三维GIS功能与特点介绍与分析

小奋青

三维GIS的定义

从不同的角度出发，GIS有三种定义：①基于工具箱的定义，认为GIS是一个从现实世界采集、存贮、转换、显示空间数据的工具**；②数据库定义，认为GIS是一个数据库系统，在数据库里的大多数数据能被索引和操作，以回答各种各样的问题；③基于组织机构的定义，认为GIS是一个功能**，能够存贮、检索、操作和显示地理数据，是一个集数据库、专家和持续经济支持的机构团体和组织结构，提供解决环境问题的各种决策支持。基于工具箱的定义强调对地理数据的各种操作，基于数据库的定义强调用来处理空间数据的数据组织的差异，而基于组织的定义强调机构和人在处理空间信息上的作用，而不是他们需要的工具的作用。

TURNER认为“Geographical Information System”主要用来区分纯粹的二维GIS与三维GIS[2]，为强调在三维任务如地质或地貌应用上的扩展，人们创造了术语“Geoscientific Information System”(GSIS)[28]。后来这个词被修改为一个缩写形式“Geo-Information System”(GIS)[24][28]。为区分三维GIS与现今世界上比较成熟的流行的各种二维商业GIS，这里倾向于BREUNIG的观点[28]，用GIS指代“Geo-Information System”，认为三维GIS是布满整个三维空间的GIS，与传统的基于平面的二维GIS或2.5维GIS明显不同，尤其体现在空间位置与拓扑关系的描述及空间分析的伸展方向上。

三维GIS加上时间维方面的处理即为四维GIS。

2.2 三维GIS的特点

在三维GIS中，空间目标通过X、Y、Z三个坐标轴来定义，它与二维GIS中定义在二维平面上的目标具有完全不同的性质。在目前二维GIS中已存在的0，1，2维空间要素必须进行三维扩展，在几何表示中增加三维信息，同时增加三维要素来表示体目标[9]。空间目标通过三维坐标定义使得空间关系也不同于二维GIS，其复杂程度更高。二维GIS对于平面空间的有限-互斥-完整划分是基于面的划分，三维GIS对于三维空间的有限-互斥-完整划分则是基于体的划分，因而，通过分析基于（单一）体划分的三维矢量结构GIS几何成分之间的拓扑关系，李青元提出五组简化的拓扑关系[37]。三维GIS的可视表现也比二维GIS复杂得多，以致于出现了专门的三维可视化理论、算法和系统。

总起来说，与二维GIS相比，三维GIS对客观世界的表达能给人以更真实的感受，它以立体造型技术给用户展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系；另外对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维GIS特有的功能。而与CAD及各种科学计算可视化软件相比，它具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分析的能力。三维空间数据库是三维GIS的核心，三维空间分析则是其独有的能力。与功能增强相对应的是，三维GIS的理论研究和系统建设工作比二维GIS也更加复杂。

三维GIS的功能

RHIND基于二维GIS的发展状况提出了三维GIS可能包括的十项功能：数据采集和检验有效性；数据结构化和转化为新的结构（包括创建拓扑关系和从一种拓扑关系转化为另一种拓扑关系）；各种变化（平移、旋转、比例、剪切（shear））；选择；布尔操作（交、并差、或及切割断面、开隧道（tunneling）、建筑building）；计算（体积、表面积、中心、距离、方向）；分析；可视化；系统管理[23]。KELK为三维地学模拟提出过14项功能[24]：1）从其它系统中引进数据和部分分析功能；2）保存和操作真三维坐标数据；3）无原始坐标信息损失地变化方向；4）保存和显示地理对象内部组分的信息；5）能够方便地进行交互式修改，可针对地理对象及其数据库；6）允许满足不同数据模型要求的模型重建；7）将断层等特征作为事件考虑，允许它们影响地学对象；8）处理大的比例尺差异；9）处理内部流体运动和其它时间方面的事件；10）和其它定量公式交互；11）允许局部细节和更广的软中心（soft-focus）图片显示；12）视觉上使用户满意；13）分析各种建模趋势、模式及与其它GIS模块的联系；14）在主要的数据库中存贮模型和导出报表。

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小奋青

BREUNIG从空间信息集成的角度为三维GIS的发展提出了三项必备的功能：1）复杂地学对象的管理和处理；2）能够对由各种空间对象表达形式表示的地学复杂对象进行有效的空间存取；3）能够对各种空间对象进行有效的空间操作[28]。ALEXANDER和SIGRID在城市三维GIS的设计者中提到了三维城市GIS应该具备的另两项功能：1）应能受益于现代数据获取方法的进步；2）三维城市GIS应面向未来的技术[38]。三维GIS 也必须解决一些传统问题：不确定性；误差定位和消除；处理数据模型的不连续；处理时态数据；处理在不同数据结构中的不同类型和不同比例尺数据[18]。作者认为，三维GIS除了具备二维GIS的传统功能以外,还应该具有如下独有的功能:
● 包容一维、二维对象
三维GIS不仅要表达三维对象,而且要研究一维、二维对象在三维空间中的表达。三维空间中的一维、二维对象与传统GIS的二维空间中的一维、二维对象在表达上是不一样的。传统的二维GIS将一维、二维对象垂直投影到二维平面上，存储它们投影结果的几何形态与相互间的位置关系。而三维GIS将一维、二维对象置于三维立体空间中考虑，存储的是它们真实的几何位置与空间拓扑关系，这样表达的结果就能区分出一维、二维对象在垂直方向上的变化。二维GIS也能通过附加属性信息等方式体现这种变化，但存储、管理的效率就显得较低，输出的结果也不直观。

● 可视化2.5维、三维对象
三维GIS的首要特色是要能对2.5维、三维对象进行可视化表现。在建立和维护三维GIS的各个阶段中，不论是对三维对象的输入、编辑、存储、管理，还是对它们进行空间操作与分析或是输出结果，只要涉及到三维对象，就存在三维可视化问题。三维对象的几何建模与可视表达在三维GIS建设的整个过程中都是需要的，这是三维GIS的一项基本功能。
● 三维空间DBMS管理
三维GIS的核心是三维空间数据库。三维空间数据库对空间对象的存储与管理使得三维GIS既不同于CAD、商用数据库与科学计算可视化，也不同于传统的二维GIS。它可能由扩展的关系数据库系统也可能由面向对象的空间数据库系统存储管理三维空间对象。

当前研究和开发三维GIS的思路可归纳为两种：

● 由于三维GIS首先要将地理数据变为可见的地理信息，因此人们一方面从三维可视化领域向三维GIS系统扩展，这一点同早期的二维GIS来源于计算机制图管理一样，是从可视化角度出发的。
● 另一方面，GIS需要存储和管理大量的空间信息和属性信息，因此另一部分人从数据库的角度出发向三维GIS发展，从商用数据库向非标准应用领域扩展，将三维空间信息的管理融入RDBMS中，或是从底层开发全新的面向空间的OODBMS, 如GODO，GeoO2，GEO++，SmallWorld GIS。一个新的发展方向是将三维可视化与三维空间对象管理藕合起来，形成集成系统。
（2）三维GIS相关软件发展概况
但是迄今为止，目前国际国内还没有一个成熟完整的三维GIS系统，与三维GIS相关的系统大多集中在三维可视化方面，如EVS，Vis5D，Voxel，医学可视化及各种CAD软件等，也有一些三维系统部分实现三维GIS的功能，比较有名的软件有：LYNX， IVM（Interactive Volume Modeling）， GOCAD，I/EMS，SGM等。

迄今为止，目前国际国内还没有一个成熟完整的三维GIS系统，与三维GIS相关的系统大多集中在三维可视化方面，如EVS，Vis5D，Voxel，医学可视化及各种CAD软件等，也有一些三维系统部分实现三维GIS的功能，比较有名的软件有：LYNX， IVM（Interactive Volume Modeling）， GOCAD， I/EMS，SGM等。