CN111274337B - 一种基于实景三维的二三维一体化gis系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于实景三维的二三维一体化GIS系统，包括数据层、服务层和应用层，数据层包括数据采集模块、数据处理模块以及数据存储模块，数据采集模块包括无人机倾斜影像、数字线划图、三维模型、地形数据、高分数据、属性数据以及业务数据，服务层包括地图渲染模块以及地图服务发布模块，应用层包括二三维空间量测模块、二三维一体化展示模块、POI搜索模块、通视分析模块、动态可视域分析模块、二三维地图标绘模块、二三维路径规划模块、二三维轨迹数据分析模块以及二三维模型实时监控模块。本发明将二维地理信息系统的空间分析能力和三维地理信息系统的展示能力融合在一起，实现GIS框架的地图数据的二三维一体化联动。

Description

一种基于实景三维的二三维一体化GIS系统

技术领域

本发明属于信息显示和处理技术领域,具体涉及一种基于实景三维的二三维一体化GIS系统。

背景技术

三维GIS以其独有的直观可视化效果迅速扩展到城市建设、军事仿真、公安消防、智慧交通等领域。但由于二维GIS更加抽象、宏观、综合、易于空间分析，而且已广泛应用到社会的各行各业，很多单位已经建成比较完善的二维地理信息和信息管理系统，因此尽管三维GIS有二维GIS不可比拟的优势，但是在相当长时间内还无法完全替代二维GIS。如何最大限度地利用二维资源，使二维GIS与三维GIS进行集成并实现联动，从而实现在同一框架体系下两者的优势互补，是解决问题的关键。实景三维系统的数据来源多元异构，如何将卫星影像数据、地形数据、高分数据、倾斜摄影测量数据、三维模型数据以及二维的兴趣点数据、路网数据融合构建实景三维场景，供用户进行地图的浏览、地图漫游、空间分析，是应用系统中亟待解决的问题。

目前市面上有一些商业GIS平台可提供三维引擎，其代表厂商有Skyline、Esri、超图等，用户可基于这些三维引擎进行二次开发，但是主要存在以下不足：首先，商业的GIS软件相对昂贵，系统的平台比较庞大，不利于快速部署以及快速开发；其次，商用的GIS软件由于其底层的架构设计，在更新迭代方面不敏捷，导致开发周期较长；商用GIS软件封装性比较强，在拓展功能模块的扩展上，不易进行定制扩展。此外，一些商用三维GIS产品，依旧采用浏览器插件的方式加载和展示三维场景，不能很好利用webGL的技术，导致用户使用起来不便。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于实景三维的二三维一体化GIS系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于实景三维的二三维一体化GIS系统，包括数据层、服务层和应用层，所述数据层包括数据采集模块、数据处理模块以及数据存储模块；

所述数据采集模块包括无人机倾斜影像、数字线划图、三维模型、地形数据、高分数据、属性数据以及业务数据，所述无人机倾斜影像能够通过多旋翼无人机搭载的倾斜摄影测量镜头进行地图数据的采集；所述数字线划图用于空间网络分析地图服务的发布以及后续的空间分析；所述三维模型用于实时动画模型的构建；所述高分数据和地形数据用于构建有地面起伏的三维地形图；所述属性数据是POI搜索功能的基本信息来源；所述业务数据包含接收到的定位数据以用于轨迹数据分析；

所述数据处理模块能够利用无人机倾斜影像中的立体像对生成DEM地形数据，结合影像数据完成影像校正，生成DOM正射影像；所述数据处理模块能够接收数据采集模块的无人机倾斜影像数据并进行数据预处理，生成三维模型完成倾斜摄影测量数据构建；

所述数据存储模块包括属性数据库和空间数据库，所述空间数据库用于存储三维模型和二维矢量、地形、影像，所述属性数据库用于数字线划图数据对应的属性信息的存储，所述属性信息包括点位的地址、模型分类等信息；

所述服务层包括地图渲染模块以及地图服务发布模块，所述地图渲染模块用于对空间数据库以及属性数据库进行数据处理，完成地图的符号化生成标准的地图工作空间并传至地图服务发布模块，完成地图服务的发布；

所述地图渲染模块包括矢量地图符号化模块、影像图缓存模块、地形图缓存模块以及三维地图场景模块，所述矢量地图符号化模块通过符号化的方式将二维矢量地图进行渲染出图；所述影像图缓存模块通过缓存的方式将影像数据进行预处理；所述地形图缓存模块通过缓存的方式将地形数据进行预处理，所述三维地图场景模块通过DEM地形数据和DOM正射影像数据叠加生成三维地形图，叠加无人机倾斜摄影测量模型构建实景真三维的地图场景；

所述地图服务发布模块包括网络地图瓦片服务发布模块、网络地图服务发布模块、网络地理要素服务发布模块以及三维地图场景发布模块；

所述应用层包括二三维空间量测模块、二三维一体化展示模块、POI搜索模块、通视分析模块、动态可视域分析模块、二三维地图标绘模块、二三维路径规划模块、二三维轨迹数据分析模块以及二三维模型实时监控模块；

所述二三维空间量测模块能够利用二维地图的拾取实现距离以及面积的量测，利用场景中的三维地形图，结合Cesium.js中的Scene的贴地模式和空间模式，实现贴地距离量测、面积量测、空间距离量测以及空间面积量测；所述二三维一体化展示模块能够通过调用统一坐标系统的二维和三维的地图服务，实现二维地图服务和三维场景服务的加载，实现二维和三维一体化展示的效果；所述POI搜索模块能够利用二维的空间查询功能，在二维地图上进行展示，并能够在三维平台上，将符号化的图标以三维方式直观展现，实现POI结果的三维场景的快速构建；所述通视分析模块以及动态可视域分析模块能够利用场景的高程信息以及三维场景模型，通过拾取点的高程信息，进行不同点位的通视分析，利用拾取中心点以及选择的范围，对可视域结果进行动态分析，并将结果在二维图上进行矢量数据生成，指导指挥决策；所述二三维地图标绘模块能够通过在二维平台上选择点、线、面要素进行标绘，能够在相应的三维平台将对应的标绘数据以贴地的模式进行联动展示；所述二三维路径规划模块、二三维轨迹数据分析模块以及二三维模型实时监控模块均能够采用二维GIS的空间分析功能进行结果的查询，将结果在三维地图场景中进行展示。

本发明与现有技术相比，有益效果为：

本发明通过从数据底层，进行二维和三维的地图数据相结合并展示在一个坐标系统下，实现互操作和数据同步，实时联动展示地图更新，系统自底层设计均实现了二维与三维的统一管理，使得三维GIS不仅具逼真的可视化效果，同时沿袭了二维GIS存储、管理、查询、分析空间对象的强大GIS功能，将二维地理信息系统的空间分析能力和三维地理信息系统的展示能力融合在一起，实现GIS框架的地图数据的二三维一体化联动。

附图说明

图1为本发明基于实景三维的二三维一体化GIS系统框架组成图。

图2为实时动画模型加入到三维场景的方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

如图1所示，本发明提出的一种基于实景三维的二三维一体化GIS系统，基于数据层、服务层和应用层三层架构。通过从数据底层，将三维模型和二维矢量、地形、影像存储到完全统一的数据库中，提供复杂的SQL查询、统计分析等功能，进行数据管理；利用服务层，将二三维地图数据进行渲染制图，并按照基于OGC标准的协议进行地图服务的发布，将影像图与地形图服务叠加，结合倾斜摄影测量数据模型的三维地图服务实现三维场景的构建；在应用层，将二维的矢量数据通过符号化或gltf格式的模型以三维方式直观展现，利用二维的空间分析功能，将分析结果以三维的形式展现，实现了二三维一体化展示。

(1)数据层包括数据采集模块、数据处理模块以及数据存储模块。

数据采集模块通过多种数据采集手段进行无人机倾斜影像、数字线划图、三维模型、地形数据、高分数据等地图数据采集，将属性数据和业务数据录入到平台，并将数据传至数据存储模块，完成属性数据库和空间数据库的数据存储。同时，数据采集模块将需要数据处理的无人机倾斜影像传至数据处理模块进行数据处理，数据处理模块进行数据预处理，生成三维模型完成倾斜摄影测量数据构建，通过影像处理生成DEM(数字高程模型)地形数据以及DOM(数字正摄影像)正射影像，并将数据传至数据存储模块，完成地图数据的存储。

数据采集模块包括无人机倾斜影像、数字线划图、三维模型、地形数据、高分数据、属性数据以及业务数据。其中，数据采集模块的无人机倾斜影像是通过多旋翼的无人机搭载倾斜摄影测量的镜头，进行地图数据的采集；数字线划图用于空间网络分析地图服务的发布，用于后续的空间分析；三维模型用于实时动画模型的构建；高分数据和地形数据用于构建有地面起伏的三维地形图；属性数据是POI搜索功能基本信息来源；业务数据包含接收到的定位数据，用于轨迹数据分析。

数据处理模块通过利用数据处理软件(例如smart3D)生成高精度的DEM数据和DOM数据，构建成为实景真三维的场景数据预处理进行数据的空三解算，生成三维模型的网格模型完成三维建模，通过纹理贴图生成倾斜摄影测量数据；利用无人机倾斜影像中的立体像对生成DEM地形数据，结合影像数据完成影像校正，生成DOM正射影像。倾斜摄影测量数据、DEM地形数据以及DOM正射影像的数据结果传至数据存储模块，完成数据存储。

数据存储模块包括属性数据库和空间数据库。空间数据库将三维模型和二维矢量、地形、影像存储到完全统一的数据库中。属性数据库用于数字线划图数据对应的属性信息的存储，包括点位的地址、模型分类等信息。

(2)服务层包括地图渲染模块以及地图服务发布模块。

地图渲染模块通过对空间数据库以及属性数据库的数据处理，完成地图的符号化生成标准的地图工作空间，通过地图服务引擎软件(例如geoserver)传至地图服务发布模块，完成地图服务的发布。

地图渲染模块包括矢量地图符号化模块、影像图缓存模块、地形图缓存模块以及三维地图场景模块。其中，矢量地图符号化模块通过符号化的方式将二维矢量地图进行渲染出图，影像图缓存是通过缓存的方式将影像数据进行预处理，地形图缓存则是通过缓存的方式将地形数据进行预处理，提升加载效率，三维地图场景模块则是通过DEM数据和DOM数据叠加生成三维地形图，叠加无人机倾斜摄影测量模型构建实景真三维的地图场景。

地图服务发布模块包括网络地图瓦片服务发布模块、网络地图服务发布模块、网络地理要素服务发布模块以及三维地图场景发布模块等。相应的子模块对应于相应类型的地图服务的发布，发布的地图服务为应用层的功能模块提供支撑。

(3)应用层包括二三维空间量测模块等多个功能模块。

应用层基于应用较广的二维GIS(OpenLayers框架)和三维系统(Cesium.js)在多个层面进行集成开发，设计并实现二三维一体化WebGIS系统，包括不限于以下模块，下面对各功能模块进行阐述实现的方法。

其中，二三维空间量测模块利用二维地图的拾取实现距离以及面积的量测，利用场景中的三维地形图，结合Cesium.js中的Scene的贴地模式和空间模式，实现贴地距离量测、面积量测、空间距离量测以及空间面积量测。

二三维一体化展示模块，通过调用统一坐标系统的二维和三维的地图服务，实现二维地图服务和三维场景服务的加载，实现二维和三维一体化展示的效果。

POI搜索模块，利用二维的空间查询功能，在二维地图上进行展示，相应的，在三维平台上，将符号化的图标以三维方式直观展现，实现POI结果的三维场景的快速构建。

通视分析模块以及动态可视域分析模块利用场景的高程信息以及三维场景模型，通过拾取点的高程信息，进行不同点位的通视分析，利用拾取中心点以及选择的范围，对可视域结果进行动态分析，并将结果在二维图上进行矢量数据生成，指导指挥决策。

二三维地图标绘模块，可以通过在二维平台上选择点、线、面等要素进行标绘，相应的三维平台将对应的标绘数据以贴地的模式进行联动展示。在三维平台绘制的点、线、面符号，无论是空间模式还是贴地模式，二维平台将对应的数据以投影的方式在二维平台展示。

二三维路径规划模块、二三维轨迹数据分析模块以及二三维模型实时监控模块等模块均是采用二维GIS强大的空间分析功能，进行结果的查询，将结果在三维地图场景中进行展示。

下面说明将实时动画模型加入到三维场景的方法，结合实景真三维倾斜摄影测量数据，引入数据层中的三维模型，进行三维模型数据处理，完成实时数据的动画模型实时仿真，采用如上所述的二三维一体化联动表达框架实现。本框架基于Cesium.js框架，支持适合网络传输的gltf格式的模型，而原始动画模型多为max格式的三维模型。将生成的gltf模型，结合位置信息的时间信息，进行czml文件的封装，在应用层中进行调用，完成实时动画模型在实景真三维场景中的动态展示。

转换以及实现的具体步骤如图2所示：

(1)在数据层，将三维模型的tga格式纹理图像转为位图格式；

(2)在数据层数据采集模块，将max格式的三维模型转为obj格式的可读模型；

(3)利用数据层数据处理模块中的插件工具将obj模型转为OpenColladadae格式的三维模型；

(4)在应用层中，利用Cesium.js将dae格式的模型转为gltf的模型；

(5)结合实时位置信息以及gltf格式的动画模型，生成包含时间信息的轨迹信息的czml文件，并在应用层中的调用，完成实时动画模型在二三维轨迹数据分析、二三维模型实时监控等模块中的功能需求。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种基于实景三维的二三维一体化GIS系统，其特征在于，包括数据层、服务层和应用层，所述数据层包括数据采集模块、数据处理模块以及数据存储模块；

所述数据采集模块包括无人机倾斜影像、数字线划图、三维模型、地形数据、高分数据、属性数据以及业务数据，所述无人机倾斜影像能够通过多旋翼无人机搭载的倾斜摄影测量镜头进行地图数据的采集；所述数字线划图用于空间网络分析地图服务的发布以及后续的空间分析；所述三维模型用于实时动画模型的构建；所述高分数据和地形数据用于构建有地面起伏的三维地形图；所述属性数据是POI搜索功能的基本信息来源；所述业务数据包含接收到的定位数据以用于轨迹数据分析；

所述数据处理模块能够利用无人机倾斜影像中的立体像对生成DEM地形数据，结合影像数据完成影像校正，生成DOM正射影像；所述数据处理模块能够接收数据采集模块的无人机倾斜影像数据并进行数据预处理，生成三维模型完成倾斜摄影测量数据构建；

所述数据存储模块包括属性数据库和空间数据库，所述空间数据库用于存储三维模型和二维矢量、地形、影像，所述属性数据库用于数字线划图数据对应的属性信息的存储，所述属性信息包括点位的地址、模型分类信息；

所述服务层包括地图渲染模块以及地图服务发布模块，所述地图渲染模块用于对空间数据库以及属性数据库进行数据处理，完成地图的符号化生成标准的地图工作空间并传至地图服务发布模块，完成地图服务的发布；

所述地图渲染模块包括矢量地图符号化模块、影像图缓存模块、地形图缓存模块以及三维地图场景模块，所述矢量地图符号化模块通过符号化的方式将二维矢量地图进行渲染出图；所述影像图缓存模块通过缓存的方式将影像数据进行预处理；所述地形图缓存模块通过缓存的方式将地形数据进行预处理，所述三维地图场景模块通过DEM地形数据和DOM正射影像数据叠加生成三维地形图，叠加无人机倾斜摄影测量模型构建实景真三维的地图场景；

所述地图服务发布模块包括网络地图瓦片服务发布模块、网络地图服务发布模块、网络地理要素服务发布模块以及三维地图场景发布模块；

所述应用层包括二三维空间量测模块、二三维一体化展示模块、POI搜索模块、通视分析模块、动态可视域分析模块、二三维地图标绘模块、二三维路径规划模块、二三维轨迹数据分析模块以及二三维模型实时监控模块；

所述二三维空间量测模块能够利用二维地图的拾取实现距离以及面积的量测，利用场景中的三维地形图，结合Cesium.js中的Scene的贴地模式和空间模式，实现贴地距离量测、面积量测、空间距离量测以及空间面积量测；所述二三维一体化展示模块能够通过调用统一坐标系统的二维和三维的地图服务，实现二维地图服务和三维场景服务的加载，实现二维和三维一体化展示的效果；所述POI搜索模块能够利用二维的空间查询功能，在二维地图上进行展示，并能够在三维平台上，将符号化的图标以三维方式直观展现，实现POI结果的三维场景的快速构建；所述通视分析模块以及动态可视域分析模块能够利用场景的高程信息以及三维场景模型，通过拾取点的高程信息，进行不同点位的通视分析，利用拾取中心点以及选择的范围，对可视域结果进行动态分析，并将结果在二维图上进行矢量数据生成，指导指挥决策；所述二三维地图标绘模块能够通过在二维平台上选择点、线、面要素进行标绘，能够在相应的三维平台将对应的标绘数据以贴地的模式进行联动展示；所述二三维路径规划模块、二三维轨迹数据分析模块以及二三维模型实时监控模块均能够采用二维GIS的空间分析功能进行结果的查询，将结果在三维地图场景中进行展示。

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