三维地理信息系统的应用与发展

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是一种专门用于采集、存储、管理、分析和表达空间数据的信息系统[50，51]，是一门集地球科学、空间科学、环境科学、地理学、信息学和自动制图技术等最新成就的新兴边缘学科[52-56]。目前，著名的地理信息系统有SGI公司的Inventor和Performer、Paradiam公司的Vaga、ERDAS公司的Image Virtual GIS、MapInfo公司的桌面地图信息系统、ESRI公司的ArcGIS软件，国内有超图公司的Super Map系统、中地数码集团的MAPGIS软件等。在此之上，国内外许多公司都研制了许多组件式地理信息系统平台，大多都具备了三维真实感地形生成的功能模块[57，58]。

但由于GIS是从早期计算机地图的绘制直接演进而来，决定了其系统多采用二维数据描述空间对象，导致了它在描述三维空间信息上的不足，限制了其系统在三维空间上的应用。而三维地理信息系统则是指在平面地理信息系统之上，融入相应的三维空间属性的地理信息系统，具有对空间数据进行获取、建模、组织、存储、管理、操作、分析和表现的功能，但由于三维空间数据描述的复杂性，使得大多数与三维GIS有关的研究成果都还立足于特定的有限领域，而且都还是分散的、不全面的。当前，三维GIS的应用功能还主要局限于三维可视化与逼真的视觉表达方面，而重要的三维分析和操作功能还很有限[59，60]。

三维地理信息系统是指能对空间地理现象进行真三维描述和分析的GIS系统。其研究对象是通过空间X、Y、Z轴进行定义，每一组（x，y，z）值表示一个空间位置，而不是二维GIS中的每一组（x，y）值表示一个空间位置。可以认为，二维GIS是三维GIS在空间上的简化，三维GIS是二维GIS在空间上的延伸。三维GIS的要求与二维GIS相似，但在数据采集、数据模型、空间操作及分析算法、系统维护、界面设计等诸多方面要比二维GIS复杂得多。从二维GIS到三维GIS，尽管只增加了一个空间维数，但它可以包容几乎所有的空间信息，突破常规二维表达的约束，为更好地观测和理解现实世界提供了多种选择[61，62]。其独特点体现在以下几个方面。

1）通过三维坐标定义空间对象。

2）借助专门的三维可视化理论、算法来表达三维的空间对象。

3）空间信息的数据库管理、空间分析的功能。(www.xing528.com)

4）多数据源采集与集成的功能。

目前，三维可视化软件主要集中在两个方面：一是三维地形与三维城市可视化软件；二是三维地学模拟软件。

（1）三维地形与城市可视化软件。该方面已经有了比较成熟的研究成果。在国外比较典型的有ESRI公司的Are View 3D Analyst系统、MultiGen公司的Site Build 3D系统、GEONOVA公司的DILAS系统、ERDAS公司的IMAGING Virtual GIS软件、瑞士ETH Zurich大学开发的Cyber-City GIS软件等。在国内有适普软件公司的三维可视软件IMAGIS、吉奥信息工程技术有限公司研制的数码城市地理信息系统、北京灵图软件技术有限公司开发的三维地理信息系统软件系列产品等。

（2）三维地学模拟软件。在该方面，国内外的大学、公司和研究机构结合地质勘探与矿山开采需要开发一些具有三维地质建模与可视化功能的软件系统，比较有影响的有加拿大Kirkham Geosystems公司的Micro LYNX+、美国CTech开发公司的EVS、法国Nancy大学的GoCAD、Geo Visual System Limited的GeoCard、GeoQuest公司的地质模型可视化软件Framework3D、Property3D和FioGridSAND以及澳大利亚的Micro Mine软件、美国地质调查局的Modflow建模软件、澳大利亚Encom公司的Model Vision、澳大利亚Maptek公司的Vulcan、中国地质大学的Geo View、中国矿业大学的Geo Mo3D、北京理正设计研究所理正地质软件、东方泰坦科技有限公司研制的Titan T3M三维建模软件等。但大多数软件由于仅仅在二维空间信息的基础上，直接、简单地加入了三维信息，很难进行真三维数据的表达，并难以实现基于三维信息的分析功能。

在对以往文献的分析中，不难发现在交通、水利、电力、航空、地测和城市规划等方面，GIS已经有了较好的应用并收到了良好的效果，其众多的商业化软件和平台表明这门技术已日趋成熟，但基于三维表达方式的地理信息系统却方兴未艾。