3D-GIS地理信息系统的研究现状和发展趋势

3D-GIS地理信息系统的研究现状和发展趋势

一、背景及意义

（一）背景

地理信息系统（GeographyInformationSystem）是整个地球或部分区域的资源、环境在计算机中的缩影，反映了人们赖以生存的现实世界，是在计算机软件和硬件支持下，以一定的格式输入、存储、检索、显示和综合分析应用的技术系统。

GIS作为计算机和空间数据分析方法作用于许多相关学科后发展起来的一门边缘学科，由于能及时地抓住当今世界计算机技术飞速发展，各国政府对地理、资源和环境信息日益重视这一时代特点，加上许多相关技术(如GPS、DPS、RS 等)为它提供了强有力的地理空间信息获取手段，使得GIS己经成为各国政府部门、商业公司、科研机构和高等院校极为关注的热点领域。特别是进入20世纪90年代以来，GIS己在全球范围内形成产业规模，并将进一步深入到各行业乃至人们的日常生活之中。

二维地理信息系统始于二十世纪六十年代的机助制图，今天己深入到社会的各行各业中，但二维地理信息系统存在着自身难以克服的缺限，它本质上是基于抽象符号的系统，不能给人以自然界的三维真实感受。三维地理信息系统是在二维平面的基础上模拟并处理现实世界上所遇到的三维现象和问题。地理信息三维可视化系统是对具有三维地理参考坐标的空间信息进行输入、存储、编辑、查询、空间分析和模拟的计算机系统。二维地理信息系统与三维地理信息系统的本质区别在于数据的分布范围，在于高程是被看成空间数据还是属性数据。三维GIS 的根本目标是多维时空现象的三维表示。相对于二维GIS而言，三维GIS具有三个显著的特点：

1、直观性：直观性是三维GIS的最显著的特点，通过三维可视化技术，用户将得到更好的人机交互接口，更少的训练时间，以及更多的空间信息。

2、巨大的数据量：三维GIS应用通常具有海量数据(可达数百G)，这种巨大的数据量使得三维GIS需要得到数据库的有效管理，具有高效的数据存取性能。

3、复杂的数据结构：三维GIS不是对二维GIS的简单扩展，三维空间中增加了许多新的数据类型，空间关系变得更加复杂。

三维可视化一直以来是虚拟现实、地理信息系统、数字摄影测量等领域的研究重点。早在八十年代末期，随着GIS研究与应用的不断深入，许多研究者开始了三维GIS的研究。早期的研究主要面向地质、矿山等特殊应用领域，建立栅格化的数据模型和进行一些特殊的空间分析，功能较为单一。K和Masry于1987年开发了用于矿产资源评估和开采的三维GIS原型系统，这个系统可能是最早的三维GIS系统，具有一些简单的空间分析能力，如最近点分析等。

随着计算机技术的发展，人们己不满足于一些简单的三维显示、查询等功能，他们要求二维GIS的功能在三维空间得到更好的实现。于是，许多模拟系统开始集成传统的GIS技术和三维可视化技术(包括虚拟现实技术)，以数据库为基础，研究海量数据的存取和可视化。

三维GIS经过十余年的发展，在许多方面取得了丰富的成果，在一些领域逐渐开始得到应用。在军事训练中，它可以用于飞行员模拟驾驶训练；在作战指挥方面，它可以用于模拟真实战场环境，进行虚拟作战演习；在外交方面，对于有争议地区的边界划分，三维虚拟地形则可以消除双方认识上的分歧；三维城市虚拟景观则可以为城市规划与设计提供最直观的表现形式，以帮助我们建设更美好的家园；利用地理信息三维可视化系统还可以真实再现人类尚未到达或难以到达的区域。由此可见，地理信息三维可视化系统的研究有着十分重要的意义。在地理信息技术研究中，从平面纸质地图到电子地图，从二维到三维，从简单模拟到虚拟现实，可视化都在其中扮演着非常重要的角色。

目前，国内外几个主要的GIS产品中，包含三维模块的主要有以下几个：（1）ESRI公司推出的ArcGIS不断扩展了它的三维显示与分析组件ArcGIS3DAnalyst。该组件提供用户的功能可以实现基于TIN格式的DEM三维显示和立体分析，数字城市的三维显示、分析与管理，并提供三维建模工具。

（2）ERDAS公司推出的ERDASIMAGINE系列产品是一个包括制图和可视化核心功能在内的影像工具软件。其扩充的VirtualGIS模块可以实现实时三维飞行模拟和GIS分析等功能。

（3）VRMap是一个三维可视化平台，可以在多种编程语言平台下进行二次开发。

（4）IMAGIS是一套以数字正射影像(DOM)，数字地面模型(DEM)、数字线划

图(DLG)和数字栅格图(DRG)作为综合处理对象的虚拟现实管理的GIS系统。提供了三维显示、数据库查询以及三维分析等模块。

（5）CyberCity是专为数码城市建设开发而成的。该软件的主要特点是基于数字摄影测量工作站DPW采集的城市三维编码数据、GIS数据、CAD数据等自动建立三维模型，并具有大范围海量数据三库一体化管理和无缝三维实时漫游功能，并包含和拓展了常规GIS的空间信息查询、表示、分析和决策功能。

但是三维GIS也面临着一些技术挑战，许多关键技术没有得到很好的解决。例如，如何自动重构三维GIS数据源，如何实现海量数据的可视化等。地理信息三维可视化系统的研究对象是三维空间，必须能对与三维对象相关的信息进行建模、表示、管理、操作、分析和决策。因此，对地理信息三维可视化系统进行研究，不是对二维地理信息系统的简单扩展，而是从空间模型分析到空间数据库的结构直至三维数据的可视化，都必须进行系统的研究。

由于专业空间分析种类繁多复杂且与具体的问题相关，有很大的针对性，同时专业空间分析的理论方法体系也没有统一。因此，目前还没有实现三维GIS 软件与专业空间分析模型的完全集成。三维GIS与专业空间分析模型的集成方式主要有以下３种途径：

（1）三维GIS与专业空间分析模型的松耦合集成模式。松耦合集成模式也称外挂式集成，是通过在两个相对独立的三维GIS软件和专业空间分析模型之间增加数据交换接口实现的。其特点是三维GIS与专业空间分析模型能够独立运行，模型可直接从三维GIS数据库中获取数据，并将分析结果存储在三维GIS数据库中；同时专业空间分析的相关数据和结果可在三维GIS中可视化表达出来。优点是开发费用低、风险小、易实现；缺点是执行效率低，只适用于周期较短的情况。

（2）三维GIS与专业空间分析模型的紧耦合集成模式。紧耦合集成模式也称内嵌式集成，是将一系统的主要功能添加到另一系统中。有两种实现途径：一是将专业空间分析模块作为一个应用模块嵌入三维GIS软件包中，三维GIS在为专业空间分析提供数据的同时还提供图形显示功能；二是在专业空间分析模型中添加三维GIS的一些功能。其特点是功能模块必须借助于主系统才能运行。优点是功能齐全、系统效率高且稳定、界面友好；缺点是周期长、造价高。

（3）三维GIS与专业空间分析模型的一体化集成。一体化集成是三维GIS