三維GIS及其應(yīng)用

三維GIS及其應(yīng)用20:49主要內(nèi)容432三維GIS概述1三維GIS關(guān)鍵技術(shù)專業(yè)應(yīng)用我們的實(shí)踐20:49中國特色的城市化發(fā)展大立體：地上、地下空間高動(dòng)態(tài)：日新月異參與者：規(guī)劃師、工程與建筑師、開發(fā)與建筑商、供應(yīng)與承包商、管理與維護(hù)人員、銀行與保險(xiǎn)經(jīng)紀(jì)人、安全與應(yīng)急響應(yīng)部門等城市化進(jìn)程的加快,在聚集財(cái)富的同時(shí),也聚集風(fēng)險(xiǎn)!迫切需要對這個(gè)大立體高動(dòng)態(tài)環(huán)境透徹的感知20:49道路網(wǎng)絡(luò)實(shí)際車道路面和交通設(shè)施，抽象的道路中心線等建筑物幾何形狀與紋理材質(zhì)，房屋結(jié)構(gòu)與室內(nèi)布局，房產(chǎn)等地上地下設(shè)施地下管線、巷道、構(gòu)筑物等地質(zhì)地層、構(gòu)造、礦體等地下我們生活在日益復(fù)雜的三維立體空間地形表面DEM(TIN或Grid)，DOM現(xiàn)實(shí)城市的三維立體特征20:491、三維GIS概述20:49從二維地圖到三維世界突破二維表示局限，建立三維科學(xué)框架矛盾：人的認(rèn)識空間（三維世界）與所用工具處理問題的方法空間（二維地圖）不一致??？20:49第7頁信源：地理環(huán)境三維GIS三維GIS地理環(huán)境在計(jì)算機(jī)中的一種三維映射系統(tǒng)、工具、方法：宏觀與微觀、歷史與現(xiàn)實(shí)、抽象與直觀緊密結(jié)合第8頁面向整個(gè)地理環(huán)境（陸?？?、地上下、室內(nèi)外），提供可定位、可量測、可解析分析、可視的多尺度表達(dá)目標(biāo)：一體化表達(dá)可定位與可量測的實(shí)景影像可解析分析的三維像素模型三維GIS時(shí)空信息的多維特征2維地圖：以二維平面坐標(biāo)（X,Y）表示的地理位置與格局2.5維地表景觀：以二維平面坐標(biāo)（X,Y）加高程表示的地表起伏3維立體世界：以三維坐標(biāo)（X,Y,Z）表示的空間位置、形態(tài)結(jié)構(gòu)與格局4維變化的世界：以四維坐標(biāo)（X,Y,Z,T）表示的空間位置、形態(tài)結(jié)構(gòu)與格局及其變化過程20:49導(dǎo)航儀

透視儀

地球儀多視點(diǎn)：從宏觀到微觀，從全局到局部地球空間信息三維表示的多種模式20:49地球空間信息三維表示的多種模式連續(xù)表面模型三維格網(wǎng)模型三維對象模型特征：空間+尺度+語義20:49地上與地下、室內(nèi)與室外目標(biāo)的集成表示幾何、拓?fù)?、語義和外觀等屬性的集成表示幾何模型、物理模型與行為模型的集成表示過去、現(xiàn)在與未來的集成表示1D+2D+2.5D+3D+4D+xD多尺度集成表示地球空間信息三維表示的綜合性20:49科學(xué)問題挑戰(zhàn)多維、動(dòng)態(tài)多要素表示統(tǒng)一性多源、多尺度時(shí)空過程建模

準(zhǔn)確性海量、異構(gòu)一體化組織管理

高效性復(fù)雜地理環(huán)境到動(dòng)態(tài)三維空間信息系統(tǒng)的映射20:492、三維GIS關(guān)鍵技術(shù)地球空間信息三維表示的數(shù)學(xué)模型幾何模型語義拓?fù)潢P(guān)系模型空間索引精確高效的三維空間數(shù)據(jù)獲取與建模大規(guī)模三維空間數(shù)據(jù)高效存儲管理高性能協(xié)同可視化探索20:49

技術(shù)現(xiàn)狀地上下獨(dú)立處理應(yīng)用需求多樣化三維GIS軟件平臺能力有限空間決策要求更精確2008年，OGC標(biāo)準(zhǔn)CityGML1.0.02010年，城市三維建模技術(shù)規(guī)范2010年，中國建筑信息模型標(biāo)準(zhǔn)開始制定2010年，國土資源部全國6大城市（上海、北京、天津、杭州、南京和廣州）地質(zhì)調(diào)查試點(diǎn)項(xiàng)目基本完成20:49日益復(fù)雜的立體城市發(fā)展迫切需要對地上下三維空間的透徹感知，宏觀與微觀結(jié)合2010年，SubsurfaceADE,GeoBIMADE和UtilityNetworksADE等仍在制定中,計(jì)劃補(bǔ)充到CityGML1.1地上下獨(dú)立處理空間決策要求更精確應(yīng)用需求多樣化三維GIS軟件平臺能力有限

技術(shù)現(xiàn)狀20:49地上下獨(dú)立處理應(yīng)用需求多樣化三維GIS軟件平臺能力有限空間決策要求更精確三維GIS面向特定應(yīng)用，數(shù)據(jù)與軟件緊耦合從宏觀規(guī)劃管理到微觀精細(xì)化管理，數(shù)據(jù)及其處理的粒度差異很大一套數(shù)據(jù)、一個(gè)平臺、多種用途?

技術(shù)現(xiàn)狀20:49地上下獨(dú)立處理應(yīng)用需求多樣化三維GIS軟件平臺能力有限空間決策要求更精確可視化分析的性能有限，需要全局優(yōu)化和靜態(tài)裝載數(shù)據(jù)，在線更新和共享困難；多層次語義表達(dá)還很欠缺迫切需要系統(tǒng)研究三維GIS的關(guān)鍵問題：統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型、可伸縮的體系架構(gòu)、高性能的三維可視化與空間分析2011年7月，ESRI收購三維建模公司Procedural

技術(shù)現(xiàn)狀20:49解決思路地上下獨(dú)立處理空間決策要求更精確三維GIS軟件平臺能力有限應(yīng)用需求多樣化研究現(xiàn)狀核心問題集成處理統(tǒng)一表達(dá)處理性能自適應(yīng)新一代軟件架構(gòu)和數(shù)據(jù)組織管理方法解決思路幾何-尺度-語義統(tǒng)一表示的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和訪問接口利用現(xiàn)有平臺優(yōu)勢結(jié)合應(yīng)用自主開發(fā)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的多模式數(shù)據(jù)處理流水線20:49統(tǒng)一表示的三維GIS數(shù)據(jù)模型刻畫三維空間實(shí)體幾何-尺度-語義的特征及其相互關(guān)系，解決多粒度對象統(tǒng)一表示的復(fù)雜性與高性能難題如果不統(tǒng)一，則需要在線進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，不同系統(tǒng)功能難以并行處理、增加繪制狀態(tài)切換頻率，導(dǎo)致不一致……20:49地上下室內(nèi)外目標(biāo)的幾何、拓?fù)浜驼Z義的統(tǒng)一表示(1)統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(2)多層次語義與拓?fù)潢P(guān)系(3)幾何與紋理多細(xì)節(jié)層次新的模型主要特點(diǎn)傳統(tǒng)模型地上下室內(nèi)外獨(dú)立表示數(shù)據(jù)異構(gòu)缺乏統(tǒng)一的語義表達(dá)多尺度表達(dá)的一致性較差幾何性能語義20:49CAD與GIS的集成高精度、高效三維建模的多種途徑激光掃描數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)的融合從遙感影象重建的三維城市模型基于圖象的建模與繪制ImagebasedMapbasedPointcloudbased20:49《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》

三維建模方法與特定軟件緊密耦合面向特定應(yīng)用，成本較高模型分類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檢查驗(yàn)收方法不一致滿足多種應(yīng)用需求的通用規(guī)定統(tǒng)一的模型分類方法統(tǒng)一的模型級別劃分統(tǒng)一的精度要求統(tǒng)一的建模單元?jiǎng)澐纸y(tǒng)一的模型命名方法統(tǒng)一的模型制作要求統(tǒng)一的檢查驗(yàn)收方法統(tǒng)一的集成管理方法標(biāo)準(zhǔn)化《規(guī)范》的主要內(nèi)容城市三維建模存在的問題20:49模型類型LOD1LOD2LOD3LOD4地形DEMDEM+DOMDEM+高分辨率DOM精細(xì)模型建筑體塊模型基礎(chǔ)模型標(biāo)準(zhǔn)模型精細(xì)模型交通設(shè)施道路中心線道路面道路面+附屬設(shè)施精細(xì)模型管線管線中心線管線體管線體+附屬設(shè)施精細(xì)模型植被通用符號基礎(chǔ)模型標(biāo)準(zhǔn)模型精細(xì)模型其他通用符號基礎(chǔ)模型標(biāo)準(zhǔn)模型精細(xì)模型模型分類與細(xì)節(jié)層次標(biāo)準(zhǔn)《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》20:49CityGML:5levelsofdetails20:49模型分類20:49基礎(chǔ)模型（建筑形態(tài)）標(biāo)準(zhǔn)模型（樓層結(jié)構(gòu)）精細(xì)模型（部件結(jié)構(gòu)與材料）多源三維模型數(shù)據(jù)整合語法層面語義層面以場景為核心的三維空間數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換機(jī)制標(biāo)準(zhǔn)交換格式：KML,CityGML常用交換格式：.x,.3ds,.obj,.flt,.dxf,.dae基于對象分類和構(gòu)成關(guān)系，建立統(tǒng)一的多層級語義結(jié)構(gòu)，語義增強(qiáng)20:49三維建筑物多層次的語義拓?fù)潢P(guān)系模型幾何層面建筑單元及內(nèi)部空間的幾何表達(dá)拓?fù)鋵用媸褂猛負(fù)渚W(wǎng)絡(luò)表達(dá)建筑物內(nèi)部空間之間的聯(lián)通關(guān)系語義層面使用“位于”和“部分－組成”語義關(guān)系來表達(dá)建筑物的內(nèi)部邏輯構(gòu)成20:49三維空間數(shù)據(jù)的一體化管理與集成應(yīng)用一體化數(shù)據(jù)庫紋理數(shù)據(jù)庫幾何數(shù)據(jù)庫地形數(shù)據(jù)庫影像數(shù)據(jù)庫專題數(shù)據(jù)庫20:49三維模型數(shù)據(jù)庫管理的技術(shù)瓶頸空間數(shù)據(jù)規(guī)模大、分辨率和精度高：數(shù)據(jù)密集空間數(shù)據(jù)應(yīng)用越來越復(fù)雜：計(jì)算密集數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)存取存在嚴(yán)重I/O瓶頸復(fù)雜空間數(shù)據(jù)操作存在服務(wù)器性能瓶頸基于數(shù)據(jù)內(nèi)容的三維空間數(shù)據(jù)自適應(yīng)多級緩存顧及多細(xì)節(jié)層次的三維R樹空間索引三維GIS異步通信傳輸20:49GPU/CPU協(xié)同的高性能可視化技術(shù)常規(guī)方法基于視距進(jìn)行場景調(diào)度和LOD切換畫面內(nèi)幾何面片較多時(shí)難于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可視化難于實(shí)現(xiàn)大范圍地理場景實(shí)時(shí)陰影管線管點(diǎn)數(shù)量大，繪制慢基于物體在當(dāng)前畫面里的視覺貢獻(xiàn)及語義信息，場景LOD自適應(yīng)計(jì)算通過集成優(yōu)化、多線程、GPU加速等，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存內(nèi)千萬級面片實(shí)時(shí)可視化通過GPU上多級ShadowMap實(shí)現(xiàn)了大范圍景物的實(shí)時(shí)陰影通過Geometryshader和實(shí)例化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大批管線管點(diǎn)高效繪制GPU/CPU協(xié)同的方法場景復(fù)雜性效率感知測度20:49三、專業(yè)應(yīng)用---數(shù)字武漢全市域范圍高精度模型三維幾何樹木模型Oracle統(tǒng)一高效管理一套數(shù)據(jù)、一個(gè)平臺、多種應(yīng)用8494平方公里的框架模型中心城區(qū)525平方公里的現(xiàn)狀三維模型20:49三維城市模型武漢已建立全市8494平方公里的框架模型和525平方公里中心城區(qū)現(xiàn)狀精細(xì)三維模型已完成200余項(xiàng)重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目方案審批，并在城市規(guī)劃、國土、房產(chǎn)、人口、風(fēng)景區(qū)等多個(gè)領(lǐng)域運(yùn)用《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T157-2010）2010.11.17.正式發(fā)布國內(nèi)首個(gè)建成并投入使用的大城市級三維城市模型實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的二維平面審批到三維立體方案審批的轉(zhuǎn)變20:49中心城區(qū)：1米DEM+0.2米DOM其它區(qū)域：5米DEM

+1米DOM全市域框架模型市域范圍黃陂木蘭山34專業(yè)應(yīng)用2---城市規(guī)劃與建筑設(shè)計(jì)20:49建筑管理與審批城市空間設(shè)計(jì)建筑與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)建筑物效能：建筑物的能量消耗、室內(nèi)采光、通風(fēng)狀況、建筑物遮陽、結(jié)構(gòu)安全等詳細(xì)動(dòng)態(tài)能耗分析實(shí)時(shí)遮陽投影分析空氣流動(dòng)計(jì)算（迎風(fēng)面積）

典型三維空間分析結(jié)果多方案對比20:49城市街道噪聲污染分析城市物理環(huán)境分析城市街道三維噪聲模型城市街道三維溫度場在建筑物上的表現(xiàn)20:49城市冷橋系統(tǒng)分析臨水建筑合理排列形成城市冷橋與城市風(fēng)道高度輪廓差異促進(jìn)城市空氣流動(dòng)20:49

以漢口新華路一個(gè)超高層項(xiàng)目的建筑審批為例，由于其對周邊影響較大，二維審批半年仍未確定最終方案，使用三維審批一周內(nèi)即提出了修改意見并通過審批三維審批三維GIS的應(yīng)用大大提高了規(guī)劃審批的效率，尤其是對于重大項(xiàng)目的審批，能夠大幅縮短審批時(shí)間20:49輔助實(shí)有人口實(shí)有房屋管理建立兩實(shí)信息共享平臺，實(shí)現(xiàn)“圖-房-地址-人”的動(dòng)態(tài)鏈接和管理，做到了“房落地、人進(jìn)房、查房知人、查人知住”20:49無錫市社區(qū)三維GIS應(yīng)用：精細(xì)化社區(qū)綜合管理；防災(zāi)、減災(zāi)、避災(zāi)、救災(zāi)的應(yīng)急響應(yīng)典型三維空間分析結(jié)果地上下切割分析20:49可視域分析典型三維空間分析結(jié)果20:49動(dòng)態(tài)日照陰影典型三維空間分析結(jié)果20:49移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)實(shí)場景與虛擬景觀模型的透明融合具備“X-射線”一樣的透視建筑物和地下設(shè)施的能力20:49室內(nèi)外一體化尋徑20:49三維地下管線展示20:49專業(yè)應(yīng)用3---鐵路工程20:49線路設(shè)計(jì)結(jié)果在線可視化工程建設(shè)進(jìn)度管理三維可視化模型與建設(shè)管理信息關(guān)聯(lián)，及時(shí)準(zhǔn)確掌握建設(shè)過程的動(dòng)態(tài)信息，控制關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)20:49精細(xì)化設(shè)施管理與綜合養(yǎng)護(hù)20:49第51頁列車運(yùn)行三維景觀可視化系統(tǒng)專業(yè)應(yīng)用4---地質(zhì)分析20:49由于自然界的地質(zhì)現(xiàn)象、地質(zhì)體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，對其地質(zhì)體的空間三維分析功能提出了更高的要求。通過三維數(shù)字地質(zhì)體分析功能，可以分析地質(zhì)體內(nèi)部的特征和屬性，了解和掌握地質(zhì)體的組成、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、活動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)機(jī)制。地質(zhì)體建模利用鉆孔數(shù)據(jù)和調(diào)繪數(shù)據(jù)，分層建立地質(zhì)體模型20:49剖切分析單截面剖切分析：多截面剖切分析20:49矢量剪切分析三維實(shí)體布爾運(yùn)算和矢量剪切技術(shù)作為三維GIS重要的建模及空間分析工具，實(shí)現(xiàn)了主要的包括面剪面、面剪體、體分解面等功能。利用矢量剪切技術(shù)對地質(zhì)實(shí)體模型進(jìn)行切割操作，可以快速構(gòu)建復(fù)雜的地質(zhì)體開挖模型，并提供地質(zhì)體內(nèi)部的特征和屬性顯示與查詢功能20:49隧道開挖模擬對于復(fù)雜的三維地質(zhì)體模型，有時(shí)用戶需要進(jìn)入體的內(nèi)部，觀察其內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)，獲取巖性信息，查看地質(zhì)體、鉆孔等的各種信息，隧道開挖模擬提供給用戶能夠進(jìn)入地質(zhì)體內(nèi)部的一種方式，使得用戶可以在隧道內(nèi)部飛行漫游，從而更加快捷、方便、直觀、全方位地了解地質(zhì)模型20:49井巷掘進(jìn)模擬井巷是為進(jìn)行采掘工作在巖層或煤層內(nèi)所開鑿的一切空硐。井巷工程包括井筒、井底車場巷道及硐室、主要石門、運(yùn)輸大巷、采區(qū)巷道及回風(fēng)巷道等全部