1.2 三維GIS的發(fā)展歷程與趨勢

早在20世紀(jì)80年代末期，隨著地理信息系統(tǒng)研究與應(yīng)用的不斷深入，許多學(xué)者開始了對三維地理信息系統(tǒng)的研究。早期的研究主要面向地質(zhì)、礦山等特殊應(yīng)用領(lǐng)域，建立柵格化的數(shù)據(jù)模型和進(jìn)行一些特殊的空間分析，功能較為單一。Kavouras和Masry于1987年開發(fā)了用于礦產(chǎn)資源評估和開采的三維地理信息系統(tǒng)原型系統(tǒng)（Kavouras M.，Masry S..An Information System for Geosciences [C].Proceedings of 8th International Symposium on Computer Assisted Cartography，Baltimore，1987: 336-345），這個系統(tǒng)是最早的三維地理信息系統(tǒng)，具有一些簡單的空間分析能力。Bak和Mill于1989年開發(fā)了三維地理資源管理系統(tǒng)，這個原型系統(tǒng)雖存在許多不足，但在空間分析能力上取得了較大的進(jìn)步。這些早期的三維地理信息系統(tǒng)原型系統(tǒng)，雖然在技術(shù)上取得了許多成果，但其功能局限性也很大，沒有投入實(shí)際應(yīng)用。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們已不滿足于一些簡單的三維顯示、查詢等功能。于是，許多模擬系統(tǒng)開始集成傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)技術(shù)和三維可視化技術(shù)（包括虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)），以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，研究海量數(shù)據(jù)的存取和可視化。1994年Breunig、Bode和Cremers開發(fā)了三維地理信息系統(tǒng)原型系統(tǒng)（Breunig M.，Bode T.，Cremers A.B..Implementation of Elementary Geometric Database Operations of A 3D-GIS [C]，Advances in GIS Research: Proceedings of the 6th International Symposium on Spatial Data Handling，1994: 604-617），他們的研究集中于將幾何操作嵌入到面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫（Object-Oriented Database）管理系統(tǒng)中，解決了許多空間查詢問題，如相交和相并等。美國國家地理信息和分析中心（NCGIA）已開發(fā)出一種基于域（Field-based）的三維地理信息系統(tǒng)，將Tomlin提出的基于域的模型的操作擴(kuò)展到三維空間，對基于域的三維空間操作進(jìn)行了比較全面的分析和實(shí)現(xiàn)。

1998年1月，美國副總統(tǒng)戈?duì)栐诩永Ｄ醽喛茖W(xué)中心提出了“數(shù)字地球”（Digital Earth）的構(gòu)想，即一種能嵌入海量的地理信息、對我們星球所做的多分辨率、三維的描述方式。三維地理信息系統(tǒng)作為其關(guān)鍵技術(shù)得到了大力推動。目前，許多三維地理信息系統(tǒng)研究開始轉(zhuǎn)向“數(shù)字地球”領(lǐng)域。并且以城市的信息化建設(shè)為背景，三維數(shù)字城市研究成為新的熱點(diǎn)，得到迅速發(fā)展和應(yīng)用。

近幾年，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)研究和應(yīng)用也開始轉(zhuǎn)向Internet網(wǎng)絡(luò)，稱為Web-GIS。Web-GIS利用Internet技術(shù)在Web上發(fā)布空間數(shù)據(jù)，為用戶提供空間數(shù)據(jù)瀏覽、查詢和分析的功能，具有應(yīng)用范圍廣泛、平臺無關(guān)性、操作簡便等特點(diǎn)。同樣，三維地理信息系統(tǒng)也有轉(zhuǎn)向Web的趨勢。荷蘭的ITC對三維Web-GIS進(jìn)行了比較深入的研究和實(shí)現(xiàn)，在Web上實(shí)現(xiàn)數(shù)字城市應(yīng)用，并建立了一些具有初步功能的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Zlatanova S..VRML for 3D GIS [C].Proceedings of 15th Spring Conference on Computer Graphics，Budmerice，1999:74-82。目前，這些三維Web-GIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)模型、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)确矫孢€存在許多缺陷，因此還沒有得到實(shí)際應(yīng)用。

一些商用GIS系統(tǒng)也加入了三維GIS模塊，如ArcView 3D Analyst、Titan 3D、ERDAS IMAGINE等。這些三維地理信息系統(tǒng)模塊通過處理遙感圖像數(shù)據(jù)和三維地形數(shù)據(jù)，能在實(shí)時(shí)三維環(huán)境下，提供地形分析和實(shí)時(shí)三維飛行瀏覽。但這些三維地理信息系統(tǒng)主要集中于二維表面地形的分析，僅將數(shù)據(jù)在三維環(huán)境中進(jìn)行顯示，在空間查詢等方面功能比較簡單，還不是真正的三維地理信息系統(tǒng)系統(tǒng)（通常稱為2.5維地理信息系統(tǒng)）。武漢適普公司開發(fā)的IMAGIS結(jié)合三維可視化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠?qū)θS對象進(jìn)行建模、移動、漫游等操作，但缺乏空間數(shù)據(jù)庫的有效管理，空間查詢和分析功能較弱。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)開發(fā)了X-2000三維軍事電子地圖系統(tǒng)，以X-2000空間數(shù)據(jù)庫為核心，實(shí)現(xiàn)了地形分析、空間查詢、真三維再現(xiàn)等多項(xiàng)功能。武漢測繪科技大學(xué)也在其研制的GeoStar系統(tǒng)中加入了三維地理信息系統(tǒng)模塊，可以應(yīng)用于城市規(guī)劃等領(lǐng)域中。

隨著地理信息系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，普及程度不斷提高，人們對地理信息系統(tǒng)的操作界面和結(jié)果的可理解性，提出了越來越高的要求。可視化技術(shù)是改善操作界面、提高結(jié)果可理解性的有效手段。廣義而言，地理信息系統(tǒng)中研究的可視化是“視覺”、“聽覺”、“觸覺”等各種感覺的綜合。因此，近幾年出現(xiàn)了地理信息系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）相結(jié)合的發(fā)展趨勢，在地理信息系統(tǒng)中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可大大提高地理信息系統(tǒng)圖形顯示的真實(shí)感和對圖形的操作性。目前，地理信息系統(tǒng)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要采用VRML語言。

地理信息系統(tǒng)與專家系統(tǒng)（Expert System，ES）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等相結(jié)合，出現(xiàn)了智能地理信息系統(tǒng)或?qū)＜业乩硇畔⑾到y(tǒng)，它實(shí)際上是基于知識的專家系統(tǒng)在地理信息系統(tǒng)中的應(yīng)用。目前地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用還主要停留在建立空間數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫查詢、空間疊加分析、緩沖區(qū)分析和圖形顯示輸出等方面，缺乏知識處理和啟發(fā)式推理的能力，無法為解決空間復(fù)雜問題提供足夠的決策支持。因此，地理信息系統(tǒng)與ES相結(jié)合，組成智能地理信息系統(tǒng)或SDSS，是解決一些空間復(fù)雜問題的重要途徑。在專家地理信息系統(tǒng)當(dāng)中，由地理信息系統(tǒng)完成空間屬性分析，由ES 來評價(jià)，二者相互補(bǔ)充。

在某些應(yīng)用中地理信息系統(tǒng)所描述的現(xiàn)實(shí)世界是隨時(shí)間連續(xù)變化的，而傳統(tǒng)的無時(shí)間概念的地理信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，只能是現(xiàn)實(shí)世界在某個時(shí)刻的“快照”。當(dāng)被描述的對象隨時(shí)間變化比較緩慢且變化的歷史過程無關(guān)緊要時(shí)，可以用“數(shù)據(jù)更新”的方式來處理時(shí)間變化的影響。然而，在某些應(yīng)用中，被描述的對象隨時(shí)間變化很快（如云量變化、日照變化等）或者歷史數(shù)據(jù)也必須予以保存（如地籍變更、海岸線變化、環(huán)境變化等）。在這種情況下，時(shí)間就必須作為一個與空間同等重要的因素引入到地理信息系統(tǒng)中來，這樣便產(chǎn)生了時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)（TGIS）或四維地理信息系統(tǒng)的概念。

四維地理信息系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是建立合適的時(shí)間與空間聯(lián)合的數(shù)據(jù)模型——時(shí)空數(shù)據(jù)模型。一般認(rèn)為，一個合理的時(shí)空數(shù)據(jù)模型必須考慮的因素：節(jié)省存儲空間，加快存取、查詢、分析的響應(yīng)速度以及表現(xiàn)時(shí)空語義。時(shí)空數(shù)據(jù)模型的建立依賴于時(shí)間的表示方法。目前在TGIS中主要研究方法有全局狀態(tài)標(biāo)記（快照法）、元組時(shí)間標(biāo)記法和同步數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)間標(biāo)記法。在這三種時(shí)間表示方法中，時(shí)間變化對于屬性數(shù)據(jù)影響的描述是越來越深入，基本路線是整體—實(shí)體—數(shù)據(jù)項(xiàng)。時(shí)間的表達(dá)并不是四維地理信息系統(tǒng)的目標(biāo)，四維地理信息系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是利用時(shí)空分析的工具和技術(shù)來模擬動態(tài)過程，探究和挖掘隱含于時(shí)空數(shù)據(jù)中的信息和規(guī)律。這就必須建立規(guī)范化的時(shí)空數(shù)據(jù)模型。然而，令人遺憾的是，關(guān)于規(guī)范化時(shí)空數(shù)據(jù)模型的建立方法，至今還處在探索階段。杜國明等認(rèn)為時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)需在時(shí)空數(shù)據(jù)模型、時(shí)空數(shù)據(jù)庫、時(shí)態(tài)-實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、時(shí)空地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢語言、時(shí)空地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可視化等方面進(jìn)行深入研究。

從總體上來看，三維地理信息系統(tǒng)的研究經(jīng)過十多年的發(fā)展，在取得許多成就的同時(shí)，仍然存在著諸多問題。目前三維地理信息系統(tǒng)還沒有很成熟的商用產(chǎn)品出現(xiàn)，也沒有通用的基礎(chǔ)開發(fā)平臺。雖然已經(jīng)開發(fā)了許多三維地理信息系統(tǒng)原型系統(tǒng)，但也只是集中于一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是地質(zhì)、數(shù)字城市等領(lǐng)域，離普遍應(yīng)用還有較大的差距。