浅谈三维GIS的问题和发展趋势

赵琪+叶勇超

摘要：三维GIS的相关研究已成为GIS未来重要的发展趋势。本文简单阐述了三维GIS的定义和特点，并对其发展的主要问题和需求进行了分析，在此基础上提出了未来发展的展望。/

关键词：三维GIS空间数据地理信息

引言：

随着GIS应用的发展，人们越来越多地要求从三维空间来处理问题，传统的二维GIS应用已经无法满足现代产业的需求。特别是在对GIS要求较高的部门如采矿、地质、石油、水利、城市规划等领域迫切的需要三维GIS的应用，虽然现在这部门已率先发展专用的具有部分功能的三维GIS，但由于它们一般是针对自己的领域开发的，没有从理论上加以系统完整的研究，没有面向通用平台进行设计，因此具有较强的局限性。再加上随着二维GIS数据模型与数据结构理论和技术的成熟，图形学理论、数据库理论技术及其它相关计算机技术的进一步发展，加上应用需求的强烈推动了三维GIS的大力研究和加速发展现已成为可能。并且成为了GIS未来重要的发展趋势。

1、三维GIS的简介

三维GIS起源于二维GIS，是计算机图形学、虚拟现实技术、地理信息系统技术发展到一定阶段的产物。主要包括以下三个方面的内容

1.1三维空间数据获取

对于三维空间数据获取，目前主要存在以下几种方式：地图扫描数字化、摄影测量、遥感等。摄影测量技术利用人工和自动化技术，由数字影像经过各种数字摄影测量出来生成各種数字和模拟的地图产品，已经成为三维GIS主要的数据来源。遥感技术由于其可以快速实时，全天候地监测和获取遥感影像，是三维空间信息最有效和最方便的数据源，极大地促进了三维GIS的发展。不仅如此，空天地一体化对地观测传感网，可以从异构式传感器获取多尺度大范围的传感器数据，为实现真正的三维可视化提供了可能。

1.2三维GIS空间数据模型

三维GIS的空间数据模型需要满足以下要求：明确对象的定义语言，几何变化关系；可以包括多种可视化模型的显示；具有一定的计算分析能力；形成高效的信息检索机制；并可与其他模型进行转换[4]。已有的数据模型主要是从面、体、集成和对象四个方面进行描述和分析。但现在的三维数据模型缺少统一的数据描述模型，无法真正实现现实世界地理实体三维数据模型的高度统一。

1.3三维空间分析

三维空间分析在计算机图形学领域做得较多，但往往偏重于几何图形与算法性能，例如边界追踪检测、邻居寻找，很少考虑为地学目的服务的分析.地学领域曾有人在三维地质表面模拟中提出过三维边界搜索算法，但其算法较为复杂。三维空间分析中还有很多问题需要研究，例如三维拓扑关系的描述与构造，三维查询与统计分析等.

2、三维GIS面临的挑战

三维GIS不仅仅只有某一种技术支持，是多种技术的协同支撑，因此面临着很多的挑战：

2.1三维数据实时获取

实现三维GIS表达非常困难，由于三维GIS数据采样率很低，无法像二维地图那样准确的描述，容易出现偏差。同时，三维GIS的属性对于二维来说并不是线性增长的，且其复杂性使得几乎无法准确描述。因此，二维的数据模型在三维GIS中是不可用的，这时三维数据实时获取就尤为关键。

2.2三维GIS中大量数据的存储与快速处理

在三维GIS中，无论是基于矢量结构还是基于栅格结构，对于不规则地学对象的精确表达都会遇到大数据量的存储与处理问题.除了在硬件上靠计算机厂商生产大容量存储设备和快速处理器外，还应该研究软件方面的算法以提高效率，例如针对不同条件的各种高效数据模型设计、并行处理算法、小波压缩算法及在压缩状态下的直接处理分析等.

2.3完整的三维空间数据模型与数据结构

三维空间数据库是三维GIS的核心，它直接关系到数据的输入、存储、处理、分析和输出等GIS的各个环节，它的好坏直接影响着整个GIS的性能。而三维空间数据模型是人们对客观世界的理解和抽象，是建立三维空间数据库的理论基础。三维空间数据结构是三维空间数据模型的具体实现，是客观对象在计算机中的底层表达，是对客观对象进行可视表现的基础。

2.4三维空间分析方法的开发

空间分析能力在二维GIS中就比较薄弱，目前大多数的GIS都不能做到决策层次上来，只能作为一个大的空间数据库，满足简单的编辑、管理、查询和显示要求，不能为决策者直接提供决策方案.很大一个原因就是在现有的GIS中，空间分析的种类及数量都很少.在三维GIS中，同样面临着这个问题.因此，研究开发GIS的基本空间分析及将各领域的专家知识嵌入GIS中，是三维GIS发展的一个重要方面.

3、三维GIS的发展趋势

随着计算机科学技术的发展和GIS应用的不断深入，在很多领域如地质、矿山、环境、海洋、气象、数字城市等，二维地理信息系统已不能满足人们的需求，取而代之的是空间的、立体的三维GIS。但是目前，真正的3DGIS软件还较少，现有的软件也只能完成显示和进行简单的分析。但是随着存储器容量的增加，CPU功能的增强，显示设备的改进，三维GIS数据的分析和处理将有进一步增强。各个国家都在强化空间数据标准，这将迫使GIS软件厂商支持这些国家标准，并开始增加空间数据描述信息的处理功能。随着3DGIS的发展，将会出4DGIS，即在三维的基础上加上时间序列。例如地质学家想对某一时刻的所有地质条件或某一时间段内的平均地质条件进行评价，他们想获得“a时刻的值”或“从时间b到时间c这段时间内的值”。大部分地质特征和条件的变化是缓慢的，但并不都如此。例如水灾、地震、暴风雨以及滑坡等都会使局部地质条件发生快速而巨大的变化。为充分满足需要，这种时间数据获取能力应该与3D模型相结合。地质学家对4D（立体3D加上时间第4D）的空间-时间模型尤感兴趣。这些问题的彻底解决，则需要在三维GIS技术成熟之后，再发展成为四维GIS。随着计算机与空间技术的进步与发展，GIS将由各自分开独立的系统走向兼容与集成；从二维走向三维和四维，从单机走向网络，并最终走向社会。

4、结论

三维GIS优势在于对空间信息更加形象生动的表现形式，其目的是使用户更容易完成对空间信息的认知。三维GIS涉及到很多支撑技术和研究领域，重点在于空间数据的分析处理。目前准三维平台一样在发挥强大的作用，支持专业的应用。三维GIS开始向空间决策支持系统方向发展，对智慧城市中的主动聚焦决策服务提供强大的技术支持。

参考文献：

[1]刘陵，方军，陈利生等.三维GIS的研究现状及其发展趋势[J].矿山测量，2011，4（2）：71～75

[2]朱庆.3维GIS技术进展[J].地理信息世界，2011，2：25～33

[3]陶琼，朱大明.三维GIS的发展趋势与建模分析[J].地矿测绘，2008，24（4）：35～37

作者简介：

赵琪（1996.11.02-）男，汉，身份证号：142726199611021237本科生，山西省运城市，研究方向：地理信息科学.

叶勇超（1994.7.20-）男，汉族，身份证号：412727199407206519，本科生，河南省周口市，研究方向：地理信息科学endprint