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程序员：三维GIS的困境与出路――宋关福
&&& 自Google Earth发布以来，三维应用系统很快得到业界青睐，但同时也有很多质疑其“花架子”的声音。到底三维GIS有没有出路？要解决哪些问题才能走向成熟应用？作者以Realspace GIS的真实实践，告诉你一个成功的解决方案。&&& 自Google Earth发布以来，三维GIS得到业界广泛关注，一时间成为研究和应用的热点，各厂商纷纷推出三维可视化软件，在国内，命名为某某Globe或某某Earth的三维可视化软件就达数十个。在这种大趋势下，超图公司也开发了一个类似的三维可视化软件。基于这些形形色色的软件，各应用单位建立了大量的三维可视化应用系统，由于可视化效果比二维更加真实，也更加吸引眼球，因此三维应用系统很快得到业界的青睐。&&& 然而短短几年后，业界开始不满足于“面子工程”或“花架子”的三维可视化效果，并对三维GIS的实用性产生怀疑，三维GIS的发展似乎陷入困境。那么，三维GIS究竟有没有出路？还要解决哪些问题才能走向成熟应用？新技术光环曲线&&& &&& 三维GIS作为一种高新技术，要理清其技术和应用发展规律不是件易事。GIS作为IT的一分子，借助IT领域常用的分析技术手段是十分有意义的。&&& 国际著名的IT研究与顾问咨询公司Gartner，从1995年开始运用光环曲线（Hype Cycle）来表示各项新技术发展的生命周期。在光环曲线中，以技术应用成熟度为横轴，显现度为纵轴，新技术的发展分为五个阶段，即：萌芽期、过热期、低谷期、复苏期和成熟期。主要GIS平台软件技术光环曲线&&& Gartner定期发布主要信息技术的光环曲线，为业内相关从业者提供决策参考。Gartner发布的2009年新兴技术光环曲线图中，Public Virtual Worlds（如Google Earth等）已处于低谷期。&&& GIS技术近年来也取得长足发展，笔者抛砖引玉，于2009年9月试着绘制了几种GIS技术的光环曲线。图1&&Gartner于2009年8月发布的新兴技术的光环曲线&&& 组件式GIS、空间数据库技术、服务式GIS和云GIS都是GIS结合信息技术的产物。组件式GIS和空间数据库已经进入成熟期，经历了近十年的发展，这两种技术的热度已远不如2000年前后，当前已被广泛应用，成为一种普通的但成熟的GIS技术。随着SOA进入复苏期，基于该思想的服务式GIS（Service GIS）也由于越来越多应用实践的成功，逐步进入复苏期的早期阶段，在未来十年内，基于服务式GIS的应用开发将成为主流的GIS应用开发方式，基于服务式GIS的面向地理信息共享模式也将大行其道。随着云计算概念的热炒，云GIS概念已经萌芽，随后也将进入概念炒作阶段。&&& 二维GIS和三维GIS则是从计算机对真实世界表达方式的角度划分的两种GIS技术，也处于光环曲线中相去甚远的位置。历经了四十余年的发展，二维GIS技术早已进入了成熟期。由于二维GIS的成熟应用，以至于GIS已经突破最初的测绘和地学的行业范畴，发展成为跨行业通用的平台软件技术，广泛应用于政府信息化和企业信息化，并越来越多地涉足面向个人的信息服务领域。图2& 2009年9月主要GIS平台软件技术的光环曲线&&& 而三维GIS则逐渐迈入低谷期。2005年6月Google Earth软件推出，此后全球范围内掀起一股前所未有的三维热潮，尽管Google Earth主要面向个人市场和跨行业的简单的水平应用市场（该领域被Gartner称为Public Virtual Worlds），但在它的带动下，面向垂直行业应用开发的三维GIS也达到光环曲线的过热期顶点。而四年以后的今天，尽管大量三维GIS应用案例不断涌现，但部分应用单位开始对三维GIS的价值质疑，三维GIS的显现度有所下降，开始进入低谷期。三维GIS必须突破的瓶颈&&& &&& 按照正常的光环曲线，部分新技术会经过若干发展阶段，最终走向成熟应用；也有一些技术因为无法完善，最终被其他替代技术所淘汰，永远没有机会达到成熟应用阶段。即使未来能够成熟应用的技术，需要花多少时间从低谷期进入复苏期？又需要花多少时间从复苏期进入成熟期？这将取决于需求旺盛程度、技术完善速度和技术成本降低的速度。&&& 与二维GIS相比，三维GIS有其独特的优势。三维GIS因更接近于人的视觉习惯而更加真实，同时三维能提供更多信息，能表现更多的空间关系。无论单位用户还是个人用户，都对三维有迫切的需求。若技术完善和成本方面能得到突破，三维GIS必将走向成熟应用。那么，当前的三维GIS解决哪些问题，才能突破低谷期，加快进入复苏期，并最终进入成熟应用阶段呢？笔者认为，要加快三维GIS应用发展，需进一步降低三维数据获取成本和突破三维GIS软件技术。&&& 可接受的数据获取成本是三维GIS大范围推广应用的重要前提条件之一。三维数据采集的经济代价和时间代价一度很高，但近年来随着各种三维数据采集手段的快速发展，三维数据获取成本已经开始降低，周期也越来越短。在未来几年内，还要在保证一定的数据精细度前提下，继续降低三维数据获取成本。&&& GIS软件技术是影响三维GIS能否大范围深度应用的另一重要因素。当前的三维软件还不能充分满足GIS用户的需求。对GIS平台软件的需求可以分为从低到高的五个层次，即：数据获取/管理、可视化、查询、分析和建模。其中建模指的是分析模型，而不是三维数据模型。目前，二维GIS已经可以满足这五个层次的需求，但三维GIS则仅能满足前三个层次的需求，在后两个层次方面，具备一些能力，但整体上还不能满足。从这个意义上来讲，二维GIS虽然没有三维那样的视觉效果，但功能齐全，是“实力派”；三维可视化软件具有更佳的视觉效果，但功能尚不完整，是“偶像派”。图3& GIS应用功能需求层次&&& GIS应用开发商已经注意到这个问题，在三维GIS基础软件功能还不够完善的情况下，采用二维GIS平台和三维可视化软件相结合的方式开发应用系统，推进了三维GIS技术的应用深度。但是，拥有优秀可视化效果的三维软件的厂商往往缺乏强大、成熟的二维GIS软件，而主流的二维GIS平台厂商的三维软件却差强人意。应用开发商不得不整合分别来自不同厂商的二维GIS软件和三维软件，二者在数据模型、数据结构和系统架构上都不一致，以至于应用系统的二维和三维部分貌合神离，甚至同样的数据要在两种软件中分别存储一份，不仅增加了数据冗余，而且增加了数据更新维护的代价。从纸空间GIS到Realspace GIS&&& &&& 单独的三维GIS不能满足应用要求，尽管三维GIS有二维GIS不可比拟的优势，但在相当长时间内还无法完全替代二维GIS。此外，二维也有比三维更宏观、更抽象、更综合的优点，在部分应用中也需要忽略真实细节呈现关键信息，此时二维就可能比三维更合适。因此，发展二三维一体化的GIS软件，而不是独立的三维GIS，才是GIS软件未来的发展方向，也是三维GIS技术发展的出路。这样的GIS软件，无论称它为二维GIS软件或三维GIS软件都是不全面的，我们姑且把这种二三维一体化的GIS技术称之为Realspace GIS。图4& 三维GIS技术发展的出路&&& Realspace GIS是相对于Paper Space（纸空间）GIS而言的。所谓纸空间指投影以后的纸图坐标空间。相应地，纸空间GIS，指的是以投影后的纸图坐标空间为基础的GIS软件。地球不是平面的，在GIS出现之前，要在纸图上表达地图，就必须把球面或椭球面投影到平面上，因此纸图都采用了投影后的坐标空间。早期的地理信息数据来源于纸图数字化，因而二维GIS软件一开始就设计为基于纸图空间的，这个基础一直保持至今。&&& 由于投影之后的地图存在变形，影响地图上的各种量算的结果，地图学家们针对不同的应用发展了多种多样的投影，这些投影无疑增加了集成各种数据的难度，也增加了GIS软件的复杂程度。尽管GIS已经发展为IT中一种通用的技术，但不少非地学或测绘出身的使用者，对GIS软件中的投影感到十分困惑和难以掌握，投影的复杂性也一度影响了GIS在IT中的推广应用。&&& 纸空间GIS是为兼容纸图而设计的，而今大量的数据采集已经不是来自纸图数字化了，然而十分遗憾的是，发展了四十多年的GIS软件仍然在延续着纸空间的习惯。既然新产生的地理信息数据多数不再来源于纸图数字化，既然计算机软件的表达方式已经远远超越纸图的表达能力，那么二维GIS为何还要继续局限于纸空间的呢？&&& 所谓Realspace是指三维地理空间和基于地理球面或椭球面的二维地图空间。Realspace GIS指的是以三维地理空间和基于地理球面或椭球面二维地图空间为基础的GIS。Realspace GIS有以下几个特点：1）Realspace GIS不仅仅是三维的，而是二三维一体化的。Realspace GIS二三维一体化体现在：a）二维与三维在数据模型和数据结构上保持一致，所有的二维数据无须任何转换处理，可直接高性能地在三维场景中可视化。保证二三维场景的数据同步，不仅需要三维GIS兼容二维的数据结构，同时在GIS基础软件研发时，二维GIS软件底层数据结构也要做适当的调整以实现海量二维数据在三维场景中的高性能可视化。b）所有的二维GIS分析和处理功能，均可以在三维场景中直接操作和使用。2）Realspace GIS还要对已有的二维GIS进行必要的改造，而不仅仅是实现二维与三维软件的对接。如Realspace GIS可支持三维量算，也同时支持用于多种目的的更精准的二维GIS量算，如无须投影变换，同时精准量算距离、面积和方位角度；当GIS应用不涉及图纸输出时，复杂的投影不再重要，也不再是必须的。3）Realspace GIS支持用关系数据库一体化存储二维与三维数据，即空间数据库的一体化。4）Realspace GIS还应该提供逐步完善的高端三维分析功能。如三维体对象的布尔运算、三维的拓扑处理、三维空间关系查询、三维缓冲体分析、三维网络分析等等。5）未来的Realspace GIS还应实现地下、地表和地球上空（大气层）的三维一体化。6）Realspace GIS基于Realspace，但要兼容纸空间。而此前的纸空间GIS是以纸空间为基础，以三维可视化作补充，本末倒置，不利于进一步发展。&&& 另外，关于Realspace GIS还要避免几个误区：1）“Realspace GIS是一个单独的产品”。Realspace GIS不是单独的产品，而是一个技术体系，是一种在桌面GIS、组件式GIS和服务式GIS等多种产品形态中都存在的技术体系，设计成独立的产品是不合适的。2）“Realspace GIS的空间是绝对真实的空间”。Realspace GIS中的Realspace是相对的，并非绝对真实的空间，无论是基于球还是椭球，都是接近于真实空间的一种模拟空间，但比纸空间更接近于真实的空间。3）“Realspace GIS一诞生便可解决所有问题”。Realspace GIS技术的发展和完善还需要几年时间，但仍然不宜一开始就对Realspace GIS抱有完美表现的过度期望，否则很容易跌入Realspace GIS的低谷期。早期的Realspace GIS产品或许在可视化效果方面不能立即赶上现有的虚拟现实软件或三维软件，三维分析功能也不完备，但由于拥有Realspace GIS的技术架构，可实现三维GIS面向管理服务的深入应用。&&& Realspace GIS可促进突破当前三维仅仅满足于以可视化为主的浅层应用需求的困境，实现三维GIS技术的深度广泛应用，推动三维GIS技术快速进入光环曲线复苏期，并最终走向成熟。超图的Realspace GIS实践&&& 2006年，超图启动了新一代具有自主创新内核的、与二维一体化的、面向管理的三维GIS平台软件研发，并计划将该技术集成到SuperMap GIS 6R中发布。在规划产品时，我们认为不应该研发独立的三维软件，三维技术应该是一种与二维一体化的技术，在服务式GIS、组件式GIS和桌面GIS等多种GIS软件形态中都存在，只有这样才能实现“实力派”与“偶像派”的真正统一，才能满足二维与三维一体化的应用需求。这样一体化的软件称其为二维GIS或三维GIS都是不全面的，于是针对纸空间提出了Realspace，进而提出Realspace GIS技术的命名。也就是SuperMap GIS 6R中的“R”。&&& SuperMap GIS 6R将二三维有机地结合起来，实现二维与三维数据管理的一体化，解决了以往两套系统、两套数据的缺陷，降低了系统的成本和复杂度；采用同样的符号库、填充库、线型库，实现了符号的一体化，降低了符号管理的复杂度；采用同一套编辑体系，实现了联动编辑和编辑的一体化；采用统一的空间查询和分析模块，实现查询和分析的一体化，除提供了通视分析、淹没分析、三维量算等三维分析方法外，还在三维场景中直接集成二维分析功能，如缓冲区分析、叠加分析、网络分析和专题图分析等；采用统一的工作空间、图层、图例管理、专题图构建方式，实现表现方式的一体化。&&& SuperMap GIS 6R的Realspace GIS技术已经在部分项目中得到应用实践。由国土资源部第二次全国土地调查办负责组织实施、由北京中天博地科技有限公司基于SuperMap GIS和大型关系数据库建成的全国“一张图”本地数据库中，空间数据达到45TB，其二维版系统于2009年1月通过专家验收。在后续三维版本应用系统开发试验时，无须重新处理原有建成的45TB海量二维空间数据库，直接将基于SuperMap SDX+空间数据库技术管理的海量影像和矢量数据在三维场景中可视化。若没有二三维一体化技术，在已建成二维空间数据库后还要经过处理重新制作一份用于三维可视化的二维数据，需要多占用庞大的冗余存储空间和几个月的数据处理时间，不可能在短时间内完成开发工作。&&& 除此以外，Realspace还在房产管理和应急指挥等领域建立了应用案例。这些应用案例仅体现了Realspace GIS的一部分价值，随着SuperMap GIS 6R的发布和应用推广，更多的应用价值会逐步体现出来。SuperMap GIS三大技术体系&&& 自此，SuperMap建成了GIS平台软件的三大技术体系，并将三大技术体系溶入全新的GIS平台软件产品系列――SuperMap GIS 6R。图5& SuperMap GIS三大技术体系&&& 二维与三维一体化的Realspace GIS技术体系：保证二维与三维GIS技术的无缝融合，包括：二维与三维在数据模型、数据存储方案、数据管理、可视化和分析功能的一体化，提供海量二维数据直接在三维场景中的高性能可视化、二维分析功能在三维场景中的直接操作和越来越丰富的三维分析功能。&&&& 面向服务的Service GIS技术体系：是一种面向服务体系架构（SOA）的GIS技术体系，它以规范的Web Service接口提供GIS的全部功能，并以服务聚合专利技术实现多级嵌套服务聚合。Service GIS方便构建基于SOA思想的应用系统，创新了面向服务的地理信息共享应用模式，不仅可实现异构GIS平台之间的数据共享，还可实现GIS功能共享。&&&& 高性能跨平台的Universal GIS技术体系：是一种高性能、跨操作系统的GIS技术架构体系。基于标准C++完全重构了GIS的功能内核开发GIS系列平台软件，支持在Unix、Linux和Windows等多种操作系统上高性能运行，基于该技术体系的Service GIS和Web GIS平台支持IBM、HP等高端Unix/Linux服务器，为高端用户和大规模计算用户提供专享的GIS 平台支撑。结语&&& 总的来说，Realspace GIS是解决三维GIS技术无法满足深度应用的瓶颈之道。随着该软件技术的日趋成熟，以及三维数据采集成本不断下降，三维GIS技术将在未来2~3年内进入复苏期，最终发展为可成熟应用的技术，届时，三维GIS概念将不再炙手可热。另外，可以预见，接下来云计算将在GIS业界快速升温，进入热炒阶段。相关链接：
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技术支持与客户监督热线：400-三维GIS的研究方向
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三维GIS的研究方向
提 要 本文回顾与评述了三维GIS的相关发展情况，探讨了三维GIS的有关基本问题，如数据获取、大数据量存贮与处理、三维空间分析，同时指出科学计算可视化、数据库系统管理、数字影象处理等技术的成熟和二维GIS长期发展提供的理论实践经验等为三维GIS的发展提供了良好的基础。最后为三维GIS实际系统的开发提出了几个值得注意的要点。关键词 三维GIS 基本问题 数据结构0.引言 二维GIS始于二十世纪六十年代的机助制图，今天已深入到社会的各行各业中，如土地管理、电力、电信、城市管网、水利、消防、交通以及城市规划等。但二维GIS存在着自身难以克服的缺限，本质上是基于抽象符号的系统，不能给人以自然界的本原感受。随着应用的深入，第三维的高程信息显得越来越重要。一些二维GIS和图象处理系统现已能处理高程信息，但它们并未将高程变量作为独立的变量来处理，只将其作为附属的属性变量对待，能够表达出表面起伏的地形，但地形下面的信息却不具有，因此它们在国际国内也被俗称为2.5维的系统。考虑到2.5维这一概念并不严密，作者称之为“地形面三维”或简称面三维。我们认为，面三维的GIS本质上仍然是二维GIS系统。 二维GIS只能处理平面X、Y轴向上的信息，不能处理铅垂方向Z轴上的信息。它在表达上通常是将Z值投影到二维平面上进行处理，因此对于同一（x, y）位置的多个Z值不能表达。 地形面三维的表达将Z值投影到一个模型上，显示时X、Y、Z三个轴均被显示，其模仿人类从某点观察的视觉，使三维对象看起来象真正的三维对象一样。但是面三维技术有两个明显的缺点：①它表达的对象内部是空的，不具备应有的信息；②虽然它能表现邻近的多个表面，但对于表面交叉的情况，则难以进行交叉表达和管理。只有将这类现象置于真正的三维空间中考虑，才能灵活高效地处理各种三维问题，如三维内部属性和拓扑关系，三维空间索引和管理等。这是三维空间表达与二维GIS、地形面三维表达的本质区别之一。 三维空间表达考虑多个Z值的出现，将多个（X, Y, Z）观测点结构化为实体域，这种处理是对人类居住空间的较为接近的近视[1]。1.三维GIS发展评述 世界的本原是处在三维空间中的，二维GIS将现实世界简化为平面上二维投影的概念模型注定了它在描述三维空间现象上的无能为力，克服这一缺陷迫切需要真正的基于三维空间的GIS的问世。因此在过去的一段时间里，人们很早就开始了三维GIS理论和实际系统方面的探索，同时遇到了不少困难。下面对此展开讨论。1.1 三维GIS的研发思路与相关软件发展情况 随着GIS应用的深入，人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。在应用要求较为强烈的部门如采矿、地质、石油等领域已率先发展专用的具有部分功能的三维GIS，如加拿大LYNX Geosystems公司的LYNX软件，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。这是由当时的应用要求、数据获取手段及相关的计算机技术发展条件决定的。 由于二维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，三维GIS的大力研究和加速发展现已成为可能。(1) 三维GIS研发思路 当前研究和开发三维GIS的思路可归纳为两种： ● 由于三维GIS首先要将地理数据变为可见的地理信息，因此人们一方面从三维可视化领域向三维GIS系统扩展，这一点同早期的二维GIS来源于计算机制图管理一样，是从可视化角度出发的[2][3][4]。 ● 另一方面，GIS需要存储和管理大量的空间信息和属性信息，因此另一部分人从数据库的角度出发向三维GIS发展，从商用数据库向非标准应用领域扩展，将三维空间信息的管理融入RDBMS中，或是从底层开发全新的面向空间的OODBMS, 如GODOT[5]，GeoO2[6]，GEO++[7]，SmallWorld GIS。一个新的发展方向是将三维可视化与三维空间对象管理藕合起来，形成集成系统。（2）三维GIS相关软件发展概况 但是迄今为止，目前国际国内还没有一个成熟完整的三维GIS系统，与三维GIS相关的系统大多集中在三维可视化方面，如EVS，Vis5D，Voxel，医学可视化及各种CAD软件等，也有一些三维系统部分实现三维GIS的功能，比较有名的软件有：LYNX， IVM（Interactive Volume Modeling）， GOCAD， I/EMS，SGM等[8][9]。1.2 三维GIS数据模型和数据结构 上述软件的共同缺点是仅重视表达三维对象本身，对各对象间关系的表达没有足够的重视，因此管理大批量三维空间对象的能力较弱，也不能做一些GIS需要的空间分析。LYNX软件能够处理和表达三维地质数据，但它们不容易在其它领域推广使用，MGE系统有一些简单的三维模块，但也远不能满足三维GIS应有的要求。总起来说，这些软件在构造、表达三维对象上具有较强的能力，但管理和分析能力较弱。作者认为出现这种情况的一个主要原因是三维空间数据模型理论和技术的不成熟，另外空间数据库技术也正处于发展中，不象RDBMS那样具有成熟的理论和技术，因此导致了三维空间建模能力的薄弱。为此，许多学者和研究人员在这方面作出了很多努力[10]~[27]，但仍然没有形成完整的三维GIS理论和开发出成熟的三维GIS系统。 在完整的三维GIS系统研究和开发方面，BREUNIG曾经进行过较为系统的研究与实践[28]。他为三维GIS提出了一个空间信息集成模型，该模型以所谓的扩展复杂要素（e-complex）为内核，表达三维空间地学对象的几何性质，度量属性及对象间的复杂拓扑关系。以此为基础，他又进一步定义了拓扑操作，并将各种e-complex对象融入地学建模和管理的模型框架中，最后给出了一个地质应用的例子。该模型是以矢量模型为基础，对象及对象间的拓扑关系表达较为精确，但各种操作复杂费时，空间分析不易。 国内李清泉也做过较为系统的三维GIS研究[9]。他以八叉树和不规则四面体为基础提出了三维GIS的混合数据模型。以栅格结构的八叉树作为对象描述的总体框架，控制对象空间的宏观分布，以矢量结构的不规则四面体描述变化剧烈的局部区域，较为精确地表达细碎部分，并将这两种模型进行有机地结合。这种混合模型是一种矢量栅格三维结合的有益尝试，在一些情况下比较合适，但还需要其它表达模型的补充，以提高表达、访问和操作的效率。 作者认为，由于地学对象赋存形态各异，千变万化，各种模型又都有其优缺点，因此为三维GIS表达和分析服务的各种数据模型和数据结构设计，应当针对不同的数据获取方式、地学对象本身的大致形态和主要的应用目的设计不同的数据模型与结构[29]。以此将各种模型的长处充分发挥，进一步提高三维GIS表达和分析的效率。1.3 三维空间分析 在三维空间分析方面做得较多的是计算机图形学领域里的工作者，但他们的工作往往偏重于几何图形与算法性能，例如边界追踪检测[30]~[32]、邻居寻找[33][34]，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[35]，但其算法较为复杂。作者曾提出过结构较为简单的邻域寻找算法[36]，能在线性四叉树和线性八叉树中直接确定单元的邻居。三维空间分析中还有很多研究工作要做，例如三维拓扑关系的描述与构造，三维查询与统计分析等，有待于进一步的研究。2.三维GIS的定义、特点及功能2.1 三维GIS的定义 从不同的角度出发，GIS有三种定义：①基于工具箱的定义，认为GIS是一个从现实世界采集、存贮、转换、显示空间数据的工具集合；②数据库定义，认为GIS是一个数据库系统，在数据库里的大多数数据能被索引和操作，以回答各种各样的问题；③基于组织机构的定义，认为GIS是一个功能集合，能够存贮、检索、操作和显示地理数据，是一个集数据库、专家和持续经济支持的机构团体和组织结构，提供解决环境问题的各种决策支持。基于工具箱的定义强调对地理数据的各种操作，基于数据库的定义强调用来处理空间数据的数据组织的差异，而基于组织的定义强调机构和人在处理空间信息上的作用，而不是他们需要的工具的作用。 TURNER认为“Geographical Information System”主要用来区分纯粹的二维GIS与三维GIS[2]，为强调在三维任务如地质或地貌应用上的扩展，人们创造了术语“Geoscientific Information System”(GSIS)[28]。后来这个词被修改为一个缩写形式“Geo-Information System”(GIS)[24][28]。为区分三维GIS与现今世界上比较成熟的流行的各种二维商业GIS，这里倾向于BREUNIG的观点[28]，用GIS指代“Geo-Information System”，认为三维GIS是布满整个三维空间的GIS，与传统的基于平面的二维GIS或2.5维GIS明显不同，尤其体现在空间位置与拓扑关系的描述及空间分析的伸展方向上。 三维GIS加上时间维方面的处理即为四维GIS。2.2 三维GIS的特点 在三维GIS中，空间目标通过X、Y、Z三个坐标轴来定义，它与二维GIS中定义在二维平面上的目标具有完全不同的性质。在目前二维GIS中已存在的0，1，2维空间要素必须进行三维扩展，在几何表示中增加三维信息，同时增加三维要素来表示体目标[9]。空间目标通过三维坐标定义使得空间关系也不同于二维GIS，其复杂程度更高。二维GIS对于平面空间的有限-互斥-完整划分是基于面的划分，三维GIS对于三维空间的有限-互斥-完整划分则是基于体的划分，因而，通过分析基于（单一）体划分的三维矢量结构GIS几何成分之间的拓扑关系，李青元提出五组简化的拓扑关系[37]。三维GIS的可视表现也比二维GIS复杂得多，以致于出现了专门的三维可视化理论、算法和系统。 总起来说，与二维GIS相比，三维GIS对客观世界的表达能给人以更真实的感受，它以立体造型技术给用户展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系；另外对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维GIS特有的功能。而与CAD及各种科学计算可视化软件相比，它具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分析的能力。三维空间数据库是三维GIS的核心，三维空间分析则是其独有的能力。与功能增强相对应的是，三维GIS的理论研究和系统建设工作比二维GIS也更加复杂。2.3 三维GIS的功能 RHIND基于二维GIS的发展状况提出了三维GIS可能包括的十项功能：数据采集和检验有效性；数据结构化和转化为新的结构（包括创建拓扑关系和从一种拓扑关系转化为另一种拓扑关系）；各种变化（平移、旋转、比例、剪切（shear））；选择；布尔操作（交、并差、或及切割断面、开隧道（tunneling）、建筑building）；计算（体积、表面积、中心、距离、方向）；分析；可视化；系统管理[23]。KELK为三维地学模拟提出过14项功能[24]：1）从其它系统中引进数据和部分分析功能；2）保存和操作真三维坐标数据；3）无原始坐标信息损失地变化方向；4）保存和显示地理对象内部组分的信息；5）能够方便地进行交互式修改，可针对地理对象及其数据库；6）允许满足不同数据模型要求的模型重建；7）将断层等特征作为事件考虑，允许它们影响地学对象；8）处理大的比例尺差异；9）处理内部流体运动和其它时间方面的事件；10）和其它定量公式交互；11）允许局部细节和更广的软中心（soft-focus）图片显示；12）视觉上使用户满意；13）分析各种建模趋势、模式及与其它GIS模块的联系；14）在主要的数据库中存贮模型和导出报表。 BREUNIG从空间信息集成的角度为三维GIS的发展提出了三项必备的功能：1）复杂地学对象的管理和处理；2）能够对由各种空间对象表达形式表示的地学复杂对象进行有效的空间存取；3）能够对各种空间对象进行有效的空间操作[28]。ALEXANDER和SIGRID在城市三维GIS的设计者中提到了三维城市GIS应该具备的另两项功能：1）应能受益于现代数据获取方法的进步；2）三维城市GIS应面向未来的技术[38]。三维GIS 也必须解决一些传统问题：不确定性；误差定位和消除；处理数据模型的不连续；处理时态数据；处理在不同数据结构中的不同类型和不同比例尺数据[18]。作者认为，三维GIS除了具备二维GIS的传统功能以外,还应该具有如下独有的功能: ● 包容一维、二维对象 三维GIS不仅要表达三维对象,而且要研究一维、二维对象在三维空间中的表达。三维空间中的一维、二维对象与传统GIS的二维空间中的一维、二维对象在表达上是不一样的。传统的二维GIS将一维、二维对象垂直投影到二维平面上，存储它们投影结果的几何形态与相互间的位置关系。而三维GIS将一维、二维对象置于三维立体空间中考虑，存储的是它们真实的几何位置与空间拓扑关系，这样表达的结果就能区分出一维、二维对象在垂直方向上的变化。二维GIS也能通过附加属性信息等方式体现这种变化，但存储、管理的效率就显得较低，输出的结果也不直观。 ● 可视化2.5维、三维对象 三维GIS的首要特色是要能对2.5维、三维对象进行可视化表现。在建立和维护三维GIS的各个阶段中，不论是对三维对象的输入、编辑、存储、管理，还是对它们进行空间操作与分析或是输出结果，只要涉及到三维对象，就存在三维可视化问题。三维对象的几何建模与可视表达在三维GIS建设的整个过程中都是需要的，这是三维GIS的一项基本功能。 ● 三维空间DBMS管理 三维GIS的核心是三维空间数据库。三维空间数据库对空间对象的存储与管理使得三维GIS既不同于CAD、商用数据库与科学计算可视化，也不同于传统的二维GIS。它可能由扩展的关系数据库系统也可能由面向对象的空间数据库系统存储管理三维空间对象。 ●三维空间分析 在二维GIS中，空间分析是GIS区别于三维CAD与科学计算可视化的特有功能，在三维GIS中也同样如此。空间分析三维化，也就是在直接在三维空间中进行空间操作与分析，连同上文述及的对空间对象进行三维表达与管理，使得三维GIS明显不同于二维GIS，同时在功能上也更加强大。 ● 应能及时受益于现代数据获取方法的进展和大数据量处理技术的发展 目前，由于科技水平的限制，人类获取地学三维数据的能力的弱小是阻碍三维GIS迅速发展的一个重要原因。一旦三维地学数据变得象遥感数据获取那样及时、广泛与普及，三维GIS将会有更迅猛的发展。因此现时的三维GIS设计与开发应充分考虑未来三维地学数据获取能力的提高，以便及时受益于现代数据获取方法的进步。另外，三维GIS要处理的数据量往往很大，计算机软硬件技术的飞速发展无疑能提高三维GIS的性能，这一点也是三维GIS设计必须要考虑的。总起来说，三维GIS应该留有易于扩展的接口，具有及时吸收外部先进技术的功能。
3.三维GIS发展面临的有利因素与困难3.1 三维GIS当前面临的有利因素 三维GIS 现在正面临着有利的发展时机,这表现在如下几个方面： ● 在二维 GIS领域已经具备比较成熟的理论和技术,例如在数据获取、处理、管理、输出，数据模型与数据结构等方面有很多较为成熟的理论和方法。在实践上已有几十年的发展经验，被广泛应用于各个部门和领域。这是众所周知的。二维GIS方面的很多理论、技术和经验都能为三维GIS借鉴。 ● 三维可视化技术在生物、医学、地质、大气等领域已有很多成功的应用。三维GIS与二维GIS的一个重要不同之处在于它有一个三维对象的视觉表现问题，这也是它的一个基本要求，现在成熟的科学计算可视化技术已经为这一要求打下了较为坚实的理论技术基础。三维GIS工作者要做的是对各种地学对象的本质特征进行分析，找出它们与其它领域对象的不同点，进行合适的概念建模和几何建模，利用相应的三维可视化技术对之进行视觉表现。 ● 在数据存储工具方面，关系数据库已有较成熟的理论技术和广泛的应用，为支持空间数据管理的扩展关系数据库系统和面向对象的空间数据库系统已经研制出来并已商业化，目前还在进一步完善。例如，现在的流行关系数据库系统基本上都支持空间数据的存储，支持变长记录，因此它们也都是扩展的关系数据库系统。面向对象的数据库系统有：GEO++[7], SmallWorld, GeO2[6]和GODOT[5]等。3.2 三维GIS当前面临的困难 上述已有的研究成果只是三维GIS领域的一部分，由于三维GIS涉及的专业领域很广，随着应用的深入，它还有很多问题需要解决。KELK曾经描述过三维地学模拟面临的问题：复杂的空间关系；不容易找到象医学领域那样易于“解剖”的地学对象；稀疏的、随机的不充足的采样数据；来自于遥感的预示性或模糊性数据的比例尺太小；充足采样数据的获得需要昂贵的代价；岩石块内岩性变化较大；时间和地质过程的动态本质[24]。根据已有的知识和经验，作者认为当前三维GIS发展需要解决如下关键问题：（1） 三维数据实时廉价获取 KELK曾把三维地学数据获取作为几个主要的困难之一，“一般情况下只有很不完整的，有时是相互冲突的信息可以获取……”，“经济条件不允许为解决不确定性而进行的充足采样”[24]。地学三维表达与分析和医学可视化有很多相似的地方，但医学可视化在实际应用中比较成功，而地学可视化却显得困难。其中一个重要的原因是地学三维数据采样率很低，难以准确地表达地学对象的真实状况。另一个原因是医学领域的研究者对他们研究中期望看见的对象一般都有较为准确的印象模式，而地学领域的研究者因为地学对象的复杂变化性不能准确地确定研究对象的各种属性[2][24]。正因为地学对象在自然界的纷繁复杂，使得此一地的经验模型不能移植到另一地的地学研究对象中，因此三维数据实时获取在地学领域显得尤为重要。（2） 大数据量的存储与快速处理 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。（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。虽然有很多人展开过相关方面的研究与开发（如前所述），但还没有形成能为大多数人所接受的统一理论与模式，有待于进一步研究与完善。（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。其中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[1]。因此，研究开发GIS的基本空间分析及将各领域的专家知识入嵌入GIS中，是三维GIS发展的一个重要方面。4.当前三维GIS研发的几个注意点 从前面关于三维GIS的发展、定义、特点、功能、面临的机遇与困难，结合当今GIS建设的情况，我们得到当前三维GIS研发应该注意的几个方面。(1) 目前应以开发二维为主、三维为辅的混合型GIS为主要目标，不宜单纯开发三维GIS。原因有二：1）需求上的决定。在当前GIS产业界，二维GIS已经能够满足大部分实际需求，对三维GIS的需求仍然只占少部分。2）技术上的限制。正如前文所阐述的，当前在三维数据获取、大数据量处理与存储、三维可视化、三维空间分析方面还不能以较好的性价比满足大规模商业应用的需要。如果完全采用三维GIS，势必将花费高昂的系统建设费用，在二维GIS能够满足需要的情况下，用户没有必要去一味追求高性能。当然，这里并不排除部分单位研制完全的三维GIS以满足一些行业的特定需要，如军事、采矿、石油勘探、地质结构研究等工作。 在具体实现时，建议在一般情况下进行二维显示与分析，当有特殊需要时可以调出三维结构作相应处理。(2) 在数据结构上要以边界表达法（BR）为主。不要认为三维GIS一定要进行三维空间分析，事实上虽然三维空间分析是三维GIS的特色，但实际需求仍然以三维可视化和数据管理为主，因此在三维GIS系统中要以矢量结构为主体数据结构，而在需要时转换为栅格结构。当然，这与研究基于3D栅格框架的三维集成数据结构并不矛盾，相反，集成数据结构反而为矢量栅格的快速转换提供了便捷的通道。(3) 对于需要进行三维空间分析的地方，需要专门研究支持快速分析的数据结构与空间分析算法。作者曾经在这些方面做过一些探讨，如集成矢量与栅格特征的四层矢量化八叉树结构[39]、基于该数据结构的空间数据模型与空间分析等[40]。(4) 城市三维现在已成为当前三维ＧＩＳ中研究与开发的一个重要方面。信息化目前正成为社会发展的主流，城市作为信息存在与传播的主体，理所当然地也成为三维GIS表达的一个重要对象。国内外已有人作出了较好的探索[38][41][42]，但在实际系统的开发与应用上还需要加大力度。
本文根据作者多年研究开发三维GIS的经验体会，回顾评述了三维GIS的特点与相关软件发展情况，同时指出三维GIS的发展一方面面临着完整的三维数据模型和数据结构的缺乏，数据获取及大数据量存贮和处理上的困难，三维空间分析能力薄弱等困难，另一方面又面临着科学计算可视化理论技术、数据库系统管理技术、数字影象处理技术和二维GIS长期发展提供的理论实践经验等有利因素。文章最后也为三维GIS实际系统的开发提出了几个值得注意的要点。1.Raper J. F., Key 3D Modelling Concepts for Geoscientific Analysis[A], In: Turner A. K. (ed), Three-Dimensional Modeling with Geoscientific Information Systems[M], NATO ASI 354, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 22.Turner A. K., Three-Dimensional Modeling with Geoscientific Information Systems [M], 1992, NATO ASI 354, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht3.Mallet J. L, GOCAD: a computer aided design program for geological applications [A]. In: Turner A. K. (ed), Three-Dimensional Modeling with Geoscientific Information Systems[M], NATO ASI 354, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 24.Pflug R., Klein H., Ramshorn C. 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At last, four important points about 3D GIS software development are presented in this paper: ① At present 2D data model and structure is still one basis of GIS software, and 3D data structure is onl ② Boundary Representation must be used as one primary method in 3D modeling, Raster structure and integrated or hybrid Vector-raster structure can only ③ Some special data structure and spatial algorithm need to be researched to support efficient 3D ④ 3D city modeling is becoming one more and more important aspect of 3D GIS research and development. Keywords 3D GIS Basic problems Data structure
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