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1、三维地理信息系统技术综述 朱庆测绘遥感信息工程国家重点实验室（武汉大学）湖北省武汉市珞喻路129号， 430079E-mail:Z摘要：本文对三维地理信息系统技术进行综述性介绍，扼要地讨论了国内外有关三维地理空间信息的获取、管理、分析与可视化等技术的进展与动态。关键词：地球空间信息技术，三维地理信息系统，数据获取，三维可视化A Survey of Three Dimensional GIS TechnologiesZhu QingState Key Lab of Information Engineering in Surveying Mapping and Remote Sensing129
2、 LuoYu Road, Wuhan Hubei, 430079P.R.ChinaE-mail: Abstract: in this survey, the 3D GIS technologies are briefly reviewed with the main concern in the recent developments in the acquisition, management, analysis and visualization of 3D geo-spatial information, their advantages and limitations are disc
3、ussed respectively.Key Words: Geospatial Technology, 3D GIS, Data Acquisition, 3D Visualization1 引言最近一期自然杂志刊登的文章“地图制图的时机”把地球空间信息技术（geotech-nologies）看成是世界上继生物技术（biotechnology）和纳米技术（nanotechnology）之后发展最为迅速的第三大新技术，而遥感技术（RS）与地理信息系统技术（GIS）则是地球空间技术的核心内容（Gewin，2004）。特别是GIS技术已经成为空间数据处理、集成和可视化最成功的技术之一，并作为地球空
4、间信息处理的有效工具极大地推动了地球空间技术在各个领域的应用。虽然关于GIS的定义有许多不同，但几乎都公认GIS是一个以空间数据（信息）为中心的系统，这一点从美国摄影测量与遥感学会给出的定义即可见一般：“GIS是一个对地球空间信息进行编码、存储、转换、分析和显示的信息系统”（http:/www.asprs.org）。由于GIS从地形图演进而来的历史原因，现有的绝大多数GIS都使用二维数据描述地理对象，即所有的对象都通过二维坐标（X,Y或经纬度）进行表示。这样的GIS因此又被认为是二维GIS。众所周知，地球空间信息区别于其他类型信息的最显著标志是其地域性（territorial）、多维结构特性（
5、multidimensional structure）和动态变化特性（dynamic changes）。随着计算机技术和数据获取技术的迅速发展，具有处理真三维数据能力的三维GIS的发展受到了极大的关注。显然，对现实世界中三维对象的逼真表示需要三维的方法。三维GIS则使用三维数据描述地理对象，即所有的对象都通过三维立体坐标（X，Y，Z或经纬度与高程）进行表示。三维GIS在日益增长的三维空间信息需求的牵引和蓬勃发展的现代新兴技术的驱动下得到了稳步的发展。首先，诸如城市、海洋、大气、地下工程和军事等重大领域问题的完整解决和空间信息的社会化应用服务迫切需要三维GIS的支持；其次，三维空间数据获取技术的
6、发展极大地方便了各种规模不同细节程度三维空间数据的可得性；再有，信息与通信技术的进步为更有效地处理和利用海量三维空间数据提供了强有力的支撑。从二维GIS到三维GIS，虽然空间维数只增加了一，但基于此既可以包容几乎所有丰富的空间信息，也可以突破常规二维表示对形式的束缚，为更好地洞察和理解现实世界提供了多种多样的选择。但其由此也面临大量更加复杂的问题，如数据量急剧增加、空间关系错综复杂、真实感实时可视化等。在空间上从二维表示到三维表示日益成为GIS的主要发展方向之一，并趋向于对现实世界的增强表示与延伸“虚拟地理环境”（朱庆和林珲，2004）。实际上，三维GIS与二维GIS一样，都要提供最基本的空间
7、数据处理功能如数据获取、数据组织、数据操纵、数据分析和数据表现等。尽管有关三维GIS的研究与实践在国内外已经十分广泛，但大多数成果由于立足于特定的有限领域而且都还是分散的、不全面的。比如，三维GIS当前的应用实践还主要局限在三维可视化与逼真的视觉表现方面，而其重要的三维分析与三维操作功能也都还很有限，三维模型数据的获取成本依然很高，市场上还没有象传统二维GIS软件一样得到公认的可以满足大多数应用需要的成熟的商品化三维GIS软件（Zlatanova， et al., 2002；Stoter and Zlatanova, 2003）。为此，本文将探讨国内外有关三维GIS技术开发与应用实践方面的进展
8、和动态。而有关三维GIS的基本问题如数据模型、数据结构、拓扑关系、空间索引、多尺度表示等则可以参考已有文献（陈军和蒋捷，2000；李青元等，2000；肖乐斌等，2001；Kolbe and Gr?ger，2003；朱庆和林珲，2004）。2三维GIS的数据获取技术三维GIS技术最重要的进展之一就是三维数据获取技术的进步，特别是航空与近景摄影测量、机载与地面激光扫描、地面移动测量与GPS等传感器的精度与速度都有了明显的提高（Batty，et al, 2000；Stoter and Zlatanova, 2003）。大量的研究致力于地物（尤其是人工地物）的三维自动重建，而依据分辨率、精度、时间和成
9、本等的不同已经有许多不同的技术方法可供选择。如Tao（2004）将三维建筑物模型的重建方法分为以下三类： 基于地图的方法，利用已有GIS、地图和CAD提供的二维平面数据以及其他高度辅助数据经济快速建立盒状模型； 基于图象的方法，利用近景、航空与遥感图象建立包括顶部细节在内的逼真表面模型，该方法相对比较费时和昂贵，自动化程度还不高； 基于点群的方法，利用激光扫描和地面移动测量快速获得的大量三维点群数据建立几何表面模型。 三维重建的数据源还可以分为远距离获取的数据（卫星影像、航空影像、空载激光扫描等）、近距离获取的数据（近景摄影、近距激光扫描、人工测量）和GIS/CAD导出数据三种（Brenner
10、 and Haala, 2001；Shiode，2001）。不同的数据源对应着不同的三维模型细节和应用范畴。比如，基于遥感影像和机载激光扫描的方法适用于大范围三维模型数据获取、车载数字摄影测量方法适用于走廊地带建模、地面摄影测量方法和近距离激光扫描方法则适用于复杂地物精细建模等等。其中，基于影像和机载激光扫描系统的三维模型获取方法能够适用于在大范围地区快速获取地面与建筑物的几何模型和纹理细节，虽然现有技术在很大程度上还依赖人工辅助，但这无疑是最有潜力的三维模型数据自动获取技术之一。基于已有二维GIS数据的简单建模方法具有成本低、自动化程度高的优点，在某些需要快速建立三维模型的领域也有着广泛的应
11、用，这也是现有大多数二维GIS提供三维能力的最主要方式。基于CAD的人机交互式建模方法将继续被用于一些复杂人工目标的全三维逼真重建。另外，基于图象的建模和绘制（Image based modeling & rendering：IBMR）作为一种新的视觉建模方法，在不需要复杂几何模型的前提下也能够获得具有高度真实感的场景表达，能够较好的解决三维建模过程中模型复杂度与绘制的真实感和实时性三者之间的矛盾，大大简化了复杂的数据处理工作。因此也被越来越多地用于各种虚拟环境的建立，特别是基于图形和图象的两种建模技术被综合用于高度真实感的三维景观模型的创建。上述技术主要应用于重建目标的三维表面模型，而有关地
12、球科学领域的真三维重建技术在吴立新教授的“真三维地学模拟的若干问题”一文中有详细介绍。随着三维GIS的深入发展和广泛应用，人们越来越关注三维模型数据的准确性、逼真性和有用性。在追求三维模型逼真和准确的同时，也带来了数据生产的高投入。与二维空间数据相比，三维空间数据不是简单的一一对应或者扩展，三维空间数据库的建设至今仍然是一项复杂而昂贵的综合性工程。大型三维GIS系统建设的生产效率、质量控制、数据安全和有效存储与管理等问题日益突出，并直接关系到系统建设与应用的成败。决定空间数据具体生产方案的三个要素分别是精度、成本和效率，最终系统的有用性和提供的空间分析能力又取决于模型的逼真程度以及所选择的数据
13、源和建模方法。因此，三维GIS缺乏有关数据内容、细节程度、定位精度和生产工艺等的技术标准已经成为制约其推广应用的关键问题之一。3三维GIS的数据管理技术从二维GIS转换到成熟的三维GIS时，数据管理成为热点问题之一。逼真的三维表示不仅具有多种细节层次的几何表达，还提供具有相片质感的表面描述如逼真的材质和纹理特征以及其他相关的属性信息（Gruber and Wilmersdorf，1997）。因此有关纹理与材质参数等也是数据库的重要内容。大量栅格数据与矢量数据的集成应用导致数据量急剧增加，“海量”一词则是对此最形象的描述，这里的“海量”是指远远超出计算机核心内存容量的数据量。针对三维可视化交互的
14、实时性要求，对海量数据的有效管理与调度已经成为三维GIS的关键技术之一。与传统的二维GIS相比较，三维GIS对数据组织与管理又提出了许多新的更高的要求，如： 不同类型数据的一体化管理； 多尺度模型（LOD）的集成应用； 从数据库到三维虚拟显示的快速转换，如必须只在当前的视线范围内选择物体（金字塔或是圆锥内）和动态装载等，都要求新的数据模型和有效的空间索引机制。 传统基于文件与关系数据库混合的GIS数据库管理方式由于在数据安全性、多用户操作、网络共享及数据动态更新等方面已不能满足日益增长的需要。现有的对象关系型数据库管理系统（ORDBMS）虽然还不直接支持三维空间对象，但其在保留关系数据库优点的
15、同时，也采纳了面向对象数据库设计的某些原理，具有将结构性的数据组织成某种特定数据类型的机制，这使得它不仅能够处理3D数据的复杂关系，也能将在逻辑上需要以整体对待的数据组织成一个对象，这为三维GIS的海量数据管理提供了一条切实可行的途径。要满足三维GIS在线的各种实时应用（包括地理协同操作）需要，一方面要对多种类型多种尺度的三维数据进行精心的组织，以提供高效的数据检索机制；同时，还需要优化设计现有的各种数据库管理系统，以提供快速的数据动态存取服务（Kofler，1998；zhu et al, 2002）。4三维GIS的数据可视化技术视觉是理解空间最有用的感觉，因此三维GIS在很大程度上也依赖视觉
16、表现提供更为丰富逼真（具有相片质感）的信息，各种用户结合自己相关的经验与理解就可以做出准确而快速的空间决策。特别的，三维可视化能使人们只有抽象概念而难以直接感知的空间现象现实化和直观化，比如剖析地下结构、反演不会重现的历史过程、推演未来发展、仿真复杂的时空现象（台风演进、洪水淹没、大气污染、核电站泄漏事故影响、噪声传播、温度和风场变化）等，由此能获得各种超越现实的空间感知经验。目前，大多数三维GIS的三维能力甚至被认为主要体现在三维可视化功能上，并且是区别于二维GIS最重要的特征之一。突出三维可视化功能的三维GIS在许多场合因此又被称为“虚拟现实GIS”、“三维可视化GIS”等等（Haklay , 2002；张生德和王磊，2001）。三维可视化越来越多地成为GIS（不仅是三维GIS）的终端表现形式，并且被认为是不同背景的用户进
