淺談三維GIS的問題和發展趨勢

趙琪+葉勇超

摘要：三維GIS的相關研究已成為GIS未來重要的發展趨勢。本文簡單闡述了三維GIS的定義和特點，并對其發展的主要問題和需求進行了分析，在此基礎上提出了未來發展的展望。/

關鍵詞：三維GIS空間數據地理信息

引言：

隨著GIS應用的發展，人們越來越多地要求從三維空間來處理問題，傳統的二維GIS應用已經無法滿足現代產業的需求。特別是在對GIS要求較高的部門如采礦、地質、石油、水利、城市規劃等領域迫切的需要三維GIS的應用，雖然現在這部門已率先發展專用的具有部分功能的三維GIS，但由于它們一般是針對自己的領域開發的，沒有從理論上加以系統完整的研究，沒有面向通用平臺進行設計，因此具有較強的局限性。再加上隨著二維GIS數據模型與數據結構理論和技術的成熟，圖形學理論、數據庫理論技術及其它相關計算機技術的進一步發展，加上應用需求的強烈推動了三維GIS的大力研究和加速發展現已成為可能。并且成為了GIS未來重要的發展趨勢。

1、三維GIS的簡介

三維GIS起源于二維GIS，是計算機圖形學、虛擬現實技術、地理信息系統技術發展到一定階段的產物。主要包括以下三個方面的內容

1.1三維空間數據獲取

對于三維空間數據獲取，目前主要存在以下幾種方式：地圖掃描數字化、攝影測量、遙感等。攝影測量技術利用人工和自動化技術，由數字影像經過各種數字攝影測量出來生成各種數字和模擬的地圖產品，已經成為三維GIS主要的數據來源。遙感技術由于其可以快速實時，全天候地監測和獲取遙感影像，是三維空間信息最有效和最方便的數據源，極大地促進了三維GIS的發展。不僅如此，空天地一體化對地觀測傳感網，可以從異構式傳感器獲取多尺度大范圍的傳感器數據，為實現真正的三維可視化提供了可能。

1.2三維GIS空間數據模型

三維GIS的空間數據模型需要滿足以下要求：明確對象的定義語言，幾何變化關系；可以包括多種可視化模型的顯示；具有一定的計算分析能力；形成高效的信息檢索機制；并可與其他模型進行轉換[4]。已有的數據模型主要是從面、體、集成和對象四個方面進行描述和分析。但現在的三維數據模型缺少統一的數據描述模型，無法真正實現現實世界地理實體三維數據模型的高度統一。

1.3三維空間分析

三維空間分析在計算機圖形學領域做得較多，但往往偏重于幾何圖形與算法性能，例如邊界追蹤檢測、鄰居尋找，很少考慮為地學目的服務的分析.地學領域曾有人在三維地質表面模擬中提出過三維邊界搜索算法，但其算法較為復雜。三維空間分析中還有很多問題需要研究，例如三維拓撲關系的描述與構造，三維查詢與統計分析等.

2、三維GIS面臨的挑戰

三維GIS不僅僅只有某一種技術支持，是多種技術的協同支撐，因此面臨著很多的挑戰：

2.1三維數據實時獲取

實現三維GIS表達非常困難，由于三維GIS數據采樣率很低，無法像二維地圖那樣準確的描述，容易出現偏差。同時，三維GIS的屬性對于二維來說并不是線性增長的，且其復雜性使得幾乎無法準確描述。因此，二維的數據模型在三維GIS中是不可用的，這時三維數據實時獲取就尤為關鍵。

2.2三維GIS中大量數據的存儲與快速處理

在三維GIS中，無論是基于矢量結構還是基于柵格結構，對于不規則地學對象的精確表達都會遇到大數據量的存儲與處理問題.除了在硬件上靠計算機廠商生產大容量存儲設備和快速處理器外，還應該研究軟件方面的算法以提高效率，例如針對不同條件的各種高效數據模型設計、并行處理算法、小波壓縮算法及在壓縮狀態下的直接處理分析等.

2.3完整的三維空間數據模型與數據結構

三維空間數據庫是三維GIS的核心，它直接關系到數據的輸入、存儲、處理、分析和輸出等GIS的各個環節，它的好壞直接影響著整個GIS的性能。而三維空間數據模型是人們對客觀世界的理解和抽象，是建立三維空間數據庫的理論基礎。三維空間數據結構是三維空間數據模型的具體實現，是客觀對象在計算機中的底層表達，是對客觀對象進行可視表現的基礎。

2.4三維空間分析方法的開發

空間分析能力在二維GIS中就比較薄弱，目前大多數的GIS都不能做到決策層次上來，只能作為一個大的空間數據庫，滿足簡單的編輯、管理、查詢和顯示要求，不能為決策者直接提供決策方案.很大一個原因就是在現有的GIS中，空間分析的種類及數量都很少.在三維GIS中，同樣面臨著這個問題.因此，研究開發GIS的基本空間分析及將各領域的專家知識嵌入GIS中，是三維GIS發展的一個重要方面.

3、三維GIS的發展趨勢

隨著計算機科學技術的發展和GIS應用的不斷深入，在很多領域如地質、礦山、環境、海洋、氣象、數字城市等，二維地理信息系統已不能滿足人們的需求，取而代之的是空間的、立體的三維GIS。但是目前，真正的3DGIS軟件還較少，現有的軟件也只能完成顯示和進行簡單的分析。但是隨著存儲器容量的增加，CPU功能的增強，顯示設備的改進，三維GIS數據的分析和處理將有進一步增強。各個國家都在強化空間數據標準，這將迫使GIS軟件廠商支持這些國家標準，并開始增加空間數據描述信息的處理功能。隨著3DGIS的發展，將會出4DGIS，即在三維的基礎上加上時間序列。例如地質學家想對某一時刻的所有地質條件或某一時間段內的平均地質條件進行評價，他們想獲得“a時刻的值”或“從時間b到時間c這段時間內的值”。大部分地質特征和條件的變化是緩慢的，但并不都如此。例如水災、地震、暴風雨以及滑坡等都會使局部地質條件發生快速而巨大的變化。為充分滿足需要，這種時間數據獲取能力應該與3D模型相結合。地質學家對4D（立體3D加上時間第4D）的空間-時間模型尤感興趣。這些問題的徹底解決，則需要在三維GIS技術成熟之后，再發展成為四維GIS。隨著計算機與空間技術的進步與發展，GIS將由各自分開獨立的系統走向兼容與集成；從二維走向三維和四維，從單機走向網絡，并最終走向社會。

4、結論

三維GIS優勢在于對空間信息更加形象生動的表現形式，其目的是使用戶更容易完成對空間信息的認知。三維GIS涉及到很多支撐技術和研究領域，重點在于空間數據的分析處理。目前準三維平臺一樣在發揮強大的作用，支持專業的應用。三維GIS開始向空間決策支持系統方向發展，對智慧城市中的主動聚焦決策服務提供強大的技術支持。

參考文獻：

[1]劉陵，方軍，陳利生等.三維GIS的研究現狀及其發展趨勢[J].礦山測量，2011，4（2）：71～75

[2]朱慶.3維GIS技術進展[J].地理信息世界，2011，2：25～33

[3]陶瓊，朱大明.三維GIS的發展趨勢與建模分析[J].地礦測繪，2008，24（4）：35～37

作者簡介：

趙琪（1996.11.02-）男，漢，身份證號：142726199611021237本科生，山西省運城市，研究方向：地理信息科學.

葉勇超（1994.7.20-）男，漢族，身份證號：412727199407206519，本科生，河南省周口市，研究方向：地理信息科學endprint