1、三维GIS及其应用2432三维GIS概述1三维GIS关键技术专业应用我们的实践3：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4道路网络实际车道路面和交通设施，抽象的道路中心线等建筑物几何形状与纹理材质，房屋结构与室内布局，房产等地下设施地下管线、巷道、构筑物等地质地层、构造、矿体等DEM(TIN或Grid)，DOM5从二维地图到三维世界6矛盾：人的（三维世界）与所用工具处理问题的（二维地图）不一致！？7信源：地理环境 三
2、维三维GIS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第 8 页第 9 页面向整个地理面向整个地理环境（陆海空、地上下、室内外），提供可定位、可量（陆海空、地上下、室内外），提供可定位、可量测、可解析分析、可视的多尺度表达测、可解析分析、可视的多尺度表达目标：一体化表达可定位与可量测的实景影像可定位与可量测的实景影像 可解析分析的三维像素模型可解析分析的三维像素模型 三维三维GIS10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
3、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11导航仪 透视仪 地球仪 12连续表面模型 三维格网模型 三维对象模型 13地上与地下、室内与室外目标的集成表示几何、拓扑、语义和外观等属性的集成表示几何模型、物理模型与行为模型的集成表示过去、现在与未来的集成表示1D+2D+2.5D+3D+4D+xD多尺度集成表示14多维、动态统一性多源、多尺度准确性海量、异构高效性复杂地理环境到动态三维空间信息系统的映射15 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 精确高效的三维空间数据获取与建模 大规模三维空间数据高效存储管理 高性能协
4、同可视化探索16 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17 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 2010年，Subsurface ADE,GeoBIM ADE 和 Utility Networks ADE等仍在制定中,计划补充到CityGML 1.118 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、
5、多种用途?19 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Procedural20研究现状核心问题集成处理统一表达处理性能自适应新一代软件架构和数据组织管理方法解决思路几何-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21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如果不统一，则需要在线进
6、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22 地上下室内外目标的几何、拓扑和语义的统一表示(1)统一的时空基准与数据结构(2)多层次语义与拓扑关系(3)几何与纹理多细节层次传统模型 地上下室内外独立表示 数据异构 缺乏统一的语义表达 多尺度表达的一致性较差几何性能语义23CAD 与 GIS的集成激光扫描数据与影像数据的融合从遥感影象重建的三维城市模型基于图象的建模与绘制24 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 满足多种应用需求的通用规定
7、 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标准化城市三维建模存在的问题252627模型分类模型分类28 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29 几何层面 建筑单元及内部空间的几何表达 拓扑层面 使用拓扑网络表达建筑物内部空间之间的联通关系 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 3
8、0一体化数据库纹理数据库几何数据库地形数据库影像数据库专题数据库31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基于数据内容的三维空间数据自适应多级缓存顾及多细节层次的三维R树空间索引三维GIS异步通信传输32常规方法 基于视距进行场景调度和LOD切换 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时阴影 管线管点数量大，绘制慢 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 通过GPU上多级Shado
9、w Map实现了大范围景物的实时阴影 通过Geometry shader和实例化技术，实现大批管线管点高效绘制场景复杂性效率感知测度33 全市域范围高精度模型 三维几何树木模型 Oracle 统一高效管理 一套数据、一个平台、多种应用 8494平方公里的框架模型 中心城区525平方公里的现状三维模型34武汉已建立全市8494平方公里的框架模型和525平方公里中心城区现状精细三维模型已完成200余项重点建设项目方案审批，并在城市规划、国土、房产、人口、风景区等多个领域运用城市三维建模技术规范（CJJ/T157-2010）2010.11.17.正式发布国内首个建成并投入使用的大城市级三维城市模型实
10、现从传统的二维平面审批到三维立体方案审批的转变35中心城区：中心城区：1米米DEM+0.2米米DOM其它区域：其它区域：5米米DEM+1米米DOM全市域框架模型全市域框架模型市域范围市域范围黄陂木兰山黄陂木兰山3536专业应用专业应用2-城市规划与建筑设计城市规划与建筑设计 建筑管理与审批 城市空间设计 建筑与周围环境的协调 建筑物效能：建筑物的能量消耗、室内采光、通风状况、建筑物遮阳、结构安全等 详细动态能耗分析实时遮阳投影分析空气流动计算（迎风面积）3738城市街道噪声污染分析城市街道三维噪声模型城市街道三维温度场在建筑物上的表现39临水建筑合理排列形成城市冷桥与城市风道高度轮廓差异促进城
11、市空气流动40 以汉口新华路一个超高层项目的建筑审批为例，由于其对周边影响较大，二维审批半年仍未确定最终方案，使用三维审批一周内即提出了修改意见并通过审批 三维GIS的应用大大提高了规划审批的效率，尤其是对于重大项目的审批，能够大幅缩短审批时间41 建立两实信息共享平台，实现“图-房-地址-人”的动态链接和管理，做到了“房落地、人进房、查房知人、查人知住”无锡市社区三维无锡市社区三维GIS应用：应用：精细精细化社区综合管理；防灾、减灾、避化社区综合管理；防灾、减灾、避灾、救灾的应急响应灾、救灾的应急响应424344动态日照阴影45 现实场景与虚拟景观模型的透明融合 具备“X-射线”一样的透视建
12、筑物和地下设施的能力4647三维地下管线展示三维地下管线展示48专业应用3-铁路工程4950 三维可视化模型与建设管理信息关联，及时准确掌握建设过程的动态信息，控制关键节点5152列车运行三维景观可视化系统 53专业应用专业应用4-地质分析地质分析 由于自然界的地质现象、由于自然界的地质现象、地质体的地质结构极其复地质体的地质结构极其复杂，对其地质体的空间三杂，对其地质体的空间三维分析功能提出了更高的维分析功能提出了更高的要求。通过三维数字地质要求。通过三维数字地质体分析功能，可以分析地体分析功能，可以分析地质体内部的特征和属性，质体内部的特征和属性，了解和掌握地质体的组成了解和掌握地质体的组
13、成、结构、稳定性、活动规、结构、稳定性、活动规律和运动机制。律和运动机制。54地质体建模地质体建模n利用钻孔数据和调绘数据，分层建立地质体模型利用钻孔数据和调绘数据，分层建立地质体模型55剖切分析剖切分析n单截面剖切分析：单截面剖切分析：n多截面剖切分析多截面剖切分析56矢量剪切分析矢量剪切分析n三维实体布尔运算和矢量剪切三维实体布尔运算和矢量剪切技术作为三维技术作为三维GIS重要的建模重要的建模及空间分析工具，实现了主要及空间分析工具，实现了主要的包括面剪面、面剪体、体分的包括面剪面、面剪体、体分解面等功能。利用矢量剪切技解面等功能。利用矢量剪切技术对地质实体模型进行切割操术对地质实体模型进
14、行切割操作，可以快速构建复杂的地质作，可以快速构建复杂的地质体开挖模型，并提供地质体内体开挖模型，并提供地质体内部的特征和属性显示与查询功部的特征和属性显示与查询功能能57隧道开挖模拟隧道开挖模拟n对于复杂的三维地质体模型，对于复杂的三维地质体模型，有时用户需要进入体的内部，有时用户需要进入体的内部，观察其内部地质结构，获取岩观察其内部地质结构，获取岩性信息，查看地质体、钻孔等性信息，查看地质体、钻孔等的各种信息，隧道开挖模拟提的各种信息，隧道开挖模拟提供给用户能够进入地质体内部供给用户能够进入地质体内部的一种方式，使得用户可以在的一种方式，使得用户可以在隧道内部飞行漫游，从而更加隧道内部飞行
15、漫游，从而更加快捷、方便、直观、全方位地快捷、方便、直观、全方位地了解地质模型了解地质模型58井巷掘进模拟井巷掘进模拟井巷是为进行采掘工作在岩层或煤层内所开凿的一切空硐。井巷是为进行采掘工作在岩层或煤层内所开凿的一切空硐。井巷工程包括井筒、井底车场巷道及硐室、主要石门、运井巷工程包括井筒、井底车场巷道及硐室、主要石门、运输大巷、采区巷道及回风巷道等全部工程。井巷掘进模拟输大巷、采区巷道及回风巷道等全部工程。井巷掘进模拟是指根据井巷道断面、岩石性质和地质构造等条件，动态是指根据井巷道断面、岩石性质和地质构造等条件，动态模拟井巷施工过程。模拟井巷施工过程。59基坑挖掘基坑挖掘n为建筑基础开挖的临时
16、性坑井称为基坑。基坑属于临为建筑基础开挖的临时性坑井称为基坑。基坑属于临时性工程，其作用是提供一个空间，使基础的砌筑作时性工程，其作用是提供一个空间，使基础的砌筑作业得以按照设计所指定的位置进行。基坑挖掘指根据业得以按照设计所指定的位置进行。基坑挖掘指根据基坑断面、岩石性质和地质构造等条件，模拟基坑挖基坑断面、岩石性质和地质构造等条件，模拟基坑挖掘过程。掘过程。60沟槽切割沟槽切割n指根据沟槽切割面，通指根据沟槽切割面，通过矢量剪切和布尔运算过矢量剪切和布尔运算方法，对地质模型进行方法，对地质模型进行切割分析，从而了解其切割分析，从而了解其内部构造和属性信息。内部构造和属性信息。61栅栏图制作
17、栅栏图制作 栅格剖面图是地质上常用来查栅格剖面图是地质上常用来查看地质体内部地质结构的重要看地质体内部地质结构的重要工具，图面由多个垂直或水平工具，图面由多个垂直或水平方向切制的剖面按照空间位置方向切制的剖面按照空间位置组合。这种分析工具能够以平组合。这种分析工具能够以平面的视图表达地质结构面的空面的视图表达地质结构面的空间位置关系，适合作为工程汇间位置关系，适合作为工程汇报材料和专题报告插图。报材料和专题报告插图。62地层沉降史正反演分析地层沉降史正反演分析n通过建立典型反转构造地层模型，利用回剥技术恢复各通过建立典型反转构造地层模型，利用回剥技术恢复各时期沉积地层的厚度，进而得到总沉降量和
18、构造沉降时期沉积地层的厚度，进而得到总沉降量和构造沉降,模模拟恢复地层沉降史。常规的构造变形的恢复包括正演与拟恢复地层沉降史。常规的构造变形的恢复包括正演与反演两种方法。反演两种方法。63 建建 议议n平台的选择：利用现有平台软件平台的选择：利用现有平台软件skyline在大范围场景可视在大范围场景可视化以及高效地空间分析能力的基础上，结合项目特点外加化以及高效地空间分析能力的基础上，结合项目特点外加自主开发。自主开发。n项目计划：分期进行。项目计划：分期进行。n1、建立城市级地上下一体化的三维地理信息系统、建立城市级地上下一体化的三维地理信息系统n2、结合具体的应用，开发专题三维地理信息系统、结合具体的应用，开发专题三维地理信息系统
