数化自动建模等手段,LOD细节层次、分块调度、负载均衡、高速缓存等技术,以及双重接口的SDK二次开发包,对整个或部分地球表层(及大气层)、地下空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述。
二产品介绍及创新特点
(一)三维平台介绍
1、数据生产和维护(Builder)
数据汇聚。
天耀宏图三维平台支持影像地形数据、倾斜摄影数据、点云数据、BIM数据、CAD数据及矢量数据等的处理和加载,充分发挥各种数据生产手段的优势。
数据融合。
以倾斜摄影数据为例,天耀宏图三维平台基于矢量参数化自动建模技术,实现倾斜摄影数据的单体化、分层分户及属性挂载。
保障后续应用,例如公安行业“三实”信息的关联,国土行业不动产统一登记信息、自然资源确权登记信息的关联等顺利开展。
2、服务器(Server)
海量数据存储。
三维数据服务器基于CentOS操作系统,综合负载均衡技术、使得三维平台近乎无限的数据承载能力。
高效访问。
三维数据服务器基于BSON二进制高效数据传输技术及高速缓存技术,使得普通硬件也能流畅运行。
数据安全。
采用自主开发的高效三维数据格式,从数据源头上保障数据的安全性。
提供服务端数据远程维护工具使得封闭机房中的三维服务器日常管理高效而轻松。
3、应用平台(Explorer)
基于高性能渲染引擎和空间索引技术,可实现海量数据的高性能绘制、丰富的场景特效,用户可在全空间的、逼真、完美的三维空间环境中,流畅的漫游,并应用模型编辑、各种三维空间分析、矢量数据可视化、矢量数据驱动建模等功能。
4、二次开发组件库(SDK)
采用标准的COM组件技术,提供了3DGIS应用所需的相机控制、三维漫游交互、空间分析、地形分析、特征要素绘制等功能接口,可满足不同用户的开发需要。
开发用户可以快速开发独立的三维应用系统。
(二)三维平台特性
1、大规模参数化模型生成技术
三维平台的参数化模型生成技术可以根据矢量数据和属性数据进行自动化建模,在生成几何模型数据的同时生成属性数据并在二者之间建立关联,使得后续三维可视化与业务应用能更紧密地结合在一起。
而且,相比较手工建模的周期长、成本高、人工干预造成的精度损失,参数化自动建模优势明显。
参数化自动建模技术广泛应用于地下管线、楼栋等自动生成。
2、模型处理共享方式与多参考点方式
共享处理方式。
对于某些模型数据,有可能内部存在大量相同的部件,比如大批量的城市路灯、城市电话亭、城市行道树等等,它们实际上都是相同的模型进行的大数量重复引用。
若采用共享处理方式,则预处理程序会最大限度地保留这种重复引用,以节省处理时间,也节省后期渲染时的CPU性能。
多参考点方式。
若模型数据内存在一些体量比较大的单体建筑,比如马路、城市广场、联体楼之类的部件,共享处理方式无法准确地将它们贴合在地表上。
此时就不应该使用共享处理方式。
3、LOD细节层次技术及分块调度技术
将模型切分为多个视距等级,在三维浏览它的时候,不同的视距观察不同的模型。
简而言之,即近距离看精模,远距离看粗模,更远距离模型不可见。
只有这样才能达到内存和渲染性能的最优。
4、缓存技术、流式加载及BSON二进制传输技术
缓存技术。
在发送数据请求前,首先检查缓存中是否已经有相应数据,如果没有则从服务器端读取数据并更新本地缓存数据,这样下次访问的时候就可以直接读取本地缓存数据;如果本地缓存中已经存在相应数据,则直接读取本地缓存数据来完成显示或分析的功能。
通过这种解决方案,可大幅降低服务器负载和网络负载,从而大幅提高应用程序的整体性能和使用体验。
流式加载。
能够根据观察点位置动态调整数据下载的优先级,确保当前视野范围内的数据优先下载。
访问服务端配置的时候通过HTTP协议以保证穿透性,具体传输时则基于BSON二进制数据以保障传输效率。
通过下载与显示同步的方式,随着服务端持续传送更加精细的数据,客户端数据逐步更新、显示效果也逐渐精细,直到视野内数据传输完毕为止。
三三维平台功能示例
(一)二维三维一体化
二维GIS和三维GIS是从表达方式的角度划分的两种GIS技术,历经了四十余年的发展,二维GIS技术早已进入了成熟期。
与二维GIS相比,三维GIS因更接近于人的视觉习惯而更加真实,同时三维能提供更多信息,能表现更多的空间关系。
无论单位用户还是个人用户,都对三维GIS有迫切的需求。
因此,单独的二维GIS无法满足未来发展的需要,同样,单独的三维GIS也不能满足应用要求。
尽管三维GIS有二维GIS不可比拟的优势,但在相当长时间内还无法完全替代二维GIS。
此外,二维也有比三维更宏观、更抽象、更综合的优点,在部分应用中也需要忽略真实细节呈现关键信息,此时二维就可能比三维更合适。
二三维数据一体化。
天耀宏图三维产品在数据建库环节,要素就同时具备了二维三维一体化特征。
一方面将三维实体标识存入二维关系型数据库相应属性表,于此同时,另一方面将二维图层标识及实体标识写入三维实体扩展属性表。
双向互操作时,既精确又高效。
二三维显示一体化。
二维视图和三维视图支持分屏对照模式和覆盖替换模式。
前者的优点是可以同时看到二维和三维,后者的优点是视点同步更新周期长有助于提高显示效率、可视区域更宽广。
二三维交互一体化。
二维视图和三维视图支持视点同步和互相触发。
数据实体、二维视图实体、三维视图实体基于数据一体化的关联性,即时同步拾取状态,详细信息页面更新等。
二三维应用一体化。
大部分二维分析功能都可以在三维场景中进行,并支持分析结果在三维场景用三维的方式展现。
包括空间分析(如缓冲区分析、叠加分析等)、网络分析(如最佳路径等)和基于栅格数据的分析(如通视分析、可视域分析、坡度坡向分析等)。
同时,三维分析功能,例如控高分析、空间间距分析、碰撞分析、断面分析等分析结果也可以以二维的方式呈现。
(二)时、空、属一体化
数据集当中的每一个要素在创建时,除了常规的空间信息和属性信息还自带时间属性字段,为历史回溯或者各种应急预演等应用开发提供了可靠的保障。
要素可以关联多个属性集,每个属性集用于描述该要素的一个应用侧面。
例如一个设施设备,既有静态台账属性集、也有维修保养履历属性集。
图三1空、属一体化
(三)地上地下一体化
随着土地利用的发展,地下建设将变成发展的战略性空间资源。
地上地下的结合展示变得尤为重要。
地上地下三维模型一体化展示主要用于三维信息展示系统,可应用于城市地上地下一体化交通建设,地下管线规划、建设及管理,工程地质等方向。
由于地面的遮挡,地下自然或者人工建模的可视化在技术上有一定的实现难度,目前大多数地上地下三维模型一体化展示技术采用多窗口、切换窗口、半透明或者地形开挖的方式。
天耀宏图三维平台通过地表透明度设置、地表虚拟开挖以及地上地下图层显隐控制实现地上地下一体化展示。
图三2地表不透明、半透明、全透明
图三3地表虚拟开挖
(四)室内室外一体化
三维平台可以结合倾斜摄影数据成果和建筑物矢量自动推挤产生的透明白模的套合,解决倾斜摄影单体化乃至分层单体化的难题,实现大规模建(构)筑物建模生产周期和成本、真实自然的真三维效果、单体化分层分户属性关联的最佳
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