0.引言
二維 GIS始于二十世紀(jì)六十年代的機(jī)助制圖，今天已深入到社會(huì)的各行各業(yè)中，如土地管理、電力、電信、城市管網(wǎng)、水利、消防、交通以及城市規(guī)劃等。但二維GIS存在著自身難以克服的缺限，本質(zhì)上是基于抽象符號(hào)的系統(tǒng)，不能給人以自然界的本原感受。隨著應(yīng)用的深入，第三維的高程信息顯得越來(lái)越重要。一些二維GIS和圖象處理系統(tǒng)現(xiàn)已能處理高程信息，但它們并未將高程變量作為獨(dú)立的變量來(lái)處理，只將其作為附屬的屬性變量對(duì)待，能夠表達(dá)出表面起伏的地形，但地形下面的信息卻不具有，因此它們?cè)趪?guó)際國(guó)內(nèi)也被俗稱為2.5維的系統(tǒng)?？紤]到2.5維這一概念并不嚴(yán)密，作者稱之為“地形面三維”或簡(jiǎn)稱面三維。我們認(rèn)為，面三維的GIS本質(zhì)上仍然是二維GIS系統(tǒng)。
二維GIS只能處理平面X、Y軸向上的信息，不能處理鉛垂方向Z軸上的信息。它在表達(dá)上通常是將Z值投影到二維平面上進(jìn)行處理，因此對(duì)于同一（x, y）位置的多個(gè)Z值不能表達(dá)。
地形面三維的表達(dá)將Z值投影到一個(gè)模型上，顯示時(shí)X、Y、Z三個(gè)軸均被顯示，其模仿人類從某點(diǎn)觀察的視覺(jué)，使三維對(duì)象看起來(lái)象真正的三維對(duì)象一樣。但是面三維技術(shù)有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)：①它表達(dá)的對(duì)象內(nèi)部是空的，不具備應(yīng)有的信息；②雖然它能表現(xiàn)鄰近的多個(gè)表面，但對(duì)于表面交叉的情況，則難以進(jìn)行交叉表達(dá)和管理。只有將這類現(xiàn)象置于真正的三維空間中考慮，才能靈活高效地處理各種三維問(wèn)題，如三維內(nèi)部屬性和拓?fù)潢P(guān)系，三維空間索引和管理等。這是三維空間表達(dá)與二維GIS、地形面三維表達(dá)的本質(zhì)區(qū)別之一。
三維空間表達(dá)考慮多個(gè)Z值的出現(xiàn)，將多個(gè)（X, Y, Z）觀測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)化為實(shí)體域，這種處理是對(duì)人類居住空間的較為接近的近視[1]。
1.三維GIS發(fā)展評(píng)述
世界的本原是處在三維空間中的，二維GIS將現(xiàn)實(shí)世界簡(jiǎn)化為平面上二維投影的概念模型注定了它在描述三維空間現(xiàn)象上的無(wú)能為力，克服這一缺陷迫切需要真正的基于三維空間的GIS的問(wèn)世。因此在過(guò)去的一段時(shí)間里，人們很早就開始了三維GIS理論和實(shí)際系統(tǒng)方面的探索，同時(shí)遇到了不少困難。下面對(duì)此展開討論。
1.1 三維GIS的研發(fā)思路與相關(guān)軟件發(fā)展情況
隨著GIS應(yīng)用的深入，人們?cè)絹?lái)越多地要求從真三維空間來(lái)處理問(wèn)題。在應(yīng)用要求較為強(qiáng)烈的部門如采礦、地質(zhì)、石油等領(lǐng)域已率先發(fā)展專用的具有部分功能的三維GIS，如加拿大LYNX Geosystems公司的LYNX軟件，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。這是由當(dāng)時(shí)的應(yīng)用要求、數(shù)據(jù)獲取手段及相關(guān)的計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展條件決定的。
由于二維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)，三維GIS的大力研究和加速發(fā)展現(xiàn)已成為可能。
(1) 三維GIS研發(fā)思路
當(dāng)前研究和開發(fā)三維GIS的思路可歸納為兩種：
● 由于三維GIS首先要將地理數(shù)據(jù)變?yōu)榭梢?jiàn)的地理信息，因此人們一方面從三維可視化領(lǐng)域向三維GIS系統(tǒng)擴(kuò)展，這一點(diǎn)同早期的二維GIS來(lái)源于計(jì)算機(jī)制圖管理一樣，是從可視化角度出發(fā)的[2][3][4]。
● 另一方面，GIS需要存儲(chǔ)和管理大量的空間信息和屬性信息，因此另一部分人從數(shù)據(jù)庫(kù)的角度出發(fā)向三維GIS發(fā)展，從商用數(shù)據(jù)庫(kù)向非標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，將三維空間信息的管理融入RDBMS中，或是從底層開發(fā)全新的面向空間的OODBMS, 如GODOT[5]，GeoO2[6]，GEO++[7]，SmallWorld GIS。一個(gè)新的發(fā)展方向是將三維可視化與三維空間對(duì)象管理藕合起來(lái)，形成集成系統(tǒng)。
?。?）三維GIS相關(guān)軟件發(fā)展概況
但是迄今為止，目前國(guó)際國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一個(gè)成熟完整的三維GIS系統(tǒng)，與三維GIS相關(guān)的系統(tǒng)大多集中在三維可視化方面，如EVS，Vis5D，Voxel，醫(yī)學(xué)可視化及各種CAD軟件等，也有一些三維系統(tǒng)部分實(shí)現(xiàn)三維GIS的功能，比較有名的軟件有：LYNX， IVM（Interactive Volume Modeling）， GOCAD， I/EMS，SGM等[8][9]。
1.2 三維GIS數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
上述軟件的共同缺點(diǎn)是僅重視表達(dá)三維對(duì)象本身，對(duì)各對(duì)象間關(guān)系的表達(dá)沒(méi)有足夠的重視，因此管理大批量三維空間對(duì)象的能力較弱，也不能做一些GIS需要的空間分析。LYNX軟件能夠處理和表達(dá)三維地質(zhì)數(shù)據(jù)，但它們不容易在其它領(lǐng)域推廣使用，MGE系統(tǒng)有一些簡(jiǎn)單的三維模塊，但也遠(yuǎn)不能滿足三維GIS應(yīng)有的要求?？偲饋?lái)說(shuō)，這些軟件在構(gòu)造、表達(dá)三維對(duì)象上具有較強(qiáng)的能力，但管理和分析能力較弱。作者認(rèn)為出現(xiàn)這種情況的一個(gè)主要原因是三維空間數(shù)據(jù)模型理論和技術(shù)的不成熟，另外空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)也正處于發(fā)展中，不象RDBMS那樣具有成熟的理論和技術(shù)，因此導(dǎo)致了三維空間建模能力的薄弱。為此，許多學(xué)者和研究人員在這方面作出了很多努力[10]~[27]，但仍然沒(méi)有形成完整的三維GIS理論和開發(fā)出成熟的三維GIS系統(tǒng)。
在完整的三維GIS系統(tǒng)研究和開發(fā)方面，BREUNIG曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)較為系統(tǒng)的研究與實(shí)踐[28]。他為三維GIS提出了一個(gè)空間信息集成模型，該模型以所謂的擴(kuò)展復(fù)雜要素（e-complex）為內(nèi)核，表達(dá)三維空間地學(xué)對(duì)象的幾何性質(zhì)，度量屬性及對(duì)象間的復(fù)雜拓?fù)潢P(guān)系。以此為基礎(chǔ)，他又進(jìn)一步定義了拓?fù)洳僮鳎⒏鞣Ne-complex對(duì)象融入地學(xué)建模和管理的模型框架中，最后給出了一個(gè)地質(zhì)應(yīng)用的例子。該模型是以矢量模型為基礎(chǔ)，對(duì)象及對(duì)象間的拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)較為精確，但各種操作復(fù)雜費(fèi)時(shí)，空間分析不易。
國(guó)內(nèi)李清泉也做過(guò)較為系統(tǒng)的三維GIS研究[9]。他以八叉樹和不規(guī)則四面體為基礎(chǔ)提出了三維GIS的混合數(shù)據(jù)模型。以柵格結(jié)構(gòu)的八叉樹作為對(duì)象描述的總體框架，控制對(duì)象空間的宏觀分布，以矢量結(jié)構(gòu)的不規(guī)則四面體描述變化劇烈的局部區(qū)域，較為精確地表達(dá)細(xì)碎部分，并將這兩種模型進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合。這種混合模型是一種矢量柵格三維結(jié)合的有益嘗試，在一些情況下比較合適，但還需要其它表達(dá)模型的補(bǔ)充，以提高表達(dá)、訪問(wèn)和操作的效率。
作者認(rèn)為，由于地學(xué)對(duì)象賦存形態(tài)各異，千變?nèi)f化，各種模型又都有其優(yōu)缺點(diǎn)，因此為三維GIS表達(dá)和分析服務(wù)的各種數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)針對(duì)不同的數(shù)據(jù)獲取方式、地學(xué)對(duì)象本身的大致形態(tài)和主要的應(yīng)用目的設(shè)計(jì)不同的數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)[29]。以此將各種模型的長(zhǎng)處充分發(fā)揮，進(jìn)一步提高三維GIS表達(dá)和分析的效率。
1.3 三維空間分析
在三維空間分析方面做得較多的是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域里的工作者，但他們的工作往往偏重于幾何圖形與算法性能，例如邊界追蹤檢測(cè)[30]~[32]、鄰居尋找[33][34]，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[35]，但其算法較為復(fù)雜。作者曾提出過(guò)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的鄰域?qū)ふ宜惴╗36]，能在線性四叉樹和線性八叉樹中直接確定單元的鄰居。三維空間分析中還有很多研究工作要做，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，有待于進(jìn)一步的研究。
2.三維GIS的定義、特點(diǎn)及功能
2.1 三維GIS的定義
從不同的角度出發(fā)，GIS有三種定義：①基于工具箱的定義，認(rèn)為GIS是一個(gè)從現(xiàn)實(shí)世界采集、存貯、轉(zhuǎn)換、顯示空間數(shù)據(jù)的工具集合；②數(shù)據(jù)庫(kù)定義，認(rèn)為GIS是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)庫(kù)里的大多數(shù)數(shù)據(jù)能被索引和操作，以回答各種各樣的問(wèn)題；③基于組織機(jī)構(gòu)的定義，認(rèn)為GIS是一個(gè)功能集合，能夠存貯、檢索、操作和顯示地理數(shù)據(jù)，是一個(gè)集數(shù)據(jù)庫(kù)、專家和持續(xù)經(jīng)濟(jì)支持的機(jī)構(gòu)團(tuán)體和組織結(jié)構(gòu)，提供解決環(huán)境問(wèn)題的各種決策支持?；诠ぞ呦涞亩x強(qiáng)調(diào)對(duì)地理數(shù)據(jù)的各種操作，基于數(shù)據(jù)庫(kù)的定義強(qiáng)調(diào)用來(lái)處理空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)組織的差異，而基于組織的定義強(qiáng)調(diào)機(jī)構(gòu)和人在處理空間信息上的作用，而不是他們需要的工具的作用。
TURNER認(rèn)為“Geographical Information System”主要用來(lái)區(qū)分純粹的二維GIS與三維GIS[2]，為強(qiáng)調(diào)在三維任務(wù)如地質(zhì)或地貌應(yīng)用上的擴(kuò)展，人們創(chuàng)造了術(shù)語(yǔ)“Geoscientific Information System”(GSIS)[28]。后來(lái)這個(gè)詞被修改為一個(gè)縮寫形式“Geo-Information System”(GIS)[24][28]。為區(qū)分三維GIS與現(xiàn)今世界上比較成熟的流行的各種二維商業(yè)GIS，這里傾向于BREUNIG的觀點(diǎn)[28]，用GIS指代“Geo-Information System”，認(rèn)為三維GIS是布滿整個(gè)三維空間的GIS，與傳統(tǒng)的基于平面的二維GIS或2.5維GIS明顯不同，尤其體現(xiàn)在空間位置與拓?fù)潢P(guān)系的描述及空間分析的伸展方向上。
三維GIS加上時(shí)間維方面的處理即為四維GIS。
2.2 三維GIS的特點(diǎn)
在三維GIS中，空間目標(biāo)通過(guò)X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸來(lái)定義，它與二維GIS中定義在二維平面上的目標(biāo)具有完全不同的性質(zhì)。在目前二維GIS中已存在的0，1，2維空間要素必須進(jìn)行三維擴(kuò)展，在幾何表示中增加三維信息，同時(shí)增加三維要素來(lái)表示體目標(biāo)[9]?？臻g目標(biāo)通過(guò)三維坐標(biāo)定義使得空間關(guān)系也不同于二維GIS，其復(fù)雜程度更高。二維GIS對(duì)于平面空間的有限-互斥-完整劃分是基于面的劃分，三維GIS對(duì)于三維空間的有限-互斥-完整劃分則是基于體的劃分，因而，通過(guò)分析基于（單一）體劃分的三維矢量結(jié)構(gòu)GIS幾何成分之間的拓?fù)潢P(guān)系，李青元提出五組簡(jiǎn)化的拓?fù)潢P(guān)系[37]。三維GIS的可視表現(xiàn)也比二維GIS復(fù)雜得多，以致于出現(xiàn)了專門的三維可視化理論、算法和系統(tǒng)。
總起來(lái)說(shuō)，與二維GIS相比，三維GIS對(duì)客觀世界的表達(dá)能給人以更真實(shí)的感受，它以立體造型技術(shù)給用戶展現(xiàn)地理空間現(xiàn)象，不僅能夠表達(dá)空間對(duì)象間的平面關(guān)系，而且能描述和表達(dá)它們之間的垂向關(guān)系；另外對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行三維空間分析和操作也是三維GIS特有的功能。而與CAD及各種科學(xué)計(jì)算可視化軟件相比，它具有獨(dú)特的管理復(fù)雜空間對(duì)象能力及空間分析的能力。三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)是三維GIS的核心，三維空間分析則是其獨(dú)有的能力。與功能增強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的是，三維GIS的理論研究和系統(tǒng)建設(shè)工作比二維GIS也更加復(fù)雜。
2.3 三維GIS的功能
RHIND基于二維GIS的發(fā)展?fàn)顩r提出了三維GIS可能包括的十項(xiàng)功能：數(shù)據(jù)采集和檢驗(yàn)有效性；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化和轉(zhuǎn)化為新的結(jié)構(gòu)（包括創(chuàng)建拓?fù)潢P(guān)系和從一種拓?fù)潢P(guān)系轉(zhuǎn)化為另一種拓?fù)潢P(guān)系）；各種變化（平移、旋轉(zhuǎn)、比例、剪切（shear））；選擇；布爾操作（交、并差、或及切割斷面、開隧道（tunneling）、建筑building）；計(jì)算（體積、表面積、中心、距離、方向）；分析；可視化；系統(tǒng)管理[23]。KELK為三維地學(xué)模擬提出過(guò)14項(xiàng)功能[24]：1）從其它系統(tǒng)中引進(jìn)數(shù)據(jù)和部分分析功能；2）保存和操作真三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)；3）無(wú)原始坐標(biāo)信息損失地變化方向；4）保存和顯示地理對(duì)象內(nèi)部組分的信息；5）能夠方便地進(jìn)行交互式修改，可針對(duì)地理對(duì)象及其數(shù)據(jù)庫(kù)；6）允許滿足不同數(shù)據(jù)模型要求的模型重建；7）將斷層等特征作為事件考慮，允許它們影響地學(xué)對(duì)象；8）處理大的比例尺差異；9）處理內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)和其它時(shí)間方面的事件；10）和其它定量公式交互；11）允許局部細(xì)節(jié)和更廣的軟中心（soft-focus）圖片顯示；12）視覺(jué)上使用戶滿意；13）分析各種建模趨勢(shì)、模式及與其它GIS模塊的聯(lián)系；14）在主要的數(shù)據(jù)庫(kù)中存貯模型和導(dǎo)出報(bào)表。
BREUNIG從空間信息集成的角度為三維GIS的發(fā)展提出了三項(xiàng)必備的功能：1）復(fù)雜地學(xué)對(duì)象的管理和處理；2）能夠?qū)τ筛鞣N空間對(duì)象表達(dá)形式表示的地學(xué)復(fù)雜對(duì)象進(jìn)行有效的空間存??；3）能夠?qū)Ω鞣N空間對(duì)象進(jìn)行有效的空間操作[28]。ALEXANDER和SIGRID在城市三維GIS的設(shè)計(jì)者中提到了三維城市GIS應(yīng)該具備的另兩項(xiàng)功能：1）應(yīng)能受益于現(xiàn)代數(shù)據(jù)獲取方法的進(jìn)步；2）三維城市GIS應(yīng)面向未來(lái)的技術(shù)[38]。三維GIS 也必須解決一些傳統(tǒng)問(wèn)題：不確定性；誤差定位和消除；處理數(shù)據(jù)模型的不連續(xù)；處理時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)；處理在不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的不同類型和不同比例尺數(shù)據(jù)[18]。作者認(rèn)為，三維GIS除了具備二維GIS的傳統(tǒng)功能以外,還應(yīng)該具有如下獨(dú)有的功能:
● 包容一維、二維對(duì)象
三維GIS不僅要表達(dá)三維對(duì)象,而且要研究一維、二維對(duì)象在三維空間中的表達(dá)。三維空間中的一維、二維對(duì)象與傳統(tǒng)GIS的二維空間中的一維、二維對(duì)象在表達(dá)上是不一樣的。傳統(tǒng)的二維GIS將一維、二維對(duì)象垂直投影到二維平面上，存儲(chǔ)它們投影結(jié)果的幾何形態(tài)與相互間的位置關(guān)系。而三維GIS將一維、二維對(duì)象置于三維立體空間中考慮，存儲(chǔ)的是它們真實(shí)的幾何位置與空間拓?fù)潢P(guān)系，這樣表達(dá)的結(jié)果就能區(qū)分出一維、二維對(duì)象在垂直方向上的變化。二維GIS也能通過(guò)附加屬性信息等方式體現(xiàn)這種變化，但存儲(chǔ)、管理的效率就顯得較低，輸出的結(jié)果也不直觀。
● 可視化2.5維、三維對(duì)象
三維GIS的首要特色是要能對(duì)2.5維、三維對(duì)象進(jìn)行可視化表現(xiàn)。在建立和維護(hù)三維GIS的各個(gè)階段中，不論是對(duì)三維對(duì)象的輸入、編輯、存儲(chǔ)、管理，還是對(duì)它們進(jìn)行空間操作與分析或是輸出結(jié)果，只要涉及到三維對(duì)象，就存在三維可視化問(wèn)題。三維對(duì)象的幾何建模與可視表達(dá)在三維GIS建設(shè)的整個(gè)過(guò)程中都是需要的，這是三維GIS的一項(xiàng)基本功能。
● 三維空間DBMS管理
三維GIS的核心是三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)。三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)空間對(duì)象的存儲(chǔ)與管理使得三維GIS既不同于CAD、商用數(shù)據(jù)庫(kù)與科學(xué)計(jì)算可視化，也不同于傳統(tǒng)的二維GIS。它可能由擴(kuò)展的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)也可能由面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)存儲(chǔ)管理三維空間對(duì)象。
●三維空間分析
在二維GIS中，空間分析是GIS區(qū)別于三維CAD與科學(xué)計(jì)算可視化的特有功能，在三維GIS中也同樣如此?？臻g分析三維化，也就是在直接在三維空間中進(jìn)行空間操作與分析，連同上文述及的對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行三維表達(dá)與管理，使得三維GIS明顯不同于二維GIS，同時(shí)在功能上也更加強(qiáng)大。
● 應(yīng)能及時(shí)受益于現(xiàn)代數(shù)據(jù)獲取方法的進(jìn)展和大數(shù)據(jù)量處理技術(shù)的發(fā)展
目前，由于科技水平的限制，人類獲取地學(xué)三維數(shù)據(jù)的能力的弱小是阻礙三維GIS迅速發(fā)展的一個(gè)重要原因。一旦三維地學(xué)數(shù)據(jù)變得象遙感數(shù)據(jù)獲取那樣及時(shí)、廣泛與普及，三維GIS將會(huì)有更迅猛的發(fā)展。因此現(xiàn)時(shí)的三維GIS設(shè)計(jì)與開發(fā)應(yīng)充分考慮未來(lái)三維地學(xué)數(shù)據(jù)獲取能力的提高，以便及時(shí)受益于現(xiàn)代數(shù)據(jù)獲取方法的進(jìn)步。另外，三維GIS要處理的數(shù)據(jù)量往往很大，計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展無(wú)疑能提高三維GIS的性能，這一點(diǎn)也是三維GIS設(shè)計(jì)必須要考慮的。總起來(lái)說(shuō)，三維GIS應(yīng)該留有易于擴(kuò)展的接口，具有及時(shí)吸收外部先進(jìn)技術(shù)的功能。
3.三維GIS發(fā)展面臨的有利因素與困難
3.1 三維GIS當(dāng)前面臨的有利因素
三維GIS 現(xiàn)在正面臨著有利的發(fā)展時(shí)機(jī),這表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：
● 在二維 GIS領(lǐng)域已經(jīng)具備比較成熟的理論和技術(shù),例如在數(shù)據(jù)獲取、處理、管理、輸出，數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等方面有很多較為成熟的理論和方法。在實(shí)踐上已有幾十年的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)部門和領(lǐng)域。這是眾所周知的。二維GIS方面的很多理論、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)都能為三維GIS借鑒。
● 三維可視化技術(shù)在生物、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)、大氣等領(lǐng)域已有很多成功的應(yīng)用。三維GIS與二維GIS的一個(gè)重要不同之處在于它有一個(gè)三維對(duì)象的視覺(jué)表現(xiàn)問(wèn)題，這也是它的一個(gè)基本要求，現(xiàn)在成熟的科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)已經(jīng)為這一要求打下了較為堅(jiān)實(shí)的理論技術(shù)基礎(chǔ)。三維GIS工作者要做的是對(duì)各種地學(xué)對(duì)象的本質(zhì)特征進(jìn)行分析，找出它們與其它領(lǐng)域?qū)ο蟮牟煌c(diǎn)，進(jìn)行合適的概念建模和幾何建模，利用相應(yīng)的三維可視化技術(shù)對(duì)之進(jìn)行視覺(jué)表現(xiàn)。
● 在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工具方面，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)已有較成熟的理論技術(shù)和廣泛的應(yīng)用，為支持空間數(shù)據(jù)管理的擴(kuò)展關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)已經(jīng)研制出來(lái)并已商業(yè)化，目前還在進(jìn)一步完善。例如，現(xiàn)在的流行關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)基本上都支持空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，支持變長(zhǎng)記錄，因此它們也都是擴(kuò)展的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)有：GEO++[7], SmallWorld, GeO2[6]和GODOT[5]等。
3.2 三維GIS當(dāng)前面臨的困難
上述已有的研究成果只是三維GIS領(lǐng)域的一部分，由于三維GIS涉及的專業(yè)領(lǐng)域很廣，隨著應(yīng)用的深入，它還有很多問(wèn)題需要解決。KELK曾經(jīng)描述過(guò)三維地學(xué)模擬面臨的問(wèn)題：復(fù)雜的空間關(guān)系；不容易找到象醫(yī)學(xué)領(lǐng)域那樣易于“解剖”的地學(xué)對(duì)象；稀疏的、隨機(jī)的不充足的采樣數(shù)據(jù)；來(lái)自于遙感的預(yù)示性或模糊性數(shù)據(jù)的比例尺太?。怀渥悴蓸訑?shù)據(jù)的獲得需要昂貴的代價(jià)；巖石塊內(nèi)巖性變化較大；時(shí)間和地質(zhì)過(guò)程的動(dòng)態(tài)本質(zhì)[24]。根據(jù)已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，作者認(rèn)為當(dāng)前三維GIS發(fā)展需要解決如下關(guān)鍵問(wèn)題：
（1） 三維數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)廉價(jià)獲取
KELK曾把三維地學(xué)數(shù)據(jù)獲取作為幾個(gè)主要的困難之一，“一般情況下只有很不完整的，有時(shí)是相互沖突的信息可以獲取……”，“經(jīng)濟(jì)條件不允許為解決不確定性而進(jìn)行的充足采樣”[24]。地學(xué)三維表達(dá)與分析和醫(yī)學(xué)可視化有很多相似的地方，但醫(yī)學(xué)可視化在實(shí)際應(yīng)用中比較成功，而地學(xué)可視化卻顯得困難。其中一個(gè)重要的原因是地學(xué)三維數(shù)據(jù)采樣率很低，難以準(zhǔn)確地表達(dá)地學(xué)對(duì)象的真實(shí)狀況。另一個(gè)原因是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究者對(duì)他們研究中期望看見(jiàn)的對(duì)象一般都有較為準(zhǔn)確的印象模式，而地學(xué)領(lǐng)域的研究者因?yàn)榈貙W(xué)對(duì)象的復(fù)雜變化性不能準(zhǔn)確地確定研究對(duì)象的各種屬性[2][24]。正因?yàn)榈貙W(xué)對(duì)象在自然界的紛繁復(fù)雜，使得此一地的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒荒芤浦驳搅硪坏氐牡貙W(xué)研究對(duì)象中，因此三維數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取在地學(xué)領(lǐng)域顯得尤為重要。
?。?） 大數(shù)據(jù)量的存儲(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。
（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)。雖然有很多人展開過(guò)相關(guān)方面的研究與開發(fā)（如前所述），但還沒(méi)有形成能為大多數(shù)人所接受的統(tǒng)一理論與模式，有待于進(jìn)一步研究與完善。
?。?）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。其中很大一個(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[1]。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)入嵌入GIS中，是三維GIS發(fā)展的一個(gè)重要方面。
4.當(dāng)前三維GIS研發(fā)的幾個(gè)注意點(diǎn)
從前面關(guān)于三維GIS的發(fā)展、定義、特點(diǎn)、功能、面臨的機(jī)遇與困難，結(jié)合當(dāng)今GIS建設(shè)的情況，我們得到當(dāng)前三維GIS研發(fā)應(yīng)該注意的幾個(gè)方面。
(1) 目前應(yīng)以開發(fā)二維為主、三維為輔的混合型GIS為主要目標(biāo)，不宜單純開發(fā)三維GIS。原因有二：1）需求上的決定。在當(dāng)前GIS產(chǎn)業(yè)界，二維GIS已經(jīng)能夠滿足大部分實(shí)際需求，對(duì)三維GIS的需求仍然只占少部分。2）技術(shù)上的限制。正如前文所闡述的，當(dāng)前在三維數(shù)據(jù)獲取、大數(shù)據(jù)量處理與存儲(chǔ)、三維可視化、三維空間分析方面還不能以較好的性價(jià)比滿足大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的需要。如果完全采用三維GIS，勢(shì)必將花費(fèi)高昂的系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用，在二維GIS能夠滿足需要的情況下，用戶沒(méi)有必要去一味追求高性能。當(dāng)然，這里并不排除部分單位研制完全的三維GIS以滿足一些行業(yè)的特定需要，如軍事、采礦、石油勘探、地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究等工作。
在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，建議在一般情況下進(jìn)行二維顯示與分析，當(dāng)有特殊需要時(shí)可以調(diào)出三維結(jié)構(gòu)作相應(yīng)處理。
(2) 在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上要以邊界表達(dá)法（BR）為主。不要認(rèn)為三維GIS一定要進(jìn)行三維空間分析，事實(shí)上雖然三維空間分析是三維GIS的特色，但實(shí)際需求仍然以三維可視化和數(shù)據(jù)管理為主，因此在三維GIS系統(tǒng)中要以矢量結(jié)構(gòu)為主體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而在需要時(shí)轉(zhuǎn)換為柵格結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，這與研究基于3D柵格框架的三維集成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并不矛盾，相反，集成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)反而為矢量柵格的快速轉(zhuǎn)換提供了便捷的通道。
(3) 對(duì)于需要進(jìn)行三維空間分析的地方，需要專門研究支持快速分析的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與空間分析算法。作者曾經(jīng)在這些方面做過(guò)一些探討，如集成矢量與柵格特征的四層矢量化八叉樹結(jié)構(gòu)[39]、基于該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的空間數(shù)據(jù)模型與空間分析等[40]。
(4) 城市三維現(xiàn)在已成為當(dāng)前三維ＧＩＳ中研究與開發(fā)的一個(gè)重要方面。信息化目前正成為社會(huì)發(fā)展的主流，城市作為信息存在與傳播的主體，理所當(dāng)然地也成為三維GIS表達(dá)的一個(gè)重要對(duì)象。國(guó)內(nèi)外已有人作出了較好的探索[38][41][42]，但在實(shí)際系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用上還需要加大力度。
5.結(jié)語(yǔ)
本文根據(jù)作者多年研究開發(fā)三維GIS的經(jīng)驗(yàn)體會(huì)，回顧評(píng)述了三維GIS的特點(diǎn)與相關(guān)軟件發(fā)展情況，同時(shí)指出三維GIS的發(fā)展一方面面臨著完整的三維數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的缺乏，數(shù)據(jù)獲取及大數(shù)據(jù)量存貯和處理上的困難，三維空間分析能力薄弱等困難，另一方面又面臨著科學(xué)計(jì)算可視化理論技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)管理技術(shù)、數(shù)字影象處理技術(shù)和二維GIS長(zhǎng)期發(fā)展提供的理論實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等有利因素。文章最后也為三維GIS實(shí)際系統(tǒng)的開發(fā)提出了幾個(gè)值得注意的要點(diǎn)。
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A DISCUSSION ON BASIC PROBLEMS OF 3D GIS
Abstract This paper reviews 3D GIS’s characters and related software development, discusses its some basic problems such as data acquisition, 3D data storage and handling, 3D spatial snalysis, etc. and points out that on one hand currently 3D GIS’s development is restricted by inefficient 3D data model and data structure, difficulties of 3D data acquisition, large amount 3D data procession and storage, and 3D spatial analysis, on the other hand, 3D GIS can be facilitated by mature Visualization of Scientific Computation, Database, Digital Image Procession technique and 2D GIS’s theories and experience. 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 only one secondary part; ② Boundary Representation must be used as one primary method in 3D modeling, Raster structure and integrated or hybrid Vector-raster structure can only be auxiliary method; ③ Some special data structure and spatial algorithm need to be researched to support efficient 3D spatial analysis; 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
肖樂(lè)斌
男，1970年生，1999年畢業(yè)于中科院地理所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，獲地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專業(yè)博士學(xué)位，現(xiàn)為中科院地理信息產(chǎn)業(yè)中心和中科院遙感應(yīng)用研究所合作培養(yǎng)博士后，目前的研究方向?yàn)镚IS數(shù)據(jù)模型、三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和GIS軟件開發(fā)。
鐘耳順
男，1956年生，1991年獲北京大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位，1992年進(jìn)入中國(guó)科學(xué)院地理研究所博士后流動(dòng)站工作兩年。現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所知識(shí)創(chuàng)新基地研究員、博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心主任。主要研究領(lǐng)域?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)基礎(chǔ)軟件及3S應(yīng)用。
劉紀(jì)遠(yuǎn)
男，1947年生，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所所長(zhǎng)、研究員、博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域?yàn)橘Y源與環(huán)境信息系統(tǒng)、
宋關(guān)福
男，1969年生，1998年獲中國(guó)科學(xué)院地理研究所理學(xué)博士學(xué)位，1998年-2000年在中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所博士后流動(dòng)站工作，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所知識(shí)創(chuàng)新基地副研究員。主要研究領(lǐng)域?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)基礎(chǔ)軟件及3S應(yīng)用。
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