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新一代三维GIS技术白皮书v1.0.pdf

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SuperMap 新一代三维GIS

北京超图软件股份有限公司 超图研究院 2/15/2019

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SuperMap超图研究院目录目录.3第一章新一代三维GIS技术概述61.1.SuperMap三维技术发展历程，1.2.新一代三维GIS技术体系1.3.新一代三维GIS产品体系...1.4.新一代三维GIS技术优势...1.4.1.新一代三维GIS产品体系....101.4.2.全空间表达的三维数据模型1.4.3.虚拟动态单体化技术1.4.4.符号化三维建模技术111.4.5.多源数据融合技术....111.4.6.高性能三维GIS技术12第二章二三维数据模型122.1.二三维数据模型132.1.1.二维点线面132.1.2.三维点线面2.1.3.三维体142.1.4.TIN..152.1.5.栅格.2.1.6.TIM...162.1.7.体元栅格2.1.8.二维网络.182.1.9.三维网络，182.2.升维运算.192.2.1.基于表面模型数据提取.2.2.2.规则建模202.2.3.拉伸闭合体212.2.4.缓冲区分析212.3.降维运算222.4.基于二三维数据模型的全空间表达23第三章二三维一体化GIS技术GBT50312-2016《综合布线系统工程验收规范》，243.1.数据模型一体化243.2.数据存储管理一体化.243.3.场景构建一体化.. 263.3.1.球面场景、平面场景263.3.2.三维符号化表达.263.3.3.专题图制作3.3.4.三维可视化.283.4.分析功能一体化283.4.1.三维空间运算.283.4.2.三维空间关系判断，293

超图研究院SuperMap3.4.3.三维空间分析..303.4.4.三维网络分析.363.4.5.三维量算分析...37第四章多源三维数据融合技术.374.1.多源数据4.1.1.倾斜摄影384.1.2.激光点云394.1.3.BIM...404.1.4.地下管线.4.1.5.三维场数据424.1.6.手工建模数据434.1.7.符号化三维场景..444.1.8.三维地形数据.444.2.多源数据融合454.2.1.坐标转换454.2.2.倾斜摄影与地形融合匹配.464.2.3.倾斜摄影与道路、水面融合匹配.474.2.4.倾斜摄影与视频融合4.2.5.BIM与倾斜摄影融合匹配...484.2.6.BIM与地形融合匹配494.2.7.BIM与水面融合..4.2.8.BIM与物联网融合..504.3.三维空间数据规范（S3M）.51第五章三维交互与输出新技术.535.1. 基于WebGL的3DGIS技术..535.1.1.SuperMap iClient3D for WebGL...535.1.2.SuperMap iEarth5.2.移动3DGIS技术575.3.VR+GIS技术585.4.AR+GIS技术595.5.3D打印...60第六章新代三维GIS应用案例6.1.成都市二环路道路桥梁管理信息系统616.1.1.总体设计，.616.1.2.关键技术626.1.3.6.2.北京副中心智慧监管平台.. 656.2.1.关键技术6.2.2.业务系统，676.2.3.小结..696.3.白云机场工程地理信息系统6.3.1.总体设计.696.3.2.业务系统6.3.3.小结....724

超图研究院SuperMap6.4.上海中心BIM运营管理平台.736.4.1.总体设计736.4.2.系统模块736.4.3.小结.776.5.雅江数字化三维展示与会商平台.6.5.1.总体设计.786.5.2.关键技术796.5.3.小结.826.6.吉林大学三维校园综合管理系统.6.6.1.总体设计.. 826.6.2.关键技术836.6.3.业务系统... 836.6.4.小结.856.7.智慧呼和浩特空间地理信息数据库建设项目6.8.大连市城市规划“一张图”..885

二维GIS系统不实用的同题，并为三维GIS的发展引领了一个新的技术方向。 （3）新数据驱动 在2014年超图提供了一整套基于倾斜摄影建模数据的三维GIS应用解决方 案，对倾斜摄影建模数据应用面临的大规模数据的流畅显示、模型修补、空间分 析、Web传输及发布等关键问题进行了技术创新，取得了倾斜摄影建模数据应用 方面的极大进步。 超图在2014年率先提出了BIM+GIS理念，研发了成熟的BIM导出插件， 真正实现了BIM数据与GIS平台的无缝、无损衔接。倾斜摄影建模、激光点云、 BIM等从数据层面推动了三维GIS的发展，降低了数据获取门槛和采集成本， 是升了数据更新频率、时效性，并推动了三维GIS从室外走进室内，从宏观走向 微观。 (4）IT技术驱动 IT技术的新进展推动三维GIS进入了一个全新的发展时期。云计算为三维 IS提供了弹性的计算资源，大幅降低了终端应用的计算和维护代价。大数据技 术主要解决了三维GIS在数据层、模型层和应用层的大规模计算问题，显著降低 了大数据时代三维应用建设难度。借助虚拟现实（VR）和增强现实（AR）在硬 牛和软件层面日益成熟的技术和设备，大幅提升人类在三维GIS不同应用领域 的认知和创造能力。所以超图三维技术也一直紧跟IT技术的发展，包括结合GPU 宣染技术、移动技术、WebGL技术、VR/AR技术、3D打印技术，推出了诸多具 有里程碑意义的三维GIS产品， （5）新一代三维GIS技术体系 基于近十年的技术积累，超图基于二三维一体化的基础框架之上，推出了非 常丰富和全面的三维数据模型，同时也融合了更加多源的三维数据类型如倾斜摄 影、BIM、激光点云等，结合了先进IT技术如WebGL、VR/AR、3D打印技术 等，逐步形成了完善的新一代三维GIS技术体系，也推出了完整的新一代三维 GIS基础软件，为各个行业提供技术支持

1.2. 新一代三维 GIS 技术体系

SuperMap超图研究院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、宏观微观一体化与空天/地表/地下一体化，赋能全空间的三维GIS应用。新一代三维GIS应用三维交互与输出新技术基于WebGL的"零客户端”技术虚拟现实(VR)增强现实 (AR)3D打印多源三维数据融合技术倾斜摄影三维数据BIM数据激光点云数据三维场数据三维地形数据手工建模数据符号化三维场景地下管线数据二三维一体化GIS技术符号化三维建模数据存储一体化分析功能一体化软件形态一体化三维点/线/面/体三维网络不规则四面体网格(TIM)体元栅格(VoxelGrid)二维点/线/面二维网络不规则三角网（TIN)栅格(Grid)图新一代三维GIS技术体系为推动三维数据的共享与标准化，联合产业链上下游共同制定开放的三维空间数据规范Spatial3DModel(S3M)。集成WebGL、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、3D打印等IT新技术，带来更真实、更便捷的三维体验新一代三维GIS技术实现了数据模型、场景构建、空间分析和软件形态的二维、三维一体化，促使三维GIS向更加实用方向发展。在SuperMapGIS9D(2019)中:（1）在二三维一体化数据模型基础上，设计并实现了三维体、TIM和体元栅格等三维数据模型，完善了三维GIS技术的理论体系，推动了三维GIS向更深层次的方向发展。（2）融合了倾斜摄影、BIM、激光点云等多源异构三维数据，并提供了倾斜摄影+GIS、BIM+GIS等相关技术功能支持，也推动了城市设计、CIM等行业技术应用发展，（3）集成WebGL、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、3D打印等IT新技术，带来更友好、更便捷的三维体验，8

SuperMap超图研究院1.3.新一代三维 GIS 产品体系SuperMap以二三维GIS内核为基础，研发了全系列三维GIS软件产品体系，主要包括三维云GIS服务器、三维边缘服务器以及支持多类型三维客户端APP与SDK等。其中SuperMapiSever主要实现对三维服务的发布与管理；SuperMapiPortal提供对三维资源的整合与分享；SuperMapiEdge提供三维相关的边缘计算、服务代理；SuperMapiDesktop主要提供三维场景的构建、数据处理等；同时也提供了针对桌面端、Web端、移动端的三维SDK和API。*支持三维能力三维支持Linux云GIS服务器SuperMap iServeSuperMap iManage边缘GIS服务器边缘GIS服务器PC端GISerMapiObjectsJavaWeb端GIS移动端GISects .NETerMap iDesktop.NETMap iClient3D for Plugin图SuperMapGIS9D（2019）全系列产品SuperMap三维地理设计模块（3DDesigner）是SuperMapiDesktop桌面产品和SuperMapiObject.NET/JAVA组件端产品的扩展模块，同时也支持iServer的三维服务扩展，主要用于实现对各类数据的处理、构建大规模三维场景，为不同终端和不同行业挖掘数据价值提供服务。在实际应用中，3DDesigner不仅可以进行海量三维数据处理，而且可以构建大规模三维场景，解决了GIS应用底层数据处理环节的各种疑难问题，有效缩短项目的建设周期。目前，3DDesigner支持构建三维体数据模型，可进行三维数据的空间关系判断、空间运算、空间分析；支持多源数据融合及三维规则建模；支持修改海量地形、倾斜摄影模型、激光点云、BIM等三维数据和修改结果的实时预览，并可以对历史修改记录进行管理，即支持查看、回滚历史数据；支持生成可高效发布和浏览的三维切片缓存、KML以及可供3D打印的STL三维模型等。9

1.4.新一代三维 GIS 技术优势

SuperMap历经十余年的不断创新，攻克了诸多技术难题，推出了新一代三 维GIS技术体系，研发了SuperMapGIS全系列三维产品。新一代三维GIS技术 也提供了诸多关键技术优势

1.4.1.新一代三维GIS产品体系

自主研发了我国首款以标准C++语言构建的跨平台三维GIS内核，实现了二 三维一体化的数据模型、数据存储与管理、可视化与空间分析等技术，并形成了 人GIS服务器到桌面端、浏览器端、移动端的全系列新一代三维GIS基础平台 软件，包括：服务器产品SuperMapiSever，门户产品SuperMapiPortal，边缘计 算产品SuperMapiEdge，组件产品SuperMapiObjectsC++/Java，桌面产品 SuperMapiDesktop.Net/Java，移动产品SuperMapiMobile/iTablet，以及结合 WebGL技术的Web端产品SuperMapiClient3DforWebGL和SuperMapiEarth。 同时，SuperMap也提供了支持三维的服务器、桌面以及组件端、移动端， Web端的跨平台产品支持，有力支撑了空间信息化建设的自主可控

1.4.2.全空间表达的三维数据模型

SuperMap在点、线、面、栅格、TIN、网络等传统GIS二三维数据模型的基 出上，扩展和定义了三维体数据模型、不规则四面体网格（TIM）和体元栅格等 场模型，推动三维GIS实现空天／地表／地下一体化表达，赋能全空间的三维 GIS应用。 在二三维一体化数据模型基础上，提出了三维体数据模型，解决了对离散 匀质的三维实体空间的表达与分析的难题；提出了三维场数据模型（TIM和体元 珊格），解决了对连续、非匀质的三维空间的表达与分析的难题。从GIS基础平 台软件内核层面实现了空间数据模型从二维到三维全面升维：从点、线、面升维 到三维体；从网络升维到三维网络；从TIN升维到TIM；从栅格升维到体元栅 落。形成了涵盖离散对象、连续空间的完整的空间数据模型体系，实现了对现实 世界的全空间表达。完善了三维 GIS 理论体系，推动了三维 GIS 向更深层次

更加实用的方向发展，扩展了三维GIS的内涵及外延。

1.4.3.虚拟动态单体化技术

SuperMap提出了虚拟动态单体化方法，在可视化层面，采用阴影体绘制技 术将量底面附着绘制在倾斜摄影建模、激光点云数据表面，在不切割数据的情 况下，实现了倾斜摄影建模、激光点云数据的单体化表达；在数据层面，实现了 天量底面数据与倾斜摄影建模、激光点云数据的动态关联，不仅便于数据更新 而且可以借助于矢量底面的属性查询和空间查询能力，实现了倾斜摄影建模、激 光点云数据与业务数据相关联，解决了倾斜摄影建模、激光点云数据在GIS中应 用的难题，有效推动了倾斜摄影建模、激光点云数据在测绘、规划、智慧城市等 行业的广泛应用

1.4.4.符号化三维建模技术

通过三维符号化技术，实现了点、线、面要素在三维场景中的快速构建与可 视化表达，解决了海量点、线、面要素在三维场景中真实再现的问题，有效提高 了基础测绘数据资产的利用率，降低了三维数据的建模成本，

1.4.5.多源数据融合技术

SuperMapGIS提供了倾斜摄影数据的全流程解决方案，提供倾斜摄影建模 数据的虚拟动态单体化技术，解决了倾斜摄影建模数据无法直接对象化查询和管 理的难题；率先突破了TB级倾斜摄影建模数据在三维GIS平台原生加载、动态 坐标转换、实时煊染等关键技术。 SuperMapGIS实现了高精度激光点云数据的快速加载与流畅显示，同时支 持点云模型的单体化查询、量测及设置颜色表等功能，满足广大用户的应用需求 同时联合合作伙伴，研发了Revit、Bentley、CATIA三款BIM设计软件的数 据导出插件，同时支持Civil3D、PKPM（建研院）和BIM交换格式IFC等数据 格式的接入，研发了BIM与GIS数据厘米级精准匹配、百方级以上BIM模型的 实时绘制、BIM模型的空间分析等关键技术。提供完善的BIM+GIS能力支持助

力城市设计和CIM建设。 SuperMap对倾斜摄影模型、BIM、精模、点云、矢量、地下管线、地形、动 态水面、场模型等多源数据进行融合，最终形成了Spatial3DModel（S3M）三维 空间数据规范，突破了大规模三维数据在B/S下传输和解析的技术瓶颈，为不同 应用系统间的三维空间数据共享和互操作提供了开放、标准、通用的数据基础 推动了多源异构的三维数据融合，同时兼容多种软硬件环境，大幅降低了三维 GIS应用系统的建设、管理和运维成本。

1.4.6. 高性能三维 GIS 技术

研发了解决全球尺度的多分辨率表达，以及空间数据在数字地球上的管理调 度等关键问题的三维地球引擎。研发了若干提高染性能的技术，主要包括：渣 染引擎技术；LOD技术；批量染技术；纹理压缩技术。研发了基于GPU加速的 相对视点的渣染技术（RenderRelativeToEyeUsingGPU），解决了大规模场 景谊染精度不足的难题。 研发了具备实时分析、即时完成、导出结果的三维空间分析能力，在三维场 景中可实时展示三维空间分析可视化效果，并支持导出三维空间分析结果进行 次空间分析

GB／T 51344-2019 加油站在役油罐防渗漏改造工程技术标准(完整正版，清晰无水印)第二章 二三维数据模型

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。其中，对象模型主要包括二维的点、线、面和三维 的点、线、面、体模型；场模型包括描述二维连续空间的栅格模型、TIN模型和 描述三维连续空间的体元栅格、TIM模型；网络模型包括二维网络模型和三维网 络模型。

SuperMap超图研究院二维点、线、面对象模型三维点、线、面、体?TIN连续表面栅格数据模型场模型TIM连续三维空间体元栅格X二维网络网络模型三维网络图二三维数据模型2.1.二三维数据模型2.1.1.二维点线面在二维对象模型中，点是零维形状的，二维点数据存储为单个的带有属性值的x，y坐标，例如在小比例尺表达一座房子；线是一维形状的，二维线对象存储为一系列有序的带有属性值的x，y坐标对，例如表达一条二维道路；二维面是二维形状的，二维面对象存储为一系列有序的带有属性值的x，y坐标对，最后一个点的坐标必须与第一个点的坐标相同，从而描述由一系列线段围绕而成的一个封闭的具有一定面积的地理要素，例如表达一个二维园区。2.1.2.三维点线面在三维对象模型中，点是零维形状的，三维点数据存储为单个的带有属性值的x，y，z坐标，例如表达坐落在山上的一棵树（具有高程）；线是一维形状的，三维线对象存储为一系列有序的带有属性值的x，y，z坐标串，例如表达一条环山的道路；三维面对象存储为一系列有序的带有属性值的x，y，z坐标串，最后一个点的坐标必须与第一个点的坐标相同，从而描述由一系列线段围绕而成的一个封闭的具有一定面积的地理要素，如表示坐落在山上的湖泊。13

SuperMap超图研究院2.1.3.三维体三维体模型通过拓扑闭合、高精度的三角网表示三维实体对象，常用来表达离散的三维实体对象。三维体数据模型采用半边结构对三角网的各顶点和边的拓扑结构进行描述（如下图）。三维体对象通过交、并、差等布尔运算后，也是拓扑闭合的，仍然是三维体；支持计算模型的体积、表面积，截取模型的任意剖面；支持三维空间关系判断、布尔运算、空间分析；支持3D打印。反向边率边图三角网拓扑结构描述三维体数据模型可以用来表达房屋、地质体等现实中存在的事物，也可以用来表达抽象的三维空间。例如，用三维体模型表达建筑在三维空间中的阴影范围，定义为阴影体，通过分析临近建筑的窗户和阴影体的空间关系，可以判断临近建筑是否被影响了采光；还可以用三维体表达摄像头在三维空间的监控范围，判断三维对象在可视域范围的可见性；可以将分析得到的城市天际线，构建一个三维的限高体，用来管理城市待建的建筑是否影响了天际线；也可以表达雷达扫描的三维空间等。支持构建阴影体、天际线限高体、可视域体、模型拉伸体、三维几何体、凸包、地质体等三维体数据模型，提高了三维GIS的空间分析能力，推动了三维GIS向深度实用方向发展。14

SuperMap超图研究院图天际线限高体2.1.4. TIN不规则三角网（简称TIN，即TriangulatedIrregularNetwork），是根据区域内的有限个点集将区域划分为相连的三角面网络，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点的密度和位置，能够避免地形平坦时的数据亢余，又能按地形特征点表示数字高程特征。TIN常用来拟合连续分布现象的覆盖表面，如连续起伏的地表等。图TIN示意图2.1.5.栅格栅格数据是将一个平面空间进行行和列的规则划分，形成有规律的网格，每个网格称为一个像元（象素），栅格数据模型实际就是像元的矩阵，每个像元都有给定的值来表示地理现象，如高程值、土壤类型、土地利用类型、岩层深度等。15

SuperMap超图研究院图TIM表示地质体示意图2.1.7.体元栅格体元栅格（VoxelGrid）可以通过带有属性的离散三维空间点集或者对TIM模型进行插值获得，是对三维连续空间的规则（立方体/正六棱柱）划分，结构简单。图体元栅格示意图利用体元栅格来表达连续、非均值的三维空间的通讯信号、温度场、风场、污染场等三维场数据以及日照率等属性场。体元栅格其支持的运算包括：提取三维点、线、面模型的属性值；栅格代数运算和统计查询；同时支持分层设色、等值线等的可视化表达。在城市规划里的日照时长的分析中（如下图），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，根据每个栅格的值，可以动态过滤显示，查看内部效果，这个栅格划分的颗粒是比较粗的，所以看起来是一个个立方体；利用体元栅格来表达空气污染场，进行更精细化的表达，同时可以利用动态过滤选择污染比较严重的地区，更直观的表达空气污染状况和空间分布情况。17

SuperMap超图研究院图体元栅格表达日照时长（左）和大气污染（右）2.1.8.二维网络二维网络模型指由许多相互连接的线段构成的，是对现实世界中网络系统的抽象表达。其不仅具有一般网络的弧段与结点间的抽象拓扑关系，还具有GIS空间数据的几何定位特征和地理属性特征（拓扑关系是地理对象在空间位置上的相互关系管道布置图设计手册，如节点与线、线与面之间的连接关系）。章碍达图二维网络模型示意图用于存储具有网络拓扑关系的数据模型。网络数据模型包含了网络线数据集和网络结点数据集，还包含了两种对象之间的空间拓扑关系。基于网络数据模型，可以进行路径分析、服务区分析、最近设施查找、资源分配、选址分区以及邻接点、通达点分析等多种网络分析，多用于政府和商业决策。2.1.9.三维网络三维网络模型指由许多相互连接的线段构成的三维网状系统，是对现实世界中网络系统的抽象表达。其不仅具有一般网络的弧段与结点间的抽象拓扑关系，还具有GIS三维空间数据的几何定位特征和地理属性特征（拓扑关系是地理对象在三维空间位置上的相互关系，如节点与线、线与面之间的三维连接关系）。18