三維GIS的基本問題探討
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提 要
本文回顧與評述了三維GIS的相關(guān)發(fā)展情況，探討了三維GIS的有關(guān)基本問題，如數(shù)據(jù)獲取、大數(shù)據(jù)量存貯與處理、三維空間分析，同時指出科學計算可視化、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理、數(shù)字影象處理等技術(shù)的成熟和二維GIS長期發(fā)展提供的理論實踐經(jīng)驗等為三維GIS的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。最后為三維GIS實際系統(tǒng)的開發(fā)提出了幾個值得注意的要點。
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關(guān)鍵詞
三維GIS 基本問題 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
0.引言
二維 GIS始于二十世紀六十年代的機助制圖，今天已深入到社會的各行各業(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立的變量來處理，只將其作為附屬的屬性變量對待，能夠表達出表面起伏的地形，但地形下面的信息卻不具有，因此它們在國際國內(nèi)也被俗稱為2.5維的系統(tǒng)。考慮到2.5維這一概念并不嚴密，作者稱之為“地形面三維”或簡稱面三維。我們認為，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。它在表達上通常是將Z值投影到二維平面上進行處理，因此對于同一（x, y）位置的多個Z值不能表達。
地形面三維的表達將Z值投影到一個模型上，顯示時X、Y、Z三個軸均被顯示，其模仿人類從某點觀察的視覺，使三維對象看起來象真正的三維對象一樣。但是面三維技術(shù)有兩個明顯的缺點：①它表達的對象內(nèi)部是空的，不具備應(yīng)有的信息；②雖然它能表現(xiàn)鄰近的多個表面，但對于表面交叉的情況，則難以進行交叉表達和管理。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題，如三維內(nèi)部屬性和拓撲關(guān)系，三維空間索引和管理等。這是三維空間表達與二維GIS、地形面三維表達的本質(zhì)區(qū)別之一。
三維空間表達考慮多個Z值的出現(xiàn)，將多個（X, Y, Z）觀測點結(jié)構(gòu)化為實體域，這種處理是對人類居住空間的較為接近的近視[1]。
1.三維GIS發(fā)展評述
世界的本原是處在三維空間中的，二維GIS將現(xiàn)實世界簡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的問世。因此在過去的一段時間里，人們很早就開始了三維GIS理論和實際系統(tǒng)方面的探索，同時遇到了不少困難。下面對此展開討論。
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，人們越來越多地要求從真三維空間來處理問題。在應(yīng)用要求較為強烈的部門如采礦、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自己的領(lǐng)域開發(fā)的，沒有從理論上加以系統(tǒng)完整的研究，沒有面向通用平臺進行設(shè)計，因此具有較強的局限性。這是由當時的應(yīng)用要求、數(shù)據(jù)獲取手段及相關(guān)的計算機技術(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，圖形學理論、數(shù)據(jù)庫理論技術(shù)及其它相關(guān)計算機技術(shù)的進一步發(fā)展，加上應(yīng)用需求的強烈推動，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)榭梢姷牡乩硇畔ⅲ虼巳藗円环矫鎻娜S可視化領(lǐng)域向三維GIS系統(tǒng)擴展，這一點同早期的二維GIS來源于計算機制圖管理一樣，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)庫的角度出發(fā)向三維GIS發(fā)展，從商用數(shù)據(jù)庫向非標準應(yīng)用領(lǐng)域擴展，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。一個新的發(fā)展方向是將三維可視化與三維空間對象管理藕合起來，形成集成系統(tǒng)。
（2）三維GIS相關(guān)軟件發(fā)展概況
但是迄今為止，目前國際國內(nèi)還沒有一個成熟完整的三維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)學可視化及各種CAD軟件等，也有一些三維系統(tǒng)部分實現(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是僅重視表達三維對象本身，對各對象間關(guān)系的表達沒有足夠的重視，因此管理大批量三維空間對象的能力較弱，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)有一些簡單的三維模塊，但也遠不能滿足三維GIS應(yīng)有的要求。總起來說，這些軟件在構(gòu)造、表達三維對象上具有較強的能力，但管理和分析能力較弱。作者認為出現(xiàn)這種情況的一個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，許多學者和研究人員在這方面作出了很多努力[10]~[27]，但仍然沒有形成完整的三維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)進行過較為系統(tǒng)的研究與實踐[28]。他為三維GIS提出了一個空間信息集成模型，該模型以所謂的擴展復(fù)雜要素（e-complex）為內(nèi)核，表達三維空間地學對象的幾何性質(zhì)，度量屬性及對象間的復(fù)雜拓撲關(guān)系。以此為基礎(chǔ)，他又進一步定義了拓撲操作，并將各種e-complex對象融入地學建模和管理的模型框架中，最后給出了一個地質(zhì)應(yīng)用的例子。該模型是以矢量模型為基礎(chǔ)，對象及對象間的拓撲關(guān)系表達較為精確，但各種操作復(fù)雜費時，空間分析不易。
國內(nèi)李清泉也做過較為系統(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)的八叉樹作為對象描述的總體框架，控制對象空間的宏觀分布，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，較為精確地表達細碎部分，并將這兩種模型進行有機地結(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，但還需要其它表達模型的補充，以提高表達、訪問和操作的效率。
作者認為，由于地學對象賦存形態(tài)各異，千變?nèi)f化，各種模型又都有其優(yōu)缺點，因此為三維GIS表達和分析服務(wù)的各種數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)當針對不同的數(shù)據(jù)獲取方式、地學對象本身的大致形態(tài)和主要的應(yīng)用目的設(shè)計不同的數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)[29]。以此將各種模型的長處充分發(fā)揮，進一步提高三維GIS表達和分析的效率。
1.3 三維空間分析
在三維空間分析方面做得較多的是計算機圖形學領(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[30]~[32]、鄰居尋找[33][34]，很少考慮為地學目的服務(wù)的分析。地學領(lǐng)域曾有人在三維地質(zhì)表面模擬中提出過三維邊界搜索算法[35]，但其算法較為復(fù)雜。作者曾提出過結(jié)構(gòu)較為簡單的鄰域?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，例如三維拓撲關(guān)系的描述與構(gòu)造，三維查詢與統(tǒng)計分析等，有待于進一步的研究。
2.三維GIS的定義、特點及功能
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，認為GIS是一個從現(xiàn)實世界采集、存貯、轉(zhuǎn)換、顯示空間數(shù)據(jù)的工具集合；②數(shù)據(jù)庫定義，認為GIS是一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)庫里的大多數(shù)數(shù)據(jù)能被索引和操作，以回答各種各樣的問題；③基于組織機構(gòu)的定義，認為GIS是一個功能集合，能夠存貯、檢索、操作和顯示地理數(shù)據(jù)，是一個集數(shù)據(jù)庫、專家和持續(xù)經(jīng)濟支持的機構(gòu)團體和組織結(jié)構(gòu)，提供解決環(huán)境問題的各種決策支持。基于工具箱的定義強調(diào)對地理數(shù)據(jù)的各種操作，基于數(shù)據(jù)庫的定義強調(diào)用來處理空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)組織的差異，而基于組織的定義強調(diào)機構(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認為“Geographical Information System”主要用來區(qū)分純粹的二維GIS與三維GIS[2]，為強調(diào)在三維任務(wù)如地質(zhì)或地貌應(yīng)用上的擴展，人們創(chuàng)造了術(shù)語“Geoscientific Information System”(GSIS)[28]。后來這個詞被修改為一個縮寫形式“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[28]，用GIS指代“Geo-Information System”，認為三維GIS是布滿整個三維空間的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)在空間位置與拓撲關(guān)系的描述及空間分析的伸展方向上。
三維GIS加上時間維方面的處理即為四維GIS。
2.2 三維GIS的特點
在三維GIS中，空間目標通過X、Y、Z三個坐標軸來定義，它與二維GIS中定義在二維平面上的目標具有完全不同的性質(zhì)。在目前二維GIS中已存在的0，1，2維空間要素必須進行三維擴展，在幾何表示中增加三維信息，同時增加三維要素來表示體目標[9]。空間目標通過三維坐標定義使得空間關(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幾何成分之間的拓撲關(guān)系，李青元提出五組簡化的拓撲關(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)。
總起來說，與二維GIS相比，三維GIS對客觀世界的表達能給人以更真實的感受，它以立體造型技術(shù)給用戶展現(xiàn)地理空間現(xiàn)象，不僅能夠表達空間對象間的平面關(guān)系，而且能描述和表達它們之間的垂向關(guān)系；另外對空間對象進行三維空間分析和操作也是三維GIS特有的功能。而與CAD及各種科學計算可視化軟件相比，它具有獨特的管理復(fù)雜空間對象能力及空間分析的能力。三維空間數(shù)據(jù)庫是三維GIS的核心，三維空間分析則是其獨有的能力。與功能增強相對應(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)展狀況提出了三維GIS可能包括的十項功能：數(shù)據(jù)采集和檢驗有效性；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化和轉(zhuǎn)化為新的結(jié)構(gòu)（包括創(chuàng)建拓撲關(guān)系和從一種拓撲關(guān)系轉(zhuǎn)化為另一種拓撲關(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為三維地學模擬提出過14項功能[24]：1）從其它系統(tǒng)中引進數(shù)據(jù)和部分分析功能；2）保存和操作真三維坐標數(shù)據(jù)；3）無原始坐標信息損失地變化方向；4）保存和顯示地理對象內(nèi)部組分的信息；5）能夠方便地進行交互式修改，可針對地理對象及其數(shù)據(jù)庫；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，允許它們影響地學對象；8）處理大的比例尺差異；9）處理內(nèi)部流體運動和其它時間方面的事件；10）和其它定量公式交互；11）允許局部細節(jié)和更廣的軟中心（soft-focus）圖片顯示；12）視覺上使用戶滿意；13）分析各種建模趨勢、模式及與其它GIS模塊的聯(lián)系；14）在主要的數(shù)據(jù)庫中存貯模型和導(dǎo)出報表。
BREUNIG從空間信息集成的角度為三維GIS的發(fā)展提出了三項必備的功能：1）復(fù)雜地學對象的管理和處理；2）能夠?qū)τ筛鞣N空間對象表達形式表示的地學復(fù)雜對象進行有效的空間存取；3）能夠?qū)Ω鞣N空間對象進行有效的空間操作[28]。ALEXANDER和SIGRID在城市三維GIS的設(shè)計者中提到了三維城市GIS應(yīng)該具備的另兩項功能：1）應(yīng)能受益于現(xiàn)代數(shù)據(jù)獲取方法的進步；2）三維城市GIS應(yīng)面向未來的技術(shù)[38]。三維GIS 也必須解決一些傳統(tǒng)問題：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)該具有如下獨有的功能:
● 包容一維、二維對象
三維GIS不僅要表達三維對象,而且要研究一維、二維對象在三維空間中的表達。三維空間中的一維、二維對象與傳統(tǒng)GIS的二維空間中的一維、二維對象在表達上是不一樣的。傳統(tǒng)的二維GIS將一維、二維對象垂直投影到二維平面上，存儲它們投影結(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、二維對象置于三維立體空間中考慮，存儲的是它們真實的幾何位置與空間拓撲關(guān)系，這樣表達的結(jié)果就能區(qū)分出一維、二維對象在垂直方向上的變化。二維GIS也能通過附加屬性信息等方式體現(xiàn)這種變化，但存儲、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、三維對象
三維GIS的首要特色是要能對2.5維、三維對象進行可視化表現(xiàn)。在建立和維護三維GIS的各個階段中，不論是對三維對象的輸入、編輯、存儲、管理，還是對它們進行空間操作與分析或是輸出結(jié)果，只要涉及到三維對象，就存在三維可視化問題。三維對象的幾何建模與可視表達在三維GIS建設(shè)的整個過程中都是需要的，這是三維GIS的一項基本功能。
● 三維空間DBMS管理
三維GIS的核心是三維空間數(shù)據(jù)庫。三維空間數(shù)據(jù)庫對空間對象的存儲與管理使得三維GIS既不同于CAD、商用數(shù)據(jù)庫與科學計算可視化，也不同于傳統(tǒng)的二維GIS。它可能由擴展的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也可能由面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲管理三維空間對象。
●三維空間分析
在二維GIS中，空間分析是GIS區(qū)別于三維CAD與科學計算可視化的特有功能，在三維GIS中也同樣如此。空間分析三維化，也就是在直接在三維空間中進行空間操作與分析，連同上文述及的對空間對象進行三維表達與管理，使得三維GIS明顯不同于二維GIS，同時在功能上也更加強大。
● 應(yīng)能及時受益于現(xiàn)代數(shù)據(jù)獲取方法的進展和大數(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)展的一個重要原因。一旦三維地學數(shù)據(jù)變得象遙感數(shù)據(jù)獲取那樣及時、廣泛與普及，三維GIS將會有更迅猛的發(fā)展。因此現(xiàn)時的三維GIS設(shè)計與開發(fā)應(yīng)充分考慮未來三維地學數(shù)據(jù)獲取能力的提高，以便及時受益于現(xiàn)代數(shù)據(jù)獲取方法的進步。另外，三維GIS要處理的數(shù)據(jù)量往往很大，計算機軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展無疑能提高三維GIS的性能，這一點也是三維GIS設(shè)計必須要考慮的。總起來說，三維GIS應(yīng)該留有易于擴展的接口，具有及時吸收外部先進技術(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)展時機,這表現(xiàn)在如下幾個方面：
● 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。在實踐上已有幾十年的發(fā)展經(jīng)驗，被廣泛應(yīng)用于各個部門和領(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)驗都能為三維GIS借鑒。
● 三維可視化技術(shù)在生物、醫(yī)學、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的一個重要不同之處在于它有一個三維對象的視覺表現(xiàn)問題，這也是它的一個基本要求，現(xiàn)在成熟的科學計算可視化技術(shù)已經(jīng)為這一要求打下了較為堅實的理論技術(shù)基礎(chǔ)。三維GIS工作者要做的是對各種地學對象的本質(zhì)特征進行分析，找出它們與其它領(lǐng)域?qū)ο蟮牟煌c，進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)對之進行視覺表現(xiàn)。
● 在數(shù)據(jù)存儲工具方面，關(guān)系數(shù)據(jù)庫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)管理的擴展關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)已經(jīng)研制出來并已商業(yè)化，目前還在進一步完善。例如，現(xiàn)在的流行關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基本上都支持空間數(shù)據(jù)的存儲，支持變長記錄，因此它們也都是擴展的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫系統(tǒng)有：GEO++[7], SmallWorld, GeO2[6]和GODOT[5]等。
3.2 三維GIS當前面臨的困難
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，它還有很多問題需要解決。KELK曾經(jīng)描述過三維地學模擬面臨的問題：復(fù)雜的空間關(guān)系；不容易找到象醫(yī)學領(lǐng)域那樣易于“解剖”的地學對象；稀疏的、隨機的不充足的采樣數(shù)據(jù)；來自于遙感的預(yù)示性或模糊性數(shù)據(jù)的比例尺太小；充足采樣數(shù)據(jù)的獲得需要昂貴的代價；巖石塊內(nèi)巖性變化較大；時間和地質(zhì)過程的動態(tài)本質(zhì)[24]。根據(jù)已有的知識和經(jīng)驗，作者認為當前三維GIS發(fā)展需要解決如下關(guān)鍵問題：
（1） 三維數(shù)據(jù)實時廉價獲取
KELK曾把三維地學數(shù)據(jù)獲取作為幾個主要的困難之一，“一般情況下只有很不完整的，有時是相互沖突的信息可以獲取……”，“經(jīng)濟條件不允許為解決不確定性而進行的充足采樣”[24]。地學三維表達與分析和醫(yī)學可視化有很多相似的地方，但醫(yī)學可視化在實際應(yīng)用中比較成功，而地學可視化卻顯得困難。其中一個重要的原因是地學三維數(shù)據(jù)采樣率很低，難以準確地表達地學對象的真實狀況。另一個原因是醫(yī)學領(lǐng)域的研究者對他們研究中期望看見的對象一般都有較為準確的印象模式，而地學領(lǐng)域的研究者因為地學對象的復(fù)雜變化性不能準確地確定研究對象的各種屬性[2][24]。正因為地學對象在自然界的紛繁復(fù)雜，使得此一地的經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒荒芤浦驳搅硪坏氐牡貙W研究對象中，因此三維數(shù)據(jù)實時獲取在地學領(lǐng)域顯得尤為重要。
（2） 大數(shù)據(jù)量的存儲與快速處理
在三維GIS中，無論是基于矢量結(jié)構(gòu)還是基于柵格結(jié)構(gòu)，對于不規(guī)則地學對象的精確表達都會遇到大數(shù)據(jù)量的存儲與處理問題。除了在硬件上靠計算機廠商生產(chǎn)大容量存儲設(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，例如針對不同條件的各種高效數(shù)據(jù)模型設(shè)計、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)庫是三維GIS的核心，它直接關(guān)系到數(shù)據(jù)的輸入、存儲、處理、分析和輸出等GIS的各個環(huán)節(jié)，它的好壞直接影響著整個GIS的性能。而三維空間數(shù)據(jù)模型是人們對客觀世界的理解和抽象，是建立三維空間數(shù)據(jù)庫的理論基礎(chǔ)。三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是三維空間數(shù)據(jù)模型的具體實現(xiàn)，是客觀對象在計算機中的底層表達，是對客觀對象進行可視表現(xiàn)的基礎(chǔ)。雖然有很多人展開過相關(guān)方面的研究與開發(fā)（如前所述），但還沒有形成能為大多數(shù)人所接受的統(tǒng)一理論與模式，有待于進一步研究與完善。
（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，只能作為一個大的空間數(shù)據(jù)庫，滿足簡單的編輯、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，同樣面臨著這個問題[1]。因此，研究開發(fā)GIS的基本空間分析及將各領(lǐng)域的專家知識入嵌入GIS中，是三維GIS發(fā)展的一個重要方面。
4.當前三維GIS研發(fā)的幾個注意點
從前面關(guān)于三維GIS的發(fā)展、定義、特點、功能、面臨的機遇與困難，結(jié)合當今GIS建設(shè)的情況，我們得到當前三維GIS研發(fā)應(yīng)該注意的幾個方面。
(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，不宜單純開發(fā)三維GIS。原因有二：1）需求上的決定。在當前GIS產(chǎn)業(yè)界，二維GIS已經(jīng)能夠滿足大部分實際需求，對三維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，當前在三維數(shù)據(jù)獲取、大數(shù)據(jù)量處理與存儲、三維可視化、三維空間分析方面還不能以較好的性價比滿足大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的需要。如果完全采用三維GIS，勢必將花費高昂的系統(tǒng)建設(shè)費用，在二維GIS能夠滿足需要的情況下，用戶沒有必要去一味追求高性能。當然，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。
在具體實現(xiàn)時，建議在一般情況下進行二維顯示與分析，當有特殊需要時可以調(diào)出三維結(jié)構(gòu)作相應(yīng)處理。
(2) 在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上要以邊界表達法（BR）為主。不要認為三維GIS一定要進行三維空間分析，事實上雖然三維空間分析是三維GIS的特色，但實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)，而在需要時轉(zhuǎn)換為柵格結(jié)構(gòu)。當然，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) 對于需要進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)在已成為當前三維ＧＩＳ中研究與開發(fā)的一個重要方面。信息化目前正成為社會發(fā)展的主流，城市作為信息存在與傳播的主體，理所當然地也成為三維GIS表達的一個重要對象。國內(nèi)外已有人作出了較好的探索[38][41][42]，但在實際系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用上還需要加大力度。
5.結(jié)語
本文根據(jù)作者多年研究開發(fā)三維GIS的經(jīng)驗體會，回顧評述了三維GIS的特點與相關(guān)軟件發(fā)展情況，同時指出三維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計算可視化理論技術(shù)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理技術(shù)、數(shù)字影象處理技術(shù)和二維GIS長期發(fā)展提供的理論實踐經(jīng)驗等有利因素。文章最后也為三維GIS實際系統(tǒng)的開發(fā)提出了幾個值得注意的要點。
參考文獻
1.Raper J. F., Key 3D Modelling Concepts for Geoscientific Analysis[A], In:?? Turner A. K. (ed), Three-Dimensional Modeling with Geoscientific Information Systems[M], NATO ASI 354, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1992, 215-232
2.Turner A. K., Three-Dimensional Modeling with Geoscientific Information Systems [M], 1992, NATO ASI 354, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht
3.Mallet J. L, GOCAD: a computer aided design program for geological applications [A]. In: Turner A. K. (ed), Three-Dimensional Modeling with Geoscientific Information Systems[M], NATO ASI 354, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1992, 123-142
4.Pflug R., Klein H., Ramshorn C. H., Genter M., and Stark A., 3D Visualization of Geological Structures and Processes[A], In: Lecture Notes in EarthSciences 41[C], Berlin, Springer, 1992, 29-39
5.Gaede V., and Riekert W-F, Spatial Access Methods and Query Processing in the Object-Oriented GIS GODOT[A], In: Proceedings of the 6th International GIS Workshop on “Advanced Geographic Data Modeling”, AGDM’94[C], 1994, Delft,?
6.David B., Rayal l, Schorter G., and Mansart V., GeO2: Why Objects in a Geographic DBMS?[A], In: The 3rd International Symposium on Large Spatial Databases[C], Singapore, 23rd-25th June, 1993, 264-276
7.Van Oosterom P., and Vijlbrie T., Building a GIS on top of the open DBMS “postgres”[A], In: Proceedings EGIS’91[C], 1991, 775-787
8.龔建華，地學可視化---理論、技術(shù)及其應(yīng)用[R]，北京：中科院地理所博士后研究工作報告， 1997
9.李清泉，基于混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的三維GIS數(shù)據(jù)模型與空間分析研究[D]，武漢：武漢測繪科技大學 博士論文，1998
10.Simon W. Houlding, 3D geoscientific modeling computer Technique for geological characterization[M], 1994, South Sea Int Press Ltd., Hongkong
11.De Hoop S., Van Der Meij L., Van Hekken M., and Vijlbrief T., Integrated 3D Modeling within a GIS[A]. In: Proceedings of the 6th International GIS Workshop “Advanced Geographic Data Modeling”, AGDM’94[C], 1994, Delft
12.Pigot S., Topological Models for 3D Spatial Information Systems[A]. In: Proceedings of Auto-Carto[J], 10, 1991, Baltimore
13.Pigot S., General Singular 3-Cell Complexes[A]. In: Proceedings of the 6th International GIS Workshop “Advanced Geographic Data Modeling”, AGDM’94[C], 1994, Delft
14.Pilouk M., Tempfli K. and Molenaar M., A Tetrahedron based 3D Vector Data Model for Geoinformation[A], In: Proceedings of the 6th International GIS Workshop “Advanced Geographic Data Modelling”, AGDM’94[C], 1994, Delft
15.李德仁，李清泉，一種三維GIS混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究[J]，測繪學報，1997, 26(2), 128-13 16.郭薇，陳軍，基于點集拓撲學的三維拓撲空間關(guān)系形式化描述[J]，測繪學報，1997, 26(2), 122-127
17.郭薇，1997，基于流形拓撲的三維空間實體形式化描述[J]，武漢測繪科技大學學報，1997， 22(3)，201-206
18.李清泉，李德仁，三維地理信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[J]，武漢測繪科技大學學報，1996，21 (2)，128-133
19.龔健雅，GIS中面向?qū)ο蟮臅r空數(shù)據(jù)模型[J]，測繪學報，1997，26(4
20.龔健雅，矢量與柵格集成的三維數(shù)據(jù)模型[J]，武漢測繪科技大學學報，1997, 22(1), 7-15
21.Bak P. and Mill A., Three Dimensional Representation in a Geoscientific Resource Management System for the Minerals Industry[A], In: Three Dimensional Applications in Geographic Information Sytems[M], Taylor & Francis, 1989, 155-182
22.Molenaar M., A Topology for 3D Vector Maps[J], ITC Journal, No. 1, 1992, 25-33
23.Rhind D. W., Spatial data handling in the geosciences, In: Turner A K. (ed), Three- Dimensional Modeling with Geoscientific Information Systems[M], NATO ASI 354, 1992, 13-27, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht
24.Kelk B., 3-D modelling with geoscientific infromation systems: the problem[A]. In: Turner A. K. (ed), Three-Dimensional Modeling with Geoscientific Information Systems[C], NATO ASI 354, 1992, 29-37, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht
25.Abel D., and Ooi B. C., (Eds), Advances in Spatial Databases[A], Proceedings of the Third International Symposium, SSD’93[C], Singapore, LNCS 692, 1993, Springer, Berlin Heidelberg New York
26.Bruzzone E., De Floriani, L., and Pellegrinelli, M., A Hierarchical Spatial Index for Cell Complexes[A]. In: SSD’93, Singapore, LNCS 692, 1993, Springer, Berlin Heidelberg New York, 105-122
27.Wang X. and Bai S., An Easily Integrated Three-Dimensional Data Structure in Strata Modeling[A], In: Lai Poh-chin, Leung Yee, Shi Wen-zhong (Eds), Proceedings of International Conference on Modeling Geographical and Environmental Systems with Geographical Information Systems[C], June, 1998, 22-25, HongKong, 844-849
28.Breunig M., Integration of Spatial Information for Geo-Information Systems[M], 1996, Springer-verlag Berlin Heidelberg
29.肖樂斌，謝傳節(jié)，李連發(fā)，王宏章， GIS中三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計[J]，地理研究(增刊) ，地球信息科學專輯，1998，131-139
30.Qu X. and Li X., A 3D Surface Tracking Algorithm[J], Computer Vision and Image Understanding, 1996, 64(1), 147-156
31.Artzy E., Frieder G. and Herman G. T., The Theory, Design, Implementation and Evaluation of a Three-Dimensional Surface Detection Algorithm[J], Computer Graphics and Image Processing, 1981, 15, 1-24
32.Liu H. K., Two- and Three-Dimensional Boundary Detection[J], Computer Graphhics and Image Processing, 1977, 6, 123-134
33.Samet H., Neghbor finding techniques for image represented by quadtrees[J], Computer Graphics and Image Processing, 1982, 18, 37-57
34.Samet H., Neighbor finding in images represented by octrees[J], Computer Vision, Graphics and Image Processing, 1989, 46, 367-386
35.Li Rongxing and Xu Changshi, An algorithm for searching boundary octants in 3-D geological subsurface modeling[J], Geographic Information Sciences, 1995, 1(1): 23 -33
36.肖樂斌,龔建華,謝傳節(jié),線性四叉樹和線性八叉樹鄰域?qū)ふ业囊环N新算法[J]，測繪學報， 1998, 27(3), 195-203
37.李青元，三維矢量結(jié)構(gòu)GIS拓撲關(guān)系研究[D]，北京：中國礦業(yè)大學北京研究生部博士論文， 1996
38.Alexander K. and Sigrid B., 3D-GIS for Urban Purposes[J], GeoInfomatics, 2(1), 1998, 79-103
39.Xiao L, Zhang Y, Luo J, et al., A 3D GIS Four-level Vectored Octree Structure Integrating Vector and Raster Features[A], The International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing[C], 1999, 32(4W12), 265-272
40.肖樂斌，基于柵格框架的三維ＧＩＳ集成數(shù)據(jù)模型與空間分析研究[D]，北京：中國科學院地 理研究所博士論文, 1999
41.楊必勝，李清泉，梅寶燕，3維城市模型的可視化研究[J]，測繪學報，2000，29(2), 149- 154
42.孫敏，陳軍，張學莊，基于表面剖分的3DCM空間數(shù)據(jù)模型研究[J]，測繪學報，2000, 29(3), 257-265?
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)國家重點實驗室，獲地圖學與地理信息系統(tǒng)專業(yè)博士學位，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，目前的研究方向為GIS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年獲北京大學理學博士學位，1992年進入中國科學院地理研究所博士后流動站工作兩年。現(xiàn)為中國科學院地理科學與資源研究所知識創(chuàng)新基地研究員、博士生導(dǎo)師，中國科學院地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心主任。主要研究領(lǐng)域為地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件及3S應(yīng)用。
劉紀遠
男，1947年生，現(xiàn)為中國科學院地理科學與資源研究所所長、研究員、博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域為資源與環(huán)境信息系統(tǒng)、
宋關(guān)福
男，1969年生，1998年獲中國科學院地理研究所理學博士學位，1998年-2000年在中國科學院遙感應(yīng)用研究所博士后流動站工作，現(xiàn)為中國科學院地理科學與資源研究所知識創(chuàng)新基地副研究員。主要研究領(lǐng)域為地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件及3S應(yīng)用。