1.1 二维GIS到三维GIS的转变

20世纪下半叶，信息社会的到来使得人们对信息的要求在广泛性、精确性、实时性与综合性上都越来越高，计算机科学的发展对满足这种要求提供了可能。而地理信息系统（GIS）正是在这种背景下产生和发展起来的。

GIS的主要特点表现在它能够存储和处理所研究对象的空间位置信息及其属性信息，这就决定了GIS与传统信息系统相比，有它的特殊性、复杂性和应用上的更广泛性。实际上，GIS是一门集计算机科学、信息科学、现代地理学、测绘遥感学、地图学、环境科学、城市科学、空间科学和管理科学等为一体的新兴学科。从20世纪60年代世界上第一个地理信息系统建立以来，GIS在各方面都有了飞速的发展。世界各国竞相开展地理信息系统技术的研究和应用开发，美国、英国、加拿大、德国、荷兰等国家投入使用的地理信息系统，每两年到三年就翻一番。我国对GIS的研究起步较晚，但发展势头十分迅猛，出现了许多较为成熟的商用国产地理信息系统软件。

然而，目前的地理信息系统研究成果主要集中于描述二维空间信息，其本质上是基于抽象符号的系统，不能给人以自然界的本原感受。而地理信息系统所要表达的现实空间是一个三维的立体空间，这个空间内的任何对象均包含三维空间信息。随着当前计算机、通信、可视化等技术的快速发展，借助于卫星遥感、地下测量等先进手段能够获取大量的多维空间数据，但这些多维的空间数据没有得到有效利用，无法转换成有用的信息。因此，为了更加确切和完整地表示和再现真实的三维空间信息，三维地理信息系统的研究开始逐步兴起，三维地理信息系统的目标是建立一个采集、管理、分析、再现三维空间数据的信息系统。在应用要求较为迫切的部门，如采矿、地质、石油等领域已率先开发了专用的具有部分功能的三维地理信息系统，如加拿大LYNX Geosystems公司的LYNX系统，但由于这些系统一般是针对特定领域开发的，没有从理论上进行系统完整的研究，没有面向通用平台进行设计，因此具有较大的局限性。这也是由当时的应用要求、数据获取手段以及相关的计算机技术发展条件决定的。目前，由于二维地理信息系统数据模型与数据结构理论和技术的成熟，图形学理论、空间数据库技术及其他相关技术的进一步发展，研究和发展三维地理信息系统的外部条件已经成熟。

研究和发展三维地理信息系统，从空间信息集成的角度，三维地理信息系统应具备以下几种必备的功能

（1）复杂地学对象的管理和处理；

（2）能够对由各种空间对象表达形式表示的地学复杂对象进行有效的空间存取；

（3）能够对各种空间对象进行有效的空间操作；

（4）保存和操作真三维坐标数据；

（5）满足不同数据模型要求的模型重建。

除此之外三维地理信息系统也必须解决一些传统的问题，如不确定性、误差定位与消除，处理数据模型的不连续性，处理时态数据，处理在不同数据结构中的不同类型和不同比例尺数据等。三维地理信息系统除了具备二维地理信息系统的传统功能以外，还应该具有如下独有的功能。

（1）包容一维、二维对象

三维地理信息系统不仅要表达三维对象，而且要研究一维、二维对象在三维空间中的表达。三维空间中的一维、二维对象与传统地理信息系统的二维空间中的一维、二维对象在表达上是不相同的。传统的二维地理信息系统将一维、二维对象垂直投影到二维平面上，存储它们投影结果的几何形态与相互间的位置关系。而三维地理信息系统将一维、二维对象置于三维立体空间中考虑，存储的是它们真实的几何位置与空间拓扑关系，这样表达的结果就能区分出一维、二维对象在垂直方向上的变化。二维地理信息系统也能通过附加属性信息等方式体现这种变化，但存储、管理的效率就显得较低，输出的结果也不直观。

（2）可视化2.5维、三维对象

三维地理信息系统的首要特色是要能对2.5维、三维对象进行可视化表达。在建立和维护三维地理信息系统的各个阶段中，不论是对三维对象的输入、编辑、存储、规范化管理，还是对它们进行空间操作与分析或是输出结果，只要涉及三维对象，就存在三维可视化问题。三维对象的几何建模与可视化表达在三维地理信息系统建设的整个过程中都是需要的，这是三维地理信息系统的一项基本功能。

（3）三维空间DBMS管理

三维GIS的核心是三维空间数据库。三维空间数据库对空间对象的存储与管理使得三维GIS既不同于CAD、商用数据库与科学计算可视化，也不同于传统的二维GIS。它可能由扩展的关系数据库系统，也可能由面向对象的空间数据库系统存储管理三维空间对象。