数字孪生核心技术揭秘.pdf

封面页（此页面将由下图全覆盖，此为编辑稿中的示意，将在终稿 PDF 版中做更新）目录 数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎.4 数字孪生核心技术揭秘（二）：三维模型.26 数字孪生核心技术揭秘（三）：倾斜摄影.42 数字孪生核心技术揭秘（四）：大规模植被系统生成.56 数字孪生核心技术揭秘（五）：BIM 究竟是解药还是毒药？.63 数字孪生核心技术揭秘（六）：传统三维 GIS 与数字孪生的区别.72 数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 4 数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 简介：从 2017 年“数字孪生城市”概念走红开始，全国各地“数字孪生城市”如雨后春笋般涌现，迅速推动了整个行业快速发展。与此同时，整个“数字孪生城市”产业链路上的技术瓶颈开始显现，尤其是数字孪生城市构建的核心环节之一的三维渲染引擎已经成为制约数字孪生城市项目正真实战落地的核心痛点。数字孪生最早是应用于大型装备制造业领域的一项革命性创新，通过搭建一个将制造流程全部进行整合的数字孪生生产系统，实现从产品设计、到生产计划、再到制造执行的全过程数字化。数字孪生概念与城市数字化管理结合之后，便诞生了“数字孪生城市”的概念。作为物理世界镜像的数字孪生城市，物理城市之中所有的建筑、道路、设施、人等等对象，都在数字城市有数字镜像，两个平行世界同步运转，实现视觉、数据与互动的统一，可以说数字孪生城市是“智慧城市”的终极形态。从 2017 年“数字孪生城市”概念走红开始，全国各地“数字孪生城市”如雨后春笋般涌现，迅速推动了整个行业快速发展。与此同时，整个“数字孪生城市”产业链路上的技术瓶颈开始显现，尤其是数字孪生城市构建的核心环节之一的三维渲染引擎已经成为制约数字孪生城市项目正真实战落地的核心痛点。目前大多数数字孪生城市项目在三维渲染引擎的技术选型上通常是 2 种方案，一种是主流游戏引擎，另外一种是传统 GIS 引擎。游戏引擎和 GIS 引擎在各自传统行业内是完全满足用户需求的，但是跨界支持数字孪生的应用场景便显得力不从心；这也是为什么 DataV 团队自研三维渲染引擎的原因。数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 5 一、蓝海市场的机遇与挑战：数字孪生城市需要什么样的渲染引擎 1.数字孪生城市的构建，必须基于精准的地理数据 从“数字孪生城市”概念刚兴起时，行业内只需要用游戏引擎渲染几个手工精模，就可以包装一款“智慧城市应用”了。随着客户不断接受新技术的熏陶，行业对“数字孪生城市”的述求越来越贴近真实业务；为了实现对数字孪生城市的实际运营管理，整个数字城市的构建必须基于精准的地理数据逐渐达成了行业共识。从数据角度出发，整个数字孪生城市可用剖分成逐层叠加的数据层，包括地形、水系、道路、建筑、IOT 设备等等，每一层次数据都可以由精准的时空数据支持。近期兴起的 CIM 概念，从数据上给出了数字孪生城市的定义：CIM=BIM+GIS+IoT。BIM 代表了建筑体的精准表达，GIS 数据（包括矢量数据、倾斜摄影、高精地图、卫星影像等等）提供了建筑体之外整个城市的数据表达，而 IOT 设备好比是整个城市的神经网络，为整个数据孪生城市的全域感知提供了信息来源。数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 6 任何一个完整的数字孪生应用，都包含数据采集、数据融合、场景构建、应用构建四个阶段，每个阶段都涉及渲染引擎对数据的约束，因此对多源多分辨率空间数据的解析、融合与渲染的支持，是一个合格的数字孪生渲染引擎的基础能力。2.数字孪生城市的呈现，必须尽量还原真实世界 如何定义三维引擎对场景的真实还原能力？对场景的真实还原能力，一直是数字孪生城市的核心诉求之一。如何定义三维引擎对场景的真实还原能力，不仅仅是一个技术问题，更是一个需求定义问题。当前数字孪生城市常用的游戏和 GIS 两类引擎方案，对三维引擎对场景的真实还原能力相差巨大，而对于真实还原能力的定义也存在一定的争议。数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 7 如图上所示，游戏引擎渲染的场景，一般是对三维模型精雕细琢，同时辅于丰富的光照、阴影、花草树木等等细节；而传统的 GIS 引擎的渲染画面，通常是游戏引擎二十年前的国产游戏画质水平，让人直观的感受上无法想象具备数字孪生城市应有的科技感。从真实还原度上看，游戏引擎通常能够还原视觉上的真实，然而通常忽略空间数据上的真实，手工制作的各类三维模型与真实世界有巨大差异，而且局部的花草树木细节美化也通常是通过美术加工而脱离实际的；GIS 引擎通常在数据上是精准还原了真实世界的数据抽象结果，然而在视觉上忽略了对真实世界的表达。传统的两类引擎方案都无法很好满足数字孪生场景的真实还原述求。一个合格的数字孪生渲染引擎，需要实现真实世界的视觉还原和数据还原度的动态合理平衡。从视觉还原度看，真实世界的构成是无穷尽的细节；一沙一世界、一叶一天堂，单单一个细胞的三维还原可能就可以耗尽当前最高档显卡的渲染能力；盲目追求局部的场景细节，尤其是通过手工的非数据精准的还原，往往会拖累整体的信息承载能力；从数据还原度看，数字孪生渲染引擎应该具备的是对真实世界多源异构多尺度数据的按需还原能力。数字孪生渲染引擎应该具备在真实数据广泛支持的基础上，对真实世界有抽象化表达能力，在具备充分精确数据的情况下可以精细还原局部视觉，也可以通过抽象化支撑海量时空场景的还原。数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 8 二、数字孪生城市应该是一项技术普惠，尽可能降低中小企业的参与门槛 数字孪生城市作为一项新的技术，对于卫星遥感、GIS 数据的综合运用，快速构建大规模城市级模型的效率、细节等要求，具有很高的技术与资金投入门槛；来自众多业务系统的海量数据的集成整合需求，形成很大的工程挑战；这两大痛点也从根本上将一些中小企业排除在了“数字孪生城市”的技术红利之外，因此除了在一些政府重点项目中进行过尝试之外，“数字孪生城市”目前还没有很好的落地场景。数字孪生城市其实是带有强烈的数字化公共基础设施属性的，具有前期投入巨大、建成后可以低成本服务众多客户的典型公共基础设施特征。因此迫切需要区分“数字孪生城市”中公共数字基础设施与个体场景的属性区别，降低公共数字基础设施重复建设，提高“数字孪生城市基座”的利用率，在满足重大项目的同时，让中小企业也能很便利的满足局部场景需求。一个合格的数字孪生渲染引擎，应该具备自带“数字孪生资产”装备库和业务应用快速搭建能力，让中小企业也能很快以低成本跨入“数字孪生”时代。1.当前行业主流引擎方案比较 盘点常见的引擎技术方案 数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 9 从当前主流的数字孪生产品看，主要还是 GIS 引擎和游戏引擎为主，目前市场上场景的有 mapbox、cesium、UE4、Unity、Ventuz 等几类。mapbox：极受欢迎的 2.5D GIS 引擎，地图样式功能尤其强大，GPU 渲染的方案在渲染速度上远远甩开了 leaflet 等老牌对手，在 mapbox 衍生出了很多数字城市应用；缺点是对三维渲染的效果和自由度不是很高。cesium：二三维一体化的 web GIS 引擎，GIS 数据支持能力异常强大，很多大厂商如超图等也是采用 cesium 方案；缺点是三维视觉效果较差，应用开发比较复杂。UE4 目前是业内比较公认的 No.1 商用游戏引擎，视觉效果非常出色；缺点是对GIS 支持不佳，而且开发成本非常高。Unit 擎；与 UE4 相比能输出 web 适配的应用；缺点是对 GIS 支持不佳，而且开发成本比较高。Ventuz 是一款制作三维特效的软件，基于该引擎的产品视效比较突出；缺点是对数据支持、交互开发等极其不友好；应用开发成本非常高。数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 10 其他还有零星使用 deck.gl、threejs 等前端库作为渲染方案的，此类引擎通常以开源类库提供，距离产品级方案还有太大的开发成本。对地理数据的支持与真实世界的还原是数字孪生城市对渲染引擎的核心述求；当前主流的数字孪生城市渲染引擎，从地理能力和视觉效果两个维度，可以通过一个象限图来比较：地理引擎分布在第二象限：地理支持好、视觉效果差。传统地理引擎是一个准实时渲染系统。传统地理引擎对地理数据的解析与管理非常专业，分析能力强大。数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 11 传统地理引擎对三维场景的真实还原支持不佳，对于数字孪生城市应用场景视觉体验较差。普遍缺乏良好的渲染管线、光影效果、后期系统。传统地理引擎的三维场景还原能力，基本上还停留在二十年前的图形学发展水平。在数据大屏等数字孪生城市常见应用场景，很难满足客户需求。游戏引擎与三维设计软件分布在第四象限：游戏引擎的渲染效果登峰造极，目前仅次于基于物理渲染原理的离线渲染软件；但是渲染效果好的同时也带来了开发成本高、门槛高等缺点。地理数据的接入/支持是游戏引擎显著短板；地理数据种类非常多样，矢量数据、栅格数据、扫描数据、倾斜摄影等等，不同种类的数据如何导入 UE 并互相配准是一个难题，一般都要先经过一个甚至多个第三方软件的加工处理，导出为模型文件后再导入引擎，并进行手动配准地理位置，过程非常繁琐。数字孪生业务经常有二三维一体化的全球视角可视化需求，游戏引擎的数据精度导致了很难在真实地理尺度下面进行数据投影与配准。数字孪生需要的引擎，应该是分布在第一象限：既能很好地支持地理数据的空间展示，又能很好地对真实世界进行还原。这就需要数字孪生引擎内建地理空间支持系统，同时提供高视效渲染管线/编辑器，以及同时支持这两者需要的海量数据渲染能力。数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 12 数字孪生渲染引擎需要面向上层业务应用，对引擎 GIS 能力、三维图形能力进行高度模块化抽象与封装，让交付合作伙伴/终端用户可以没有 GIS/游戏专业背景的情况下，完成数字孪生城市应用构建。三、关于 DataV.CityPro：谈谈研发一个数字孪生渲染引擎的初心 1.Why DataV.CityPro？经过行业主流的引擎技术选型比较，可以发现新兴的数字孪生城市行业其实缺乏一款真正满足行业需求的渲染引擎。在阿里集团城市大脑、数字政务、智慧交通等大量数字孪生项目的孵化下，DataV团队自主研发了数字孪生渲染引擎DataV.CityPro。从信息安全角度考虑，传统数字孪生城市领域所用的主流三维引擎技术，如 GIS 引擎 CesiumJS、Google Earth Studio，或者游戏引擎 UE4、Unity，都是国外技术并掌握了绝对的技术话语权。国内三维引擎的技术探索也仅仅局限在少数大型游戏公司，同时由于业务特性差异巨大，完全无法对数字孪生城市领域提供技术支撑。随着国际环境的不断变化，缺乏国产自主数字孪生渲染引擎技术，是当前数字孪生城市相关业务的一大风险点。数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 13 DataV.CityPro 引擎在架构设计上基于主流 GIS 引擎采用的二三维一体化地理空间，对时空数据实现了底层支持；在图形渲染技术上，采用自研的渲染管线、材质系统、后期系统，实现了主流游戏引擎的渲染效果。DataV.CityPro 研发了便捷易用的数据/动画/交互编辑器，同时自带“城市资产库”，大幅降低了中小信息化服务 ISV 参与数字孪生城市行业生态的门槛。2.DataV.CityPro 如何满足数字孪生场景的需求？1)精准地理数据源支持 DataV.CityPro 全面支持 CIM 数据需求，实现数字孪生世界的精准重建，尤其是对目前数字孪生城市迫切需求的 BIM、倾斜摄影、高精地图这精准重建三要素提供了良好的支持，包括提供进一步的数据融合与交互支持。BIM 支持 与手工精模相比，BIM 模型在数据定义上是地理精准的，并且有完整的语义及属性信息，可以满足数字孪生应用中精细化管理的需要。BIM 模型数据包含了完整的拓扑结构更，适合做空间查询、分析、业务数据融合。BIM 技术能够让数字孪生应用从宏观概览走向微观管理。数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 14 数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 15 DataV.CityPro 对 BIM 实现了数据源级存储与融合，并对几何数据提供了轻量化 LOD分级优化，使得传统巨大体量的 BIM 模型也能应用在各种场合。高精地图 高精地图指用于自动驾驶辅助的高精度级别地图，与导航地图做比较，导航地图精度存在米级以上（5-10 米）误差，高精地图精度在厘米级。与导航道路元素只到道路级不同，高精地图提供的道路元素及交通相关动态元素更丰富，比如详细的车道线、路标、交通提示牌、交通灯、车道曲率、坡度及车道级实时交通动态信息等等。高精地图除了作为真实道路环境的可视化还原之外，更主要支持数字孪生城市算法对交通环境判断、决策、控制等，是构建智慧交通的基础能力。DataV.CityPro 自主研发了基于 OpenDrive 标准的解析器、渲染器，对高精地图提供了良好支持。数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 16 倾斜摄影 倾斜摄影技术是测绘领域近年发展起来的一项新技术，突破了传统正射影像只有垂直角度的局限，通过无人机搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，能够实现大规模区域的快速三维重建，并以真实影像作为模型贴图，是对真实空间进行快速复原的有效技术方案。DataV.CityPro 对主流倾斜摄影格式实现了兼容，并提供流式加载，同时提供单体化矢量数据的交互支持，解决了倾斜摄影只能看不能语义化交互的弊端。原文为 gif 2)简单易用的编辑器 易用性一直是三维渲染引擎的重大挑战之一；面向数字孪生城市渲染的产品，同时兼具三维产品/GIS 产品的特点，需要用户对三维图形、地理数据有相当程度的认知，这也导致了三维渲染引擎的功能复杂、操作困难。传统的三维城市渲染引擎，由于业务模块抽象程度不高，没有面向业务开发的编辑器，数据的载入、场景的管理、镜头的调度、事件的管理全部依赖脚本级代码开发，这对原本由设计同学擅长的三维场景搭建功能必须由开发同学完成，导致设计师无法发挥最大的想象力空间与设计水平。数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 17 提升产品易用性的核心切入点是编辑器的研发，在 DataV 积累多年的编辑器框架基础上，全新推出了适用于数字孪生场景搭建的数据编辑器、场景编辑器、关键帧编辑器，在数字孪生场景搭建与交互串联的功能上实现了可视化编辑，设计师可以用“所见即所得”的模式进行数字孪生城市场景搭建。地理数据编辑器 支持城市一键生产 支持按行政区选择绘制范围 支持自定义地理范围，包括圆形、多边形等等 支持地理要素的范围裁剪 原文为 gif 原文为 gif 数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 18 场景与关键帧编辑器：可视化编辑三维场景。支持鼠标拖拽编辑镜头位置 支持平行时空多场景编辑 支持基础地理要素自动匹配 支持镜头关键帧 支持事件关键帧 支持时间系统关键帧，实现场景日夜变换功能 支持组件属性关键帧，包括色彩、形变等 数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 19 原文为 gif 原文为 gif 交互编辑器：将三维场景、二维图表、业务数据快速搭建成业务系统。支持 DataV 蓝图节点编程 支持多场景动态切换 支持关键帧事件驱动二维图表和三维场景联动 数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 20 原文为 gif 3)灵活的场景管理功能 提供多种时空场景管理模式：无极缩放与多场景并行二三维一体化的一镜到底场景展示模式，适合对业务进行深入探索或者时空跟踪分析；对于类似平行业务或者室内室外空间隔绝的业务场景，DataV.CityPro 提供了多场景平行的蒙太奇空间模式，平行的业务场景可以任意跳转。原文为 gif 数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 21 专业级场景演示系统：DataV.CityPro 自主研发了数字孪生场景交互系统DataV.OPUS，以业务逻辑为核心，辅以“剧场”的隐喻呈现模式，实现大范围数字孪生空间的形象化展示，是高端汇报场景的致胜利器。多端协同展示：支持数字孪生城市多端联动，实现多场景、多业务模块的信息闭环。4)渲染能力 DataV.CityPro 通过自研 PBR 渲染管线，除了对三维模型的精准还原之外，还支持物理真实的地球大气层模块、大范围实时阴影、AO 等后期效果系统。由于数字孪生城市场景大量城市模型是算法生成，为了提升视效，DataV.CityPro 引擎实现了全新的各类地理要素 PBR 材质生成算法，对地形、水系、道路、建筑等提供数十种不同渲染精度的程序化生成材质。数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 22 针对数字孪生城市业务表达需求，DataV.CityPro 提供丰富多样的组件动效、光效动画、生长效果等，支持各种类型数据的业务可视化映射。原文为 gif 5)完善的数据工作流平台 数据资产自助上云数字孪生城市项目的数据来源众多，往往是多源异构众源数据，既包括各类二三维地理数据，还包括各类三维模型资产，以及各类非地理相关的行业业务数据。为了解决数据标准化、融合的难题，DataV.CityPro 提供了数据资产自助上云工具，包括二维地理数据编辑、三维模型配准、倾斜摄影加工等等。数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 23 自动化城市建模：快速生成多级适配渲染能力的城市模型。L1：全自动程序化城市生成 L2：视觉增强的程序化城市生成 L3：初级人工建模+程序化混合城市生成 L4：人工精细建模+程序化混合城市生成 L5：仿真级精细城市生成 数据资产加工：对地理数据资产提供加工功能，包括矢量/栅格转换、三维切片等等。数据融合能力强大：没有良好的数据融合与场景交互能力，数字孪生城市对于业务方来讲只是另一个平行宇宙，只能沦为摆设。目前 DataV.CityPro 支持的包括静态数据、API、数据库等近 30 种数据源接入三维数字城市空间，囊括了市面上主流的数据源。数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 24 6)便捷的数据分发与应用搭建能力 数据/应用分发便捷度 DataV.CityPro 是采用 BS 架构、运行在浏览器中的 WebGL引擎。通过浏览器，可以方便的将新应用与历史应用相互整合；同时 Web 页面也可以方便地在大屏端、桌面端、移动端进行分发，页面自适应的特性也可以灵活适配多尺度设备。这与桌面引擎对操作系统环境依赖、更新不变等缺陷形成了显著优势。数字孪生应用快速搭建能力 DataV.CityPro 采用 BOM（面向业务的模块化）设计，提供了便捷易用的编辑器和可视化模块，包括城市基底模块和用于业务数据映射的数据图元模块，能便利地融合公共的“城市基座”与个体的“业务场景”，支持“业务场景”各类数据的融合，并根据不同场景对数据进行交互；最终实现一个“视觉真实”、“地理信息”、“物理模拟”及“数据交互”于一体的三维可视化数字孪生场景。相比传统 GIS 引擎、游戏引擎动辄数月的开发周期，DataV.CityPro 可以将项目周期压缩到一周以内。DataV.CityPro 搭建基于公共云的数字孪生资产平台，推动数字孪生技术普惠 没有基于云计算支撑成为数字公共基础设施的数字孪生产品，是无源之水；单个企业/个人根本无法承担构建无数多源异构地理数据汇聚之后，再通过消耗大量算力的数据处理加工过程再构建数字孪生城市的天量成本；只有依靠云计算的优势，极度压低数字孪生城市的边际生产成本与用户使用成本，数字孪生城市项目才能辐射到如社区这样的低成本低预算场景。数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 25 DataV.CityPro 通过提高城市数字资产库的覆盖率，有效降低单用户、单项目的成本。很多现实中的数字城市项目，往往到了建设的时候才发现“城市基座”的数字资产需要从头创建，卫星影像、城市建筑模型搭建、地理测绘、倾斜摄影、BIM 系统等基础数字资产的准备往往要让单个项目耗时半年以上。DataV.CityPro 建立了基于公共云的数字孪生城市资产库，目前支持城市数量达到 19 个，覆盖一线城市/新一线城市；同时对城市核心商圈提供精细模型支持；数据提供版本管理支持，并定期更新城市基础数据。DataV.CityPro 是第三方友好的开放式引擎。没有开放性的数字孪生城市，会迅速被技术时代抛弃，沦为一座“数字死城”。当前，全域立体感知、数字化标识、万物可信互连、泛在普惠计算、智能定义一切、数据驱动决策等，构成了数字孪生城市强大的技术模型，而支撑上述技术模型的区块链、人工智能、智能硬件、AR/VR 等新技术条件基本成熟，但实现方案相当复杂，这已经不是一个公司或者一个项目能够独立构建一个完整的数字孪生城市解决方案。一个第三方友好的开放性平台，才能让数字孪生城市技术模型不断完善，成为时代新技术融合创新的试验场，保持旺盛的技术生命力。DataV.CityPro 为第三方提供插件开发 SDK、算法插槽，支持第三方业务数据通过自定义算法与渲染模块构建行业应用，典型的如交通仿真等等。数字孪生核心技术揭秘（二）：三维模型 26 数字孪生核心技术揭秘（二）：三维模型 简介：三维模型是一个很宽泛的概念，大部分三维模型是无法直接应用于数字孪生项目的；三维建模需要找专业的供应商进行制作，需要有标准规范和质量检验；建模、模型数据加工都需要制定规范，才能支持好数据融合；需要使用合适的数字孪生引擎才能发挥三维模型的效果。一、客户常见的困惑 为什么网上的三维模型那么便宜？买来的三维模型能不能用？网上很多售价非常低廉的三维城市模型，通常用途不是为了三维实时引擎渲染用的，而是作为离线渲染宣传视频用；这些模型的流通渠道并不正规，所以价格便宜。这些建模建模的时候没有考虑实时渲染的场景，通常体积巨大，无法在数字孪生这种实时渲染的场景下使用。如果要强行优化、轻量化此类模型，成本可能比重建还高；因此不建议在网上购买低价三维模型。为什么其他现成专业三维软件的三维模型不能用？三维模型是一个非常宽泛的概念，数字孪生业务场景涉及的模型往往特指某类实时渲染引擎可以使用的三维模型格式；数字孪生三维引擎能支持的三维模型格式只是一部分。有很专业的行业软件也生成三维模型，比如 Revit、ProE 等等；此类三维软件往往是用于计算机辅助制造、建筑设计，生成的三维模型体积巨大、构件复杂、数据结构复杂，需要专门的处理才能导出数字孪生三维引擎能使用的格式。BIM 模型通常是当做三维空间数据源对待，而不是单纯的三维模型；需要有专门是数据工作流程，将 BIM 模型处理为轻量化三维展示模型和空间关系数据，再进入三维渲染引擎使用。数字孪生核心技术揭秘（二）：三维模型 27 为什么不能全城手工建模？规范的三维模型是需要建设成本的，全程建模的成本异常高。全程手工建模的模型体量也是异常巨大，渲染引擎一般无法全部渲染。全程实景建模通常采用倾斜摄影这样更加自动化的智能建模手段。二、三维模型质量评价标准 1.如何评价通用三维模型的质量？（专业模型如 BIM/CAD 除外）1)艺术角度 美观度：主管上感受是否美观。设计工作流是否规范。是否采用规范的 PBR 工作流进行制作贴图；如果工作流不规范，那在渲染引擎中模型的呈现和三维建模软件中会有很大的差距。?几何体构面、法线、uv 等是否规范合理；如何几何数据不规范，在渲染引擎中的光影效果、贴图效果会受到很大影响。2)技术角度 面数是否合理：面数越多渲染性能越差，在满足视觉的情况下，模型三角面数越少越好。比例是否正确，上方向是否正确：建议按真实世界比例进行建模，Y+为上方向。必要属性是否完备：?几何体 ID：模型与点击交互等识别的数据。?动画 ID：具备动画的模型，用于调用特定的动画片段。2.如何把三维模型的空间数据与业务数据进行融合？三维模型与业务数据需要有统一的坐标参考系，比如都是基于真实的地理坐标参考系，并且是按真实世界的空间大小进行建模。三维渲染引擎需要支持良好的地理坐标参考系，比如对二三维一体真实的地理坐标系支持。数字孪生核心技术揭秘（二）：三维模型 28 三维模型需要有挂载业务数据的能力，比如模型的构件需要有唯一辨识 ID，并且有良好的属性描述，才能与业务数据进行融合、互动；这就需要大量应用 BIM模型。三、基于 WebGL 的数字孪生引擎需要什么模型格式？1.最适用于 WebGL 引擎的模型格式：gltf gltf 格式?glTF 格式的模型是目前主流推荐的 Web 3D 模型格式，glTF 格式为 3D 内容的数据格式提供统一的标准、互联网方便传输、浏览器高效渲染。gltf 实用工具?gltfViewer 查看器，检查模型是否能够被浏览器正常渲染；下载地址：https:/ 转 换 工 具，将 fbx 模 型 转 换 为 gltf 格 式；下 载 地 址：https:/ 模 工 具，原 生 支 持gltf模 型 导 出；下 载 地 址：https:/www.blender.org/download/2.使用 gltf 格式模型常见的问题 模型本身有问题?症状：加载报错或者无法显示。?排查工具：用 gltfViewer 查看是否能正常渲染，如果不能，则模型有问题。?解决办法：用建模软件重新导出。模型比例有问题?症状：用 gltfViewer 查看能正常渲染，三维引擎无法显示。?排查工具：在建模软件里面查看模型比例是否与真实世界一致，3 米高的楼建模也需要 3 米高。数字孪生核心技术揭秘（二）：三维模型 29?解决办法：导出模型按真实比例导出，并将视角缩放到合适位置。模型位置有问题?症状：用 gltfViewer 查看能正常渲染，三维引擎无法显示。?排查工具：检查镜头焦点是否和模型放置的地理位置接近。?解决办法：将模型放置在正确的地理位置，并调整合适的镜头视角。模型性能有问题?症状：模型体积较大，三维引擎渲染非常卡顿；或者显存不够崩溃。?排查工具：打开 chrome 浏览器，查看帧率比较低，显存占用高。?解决办法：1、换用更好的显卡；2、将模型重新处理，减少面数；3、单独处理贴图，缩小分辨率，如 2k 降为 1k，减少显存开销。3.三维模型在数字孪生项目中的建议工作流（基于 WebGL 引擎）使用 blender 进行建模 建模比例与真实世界 1:1 导出为 gltf 格式 用 gltfviewer 验证 gltf 模型正确之后再导入三维引擎 4.基于 blender 的建模与三维引擎调用规范 1)为何推荐 blender 进行 gltf 建模？blender 是原生支持 gltf 模型最好的三维建模软件。blender 是开源软件，中小企业无需承担昂贵的三维软件购买费用。blender 是集建模、雕刻、后期等一站式三维加工软件，能大幅降低项目费用。2)建模与动画规范 a)建模规范：blender 如何输出必要的属性到 gltf 模型 模型对象：gltf 中单个模型对象对应的是 blender 当中单个 mesh 对象。数字孪生核心技术揭秘（二）：三维模型 30 组对象：gltf 中组对象对应的是 blender 当中 parent 对象，通常使用空对象作为 parent 对象，将多个 mesh 成组。blender 建模中模型对象与组对象。gltf 模型中对应的模型对象与组对象。数字孪生核心技术揭秘（二）：三维模型 31 b)动画规范：引擎如何调用 gltf 中包含的动画片段 在 GLTF 规范中，动画片段有专门的定义：gltf 模型中 animations 的 channel的 name，就是 blender 中定义动画的 action 名字。blender 中 mesh 编组动画命名。数字孪生核心技术揭秘（二）：三维模型 32 gltf 模型中对应的动画命名 数字孪生核心技术揭秘（二）：三维模型 33 在引擎中就直接可以调用动画，通过 blender 中定义动画的 action 名字。/Play a specific animation in three.js const clip=THREE.AnimationClip.findByName(clips,dance);const action=mixer.clipAction(clip);action.play();/详细文档参见：https:/threejs.org/docs/index.html#manual/en/introduction/Animation-system 四、基于 DataV.CityPro 引擎的三维模型交互实践 这里只讨论常规三维模型的使用，专业三维模型如 BIM/倾斜摄影等在后续系列专题中详细讨论。通常在 WebGL 引擎中调用 GITF 模型动画的工作流包括三部分：在建模软件中制作动画。导出 GLTF 模型。在 WebGL 引擎中导入 GLTF 模型并调用动画或操作模型的某些构件。1.DataV.CityPro 模型加载器的功能 数字孪生核心技术揭秘（二）：三维模型 34 DataV.CityPro 模型加载器针对模型的交互主要有以下功能：模型展开：将模型的单个构件进行移动操作。模型分组展开：将模型的多个构件进行移动操作。材质渐变：覆盖某些构件的材质，如高亮颜色等等。模型动画：调用 gltf 模型中的动画片段。路径动画：将模型按路径进行移动。2.模型的动画调用 step1，在 DataV 中添加“城市三维构建器”和“Tab 列表”两个组件，“Tab 列表”用于控制 gltf 模型动画的状态。step2，“城市三维构建器”中添加“模型加载器”用于加载 gltf 模型，并设置好模型的地理位置在相机的视野之内。数字孪生核心技术揭秘（二）：三维模型 35 step3，如果不知道模型中包含的动画名，可以用 gltfviewer 打开查看对应的模型动画名，引擎调用需要。step4，在蓝图中调用 gltf 模型动画：使用蓝图的数据处理节点，将 gltf 模型中的动画片段名传递给模型加载器的动画调用方法。数字孪生核心技术揭秘（二）：三维模型 36/调用模型动画需要返回的数据格式 name:fly,loopType:LoopRepeat /动画循环参数列表 loopType:LoopRepeat|LoopOnce|LoopPingPong step5，完成设置。3.路径动画：让模型按三维空间的轨迹移动 step1，在蓝图中调用路径动画：使用蓝图的数据处理节点，将路径数据传递给模型加载器的路径动画方法。path:121.493636,/经度 31.236628,/纬度 100/海拔高度 ,./更多路径位置数据 ,duration:20000,/模型移动的动画时间，毫秒制 loop:true/动画是否循环，布尔值 数字孪生核心技术揭秘（二）：三维模型 37 step2，如何需要同时启动动画，按调用动画方法加入调用动画的蓝图节点。step3，目前组件需要把模型方向在移动的时候旋转一下，可以加入一个调用组件“更新配置”方法的节点，更新组件的 Y 轴旋转 1 弧度，方法如下:position:rotationY:1 step4，完成设置。4.模型分组展开：部件的操纵 模型加载器组件中“模型展开”、“模型分组展开”两个方法的区别是：“模型展开”针对一个对象（mesh 对象/成组的对象），“模型分组展开”针对一组对象（mesh 对象/成组的对象）。step1，建模时对需要操作的构件分别进行命名，分开操作的构件需要是独立的mesh 对象；支持成组的对象。数字孪生核心技术揭秘（二）：三维模型 38 step2，开发可以在 gltf 文本中查找需要操作的构件名称，可以操纵移动成组的对象。数字孪生核心技术揭秘（二）：三维模型 39 step3，在蓝图中调用 gltf 模型动画：使用蓝图的数据处理节点，将 gltf 模型中的构件/构件组的 ID 传递给模型加载器的展开方法。/成组展开 API 数据结构 id:shell,/模型构件名称 offset:0.8,/模型构件位移的距离，米制 axisType:y,/模型构件位移的方向，xyz 三种 duration:4000/模型构件位移的动画时间，毫秒制 ,id:tail,offset:-1.5,axisType:x,duration:100 ,./更多模型构件/构件组 /如果是调用模型加载器组件的“模型展开”操纵单个构件对象，按以下数据结构：id:shell,/模型构件名称 offset:0.8,/模型构件位移的距离，米制 axisType:y,/模型构件位移的方向，xyz 三种 duration:4000/模型构件位移的动画时间，毫秒制 Step4，完成设置。5.材质渐变：将某个特定的模型构件的材质进行更改，达到高亮、隐藏的效果 step1，在蓝图中调用 gltf 模型动画：使用蓝图的数据处理节点，将 gltf 模型中的构件/构件组的 ID 传递给模型加载器的“材质渐变”方法。id:shell,/模型构件名称 duration:1000,/模型构件渐变的动画时间，毫秒制 options:color:#ff0000,/模型构件渐变颜色值 opacity:0.7/模型构件渐变颜色透明度 数字孪生核心技术揭秘（二）：三维模型 40 step2，完成设置。6.模型点击交互：将某个特定的模型构件的 ID 作为数据传递给其他组件 在项目中，有一种非常常见的需求就是点击模型之后，将被点击的模型的构件ID 或者构件组的 ID 传递出来，作为 API 或者数据库的查询参数，然后再拉取其他业务数据。根据 gltf 模型的规范，只要将构件或者构件组的“name”字段抛出即可，蓝图节点如下：数字孪生核心技术揭秘（二）：三维模型 41 完成设置。五、总结 三维建模需要找专业的供应商进行制作，需要有标准规范和质量检验。三维模型是一个很宽泛的概念，大部分三维模型是无法直接应用于数字孪生项目的。建模、模型数据加工都需要制定规范，才能支持好数据融合。需要使用合适的数字孪生引擎才能发挥三维模型的效果。数字孪生核心技术揭秘（三）：倾斜摄影 42 数字孪生核心技术揭秘（三）：倾斜摄影 简介：对真实世界的自动化三维重建一直是 CG/CV 行业前赴后继不断尝试解决的难题；目前业内的进展，对于微型场景如单个饮料瓶等物体，结合 AI 已经可以实现语义化切割的自动三维重建，媲美人工建模。但是对于室外大场景的自动三维重建，从算法到采集硬件等等，都还未能做到类似微型场景的理想水平。目前，倾斜摄影虽然在模型语义化分割、模型精度等方面不太完美，但是在贴近真实世界、过程自动化、实施成本、整体技术链成熟度等方面，已经是市面上最理想的低成本大规模三维重建技术方案。随着国家政策的鼓励和“全景中国”的推进，预计倾斜摄影将会成为数字孪生项目的主流三维模型来源之一。一、什么是倾斜摄影？倾斜摄影技术是测绘领域近年发展起来的一项高新技术，突破了传统正射影像只有垂直角度的局限，通过无人机搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，能够实现大规模区域的快速三维重建，并以真实影像作为模型贴图，是对真实世界进行快速三维重建的有效方式。由于贴近真实世界的突出优点，倾斜摄影在业内通常被称为真三维模型；目前越来越多的数字孪生项目将倾斜摄影模型作为数字城市的空间基座。同时，国家政策也在推动倾斜摄影行业快速发展，已经形成了一个千亿级的市场规模。2020 年 9 月，国家自然资源部在“实景三维中国”计划中提出：“十四五期间，根据自然资源领域治理体系和治理能力现代化要求，完成全国地级以上城市三维模型的构建，形成满足自然资源精细化管理需求的服务能力”。截止目前，已经有深圳、重庆两个城市完成了符合国家标准的全城规模的倾斜摄影模型采集，将数字孪生城市建设模式推进了新阶段。1.倾斜摄影简介 倾斜摄影数据样例：重庆国际博览中心。数字孪生核心技术揭秘（三）：倾斜摄影 43 原文为 gif 2.倾斜摄影应用场景 倾斜摄影在数字孪生城市的应用场景很多，核心优势是快速建模与贴近真实影像：智慧工地-监控进度：通过倾斜摄影快速建模，对比实际建造与设计方案的进展与差异等。测绘应用-拆迁赔偿估算：城市旧城区拆迁过程中利用倾斜摄影进行拆迁面积的快速测算。应急指挥-抗洪救灾：对防洪大坝等应急现场进行倾斜摄影快速建模，实现数字化应急指挥。二、为什么要用倾