现实城市的三维立体特征
建筑物
几何形状与纹理材质，房屋结构与室 内布局，房产等
地上
道路网络
实际车道路面和交通设施，抽象的道 路中心线等
我们生活在日益复地杂形表的面三维立体空间
DEM(TIN或Grid)，DOM
地质
地层、构造、矿体等
地下
地下设施
地下管线、巷道、构筑物等
1、三维GIS概述
从二维地图到三维世界
技术现状
➢ 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)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
性能
高精度、高效三维建模的多种途径
Point cloud based
从遥感影象重建的 三维城市模型
基于图象的建模与绘制 Image based
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
时空信息的多维特征
2维 地图：以二维平面坐标（X,Y）表示的地理 位置与格局 2.5维 地表景观：以二维平面坐标（X,Y）加高程 表示的地表起伏 3维 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 4维 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
复杂地理环境到 动态三维空间信 息系统的映射
科学问题
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
2、三维GIS关键技术
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
地上下独立处理
空间决策 要求更精确
应用需求多样化
三维GIS软件 平台能力有限
技术现状
➢ 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 1.1
地球空间信息三维表示的多种模式
多视点：从宏观到微观， 从全局到局部
地球仪
导航仪
透视仪
地球空间信息三维表示的多种模式
特征：空间+尺度+语义
连续表面模型
三维格网模型
三维对象模型
地球空间信息三维表示的综合性
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
三维GIS及其应用
主要内容
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
中国特色的城市化发展
✓ 大立体：地上、地下空间 ✓ 高动态：日新月异 ✓ 参与者：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
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
激光扫描数据与影像数据的融合
CAD 与 GIS的集成 Map based
《 城市三维建模技术规范 》
城市三维建模存在的问题
《规范》的主要内容
➢ 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
地上下独立处理
空间决策 要求更精确
应用需求多样化
三维GIS软件 平台能力有限
技术现状
➢ 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?
地上下独立处理
空间决策 要求更精确
应用需求多样化
三维GIS软件 平台能力有限
地上下独立处理
空间决策 要求更精确
应用需求多样化
三维GIS软件平台 能力有限
技术现状
➢ 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
统一表示的三维GIS数据模型
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
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……
主要特点
传统模型
新的模型
➢ 地上下室内外独立表示
➢ 地上下室内外目标的几何、拓扑和
突破二维表示局限，建立三维科学框架
矛盾：人的认识空间（三维世界）与所用工具处理问 题的方法空间（二维地图）不一致！
？
三维GIS
信源：地理环境
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、历史与点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
研究现状
地上下独立处理
空间决策 要求更精确
三维GIS软件 平台能力有限
应用需求多样化
核心问题
集成处理 统一表达 处理性能 自适应
解决思路
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