三维GIS及其应用报告.pptx
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➢ 通过GPU上多级Shadow Map实现了大 范围景物的实时阴影
变化的世界：以四维坐标（X,Y,Z,T）表 示的空间位置、形态结构与格局及其 变化过程
地球仪
导航仪
透视仪
连续表面模型
三维格网模型
三维对象模型
① 地上与地下、室内与室外目标的集成表示 ② 几何、拓扑、语义和外观等属性的集成表示 ③ 几何模型、物理模型与行为模型的集成表示 ④ 过去、现在与未来的集成表示 ⑤ 1D+2D+2.5D+3D+4D+xD多尺度集成表示
几何形状与纹理材质，房屋结构 与室内布局，房产等
道路网络
实际车道路面和交通设施，抽象 的道路中心线等
DEM(TIN或Grid)，DOM
地质
地层、构造、矿体等
地下设施
地下管线、巷道、构筑物等
从二维地图到三维世界
矛盾：
？
三维GIS
信源：地理环境
地理环境在计算机中的一种三维映射
系统、工具、方法：宏观与微观、历史与现实、抽象与直观紧密结合
② 如果不统一，则需要在线进行坐标转换、数据结构转换，不同系统 功能难以并行处理、增加绘制状态切换频率，导致不一致……
➢ 地上下室内外独立表示
➢ 地上下室内外目标的几何、拓扑和
(1)数据异构
几何
语义的统一表示
(2)缺乏统一的语义表达
(1) 统一的时空基准与数据结构
(3)多尺度表达的一致性
语义
较差
(2) 多层次语义与拓扑关系 (3) 几何与纹理多细节层次
➢ 2010 年 ， Subsurface ADE, GeoBIM ADE 和 Utility Networks ADE等仍在制 定中,计划补充到CityGML 1.1
➢ 三维GIS面向特定应用，数据与软件紧耦合
➢ 从宏观规划管理到微观精细化管理，数据 及其处理的粒度差异很大
一套数据、一个平台、多种用途?
模型分类
➢ 以场景为核心的三维空间数据格式转换机制
✓ 标准交换格式：KML, CityGML ✓ 常用交换格式：.x, .3ds, .obj, .flt, .dxf, .dae
➢ 基于对象分类和构成关系，建立统一的多层级语义结构，语义增强
① 几何层面
➢ 建筑单元及内部空间的几 何表达
② 拓扑层面
复杂地理环境到 动态三维空间信
息系统的映射
挑战
多维、动态 多要素表示
统一性
多源、多尺度 时空过程建模
准确性
海量、异构 一体化组织管理
高效性
① 地球空间信息三维表示的数学模型
✓ 几何模型 ✓ 语义拓扑关系模型 ✓ 空间索引
② 精确高效的三维空间数据获取与建模 ③ 大规模三维空间数据高效存储管理 ④ 高性能协同可视化探索
性能
➢ 三维建模方法与特定软件紧
密耦合 ➢ 面向特定应用，成本较高 ➢ 模型分类方法不一致 ➢ 模型精度要求不一致 ➢ 模型命名方法不一致 ➢ 制作要求不一致 ➢ 检查验收方法不一致
标准化
➢ 满足多种应用需求的通用规定 ➢ 统一的模型分类方法 ➢ 统一的模型级别划分 ➢ 统一的精度要求 ➢ 统一的建模单元划分 ➢ 统一的模型命名方法 ➢ 统一的模型制作要求 ➢ 统一的检查验收方法 ➢ 统一的集成管理方法
模型类型
LOD1
地形 建筑
DEM 体块模型
交通设施 管线 植被 其他
道路中心线 管线中心线 通用符号 通用符号
Βιβλιοθήκη BaiduLOD2
LOD3
DEM+DOM 基础模型
DEM+高分辨率DOM 标准模型
道路面 管线体 基础模型 基础模型
道路面+附属设施 管线体+附属设施
标准模型 标准模型
LOD4
精细模型 精细模型
精细模型 精细模型 精细模型 精细模型
➢ 可视化分析的性能有限，需要全局优化和静 态装载数据，在线更新和共享困难；多层次 语义表达还很欠缺
➢ 迫切需要系统研究三维GIS的关键问题：统一 的数据模型、可伸缩的体系架构、高性能的 三维可视化与空间分析
➢ 2011 年 7 月 ， ESRI 收 购 三 维 建 模 公 司 Procedural
1
三维GIS概述
2
三维GIS关键技术
3
专业应用
4
我们的实践
：地上、地下空间 ：日新月异 ：规划师、工程与建筑师、开发与建筑商、供应与承 包商、管理与维护人员、银行与保险经纪人、安全与应急响 应部门等
城市化进程的加快,在聚集财富的同时,也聚集风险! 迫切需要对这个大立体高动态环境透彻的感知
建筑物
研究现状
核心问题
集成处理 统一表达 处理性能 自适应
解决思路
新一代软件架构和数 据组织管理方法
几何-尺度-语义统一表示 的数据模型、数据结构和 访问接口
利用现有平台优势结合 应用自主开发
任务驱动的多模式数 据处理流水线
① 刻画三维空间实体几何-尺度-语义的特征及其相互关系，解决多粒 度对象统一表示的复杂性与高性能难题
➢ 基于视距进行场景调度和 LOD切换
感知 测度
➢ 画面内几何面片较多时难于 实现实时可视化
➢ 难于实现大范围地理场景实
场景 复杂性
时阴影 ➢ 管线管点数量大，绘制慢
效率
➢ 基于物体在当前画面里的视觉贡献及 语义信息，场景LOD自适应计算
➢ 通过集成优化、多线程、GPU加速等， 实现内存内千万级面片实时可视化
➢ 2008年，OGC标准CityGML 1.0.0 ➢ 2010年，城市三维建模技术规范
➢ 2010年，中国建筑信息模型标准开始制定 ➢ 2010年，国土资源部全国6大城市（上海、
北京、天津、杭州、南京和广州）地质调查 试点项目基本完成
➢ 日益复杂的立体城市发展迫切需要对地上下 三维空间的透彻感知，宏观与微观结合
➢ 使用拓扑网络表达建筑物 内部空间之间的联通关系
③ 语义层面
➢ 使用“位于”和“部分－ 组成”语义关系来表达建 筑物的内部逻辑构成
空间数据规模大、分辨 率和精度高：数据密集
空间数据应用越来越复 杂：计算密集
数据动态存取 存在严重I/O瓶颈
复杂空间数据操作存在服 务器性能瓶颈
① 基于数据内容的三维空间数据 ② 顾及多细节层次的三维R树 ③ 三维GIS
三维GIS
目标：一体化表达
➢面向整个地理环境（陆海空、地上下、室内外），提供可定位、可量
测、可解析分析、可视的多尺度表达
可定位与可量测的实景影像
可解析分析的三维像素模型
地图：以二维平面坐标（X,Y）表示的地 理位置与格局
地表景观：以二维平面坐标（X,Y）加高 程表示的地表起伏
立体世界：以三维坐标（X,Y,Z）表示的 空间位置、形态结构与格局
变化的世界：以四维坐标（X,Y,Z,T）表 示的空间位置、形态结构与格局及其 变化过程
地球仪
导航仪
透视仪
连续表面模型
三维格网模型
三维对象模型
① 地上与地下、室内与室外目标的集成表示 ② 几何、拓扑、语义和外观等属性的集成表示 ③ 几何模型、物理模型与行为模型的集成表示 ④ 过去、现在与未来的集成表示 ⑤ 1D+2D+2.5D+3D+4D+xD多尺度集成表示
几何形状与纹理材质，房屋结构 与室内布局，房产等
道路网络
实际车道路面和交通设施，抽象 的道路中心线等
DEM(TIN或Grid)，DOM
地质
地层、构造、矿体等
地下设施
地下管线、巷道、构筑物等
从二维地图到三维世界
矛盾：
？
三维GIS
信源：地理环境
地理环境在计算机中的一种三维映射
系统、工具、方法：宏观与微观、历史与现实、抽象与直观紧密结合
② 如果不统一，则需要在线进行坐标转换、数据结构转换，不同系统 功能难以并行处理、增加绘制状态切换频率，导致不一致……
➢ 地上下室内外独立表示
➢ 地上下室内外目标的几何、拓扑和
(1)数据异构
几何
语义的统一表示
(2)缺乏统一的语义表达
(1) 统一的时空基准与数据结构
(3)多尺度表达的一致性
语义
较差
(2) 多层次语义与拓扑关系 (3) 几何与纹理多细节层次
➢ 2010 年 ， Subsurface ADE, GeoBIM ADE 和 Utility Networks ADE等仍在制 定中,计划补充到CityGML 1.1
➢ 三维GIS面向特定应用，数据与软件紧耦合
➢ 从宏观规划管理到微观精细化管理，数据 及其处理的粒度差异很大
一套数据、一个平台、多种用途?
模型分类
➢ 以场景为核心的三维空间数据格式转换机制
✓ 标准交换格式：KML, CityGML ✓ 常用交换格式：.x, .3ds, .obj, .flt, .dxf, .dae
➢ 基于对象分类和构成关系，建立统一的多层级语义结构，语义增强
① 几何层面
➢ 建筑单元及内部空间的几 何表达
② 拓扑层面
复杂地理环境到 动态三维空间信
息系统的映射
挑战
多维、动态 多要素表示
统一性
多源、多尺度 时空过程建模
准确性
海量、异构 一体化组织管理
高效性
① 地球空间信息三维表示的数学模型
✓ 几何模型 ✓ 语义拓扑关系模型 ✓ 空间索引
② 精确高效的三维空间数据获取与建模 ③ 大规模三维空间数据高效存储管理 ④ 高性能协同可视化探索
性能
➢ 三维建模方法与特定软件紧
密耦合 ➢ 面向特定应用，成本较高 ➢ 模型分类方法不一致 ➢ 模型精度要求不一致 ➢ 模型命名方法不一致 ➢ 制作要求不一致 ➢ 检查验收方法不一致
标准化
➢ 满足多种应用需求的通用规定 ➢ 统一的模型分类方法 ➢ 统一的模型级别划分 ➢ 统一的精度要求 ➢ 统一的建模单元划分 ➢ 统一的模型命名方法 ➢ 统一的模型制作要求 ➢ 统一的检查验收方法 ➢ 统一的集成管理方法
模型类型
LOD1
地形 建筑
DEM 体块模型
交通设施 管线 植被 其他
道路中心线 管线中心线 通用符号 通用符号
Βιβλιοθήκη BaiduLOD2
LOD3
DEM+DOM 基础模型
DEM+高分辨率DOM 标准模型
道路面 管线体 基础模型 基础模型
道路面+附属设施 管线体+附属设施
标准模型 标准模型
LOD4
精细模型 精细模型
精细模型 精细模型 精细模型 精细模型
➢ 可视化分析的性能有限，需要全局优化和静 态装载数据，在线更新和共享困难；多层次 语义表达还很欠缺
➢ 迫切需要系统研究三维GIS的关键问题：统一 的数据模型、可伸缩的体系架构、高性能的 三维可视化与空间分析
➢ 2011 年 7 月 ， ESRI 收 购 三 维 建 模 公 司 Procedural
1
三维GIS概述
2
三维GIS关键技术
3
专业应用
4
我们的实践
：地上、地下空间 ：日新月异 ：规划师、工程与建筑师、开发与建筑商、供应与承 包商、管理与维护人员、银行与保险经纪人、安全与应急响 应部门等
城市化进程的加快,在聚集财富的同时,也聚集风险! 迫切需要对这个大立体高动态环境透彻的感知
建筑物
研究现状
核心问题
集成处理 统一表达 处理性能 自适应
解决思路
新一代软件架构和数 据组织管理方法
几何-尺度-语义统一表示 的数据模型、数据结构和 访问接口
利用现有平台优势结合 应用自主开发
任务驱动的多模式数 据处理流水线
① 刻画三维空间实体几何-尺度-语义的特征及其相互关系，解决多粒 度对象统一表示的复杂性与高性能难题
➢ 基于视距进行场景调度和 LOD切换
感知 测度
➢ 画面内几何面片较多时难于 实现实时可视化
➢ 难于实现大范围地理场景实
场景 复杂性
时阴影 ➢ 管线管点数量大，绘制慢
效率
➢ 基于物体在当前画面里的视觉贡献及 语义信息，场景LOD自适应计算
➢ 通过集成优化、多线程、GPU加速等， 实现内存内千万级面片实时可视化
➢ 2008年，OGC标准CityGML 1.0.0 ➢ 2010年，城市三维建模技术规范
➢ 2010年，中国建筑信息模型标准开始制定 ➢ 2010年，国土资源部全国6大城市（上海、
北京、天津、杭州、南京和广州）地质调查 试点项目基本完成
➢ 日益复杂的立体城市发展迫切需要对地上下 三维空间的透彻感知，宏观与微观结合
➢ 使用拓扑网络表达建筑物 内部空间之间的联通关系
③ 语义层面
➢ 使用“位于”和“部分－ 组成”语义关系来表达建 筑物的内部逻辑构成
空间数据规模大、分辨 率和精度高：数据密集
空间数据应用越来越复 杂：计算密集
数据动态存取 存在严重I/O瓶颈
复杂空间数据操作存在服 务器性能瓶颈
① 基于数据内容的三维空间数据 ② 顾及多细节层次的三维R树 ③ 三维GIS
三维GIS
目标：一体化表达
➢面向整个地理环境（陆海空、地上下、室内外），提供可定位、可量
测、可解析分析、可视的多尺度表达
可定位与可量测的实景影像
可解析分析的三维像素模型
地图：以二维平面坐标（X,Y）表示的地 理位置与格局
地表景观：以二维平面坐标（X,Y）加高 程表示的地表起伏
立体世界：以三维坐标（X,Y,Z）表示的 空间位置、形态结构与格局