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《全空间三维模型数据格式及服务接口规范》(M3D)解读三:匠心独运 凝练优势

发布时间:2021-04-26 阅读量:172


日前,经中国信息协会审查批准,《全空间三维模型数据格式及服务接口规范》(T/CIIA008-2021)团体标准(点击查看)发布并正式实施。标准提出了一种开放式、可扩展的三维模型数据格式及服务接口规范,涵盖空中、地上、地表、地下等范围的数据类型,为全空间三维模型数据提供统一的存储和管理,能够有效支持全空间数据的一体化组织、可视化、分析与共享服务。标准对倾斜摄影数据、人工建模数据、BIM、点云、三维管线、二维/三维点线面等各类数据进行整合,适用于海量、多源异构三维地理空间数据和Web环境下的传输与解析,为多源三维地理空间数据在不同终端(移动设备、浏览器、桌面电脑)地理信息平台中的存储、高效绘制、共享与互操作等问题提供了解决方案。

本文将从标准的设计总体原则、设计思路着眼,为大家解读《全空间三维模型数据格式及服务接口规范》中规定的M3D数据格式具备的特点及优势。



01

标准设计原则与思路


伴随着大规模的三维空间数据的不断积累,如何实现大场景高精度空中、地上、地表、地下三维空间数据的高效发布、数据共享与互操作成为我国三维地理空间数据应用中亟待解决的问题。在此背景下,M3D数据格式的设计确立了以用户体验为导向,要求格式可复用性、可扩展性、兼容性及web友好型较强,并可支持城市级全空间数据高效率渲染、交互流畅的总体原则。为了确保《全空间三维模型数据格式及服务接口规范》的适切性和可实现性,基于以上设计原则,标准研发团队结合新技术及项目实际应用需求探索出了具体的设计思路:

(1)数据格式涵盖空中、地上、地表、地下等范围的数据类型,覆盖全空间区域。

(2)支持城市级全空间三维数据的高效渲染。

(3)支持地理实体对象模型,可以支持实体对象的的多模态及多精度特性。

(4)支持Web端高效单体化查询,倾斜摄影这类整体型数据可存储单体化信息。

(5)数据格式可复用性强,既可作为服务发布格式也可作为存储交互格式;

(6)数据格式可扩展性强,方便扩展新图层及新几何类型;

(7)数据格式兼容性强,通过精炼的格式设计来实现三端(桌面、移动、web)一体化应用;

(8)数据格式web友好性强,通过JSON及当前web标准来便于web客户端程序处理与解析,利用压缩、负载均衡划分等策略来减少网络传输数据量。


02

M3D数据规范特点与优势


基于以上设计思路,《全空间三维模型数据格式及服务接口规范》规定的M3D数据格式不仅具备高效可视化调度及渲染、高效压缩比、可扩展性强的特点,还有着支持单体化、地理实体对象等特性,具体如下:

(1)采用多种划分策略来确保海量三维数据的高效调度,支持四叉树、八叉树、KD树,R树多种树形结构来组织数据。

(2)采用多种LOD策略来确保城市级数据的高效渲染。M3D数据支持距离及像素LOD切换模式,通过LodError值来切换多级LOD,LodError的单位在距离切换时为米,像素切换时为像素。LOD类型包括添加层次(ADD)及替换层次(REPLACE)两种类型。如倾斜摄影类型数据可采用替换层次LOD策略,点云类型或BIM类型数据可采用添加层次LOD策略。

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(3)M3D格式采用了数据文件和节点描述文件分离的数据结构,该结构可以在不加载实际数据的情况下,获取每层的每个M3D文件的包围盒、LOD的切换信息、挂接的子节点文件等,加速瓦片文件检索的效率,从而使加载渲染更流畅。另外,单个索引文件可以关联多个数据文件,使得地理实体对象可以支持的多模态及多精度模型,可轻松的描述如数字孪生城市中的地理实体对象。

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(4)M3D格式采用多种压缩策略来保证web端高效稳定传输、渲染。压缩策略具体分为文件压缩、几何纹理压缩、Shared公共文件夹。其中Shared公共文件夹用于存放数据中公共的几何要素文件、属性记录文件、纹理图片文件,可极大地减少多个文件冗余存储的数据量,还可有效的支持实例化渲染。

(5)M3D数据内部采用灵活的文件夹组织结构,文件可扩展性极强。只需要将用户自定义的业务数据添加到数据文件夹内,添加数据uri即可支持新的数据类型;还可使用GITF预留的extensions 和 extras 的属性,用于扩展特定的业务功能。另外采用GITF文件来存储几何信息,使得二进制数据无需转换,渲染引擎API可直接加载渲染。对于纹理信息可以根据用户的具体业务情况来抉择其存储位置,既可直接存储到GLTF中,也可单独存储到Texture文件夹中。

(6)M3D数据通过添加oidTable列表来记录要素的唯一标识符,通过扩展glb数据格式来实现M3D的单体化特性,扩展后的文件格式为glbx。通过这种方式不仅可以让倾斜摄影这类整体型数据具备单体化特性,还可以在web前端支持高效的单体化查询。另外,为了更好的支持地质数据类型,M3D新增支持地质几何结构描述,主要涵盖钻孔数据、剖面数据、地质体数据,高精度网格数据,可存储到glbx文件中。 

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正是由于上述M3D数据规范具备的特点,使得其在实际应用中拥有城市级全空间数据高效渲染、支持地质模型与高精度网格数据、Web端数据稳定传输、支持高效单体化查询、Web端无需解析直接渲染、支持地理实体对象多模态数据表达、格式拓展性极强等多重优势,下图则直观呈现了M3D数据规范特点与优势的关联性。

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《全空间三维模型数据格式及服务接口规范》(M3D)可有效促进大规模三维空间数据的高效管理,更好地推进我国三维地理空间数据的应用,为城市数字化转型、实景三维中国建设以及自然资源三维立体时空数据库建设提供有力的技术支撑。目前,M3D数据格式及服务接口已成功应用到武汉多要素城市地质调查、深圳市可视化城市空间数字平台等多个典型项目,充分展现了M3D规范可以支撑全空间场景模型高效渲染的能力,其具备的特点与优势也实践中得以验证。


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