三维GIS技术的发展趋势和展望

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1、1三维三维 GIS 技术的发展趋势和展望技术的发展趋势和展望朱 庆一、地球空间信息的三维表示是永恒的主题五十年前，地理信息系统（GIS）的出现为我们充分利用计算机来模拟现实世界打开了一扇大门，人类关于现实世界的认识和工作的方式因此发生了巨大的变化：GIS 让我们可更好地理解世上的各种事物及其相互关系、存在模式和发展过程，并为我们的日常工作和生活提供了一条更加科学的途径。然而，GIS 至今仍然主要用于处理地形表面上的数据（如等高线，土地利用，道路网络等） ，地上（建筑物，立交桥，电力线，树木等）或地下（管线，构筑物等）的数据也通常要投影到地形表面上。由于 GIS 处理的空间数据源自传统的二维地图

2、，主要是以二维平面坐标（X,Y）表示的地理位置与格局及其关联的各种属性，因此 GIS长期以来也被认为是二维的。GIS 这种二维表示的局限（经过投影、抽象和综合）已越来越难以满足人们对三维世界快速准确理解的需要。GIS 首先引入数字高程模型（DEM） ，突破了二维平面的限制，透视地表示三维地形起伏，加上数字正射影像（DOM）则有了更加直观的地形景观，各种地物被投影到一个有起伏的地形表面而不再是平面上，但各种地物仍然没有呈现出现实世界中同样的三维立体分布，这种 GIS 因此也被称为是二维半的。随着地球空间信息技术的进步和社会发展的需求，人们对现实世界的三维 GIS 表示（以三维坐标（X,Y,Z）表

3、示的空间位置、格局与形态结构及其关联的各种属性）的渴求日益强烈：Google Earth 之类的“数字地球”让人们真正看到了一个计算机里“立体化” 、 “逼真化”的世界，并从此改变了人们跟信息交互的方式（Nature杂志 2006 年 2 月 16 日“The web-wide world”一文） 。三维 GIS 概念成为当今业界最热门的话题。遗憾的是，在大众消费领域盛行的商业模式却被过渡炒作，并蔓延到专业 GIS 领域。如果说三维 GIS 从 1998 年的“数字地球”概念炒作开始，2005 年相继出现 Google Earth 和 Virtual Earth 而到达热捧的顶峰，越来越多的行

4、业和地方兴起建立“吸引眼球”的三维可视化系统，五花八门的三维可视化软件应运而生，甚至许多 GIS 业界的专业人士都认为这就是三维 GIS 的未来。随着对三维 GIS 技术大量不切实际的期望破灭，人们不得不冷静下来认真思考三维 GIS 技术的优势和局限，以及其成熟度，并重新回到可持续的发展轨道。2我国政府高度重视发展三维 GIS 技术的战略意义，在“十一五”863 计划重点项目中启动了“地理空间的三维建模和分析软件及其应用示范”研究，有力地促进了自主知识产权的三维 GIS 实现自主创新和跨越式发展。 “分布式多维时空数据集成与工程应用软件”还被列为“十二五”期间新一代地理信息系统核心技术与平台软

5、件的重要研究内容。二、三维 GIS 的的概念内涵这里的三维GIS概念意在强调地上下室内外三维空间实体的集成表示，既有自然的地形地貌和地表的各种人工建筑物，还有地下的地质结构和各种工程设施与建筑物，突出整个三维实体空间一体化的高精度建模和准确度量分析。三维意味着多维，三维GIS自然包含了传统2维和2.5维的GIS技术内涵，并能根据需要提供恰当的多维表示。显然，从现实世界到三维GIS的映射也就具有不同的模式：（1）三维立体象素模型，可由激光扫描和摄影测量等技术自动化地快速建立，支持高性能的三维几何分析；（2）三维特征模型，可由多源数据集成的（半）自动化方式建立，支持准确的语义拓扑分析和真实感可视化

6、；（3）三维数值模拟模型，可由观测数据结合物理模型和行为模型自动化地建立，支持复杂时空现象动态演变过程的模拟、预测与评估。众所周知，二维GIS主要针对三维空间实体在平面地图空间中符号化的二维抽象表达，以摩天大楼和地铁等为代表的地上空间和地下空间的大规模开发利用正使得垂直的三维城市空间变得极为复杂和充满风险，三维的城市空间框架数据已是城市规划设计、建设管理、安全防范和综合竞争能力的重要依托。尽管基于星载或机载的干涉雷达测量、摄影测量和激光扫描等新一代对地观测技术使得全球范围的高精度地形表面模型（2.5维）快速获取成为现实，但快速获取大范围复杂目标的高精度多细节层次的三维几何模型仍然是世界性难题，

7、而详细的室内和地下三维自动建模更具挑战性。因此，近期内复杂场景三维自动化精细建模还存在许多技术瓶颈，大量的三维GIS应用还将主要依靠人工建模手段，效率较低，成本也较高，这已成为制约三维GIS技术应用广度和深度的主要瓶颈。为此， “数字景观模型（三维DLG数据）的采集和处理”被列为测绘科技发展“十二五”规划的重点关键技术，这将从概念上突破已有二维数字线划图（DLG）对现实世界的抽象表示，促进从现实世界直接到三维GIS的映射（或镜像表示） 。特别的，地理实体模型主要应用于城市规划、建设、管理和信息化等专业应用，而越来越多的社会化应用与大众三维服务则要求更简单、灵活、高效，且成本低的三维地理环境表示

8、。因此， “3D内容基础设施与应用示范”项目也纳入了“十二五”863计划发展纲要的重大项目。3三、三维 GIS 的应用需求GIS 技术至少有两大显著不同的主导应用，一个是专业化应用，另一个是大众化应用。专业化应用需求无疑是牵引 GIS 核心技术持续创新的源动力，而大众化应用主要基于成熟的GIS 技术和商业运作。GIS 技术本来是为了土地规划管理专业应用需求而诞生的，随着 GIS的不断成熟和网络化应用，普通百姓却日益成为最广大的用户群体。如果说专业化应用更依赖 GIS 提供精确可靠的度量分析（metric） ，那么普通百姓则需要更加灵活直观的可视导航（visual） 。与这两种需求紧密相关的是

9、GIS 最核心的空间数据基础：精确度量分析的数据基础是图形（graphic） ，而逼真可视导航的数据基础则是图像（image） 。由此就很容易理解为什么高分辨率遥感影像能促使 GIS 大众化应用迅速普及了（Nature杂志 2004 年 1 月 22日“Mapping opportunities”一文） 。很显然，专业化应用的 GIS 精确建模与解析分析功能要比大众化应用的影像地图导航定位功能复杂得多，因为大众化的地图导航服务（如各种基于DEM 和 DOM 的可量测虚拟地球服务，以及实景三维地图和视频 GIS 服务等等）一般只需要非常简单的数据模型和简单而有限的可视化查询与分析功能。随着中国特

10、色的城市化发展加速推进，垂直城市作为一个复杂的巨系统迫切需要发展兼顾地上下大立体空间环境的城市规划设计、工程适宜性评价与优化设计、地质灾害与风险评价、应急响应决策等新技术，三维 GIS 技术面向这样的专业化应用发挥着不可替代的作用。随着 GIS 应用从辅助宏观规划管理决策到支撑微观设计和建设工程的不断深入，从二维到三维的必然发展趋势正呈现一个加速态势，三维 GIS 的专业化应用将直接贯穿一个工程的全过程（生命周期） ，而三维 GIS 与计算机辅助设计（CAD）, 建筑信息模型（BIM） 和建筑工程与建设（AEC）的无缝集成正带来整个工程设计与建设管理领域从二维图纸到三维协同设计与建造的革命性变

11、化，并将极大地促进物联网技术的健康发展。为了更好地引导和规范三维 GIS 技术的可持续发展与稳健应用，一种用来表现三维城市目标的通用信息模型 CityGML1.0 被作为开放地理信息联盟(OGC)的官方标准于 2008 年正式发布；中国住房和城乡建设部组织制定了国家行业标准城市三维建模技术规范 ，这也是全国首个三维数字城市建设规范，涵盖了城市三维模型的生产、管理、应用和更新等方面内容，形成了一整套完整的技术要求和工作流程，对规范全国三维数字城市建设具有重要意义。这些标准为统一城市三维模型制作技术要求，保证三维空间框架数据的准确性和权威性、以及三维 GIS 的大规模应用奠定了重要基础。四、三维

12、GIS 的技术发展4计算机三维图形技术的快速发展极大地推进了三维 GIS 的可视化技术进步，乃至于World Wind 之类开源软件的应用大大降低了准入门槛，从而催生了大量所谓的“三维可视化 GIS”软件。实际上，三维可视化仅仅是三维 GIS 的基本功能之一，而且这些软件也主要分散在测绘遥感、地质矿产和规划设计与建筑等不同专业领域，仍然缺乏真正满足大规模三维空间数据集成管理、在线更新与分析应用的通用平台。为此，国内外正加速推进综合能力更强的三维 GIS 软件平台的研发。作为世界 GIS 工业领袖的 ESRI 发布了具有增强三维数据管理、创作与编辑、三维分析和可视化处理能力的 ArcGIS 10

13、；中国政府在 863 计划重点项目中也专门立项开发三维 GIS 软件平台“地球透镜” （GeoScope） ，积极探索地上与地下、室内与室外三维城市空间信息集成应用的新模式；关于三维 GIS 空间数据模型，可扩展的高可用的三维 GIS 软件体系架构，高效的三维空间数据库引擎，高性能三维可视化分析与三维空间探索等关键技术将取得重要突破。正是这些关键技术的突破才让三维 GIS 技术及其应用稳步走向成熟，并蕴育更广大的发展空间。值得注意的是，上述三维 GIS 的核心内容仍仅限于静态或时态空间实体的表示，而动态的时空现象如大气、海洋和各种移动目标等还未充分考虑。但首先必须建立起最基础的三维地理空间框架，才有助于更好地表示整个四维的环境（虚拟地理环境：VGE） 。因为对这些动态时空现象的表示不仅要利用精度高现势性好的传感器数据，还要利用科学的数值模拟与预测数据，这就涉及到更多专业领域不同时空现象的物理模型与行为模型。显然， “智慧地球”的建设需要对整个地球空间环境更透彻的感知，自然也对四维虚拟地理环境技术提出了日益紧迫的需求，这才是三维 GIS 技术发展的未来。作者简介：朱庆，教育部特聘教授，武汉大学博士生导师，测绘遥感信息工程国家重点实验室副主任。担任国际摄影测量与遥感学会第五委员会第四工作组“基于影像和距离的三维建模”联合组长。