1.1 二維GIS到三維GIS的轉(zhuǎn)變

20世紀(jì)下半葉，信息社會(huì)的到來使得人們對(duì)信息的要求在廣泛性、精確性、實(shí)時(shí)性與綜合性上都越來越高，計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展對(duì)滿足這種要求提供了可能。而地理信息系統(tǒng)（GIS）正是在這種背景下產(chǎn)生和發(fā)展起來的。

GIS的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在它能夠存儲(chǔ)和處理所研究對(duì)象的空間位置信息及其屬性信息，這就決定了GIS與傳統(tǒng)信息系統(tǒng)相比，有它的特殊性、復(fù)雜性和應(yīng)用上的更廣泛性。實(shí)際上，GIS是一門集計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、現(xiàn)代地理學(xué)、測繪遙感學(xué)、地圖學(xué)、環(huán)境科學(xué)、城市科學(xué)、空間科學(xué)和管理科學(xué)等為一體的新興學(xué)科。從20世紀(jì)60年代世界上第一個(gè)地理信息系統(tǒng)建立以來，GIS在各方面都有了飛速的發(fā)展。世界各國競相開展地理信息系統(tǒng)技術(shù)的研究和應(yīng)用開發(fā)，美國、英國、加拿大、德國、荷蘭等國家投入使用的地理信息系統(tǒng)，每兩年到三年就翻一番。我國對(duì)GIS的研究起步較晚，但發(fā)展勢頭十分迅猛，出現(xiàn)了許多較為成熟的商用國產(chǎn)地理信息系統(tǒng)軟件。

然而，目前的地理信息系統(tǒng)研究成果主要集中于描述二維空間信息，其本質(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。而地理信息系統(tǒng)所要表達(dá)的現(xiàn)實(shí)空間是一個(gè)三維的立體空間，這個(gè)空間內(nèi)的任何對(duì)象均包含三維空間信息。隨著當(dāng)前計(jì)算機(jī)、通信、可視化等技術(shù)的快速發(fā)展，借助于衛(wèi)星遙感、地下測量等先進(jìn)手段能夠獲取大量的多維空間數(shù)據(jù)，但這些多維的空間數(shù)據(jù)沒有得到有效利用，無法轉(zhuǎn)換成有用的信息。因此，為了更加確切和完整地表示和再現(xiàn)真實(shí)的三維空間信息，三維地理信息系統(tǒng)的研究開始逐步興起，三維地理信息系統(tǒng)的目標(biāo)是建立一個(gè)采集、管理、分析、再現(xiàn)三維空間數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)。在應(yīng)用要求較為迫切的部門，如采礦、地質(zhì)、石油等領(lǐng)域已率先開發(fā)了專用的具有部分功能的三維地理信息系統(tǒng)，如加拿大LYNX Geosystems公司的LYNX系統(tǒng)，但由于這些系統(tǒng)一般是針對(duì)特定領(lǐng)域開發(fā)的，沒有從理論上進(jìn)行系統(tǒng)完整的研究，沒有面向通用平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此具有較大的局限性。這也是由當(dāng)時(shí)的應(yīng)用要求、數(shù)據(jù)獲取手段以及相關(guān)的計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展條件決定的。目前，由于二維地理信息系統(tǒng)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、空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，研究和發(fā)展三維地理信息系統(tǒng)的外部條件已經(jīng)成熟。

研究和發(fā)展三維地理信息系統(tǒng)，從空間信息集成的角度，三維地理信息系統(tǒng)應(yīng)具備以下幾種必備的功能

（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)行有效的空間存取；

（3）能夠?qū)Ω鞣N空間對(duì)象進(jìn)行有效的空間操作；

（4）保存和操作真三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)；

（5）滿足不同數(shù)據(jù)模型要求的模型重建。

除此之外三維地理信息系統(tǒng)也必須解決一些傳統(tǒng)的問題，如不確定性、誤差定位與消除，處理數(shù)據(jù)模型的不連續(xù)性，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)等。三維地理信息系統(tǒng)除了具備二維地理信息系統(tǒng)的傳統(tǒng)功能以外，還應(yīng)該具有如下獨(dú)有的功能。

（1）包容一維、二維對(duì)象

三維地理信息系統(tǒng)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)地理信息系統(tǒng)的二維空間中的一維、二維對(duì)象在表達(dá)上是不相同的。傳統(tǒng)的二維地理信息系統(tǒng)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。而三維地理信息系統(tǒng)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。二維地理信息系統(tǒng)也能通過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。

（2）可視化2.5維、三維對(duì)象

三維地理信息系統(tǒng)的首要特色是要能對(duì)2.5維、三維對(duì)象進(jìn)行可視化表達(dá)。在建立和維護(hù)三維地理信息系統(tǒng)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)、規(guī)范化管理，還是對(duì)它們進(jìn)行空間操作與分析或是輸出結(jié)果，只要涉及三維對(duì)象，就存在三維可視化問題。三維對(duì)象的幾何建模與可視化表達(dá)在三維地理信息系統(tǒng)建設(shè)的整個(gè)過程中都是需要的，這是三維地理信息系統(tǒng)的一項(xiàng)基本功能。

（3）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(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(chǔ)管理三維空間對(duì)象。