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三维可视化技术与GIS工程
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一、前言目前，科学可视化、计算机动画和虚拟现实技术蓬勃发展，并
成为计算机图形学领域的三大热门研究方向，它们的核心都是三维真实感图
形[1],也就是三维可视化技术。三维可视化技术是目前计算机技术和图像
图形学发展的热点之一，它是依靠视觉效果将数据所要表达的信息直观显示出来的一种最好的方法。传统的地理信息系统对实物的空间立体感表达就比
较抽象，将三维可视化技术引入GIS领域中可以动态地、形象地、多视角地、多层次地、如实逼真地描绘地球科学中的客观现象。如通常所见的地
形三维可视化、虚拟战场、数字社区和虚拟城市等。本文结合在GIS中的应
用介绍三维可视化开发的基本方法。
二、三维可视化GIS关键技术三维可视化技术可以简单的分解为三种技术的结合：可视化、三维和GIS。下面分析了可视化技术、虚拟现实、体视化技术、三维技术等关键技术。
1、可视化技术
可视化，也称为科学计算可视化(VisualizationinScientific
Computer),它是指运用计算机图形和图像处理技术，把科学数据转换成可视的、能帮助科学家理解的信息，并进行交互处理的理论、方法和技术。
GIS可视化技术是目前信息领
域中广泛应用的一项技术，它通过强大的、有效的地图系统将复杂的空间
和属性数抓以地理的形式进行描述，具有界面风格人性化设计，实现了文本、
图形和图像信息相结合的定位、查询、检索模式信息表达形象化、自观化操作简单便利等特点［2］。
2、虚拟现实
虚拟现实(VirtualReality)技术是一个由图像技术、传感
器技术、计算机技术、网络技术以及人机对话技术相结合的产物。它以计算
机技术为基础，利用高性能、高度集成的计算机硬、软件及各类先进的传感
器，去创造一个使参与者处于一个三维视觉、听觉和触觉的环境，具有完善
的交互作用能力、能帮助和启发进入虚拟境界的参与者的构思的
地理信息系统（GIS，Geographic Information System或 Geo－Information system）有时又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。
三维是将采集以及经运算分析后对数据的表现、展示。三维数据相对二维数据更能表现出客观实际。
三维GIS与二维GIS一样，需要具备最基本的空间数据处理功能，如数据获取、数据组织、数据操纵、数据分析和数据表现等。相比于二维GIS，三维GIS具有以下优势。
空间信息的展示更为直观。从人们懂得通过空间信息来认识和改造世界开始，空间信息主要是以图形化的形式存在的。然而，用二维的图形界面展示空间信息是非常抽象的，只有专业的人士才懂得使用。相比二维GIS，三维GIS为空间信息的展示提供了更丰富、逼真的平台，使人们将抽象难懂的空间信息可视化和直观化，人们结合自己相关的经验就可以理解，从而做出准确而快速的判断。毫无疑问，三维GIS在可视化方面有着得天独厚的优势。虽然三维GIS的动态交互可视化功能对计算机图形技术和计算机硬件也提出了特殊的要求，但是一些先进的图形卡、工作站以及带触摸功能的投影设备的陆续问世，不仅完全可以满足三维GIS对可视化的要求，还可以带来意想不到的展示和体验效果。
多维度空间分析功能更加强大。空间信息的分析过程，往往是复杂、动态和抽象的，在数量繁多、关系复杂的空间信息面前，二维GIS的空间分析功能常具有一定的局限性，如淹没分析、地质分析、日照分析、空间扩散分析、通视性分析等高级空间分析功能，二维GIS是无法实现的。由于三维数据本身可以降维到二维，因此三维GIS自然也能包容二维GIS的空间分析功能。三维GIS强大的多维度空间分析功能，不仅是GIS空间分析功能的一次跨越，在更大程度上也充分体现了GIS的特点和优越性。
三维可视化技术的应用前景，在于对进行高效、高精度的渲染建模，不但能够实现在一个数字场景中还原物理世界的全要素，同时结合对实时数据的处理、计算，实现数字世界与物理世界的通联，构建物理世界的数字孪生体。
三维可视化技术正是实现城市孪生、工业孪生的关键基础之一。
通过公开GIS数据及倾斜摄影测量等技术，构建位置精度、几何精度高，纹理真实性强，具有细腻、真实、视觉冲击力强的三维数字模型。并对其进行结构化、语义化处理之后，RayData通过自研开源引擎的强大实时三维渲染技术，实现在不同终端展示3D场景和模型，支持地理数据的可视化表达。
举个例子，在2019年12月，被誉为“世纪工程”的中俄东线天然气管道工程正式投产通气，得到了中俄两国元首的热烈祝贺和高度评价。作为中国首条“智能管道”样板工程，中俄东线管道工程就构建了一个“数字孪生体”，实现了在统一的数据标准下开展可研、设计、采办和施工。随着运营动态数据的不断丰富，“数字孪生体”将跟随管道全生命周期而共同生长。
为了让这个“数字孪生体”更好地呈现在管理运营人员的眼前，光启元RayData携手腾讯为其“量身定制”了一套可视化交互管理系统，基于数据实时渲染技术，实现数据实时图形可视化、场景化以及深度交互。
通过可视化大屏从全国版图、指定区域到指定关键设备，全面、集中、动态地展示了中俄东线站场管理、线路管理、工艺运行与设备等智能化管控技术。可以全方位、全周期的监控“数字孪生体”的运营状态，为管道工程的运营运维、风险排查提供精准、实时的信息数据。
显而易见的是，数字孪生技术正在解锁工业4.0时代下更多的智能形态。比如光启元RayData与腾讯机器人实验室Robotics X等合作伙伴，共同打造工业智能机器人，凭借自助规划、远程实景操控以及视觉感知等核心技术，可以在危险复杂的环境下完成任务。
通过与园区安全监测系统对接，结合AI机器人智能识别分析技术，光启元RayData化工与机器人产品融合系统将园区众多离散的监测数据进行融合，实时呈现在可交互的三维数字孪生场景中。
管理运维人员可在系统上实时了解园区当前的隐患点位及风险详情，也可远程操控AI机器人进行拍摄等任务操作，提高对化工园区安全态势判断的准确性。
值得注意的是，数字孪生的概念不仅活跃在工业4.0的制造业，也越来越频繁地出现在智慧城市领域。
随着ICT（信息、通信、技术）成为智慧城市发展的主要动能，移动通信、互联网、云计算、传感器、人工智能、量子通信在智慧城市都得到了广泛应用。全域感知、数字模拟、深度学习等各领域的技术发展也即将迎来拐点，这使得城市的数字孪生应运而生。
如今，城市布满各种各样的传感器、摄像头。借助包括5G在内的物联网技术，这些终端采集的数据可以更快地被提取出来。
在数字孪生城市中，基础设施（水、电、气、交通等）的运行状态，市政资源（警力、医疗、消防等）的调配情况，都会通过传感器、摄像头、数字化子系统采集出来，并通过包括5G在内的物联网技术传递到云端。
在2019年，光启元RayData携手腾讯与上海静安区政府共同建设一个全联接、全场景、全智能的“数字静安”，实现不同政务部门的深度融合，创新和重塑传统的管理模式、业务模式和运作规则。
“静安政务大脑”是一个围绕城市的三大基础要素：人口、法人和土地，将政府丰富的治理经验与庞大的政务数据、社会数据相结合的平台型人工智能中枢。目前可提供智能人口预测、智能规划、智能营商、智能监管和智能区情等五大基础能力输出，已为11个政府部门提供了23个应用场景的支持。
比如在如何选择菜场这个关乎民生的问题上，政务大脑通过结合区域当前的发展现状，综合考虑圈定范围内商业综合体性质、面积大小等因素后，推荐菜市场的合适选位。政务大脑普遍认为，在新建社区附近不适合菜市场的选位，但在繁华的老城区会积极地进行推荐。
其背后所反映的市场规律在于，随着静安老城区的旧城改造和新建大型商业综合体，空间越来越少，房租越来越高，已经没有给平价菜场留下太多可以渗透的空间。因此，政务大脑分析认为，看上去商业繁华的老城区，才是静安最缺平价菜场的地区。
正是利用这些基于数据研判的精准推荐，可以帮助政府商务管理人员制定智慧微菜场，流动菜摊等便民设施的布局规划，在繁华城区中提供民生服务。
以此可见，数字孪生在智慧城市发展与建设中的核心价值在于，它能够在物理世界和数字世界之间全面建立实时联系，进而对操作对象全生命周期的变化进行记录、分析和预测。
