編者按：在2018 GIS 軟體技術大會上，超圖釋出了SuperMap GIS 9D(2019)系列產品，該版本全面擁抱空間大資料技術，並在微服務、容器化、雲原生、自動化運維等方面全新升級，進一步優化和提升了雲GIS功能，構建了新一代三維GIS技術體系。即日起，我們將陸續在“超圖集團”公眾號分享產品的新特性和亮點，後續更新敬請關注！

新一代三維GIS技術體系，以二三維一體化技術為基礎框架，進一步拓展二三維一體化資料模型，融合傾斜攝影、BIM、鐳射點雲等多源異構資料，推動三維GIS實現室外室內一體化、巨集觀微觀一體化、空天/地表/地下一體化，賦能全空間的三維GIS應用。

為推動三維資料的共享與標準化，超圖聯合產業鏈上下游共同制定開放的三維空間資料規範Spatial 3D Model（S3M），整合WebGL、虛擬現實（VR）、增強現實（AR）、3D列印等IT技術，帶來更真實、更便捷的三維體驗。

這些新技術的湧現和發展，推動了新一代三維GIS理論和應用的發展，也推動了超圖新一代三維GIS平臺技術的發展，新一代三維GIS技術升級也應運而生。當前，新一代三維GIS技術體系有哪些升維？本文主要從資料模型升維、多源資料升維和IT技術體驗升維三個方面展開闡述，如圖1所示。

圖1 新一代三維GIS技術體系（紅底色內容為SuperMap GIS 9D 2019版本新增）

空間資料模型全面升維

空間資料模型是地理資訊系統對現實世界地理空間實體、現象，以及它們之間相互關係的認識和理解，是現實世界在計算機中的抽象與表達。

GIS空間資料模型從概念上可以分為三類：第一類是物件模型，用來描述離散空間的要素；第二類是網路模型，用來描述物件之間的連線關係；第三類是場模型，用來描述空間中連續分佈的現象或者要素，如圖2所示。

												圖2 GIS空間資料模型分類

在三個類別的空間資料模型中，物件模型已經完成了升維，從早期的二維的點、線、面到三維的點、線、面，再到三維體物件，我們使用高精度、拓撲閉合的三角網定義三維體物件模型，並定義了拓撲閉合的布林運算，通過交、並、差等布林運算後仍然是三維體物件模型。三維體物件模型不僅可以表示真實的建築物體，還可以表示抽象的分析結果。GIS要從室外走向室內，室內資料需要BIM來解決。BIM的城市模型不是一張皮的表面模型，它是體物件，三維體物件模型就可以表達這樣的地面建築，如圖3所示。

											圖3 體物件模型表達地面建築(BIM)

網路模型也已經完成了升維，從二維的網路拓撲升維到三維的網路拓撲，最典型的應用場景就是地下三維管線。三維的地下管線不僅僅是為了渲染出來看，更多的是用來分析，比如一個地方爆管了，要知道關閉哪些閥門，哪些管線受到了影響，有了三維的拓撲關係，才能做這樣的網路分析。

第三類資料模型是表示非均質、連續空間現象的場模型，大眾熟知的有不規則三角網（TIN）和柵格資料模型（Grid），如圖4所示。

												圖4 表示連續空間現象的場模型

雖然傾斜攝影模型很漂亮，具有“照片化”的渲染效果，但是它實質上是一個表面模型，是基於TIN的資料模型，如圖5所示。

									圖5 基於TIN的三維城市表達(傾斜攝影模型)

Grid應用也比較廣泛，其中最常見就是三維地形的表達，如圖6所示。

											圖6 基於Grid的三維地形表達

但是這些都不是真正的三維，而是“2.5維”，它們還沒有完成升維，還需要再升維。

表達地質礦體可以用體物件模型，因為礦體比較大，可用體模型來表達。那麼，電磁場、空氣屬性場、地質屬性場……用什麼資料模型表達這些連續、非均質的三維實體空間？GIS基礎軟體面臨一個挑戰——我們需要一種新的資料模型來描述上述現象。

TIN需要升維，從“2.5維”升維至三維，升維之後參考TIN(Triangulated Irregular Network)是三角化的不規則網路，對應的將其命名為“Tetrahedralized Irregular Mesh”，也就是四面體化的不規則網格，簡稱TIM，如圖7所示。TIM可以表示三維連續空間或現象的不規則劃分，由拓撲相連的多個不規則四面體構成，由於它的精度比較高，可以用來表達地下礦體、地質體屬性場、大壩的形變等，如圖8所示。

								圖7 不規則三角網（TIN）升維至不規則四面體網格（TIM）

											圖8 不規則四面體網格表達地質體

Grid也需要升維，升維之後如圖9所示，由三維空間規則排列的體元(立方體/正六稜柱)構成，用來表達三維連續空間或現象的規則劃分，將其命名為“Voxel Grid”體元柵格，可以表達通訊訊號、溫度、風場、汙染等三維場。

								   圖9 柵格（Grid）升維至體元柵格（Voxel Grid）

體元柵格還可以做一些分析的表達，比如在城市規劃裡的日照時長分析，如圖10所示，分析出的結果可以用立方體柵格來表達，設定紅色為日照時間比較長的，藍色為日照時間比較短的，還可以根據每個柵格的值，動態過濾顯示，檢視內部效果。

											   圖10 體元柵格表達日照率

很多場合需要更精細化的表達，比如大氣汙染，如圖11所示，也可以根據屬性值進行過濾顯示，表達出汙染較為嚴重的區域。體元柵格還可以動態剖切，檢視內部剖切面的效果。

											 圖11 體元柵格表達大氣汙染

TIM模型和體元柵格模型可以進行很多操作，TIM模型實現了從三維點集構建TIM，同時支援降維運算，獲取任意剖面；體元柵格（Voxel Grid）可以用TIM插值為體元柵格，也可以用三維點集構建體元柵格，還可以用兩個體元柵格做各種代數運算，做柵格的統計查詢，降維運算獲取剖面等操作。我們提到兩個概念網格（Mesh）和柵格（Grid），“Mesh”是不規則三角網和不規則四面體網格，都是不規則排列的；“Grid”是體元柵格和柵格（Grid），都是規則排列的，這是兩個概念的中文英文的區分，兩個資料格式是可以相互轉換的，TIN可以插值生成Grid，TIM也可以插值生成體元柵格，反之亦可。

GIS基礎軟體的空間資料模型實現了全面升維：從二維網路到三維網路，從二維點線面到三維點線面，再到體(Solid)，從不規則三角網（TIN）到不規則四面體網格(TIM)，從柵格(Grid)到體元柵格(Voxel Grid)。資料模型的完善，使得GIS可以完成賦予它的更多職責，比如：BIM可以讓GIS從室外走向室內，新增的兩個模型可以做全空間管理，包括天空中的各種場、地下的各種場等。

多源資料升維帶來新挑戰

遙感影像作為二維世界的基礎底圖，現在已經升維至通過高效率、高精度、高真實感和低成本的點雲或者傾斜攝影資料來做為二三維一體化的基礎底圖。同樣，我們通過CAD獲取二維的資料，即進行建築的平面設計，現也已升維至用BIM模型來進行建築物的立體設計。空間資料的升維給GIS基礎平臺軟體帶來了全新的挑戰，如圖12所示。

										圖12 空間資料的升維給GIS帶來的新挑戰

挑戰一：傾斜攝影模型，如何物件化表達？

超圖很早就提出了動態單體化的方法。這種思想來源於：在影像上選中一棟建築物，疊加建築物對應的向量面就可以選擇。傾斜攝影模型採用同樣的思路，在顯示層面做到動態單體化的表達，如此建築物的屬性資訊可以儲存在向量面上，基於向量的所有GIS功能，都可以用到傾斜攝影模型中，如圖13所示。

										圖13 傾斜攝影模型物件化表達的由來

挑戰二：BIM模型在GIS平臺如何表示？

BIM是引數化的物件，在設計軟體中渲染出三維模型的效果，設計人員可以很方便地通過調整引數（比如：長寬高，半徑等）來調整模型的大小，GIS人員需要是模型物件的管理和基於三角網的空間運算和空間查詢的能力，所以我們把BIM模型三角化，統一到三維體物件。三維體物件可以輸出3D列印的格式，可以做三維空間關係判斷（包含、相交等），以及三維空間運算（交、並、差），還支援表面積和體積的計算，為靈活定製城市設計規則提供了技術支撐。

SuperMap GIS 9D(2019)版本不僅支援原有的Revit、Bentley、Catia模型，還全新支援新增加Civil3D、建研院的PKPM格式，以及BIM交換格式IFC，如圖14所示。

							    	圖14 BIM軟體及交換格式以及BIM模型在GIS中的表達

挑戰三：BIM模型之間的連線關係如何表示？

前面提到網路資料模型已經完成升維，BIM管道模型可以提取出帶拓撲連線關係的三維點、線物件，BIM物件的ID記錄在點和線的屬性中，三維點線構建三維網路資料模型，可以表示BIM物件之間的拓撲連線關係。

挑戰四：如何將各種城市資訊對齊?

點線面的座標轉換已經很成熟，這些轉換能力能不能應用到三維資料中，對GIS平臺也是一個挑戰，同樣對傾斜攝影模型、點雲、BIM也支援座標轉換和配準，將三維資料統一到一個座標系下。

挑戰五：如何解決多源資料統一管理？

在資料接入方面，我們支援地理空間資料庫訪問介面（OGDC），多源資料可以通過OGDC接入到SuperMap資料庫中，也可以接入到其他GIS平臺（前提是支援OGDC）；在資料出口方面，聯合上下游廠商共同制定三維資料標準：S3M，三維資料通過S3M實現資料的開放共享，支援線上/離線端應用。

IT技術升維三維體驗

WebGL技術的發展，讓三維GIS變得前所未有的簡單，我們希望為使用者提供觸手可得的體驗，我們提供了一款全功能三維WebApp——SuperMap iEarth。

SuperMap iEarth提供多源資料的載入能力，也實現了三維空間分析能力、多種視覺化效果等全功能的支撐，它基於全功能三維“零客戶端”SuperMap iClient3D for WebGL開發而成。

三維“零客戶端”是基於WebGL技術的三維Web GIS開發包，支援跨平臺、跨瀏覽器，它最大的技術特點就是無需安裝外掛，因此更加輕量和便捷，同時提供JavaScript語言的開發包，便於使用者開發和擴充套件，如圖15所示。

											圖15 全功能 “零客戶端”三維

三維“零客戶端”支援所有型別的三維資料，支援高效載入與展示，如圖16所示；全功能的支援，把C++產品的所有GIS功能都移植到三維“零客戶端”，如圖17所示；同時還支援四邊形、草圖等線框模式，提供具有設計感、科技感的三維體驗，如圖18所示。

										圖16 三維“零客戶端”——全資料支援

										圖17 三維“零客戶端”——全功能支援

										圖18 三維“零客戶端”——全新視覺體驗

VR/AR技術的發展，讓三維GIS變得前所未有的真實。SuperMap早期版本已經支援了HTC、Oculus VR頭盔，雖然能給我們帶來沉浸式的三維體驗，但是安裝裝置步驟繁瑣，而且還需要一臺高配的個人電腦。

在移動聯網時代，VR一體機的出現解決了這一問題。SuperMap GIS 9D(2019)版本支援VR一體機裝置，為使用者實現觸手可得、身臨其境的全新視覺體驗。我們可以把數字化的BIM投到任何場景中，還可以投到施工現場，把設計方案和真正的施工現場做一個比對，及時發現問題並修正。AR與BIM、GIS結合還可以碰撞出更多的火花，產生更多的應用。

總結

超圖SuperMap GIS 9D（2019）版本全系列產品支援三維，如圖19所示。這是超圖平臺的一大特色，另一個特色是，三維GIS全面支援Linux三維，從元件、桌面到伺服器端，整個產品體系三維能力都可以在Linux上執行。

圖19 SuperMap GIS 9D (2019) 產品體系

超圖對新一代三維GIS技術體系做了全面升維：

首先，超圖對資料模型做了全面升維，從二維點、線、面升維到三維點、線、面、體，從二維網路升維到三維網路，從不規則三角網（TIN）升維到不規則四面體網格（TIM），從柵格升維到體元柵格；

在資料模型基礎上，超圖形成了完整的二三維一體化GIS技術體系，並且融合了多元的三維GIS資料，除了傳統的三維GIS資料，還融合了傾斜攝影、鐳射點雲、BIM、三維場等新興的三維資料；

在IT技術方面，超圖融合IT新技術，升維三維GIS互動與體驗，基於WebGL技術實現了全功能的“零客戶端”三維產品。在支援VR的基礎上，增加了對AR的支援；

基於新一代三維GIS的技術，我們可以更方便地構建三維GIS應用。除了GIS技術創新外，IT技術、多元資料的發展、市場的應用等，都在推動三維GIS發展。目前，三維GIS已經從低谷期走到復甦期，即將走向成熟期。因此，三維GIS技術和理論都需要更多的創新來推動其發展。超圖也願意和上下游的合作伙伴一道，推動三維GIS從復甦期走向成熟期。