淺談三維GIS的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)

趙琪+葉勇超

摘要：三維GIS的相關(guān)研究已成為GIS未來(lái)重要的發(fā)展趨勢(shì)。本文簡(jiǎn)單闡述了三維GIS的定義和特點(diǎn)，并對(duì)其發(fā)展的主要問(wèn)題和需求進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了未來(lái)發(fā)展的展望。/

關(guān)鍵詞：三維GIS空間數(shù)據(jù)地理信息

引言：

隨著GIS應(yīng)用的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越多地要求從三維空間來(lái)處理問(wèn)題，傳統(tǒng)的二維GIS應(yīng)用已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的需求。特別是在對(duì)GIS要求較高的部門如采礦、地質(zhì)、石油、水利、城市規(guī)劃等領(lǐng)域迫切的需要三維GIS的應(yīng)用，雖然現(xiàn)在這部門已率先發(fā)展專用的具有部分功能的三維GIS，但由于它們一般是針對(duì)自己的領(lǐng)域開發(fā)的，沒(méi)有從理論上加以系統(tǒng)完整的研究，沒(méi)有面向通用平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此具有較強(qiáng)的局限性。再加上隨著二維GIS數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論和技術(shù)的成熟，圖形學(xué)理論、數(shù)據(jù)庫(kù)理論技術(shù)及其它相關(guān)計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，加上應(yīng)用需求的強(qiáng)烈推動(dòng)了三維GIS的大力研究和加速發(fā)展現(xiàn)已成為可能。并且成為了GIS未來(lái)重要的發(fā)展趨勢(shì)。

1、三維GIS的簡(jiǎn)介

三維GIS起源于二維GIS，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。主要包括以下三個(gè)方面的內(nèi)容

1.1三維空間數(shù)據(jù)獲取

對(duì)于三維空間數(shù)據(jù)獲取，目前主要存在以下幾種方式：地圖掃描數(shù)字化、攝影測(cè)量、遙感等。攝影測(cè)量技術(shù)利用人工和自動(dòng)化技術(shù)，由數(shù)字影像經(jīng)過(guò)各種數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量出來(lái)生成各種數(shù)字和模擬的地圖產(chǎn)品，已經(jīng)成為三維GIS主要的數(shù)據(jù)來(lái)源。遙感技術(shù)由于其可以快速實(shí)時(shí)，全天候地監(jiān)測(cè)和獲取遙感影像，是三維空間信息最有效和最方便的數(shù)據(jù)源，極大地促進(jìn)了三維GIS的發(fā)展。不僅如此，空天地一體化對(duì)地觀測(cè)傳感網(wǎng)，可以從異構(gòu)式傳感器獲取多尺度大范圍的傳感器數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)真正的三維可視化提供了可能。

1.2三維GIS空間數(shù)據(jù)模型

三維GIS的空間數(shù)據(jù)模型需要滿足以下要求：明確對(duì)象的定義語(yǔ)言，幾何變化關(guān)系；可以包括多種可視化模型的顯示；具有一定的計(jì)算分析能力；形成高效的信息檢索機(jī)制；并可與其他模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換[4]。已有的數(shù)據(jù)模型主要是從面、體、集成和對(duì)象四個(gè)方面進(jìn)行描述和分析。但現(xiàn)在的三維數(shù)據(jù)模型缺少統(tǒng)一的數(shù)據(jù)描述模型，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界地理實(shí)體三維數(shù)據(jù)模型的高度統(tǒng)一。

1.3三維空間分析

三維空間分析在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)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(cè)、鄰居尋找，很少考慮為地學(xué)目的服務(wù)的分析.地學(xué)領(lǐng)域曾有人在三維地質(zhì)表面模擬中提出過(guò)三維邊界搜索算法，但其算法較為復(fù)雜。三維空間分析中還有很多問(wèn)題需要研究，例如三維拓?fù)潢P(guān)系的描述與構(gòu)造，三維查詢與統(tǒng)計(jì)分析等.

2、三維GIS面臨的挑戰(zhàn)

三維GIS不僅僅只有某一種技術(shù)支持，是多種技術(shù)的協(xié)同支撐，因此面臨著很多的挑戰(zhàn)：

2.1三維數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取

實(shí)現(xiàn)三維GIS表達(dá)非常困難，由于三維GIS數(shù)據(jù)采樣率很低，無(wú)法像二維地圖那樣準(zhǔn)確的描述，容易出現(xiàn)偏差。同時(shí)，三維GIS的屬性對(duì)于二維來(lái)說(shuō)并不是線性增長(zhǎng)的，且其復(fù)雜性使得幾乎無(wú)法準(zhǔn)確描述。因此，二維的數(shù)據(jù)模型在三維GIS中是不可用的，這時(shí)三維數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取就尤為關(guān)鍵。

2.2三維GIS中大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與快速處理

在三維GIS中，無(wú)論是基于矢量結(jié)構(gòu)還是基于柵格結(jié)構(gòu)，對(duì)于不規(guī)則地學(xué)對(duì)象的精確表達(dá)都會(huì)遇到大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)與處理問(wèn)題.除了在硬件上靠計(jì)算機(jī)廠商生產(chǎn)大容量存儲(chǔ)設(shè)備和快速處理器外，還應(yīng)該研究軟件方面的算法以提高效率，例如針對(duì)不同條件的各種高效數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)、并行處理算法、小波壓縮算法及在壓縮狀態(tài)下的直接處理分析等.

2.3完整的三維空間數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)是三維GIS的核心，它直接關(guān)系到數(shù)據(jù)的輸入、存儲(chǔ)、處理、分析和輸出等GIS的各個(gè)環(huán)節(jié)，它的好壞直接影響著整個(gè)GIS的性能。而三維空間數(shù)據(jù)模型是人們對(duì)客觀世界的理解和抽象，是建立三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)的理論基礎(chǔ)。三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是三維空間數(shù)據(jù)模型的具體實(shí)現(xiàn)，是客觀對(duì)象在計(jì)算機(jī)中的底層表達(dá)，是對(duì)客觀對(duì)象進(jìn)行可視表現(xiàn)的基礎(chǔ)。

2.4三維空間分析方法的開發(fā)

空間分析能力在二維GIS中就比較薄弱，目前大多數(shù)的GIS都不能做到?jīng)Q策層次上來(lái)，只能作為一個(gè)大的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，滿足簡(jiǎn)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(gè)原因就是在現(xiàn)有的GIS中，空間分析的種類及數(shù)量都很少.在三維GIS中，同樣面臨著這個(gè)問(wèn)題.因此，研究開發(fā)GIS的基本空間分析及將各領(lǐng)域的專家知識(shí)嵌入GIS中，是三維GIS發(fā)展的一個(gè)重要方面.

3、三維GIS的發(fā)展趨勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和GIS應(yīng)用的不斷深入，在很多領(lǐng)域如地質(zhì)、礦山、環(huán)境、海洋、氣象、數(shù)字城市等，二維地理信息系統(tǒng)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(xiàn)有的軟件也只能完成顯示和進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。但是隨著存儲(chǔ)器容量的增加，CPU功能的增強(qiáng)，顯示設(shè)備的改進(jìn)，三維GIS數(shù)據(jù)的分析和處理將有進(jìn)一步增強(qiáng)。各個(gè)國(guó)家都在強(qiáng)化空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，這將迫使GIS軟件廠商支持這些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并開始增加空間數(shù)據(jù)描述信息的處理功能。隨著3DGIS的發(fā)展，將會(huì)出4DGIS，即在三維的基礎(chǔ)上加上時(shí)間序列。例如地質(zhì)學(xué)家想對(duì)某一時(shí)刻的所有地質(zhì)條件或某一時(shí)間段內(nèi)的平均地質(zhì)條件進(jìn)行評(píng)價(jià)，他們想獲得“a時(shí)刻的值”或“從時(shí)間b到時(shí)間c這段時(shí)間內(nèi)的值”。大部分地質(zhì)特征和條件的變化是緩慢的，但并不都如此。例如水災(zāi)、地震、暴風(fēng)雨以及滑坡等都會(huì)使局部地質(zhì)條件發(fā)生快速而巨大的變化。為充分滿足需要，這種時(shí)間數(shù)據(jù)獲取能力應(yīng)該與3D模型相結(jié)合。地質(zhì)學(xué)家對(duì)4D（立體3D加上時(shí)間第4D）的空間-時(shí)間模型尤感興趣。這些問(wèn)題的徹底解決，則需要在三維GIS技術(shù)成熟之后，再發(fā)展成為四維GIS。隨著計(jì)算機(jī)與空間技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，GIS將由各自分開獨(dú)立的系統(tǒng)走向兼容與集成；從二維走向三維和四維，從單機(jī)走向網(wǎng)絡(luò)，并最終走向社會(huì)。

4、結(jié)論

三維GIS優(yōu)勢(shì)在于對(duì)空間信息更加形象生動(dòng)的表現(xiàn)形式，其目的是使用戶更容易完成對(duì)空間信息的認(rèn)知。三維GIS涉及到很多支撐技術(shù)和研究領(lǐng)域，重點(diǎn)在于空間數(shù)據(jù)的分析處理。目前準(zhǔn)三維平臺(tái)一樣在發(fā)揮強(qiáng)大的作用，支持專業(yè)的應(yīng)用。三維GIS開始向空間決策支持系統(tǒng)方向發(fā)展，對(duì)智慧城市中的主動(dòng)聚焦決策服務(wù)提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

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

作者簡(jiǎn)介：

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

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