第17卷第4期世界地质1998年12月三维地理信息系统(3D2GIS)的发展现状及趋势①姜小轶孙运生王安(长春科技大学地学信息系统应用研究所,长春130026)摘要地理信息系统技术(GIS)已经被大量应用于资源管理、环境监测、城市规划、土地管理及交通、水利、林业等领域,但GIS技术的发展还远没有止境。人们已经不满足于传统的二维(2D)GIS软件平台,取而代之的是空间的、立体的三维GIS。但由于3D2GIS包括了第三个坐标以及从平面到立体的换算,所以增加了大量的存储量和额外的数据量,因而时至今日,真正的3D2GIS软件还很少。本文一方面介绍了3D2GIS的概念、特点以及发展现状;另一方面还介绍了国外主要三维GIS软件的结构和功能,并对3D2GIS的发展趋势做了科学的预测。关键词GIS3D2GIS八叉树四面体格网地理信息系统技术从60年代开始以来,经历了30多年的发展。随着计算机技术、空间技术和现代信息基础设施的飞速发展,GIS作为联系三者的纽带,在国民经济信息化进程中的重要性与日俱增。GIS软件平台不断推陈出新,处于急剧变化和发展之中。传统的2D2GIS软件通过矢量或栅格的方法完成二维陆地表面的成图和分析。矢量方法接近于传统的地质图,栅格系统则适用于各种地球物理数据及卫星遥感数据等。多年来,地质学家一直采用二维地图产品表示三维地物,包括地质图、横断面图、示意图以及专门的几何结构图如立体网等。但在某些领域,人们需要分析具有三维坐标的地表面以下的状况,这种空间关系时常为确定和评价矿产资源、石油资源或污染状况提供重要的信息,因此人们在原有的2D2GIS软件基础上,又开发出了适合实际需要的3D2GIS产品。本文在综合各软件平台的基础上,介绍了3D2GIS的发展现状、技术关键及3D2GIS的未来发展趋势。1GIS及3D2GIS可以这样认为,处理空间数据以及与之相关联的属性的信息系统就是GIS[1]。它可以看作是源于两种成熟的软件技术:一是数据库管理系统(DBMS),一是计算机辅助设计(CAD),同时再加上管理和分析空间数据的专用函数。空间数据可以指任何一个涉及地理①国家自然科学基金资助项目(No.49774227)第一作者简介姜小轶男25岁硕士生仪器与信息技术专业收稿日期19980504—58—©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net位置的数据;而GIS之所以超越传统的DBMS和CAD软件,就在于它能捕获和管理地理对象,如公路、河流、城镇、管线、管网、流域等等;并且能够分析它们之间的关系;同时GIS往往具有以高清晰度的计算机图形为基础的图形用户界面(GUI),从而可以用一种为人们所熟悉的可视化的形式,如地图来操作和展示数据。所有的GIS系统都带有包括空间数据、拓扑关系及属性数据在内的地理数据库,或者能与外部数据库管理系统直接进行连接。GIS所处理的空间数据按其处理方式不同,可分为:栅格数据、2D拓扑矢量数据、数字高程模型(DEM)、三角不规则网络(TIN)、三维模型、时间模型等,而所有这些都是以2D或2.5D为主的,我们习惯上把2.5D称为准3D,意思是说它不具有真正的Z坐标,而是将Z值作为某一位置上的属性变量,根据平面位置X、Y进行内插成格网或构建TIN,使之具有处理数字高程模型的能力,如在DEM和TIN上面产生透视图、剖面图、坡度、坡向图等等。但有一点不足的是,由于在这些情况下面上的高程值都不是一个独立的变量,那么一些重要的地质构造如重叠或断层处,在某个固定位置会有不同的高程,因而就不能由上述系统表示。相比之下,真正的3D系统具有三个独立的坐标轴,能表示这种在一固定位置处的同一表面重复现象。2D和3D的本质区别在于数据分布的范围[2]。对于一个2D系统来说,可用一个表达式v=f(x,y)来表示,其中(x,y)是2D平面内的坐标,v是对应于此点的属性值。对于不同的“层”,v的含义也不同,当v表示高程z时,就产生数字高程模型。可见从本质上说DEM是二维的,只是由于视觉的效果,人们常把它误认为三维。从这样的DEM只能获得地表的信息,而不能有效地表示地表内任一点。3D系统能够实现此功能,对于3D系统来说v=f(x,y,z),其中(x,y,z)在3D空间是连续自由变化的,z是一个独立变量[3]。3D2GIS具有连续的数据结构和与之相应的分析功能,由此带来的好处是可以从空间的角度分析和显示物体。三维显示能对我们的大脑和眼睛形成强烈的感染,当我们观察一幅单个高程点所组成的平面图像