CN116310093B - 一种虚拟三维城市地理场景沙盘模型构建系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及三维虚拟场景搭建技术领域，尤其为一种虚拟三维城市地理场景沙盘模型构建系统及其方法，基于二三维一体化地理信息大数据管理引擎+三维实时图形渲染引擎融合加载机制的三维GIS平台搭建，包括：可视化综合管理平台、三维地理信息管理平台、三维全景仿真管理系统和边防检查总站时空GIS大数据管理与服务平台。本发明引入双引擎内核技术架构，实现专题数据的仿真查看与显示，借助浏览器最新的渲染机制，实现一系列应用可视化。通过四位一体管控模式实现系统的各专题数据的可视化呈现、各类型业务过程的在线监管与追踪、各专业设备设施资产的集成化与一体化监管监控。
Description
技术领域
本发明涉及三维虚拟场景搭建技术领域，尤其是一种虚拟三维城市地理场景沙盘模型构建系统及其方法。
背景技术
地理信息系统(GIS)是一种以采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。随着GIS科学的高速发展，GIS数据可视化需求不断增加，地理信息模型的三维化、层次化、精细化、内外一体化和系统技术的网络化、服务化成为GIS的未来发展方向。早期的GIS，信息主要以二维平面地图的形式呈现给使用者，难以表达第三维方向上的几何位置信息、空间拓扑信息以及部分语义信息等完整信息，使其在地理空间表达、可视化效果等方面具有局限性。20世纪90年代初，三维可视化与虚拟现实技术的迅猛发展使得建立3DGIS成为可能，3DGIS以立体造型技术给用户展现地理空间现象，并实现对空间对象进行三维空间分析和操作，使其更真实地反映空间地理实体的位置、形状及纹理等信息，具有独特的复杂空间对象管理能力及空间分析能力，能够将地理信息从真实世界更精准、具体地映射到虚拟世界中。目前，3DGIS数据可视化技术已广泛应用于智慧城市应用、政务管理应用、生态环境模拟、灾害监测、智能交通、供热、资源管理、军事模拟等不同领域。随着Html5技术和网络3D技术的日趋成熟，网络3D技术的出现给3D图形领域注入了新的活力，WebGIS以其免安装性、易共享性及低置要求等特点，渐渐成为GIS行业应用热点，满足了人们对空间地理对象的可视化、分析和信息共享等需求。
WebGIS与3DGIS技术结合而成的3DWebGIS，融合了二者的特点，成为GIS发展的一个新的研究方向，具有广阔的发展前景。国内外众多企业和机构在原有产品基础上，推出了诸多基于WebGL的3DWebGIS数据渲染引擎，例如three.js、Cesium、GLGE、SceneJS、Copperlicht、OSGJS、Babylon.js等，3DWebGIS引擎主要通过融合虚拟现实系统、大型数据库、高性能计算机、传输器等设备，为用户提供三维地理数据的获取、表达以及简单的空间分析服务，但现有3DWebGIS引擎在可视化效果、数据加载速度以及平台兼容性等方面仍存在一定的局限性。
发明内容
本发明的目的是通过提出一种虚拟三维城市地理场景沙盘模型构建系统及其方法，以解决上述背景技术中提出的缺陷。
本发明采用的技术方案如下：
提供一种虚拟三维城市地理场景沙盘模型构建系统及其方法，基于二三维一体化地理信息大数据管理引擎+三维实时图形渲染引擎融合加载机制的三维GIS平台搭建，包括：可视化综合管理平台、三维地理信息管理平台、三维全景仿真管理系统和边防检查总站时空GIS大数据管理与服务平台；
所述可视化综合管理平台用于各类型数据进行汇总和一体化管控；
所述三维地理信息管理平台用于实现全地理要素的可视化表达与地理底图叠加；
所述三维全景仿真管理系统用于实现基于三维仿真场景模型的一体化管理和信息展示；
所述边防检查总站时空GIS大数据管理与服务平台用于实现数据的管理，为各级管理部门提供空间数据基础框架；
所述边防检查总站时空GIS大数据管理与服务平台用于地理时空大数据中心建设、省级边防GIS平台空间数据库构建与维护、地理空间数据处理与配置以及基于多源融合数据的可视化GIS引擎的三维化升级与集成；
所述空间数据库中瓦片空间索引步骤如下：
S1.1：任意选中一个不在边界的三维面片；
S1.2：在索引树中生成一个新的结点N，将三维面片A的标识号添加到索引树中，剩余面片放入其叶子节点的三维面片列表中；
S1.3：从数量大于1的三维面片列表中任意选择一个三维面片B；
S1.4：判定三维面片B的中心点坐标(x,y,z)位于三维面片A的哪一侧，根据点法式平面公式进行判断，公式如下：
P＝Ax+By+Cz
其中，P为判断标准；A，B和C均为三维面片的法向量；
S1.4.1：若P>0，则判断三维面片B位于三维面片A的正面，将三维面片B加入到位于三维面片A正面的结点的多边形列表中；
S1.4.2：若P<0，则判断三维面片B位于三维面片A的反面，将三维面片B加入到位于三维面片A反面的结点的多边形列表中；
S1.4.3：若P＝0，则判断三维面片A和三维面片B的在同一平面上，将三维面片加入结点N的多边形列表中；
S1.5：将该节点替换为当前三维面片标识，并将得到的三维面片列表加入叶子节点；
S1.6：判断所有根部节点的三维面片标识个数；
S1.6.1：若存在一个以上的根部节点含有一个以上的三维面片标识，则转入S1.5；
S1.6.2：若所有根部节点仅包含一个三维面片标识，则代表三维面片索引树构建完成。
作为本发明的一种优选技术方案：所述可视化综合管理平台支持将各类多源异构系统进行集成管理，并将终端管控界面置于异构三维电子地图或三维全景仿真模型界面中，作为用户的查看、管理和控制界面。
作为本发明的一种优选技术方案：所述可视化综合管理平台中传感器采集的数据通过分站传输至地面控制系统。
作为本发明的一种优选技术方案：所述三维地理信息管理平台用于基础地理数据图层的加载和场景管理、空间操作与分析、三维全景仿真模型融合显示、虚拟地理环境漫游模拟、点位管理、专题图层管理。
作为本发明的一种优选技术方案：所述三维全景仿真管理系统用于三维场景模型显示、三维仿真场景管理、视角管理、属性信息联动查询、参数数据挂接与显示和设备三维模型动态加载与查询。
作为本发明的一种优选技术方案：所述边防检查总站时空GIS大数据管理与服务平台设置有二三维一体化多尺度多专题GIS空间数据库，所述空间数据库按数据的空间分布将数据划分为规则或不规则的块，通过构建空间数据瓦片总索引表、空间实体索引表、基本单元索引表在瓦片空间实体和空间基本单元之间建立链接关系，实现空间数据库的无缝衔接和有效空间查询。
作为本发明的一种优选技术方案：所述三维GIS平台支持多尺度地理信息管理、三维虚拟地理场景管理、空间分析功能、精细尺度下的地理环境仿真式场景沙盘制作、三维地图基本管理功能。
一种虚拟三维城市地理场景沙盘模型构建方法，基于二三维一体化地理信息大数据管理引擎+三维实时图形渲染引擎的双引擎内核技术架构，实现专题数据的仿真查看与显示；基于可视化综合管理平台、三维地理信息管理平台、三维全景仿真管理系统和边防检查总站时空GIS大数据管理与服务平台四位一体的管控模式进行沙盘模型的构建。
本发明提供的虚拟三维城市地理场景沙盘模型构建系统及其方法，与现有技术相比，其有益效果有：
1、本发明引入“二三维一体化地理信息大数据管理引擎+三维实时图形渲染引擎”的双引擎内核技术架构，实现专题数据的仿真查看与显示，借助浏览器最新的渲染机制，实现一系列应用可视化。通过“四位一体”管控模式实现系统的各专题数据的可视化呈现、各类型业务过程的在线监管与追踪、各专业设备设施资产的集成化与一体化监管监控。
2、本发明极大提高了系统的可控性和可定制性。不仅能够为客户提供成熟优越的一体化管理解决方案，也可以根据不同行业客户的需求灵活定制，打造个性化的服务模式。
3、本发明综合采用图形、图标、地图、三维仿真等技术手段，为用户提供便捷、一体、直观、高效、专业、协同的综合管廊统一管理平台。
4、本发明通过与主流ACU管理体系的紧密对接和耦合，实现现场各个子系统的集成管理，全面覆盖安防、自控、视频监控、照明、消防、通讯等领域的集成管控，实现全部数据的汇集和叠加显示、综合分析与关联管理。
5、本发明通过构建空间数据库的瓦片索引步骤将整个空间划分为多个单元，筛选排除与特定空间操作无关的空间对象，提高空间数据库检索的速度和效率。
附图说明
图1为本发明优选实施例的系统框图；
图2为本发明优选实施例中空间数据库管理逻辑结构图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明优选实施例提供了一种虚拟三维城市地理场景沙盘模型构建系统，基于二三维一体化地理信息大数据管理引擎+三维实时图形渲染引擎融合加载机制的三维GIS平台搭建，其特征在于：包括：可视化综合管理平台、三维地理信息管理平台、三维全景仿真管理系统和边防检查总站时空GIS大数据管理与服务平台；
所述可视化综合管理平台用于各类型数据进行汇总和一体化管控；
所述三维地理信息管理平台用于实现全地理要素的可视化表达与地理底图叠加；
所述三维全景仿真管理系统用于实现基于三维仿真场景模型的一体化管理和信息展示；
所述边防检查总站时空GIS大数据管理与服务平台用于实现数据的管理，为各级管理部门提供空间数据基础框架。
所述可视化综合管理平台设置有应急指挥综合信息展示大屏子系统、管廊智能监控子系统、平台系统管理子系统和移动端应用程序。
所述可视化综合管理平台中传感器采集的数据通过分站传输至地面控制系统。
所述三维地理信息管理平台用于基础地理数据图层的加载和场景管理、空间操作与分析、三维全景仿真模型融合显示、虚拟地理环境漫游模拟、点位管理、专题图层管理。
所述三维全景仿真管理系统用于三维场景模型显示、三维仿真场景管理、视角管理、属性信息联动查询、参数数据挂接与显示和设备三维模型动态加载与查询。
所述边防检查总站时空GIS大数据管理与服务平台用于地理时空大数据中心建设、省级边防GIS平台空间数据库构建与维护、地理空间数据处理与配置以及基于多源融合数据的可视化GIS引擎的三维化升级与集成。
所述边防检查总站时空GIS大数据管理与服务平台设置有二三维一体化多尺度多专题GIS空间数据库，所述空间数据库按数据的空间分布将数据划分为规则或不规则的块，通过构建空间数据瓦片总索引表、空间实体索引表、基本单元索引表在瓦片空间实体和空间基本单元之间建立链接关系，步骤空间数据库的无缝衔接和有效空间查询。
所述空间数据库中瓦片空间索引步骤如下：
S1.1：任意选中一个不在边界的三维面片；
S1.2：在索引树中生成一个新的结点N，将三维面片A的标识号添加到索引树中，剩余面片放入其叶子节点的三维面片列表中；
S1.3：从数量大于1的三维面片列表中任意选择一个三维面片B；
S1.4：判定三维面片B的中心点坐标(x,y,z)位于三维面片A的哪一侧，根据点法式平面公式进行判断，公式如下：
P＝Ax+By+Cz
其中，P为判断标准；A，B和C均为三维面片的法向量；
S1.4.1：若P>0，则判断三维面片B位于三维面片A的正面，将三维面片B加入到位于三维面片A正面的结点的多边形列表中；
S1.4.2：若P<0，则判断三维面片B位于三维面片A的反面，将三维面片B加入到位于三维面片A反面的结点的多边形列表中；
S1.4.3：若P＝0，则判断三维面片A和三维面片B的在同一平面上，将三维面片加入结点N的多边形列表中；
S1.5：将该结点替换为当前三维面片标识，并将得到的三维面片列表加入叶子节点；
S1.6：判断所有根部节点的三维面片标识个数；
S1.6.1：若存在一个以上的根部节点含有一个以上的三维面片标识，则转入S1.5；
S1.6.2：若所有根部节点仅包含一个三维面片标识，则代表三维面片索引树构建完成。
所述三维GIS平台支持多尺度地理信息管理、三维虚拟地理场景管理、空间分析功能、精细尺度下的地理环境仿真式场景沙盘制作、三维地图基本管理功能。
一种虚拟三维城市地理场景沙盘模型构建方法，基于二三维一体化地理信息大数据管理引擎+三维实时图形渲染引擎的双引擎内核技术架构，实现专题数据的仿真查看与显示；基于可视化综合管理平台、三维地理信息管理平台、三维全景仿真管理系统和边防检查总站时空GIS大数据管理与服务平台四位一体的管控模式进行沙盘模型的构建。
本实施例中，三维GIS平台能够在纯览器环境下(无第三方插件依赖)，实现全国范围地理三维沙盘的高效加载和三维呈现，支持地上和地下空间的一体化管理和加载。
三维GIS平台集成了多领域成熟管理模式和强大的智能化监控功能：兼容市面上主流物联网协议，能够接入不低于20000个点位监控数据。
三维GIS平台内置成熟的二三维一体化地理信息大数据管理引擎+三维实时图形渲染引擎融合加载机制，能够将三维实时图形全要素的真实比例三维模型进行高效切片处理，并加载至三维GIS场景中进行流畅管理和空间高精度匹配。
三维GIS平台为满足多样化客户需求，本平台架构支持私有化部署形式，技术服务方案灵活，可根据用户的实际特点进行部署和授权。确保用户地理信息安全。
三维GIS平台支持多源异构数据的加载，包括矢量地图、正射影像、倾斜摄影测量数据、三维实景模型等。将系统技术架构按照分层结构设计，划分为数据层、服务层、应用层。数据层对应数据管理中心，负责存放数据库服务器；服务层对应数据服务中心，负责存放Web服务器、地图服务器、多媒体服务器等；应用层为用户操作的移动设备、PC设备等。软件方面，数据层为空间数据库管理程序，使用空间数据库存储数据；服务层对应各种服务程序，如地图服务、权限管理服务等；应用层是业务需求的实际体现，以3D二三维一体化地理信息大数据管理引擎+三维实时图形渲染引擎和二三维一体化技术为支撑，打造统一的地理信息平台架构和数据管理标准。
可视化综合管理平台支持将各类多源异构系统进行集成管理，并将终端管控界面置于异构三维电子地图或三维全景仿真模型界面中，作为用户的查看、管理和控制界面。
三维地理信息管理平台依托3D GIS平台，实现全地理要素的可视化表达与地理底图叠加。从空间位置管理的角度，采用多种显示方式，实现各类要素的一体化管理。用于基础地理数据图层的加载和场景管理、空间操作与分析、三维全景仿真模型融合显示、虚拟地理环境漫游模拟、点位管理、专题图层管理。
三维全景仿真管理系统旨在基于三维可视化技术实现基于三维仿真场景模型的一体化管理和信息展示。为用户提供给一个真三维的、具备良好仿真效果和沉浸式体验的局部场景三维模型，并将其与3D GIS进行叠加显示。用于三维场景模型显示、三维仿真场景管理、视角管理、属性信息联动查询、参数数据挂接与显示和设备三维模型动态加载与查询。
边防检查总站时空GIS大数据管理与服务平台实现平台数据的集中存储、管理、分析、与具体业务的结合应用、可视化展示等功能，并部署于省数据中心，为各级管理部门提供海量、可视、自动化、智能化的空间数据基础框架，全面提升边防检查总站海量地理时空大数据的管理与服务能力。用于二三维一体化多尺度多专题GIS空间数据库构建、地图数据的处理与整饰、二维地图引擎的三维化升级、GIS数据应用平台的开发，以及省边防总站地理时空大数据中心建设。参照图2，按数据的空间分布及考虑磁盘容量、查询分析效率、数据库维护等几方面将数据划分为规则或不规则的块，通过构建空间数据瓦片总索引表、空间实体索引表、基本单元索引表在瓦片空间实体和空间基本单元之间建立链接关系，步骤空间数据库的无缝衔接和有效空间查询。通过空间数据库中的瓦片空间索引步骤进行数据索引：再进行图层信息组织，将图块中不同类、不同级的图元要素进行分层存放，每一层存放一种专题或一类信息，按照用户的要求或标准将相关图元要素组合在一起构成表示地理特征及描述这些特征的逻辑意义上的图层，确定空间数据库管理部分的组织结构。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种虚拟三维城市地理场景沙盘模型构建系统，基于二三维一体化地理信息大数据管理引擎+三维实时图形渲染引擎融合加载机制的三维GIS平台搭建，其特征在于：包括：可视化综合管理平台、三维地理信息管理平台、三维全景仿真管理系统和边防检查总站时空GIS大数据管理与服务平台；
所述可视化综合管理平台用于各类型数据进行汇总和一体化管控；
所述三维地理信息管理平台用于实现全地理要素的可视化表达与地理底图叠加；
所述三维全景仿真管理系统用于实现基于三维仿真场景模型的一体化管理和信息展示；
所述边防检查总站时空GIS大数据管理与服务平台用于实现数据的管理，为各级管理部门提供空间数据基础框架；
所述边防检查总站时空GIS大数据管理与服务平台用于地理时空大数据中心建设、省级边防GIS平台空间数据库构建与维护、地理空间数据处理与配置以及基于多源融合数据的可视化GIS引擎的三维化升级与集成；
所述空间数据库中瓦片空间索引步骤如下：
S1.1：任意选中一个不在边界的三维面片；
S1.2：在索引树中生成一个新的结点N，将三维面片A的标识号添加到索引树中，剩余面片放入其叶子节点的三维面片列表中；
S1.3：从数量大于1的三维面片列表中任意选择一个三维面片B；
S1.4：判定三维面片B的中心点坐标(x,y,z)位于三维面片A的哪一侧，根据点法式平面公式进行判断，公式如下：
P＝Ax+By+Cz
其中，P为判断标准；A，B和C均为三维面片的法向量；
S1.4.1：若P>0，则判断三维面片B位于三维面片A的正面，将三维面片B加入到位于三维面片A正面的结点的多边形列表中；
S1.4.2：若P<0，则判断三维面片B位于三维面片A的反面，将三维面片B加入到位于三维面片A反面的结点的多边形列表中；
S1.4.3：若P＝0，则判断三维面片A和三维面片B的在同一平面上，将三维面片加入结点N的多边形列表中；
S1.5：将该结点替换为当前三维面片标识，并将得到的三维面片列表加入叶子节点；
S1.6：判断所有根部节点的三维面片标识个数；
S1.6.1：若存在一个以上的根部节点含有一个以上的三维面片标识，则转入S1.5；
S1.6.2：若所有根部节点仅包含一个三维面片标识，则代表三维面片索引树构建完成。
2.根据权利要求1所述的虚拟三维城市地理场景沙盘模型构建系统，其特征在于：所述可视化综合管理平台支持将各类多源异构系统进行集成管理，并将终端管控界面置于异构三维电子地图或三维全景仿真模型界面中，作为用户的查看、管理和控制界面。
3.根据权利要求2所述的虚拟三维城市地理场景沙盘模型构建系统，其特征在于：所述可视化综合管理平台中传感器采集的数据通过分站传输至地面控制系统。
4.根据权利要求1所述的虚拟三维城市地理场景沙盘模型构建系统，其特征在于：所述三维地理信息管理平台用于基础地理数据图层的加载和场景管理、空间操作与分析、三维全景仿真模型融合显示、虚拟地理环境漫游模拟、点位管理、专题图层管理。
5.根据权利要求1所述的虚拟三维城市地理场景沙盘模型构建系统，其特征在于：所述三维全景仿真管理系统用于三维场景模型显示、三维仿真场景管理、视角管理、属性信息联动查询、参数数据挂接与显示和设备三维模型动态加载与查询。
6.根据权利要求5所述的虚拟三维城市地理场景沙盘模型构建系统，其特征在于：所述边防检查总站时空GIS大数据管理与服务平台设置有二三维一体化多尺度多专题GIS空间数据库，所述空间数据库按数据的空间分布将数据划分为规则或不规则的块，通过构建空间数据瓦片总索引表、空间实体索引表、基本单元索引表，在瓦片空间实体和空间基本单元之间建立链接关系，实现空间数据库的无缝衔接和有效空间查询。
7.根据权利要求1所述的虚拟三维城市地理场景沙盘模型构建系统，其特征在于：所述三维GIS平台支持多尺度地理信息管理、三维虚拟地理场景管理、空间分析功能、精细尺度下的地理环境仿真式场景沙盘制作、三维地图基本管理功能。
8.一种虚拟三维城市地理场景沙盘模型构建方法，基于权利要求1-7任意一项所述的虚拟三维城市地理场景沙盘模型构建系统，其特征在于：基于二三维一体化地理信息大数据管理引擎+三维实时图形渲染引擎的双引擎内核技术架构，实现专题数据的仿真查看与显示；基于可视化综合管理平台、三维地理信息管理平台、三维全景仿真管理系统和边防检查总站时空GIS大数据管理与服务平台四位一体的管控模式进行沙盘模型的构建。
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