三维GIS的基本问题探讨(3)

实践上已有几十年的发展经验，被广泛应用于各个部门和领域。这是众所周知的。二维GIS方面的很多理论、技术和经验都能为三维GIS借鉴。

● 三维可视化技术在生物、医学、地质、大气等领域已有很多成功的应用。三维GIS与二维GIS的一个重要不同之处在于它有一个三维对象的视觉表现问题，这也是它的一个基本要求，现在成熟的科学计算可视化技术已经为这一要求打下了较为坚实的理论技术基础。三维GIS工作者要做的是对各种地学对象的本质特征进行分析，找出它们与其它领域对象的不同点，进行合适的概念建模和几何建模，利用相应的三维可视化技术对之进行视觉表现。

● 在数据存储工具方面，关系数据库已有较成熟的理论技术和广泛的应用，为支持空间数据管理的扩展关系数据库系统和面向对象的空间数据库系统已经研制出来并已商业化，目前还在进一步完善。例如，现在的流行关系数据库系统基本上都支持空间数据的存储，支持变长记录，因此它们也都是扩展的关系数据库系统。面向对象的数据库系统有：GEO++[7], SmallWorld, GeO2[6]和GODOT[5]等。

3.2 三维GIS当前面临的困难

上述已有的研究成果只是三维GIS领域的一部分，由于三维GIS涉及的专业领域很广，随着应用的深入，它还有很多问题需要解决。KELK曾经描述过三维地学模拟面临的问题：复杂的空间关系；不容易找到象医学领域那样易于“解剖”的地学对象；稀疏的、随机的不充足的采样数据；来自于遥感的预示性或模糊性数据的比例尺太小；充足采样数据的获得需要昂贵的代价；岩石块内岩性变化较大；时间和地质过程的动态本质[24]。根据已有的知识和经验，作者认为当前三维GIS发展需要解决如下关键问题：

（1） 三维数据实时廉价获取

KELK曾把三维地学数据获取作为几个主要的困难之一，“一般情况下只有很不完整的，有时是相互冲突的信息可以获取??”，“经济条件不允许为解决不确定性而进行的充足采样”[24]。地学三维表达与分析和医学可视化有很多相似的地方，但医学可视化在实际应用中比较成功，而地学可视化却显得困难。其中一个重要的原因是地学三维数据采样率很低，难以准确地表达地学对象的真实状况。另一个原因是医学领域的研究者对他们研究中期望看见的对象一般都有较为准确的印象模式，而地学领域的研究者因为地学对象的复杂变化性不能准确地确定研究对象的各种属性[2][24]。正因为地学对象在自然界的纷繁复杂，使得此一地的经验模型不能移植到另一地的地学研究对象中，因此三维数据实时获取在地学领域显得尤为重要。

（2） 大数据量的存储与快速处理

在三维GIS中，无论是基于矢量结构还是基于栅格结构，对于不规则地学对象的精确表达都会遇到大数据量的存储与处理问题。除了在硬件上靠计算机厂商生产大容量存储设备和快速处理器外，还应该研究软件方面的算法以提高效率，例如针对不同条件的各种高效数据模型设计、并行处理算法、小波压缩算法及在压缩状态下的直接处理分析等。

（3） 完整的三维空间数据模型与数据结构

三维空间数据库是三维GIS的核心，它直接关系到数据的输入、存储、处理、分析和输出等GIS的各个环节，它的好坏直接影响着整个GIS的性能。而三维空间数据模型是人们对客观世界的理解和抽象，是建立三维空间数据库的理论基础。三维空间数据结构是三维空间数据模型的具体实现，是客观对象在计算机中的底层表达，是对客观对象进行可视表现的基础。虽然有很多人展开过相关方面的研究与开发（如前所述），但还没有形成能为大多数人所接受的统一理论与模式，有待于进一步研究与完善。

（4）三维空间分析方法的开发

空间分析能力在二维GIS中就比较薄弱，目前大多数的GIS都不能做到决策层次上来，只能作为一个大的空间数据库，满足简单的编辑、管理、查询和显示要求，不能为决策者直接提供决策方案。其中很大一个原因就是在现有的GIS中，空间分析的种类及数量都很少。在三维GIS中，同样面临着这个问题[1]。因此，研究开发GIS的基本空间分析及将各领域的专家知识入嵌入GIS中，是三维GIS发展的一个重要方面。

4.当前三维GIS研发的几个注意点

从前面关于三维GIS的发展、定义、特点、功能、面临的机遇与困难，结合当今GIS建设的情况，我们得到当前三维GIS研发应该注意的几个方面。

(1) 目前应以开发二维为主、三维为辅的混合型GIS为主要目标，不宜单纯开发三维GIS。原因有二：1）需求上的决定。在当前GIS产业界，二维GIS已经能够满足大部分实际需求，对三维GIS的需求仍然只占少部分。2）技术上的限制。正如前文所阐述的，当前在三维数据获取、大数据量处理与存储、三维可视化、三维空间分析方面还不能以较好的性价比满足大规模商业应用的需要。如果完全采用三维GIS，势必将花费高昂的系统建设费用，在二维GIS能够满足需要的情况下，用户没有必要去一味追求高性能。当然，这里并不排除部分单位研制完全的三维GIS以满足一些行业的特定需要，如军事、采矿、石油勘探、地质结构研究等工作。 在具体实现时，建议在一般情况下进行二维显示与分析，当有特殊需要时可以调出三维结构作相应处理。

(2) 在数据结构上要以边界表达法（BR）为主。不要认为三维GIS一定要进行三维空间分析，事实上虽然三维空间分析是三维GIS的特色，但实际需求仍然以三维可视化和数据管理为主，因此在三维GIS系统中要以矢量结构为主体数据结构，而在需要时转换为栅格结构。当然，这与研究基于3D栅格框架的三维集成数据结构并不矛盾，相反，集成数据结构反而为矢量栅格的快速转换提供了便捷的通道。

(3) 对于需要进行三维空间分析的地方，需要专门研究支持快速分析的数据结构与空间分析算法。作者曾经在这些方面做过一些探讨，如集成矢量与栅格特

征的四层矢量化八叉树结构[39]、基于该数据结构的空间数据模型与空间分析等[40]。

(4) 城市三维现在已成为当前三维ＧＩＳ中研究与开发的一个重要方面。信息化目前正成为社会发展的主流，城市作为信息存在与传播的主体，理所当然地也成为三维GIS表达的一个重要对象。国内外已有人作出了较好的探索[38][41][42]，但在实际系统的开发与应用上还需要加大力度。

5.结语

本文根据作者多年研究开发三维GIS的经验体会，回顾评述了三维GIS的特点与相关软件发展情况，同时指出三维GIS的发展一方面面临着完整的三维数据模型和数据结构的缺乏，数据获取及大数据量存贮和处理上的困难，三维空间分析能力薄弱等困难，另一方面又面临着科学计算可视化理论技术、数据库系统管理技术、数字影象处理技术和二维GIS长期发展提供的理论实践经验等有利因素。文章最后也为三维GIS实际系统的开发提出了几个值得注意的要点。