1.2 三维GIS的发展历程与趋势

早在20世纪80年代末期，随着地理信息系统研究与应用的不断深入，许多学者开始了对三维地理信息系统的研究。早期的研究主要面向地质、矿山等特殊应用领域，建立栅格化的数据模型和进行一些特殊的空间分析，功能较为单一。Kavouras和Masry于1987年开发了用于矿产资源评估和开采的三维地理信息系统原型系统（Kavouras M.，Masry S..An Information System for Geosciences [C].Proceedings of 8th International Symposium on Computer Assisted Cartography，Baltimore，1987: 336-345），这个系统是最早的三维地理信息系统，具有一些简单的空间分析能力。Bak和Mill于1989年开发了三维地理资源管理系统，这个原型系统虽存在许多不足，但在空间分析能力上取得了较大的进步。这些早期的三维地理信息系统原型系统，虽然在技术上取得了许多成果，但其功能局限性也很大，没有投入实际应用。

随着计算机技术的发展，人们已不满足于一些简单的三维显示、查询等功能。于是，许多模拟系统开始集成传统的地理信息系统技术和三维可视化技术（包括虚拟现实技术），以数据库为基础，研究海量数据的存取和可视化。1994年Breunig、Bode和Cremers开发了三维地理信息系统原型系统（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），他们的研究集中于将几何操作嵌入到面向对象数据库（Object-Oriented Database）管理系统中，解决了许多空间查询问题，如相交和相并等。美国国家地理信息和分析中心（NCGIA）已开发出一种基于域（Field-based）的三维地理信息系统，将Tomlin提出的基于域的模型的操作扩展到三维空间，对基于域的三维空间操作进行了比较全面的分析和实现。

1998年1月，美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心提出了“数字地球”（Digital Earth）的构想，即一种能嵌入海量的地理信息、对我们星球所做的多分辨率、三维的描述方式。三维地理信息系统作为其关键技术得到了大力推动。目前，许多三维地理信息系统研究开始转向“数字地球”领域。并且以城市的信息化建设为背景，三维数字城市研究成为新的热点，得到迅速发展和应用。

近几年，随着网络技术的飞速发展，地理信息系统研究和应用也开始转向Internet网络，称为Web-GIS。Web-GIS利用Internet技术在Web上发布空间数据，为用户提供空间数据浏览、查询和分析的功能，具有应用范围广泛、平台无关性、操作简便等特点。同样，三维地理信息系统也有转向Web的趋势。荷兰的ITC对三维Web-GIS进行了比较深入的研究和实现，在Web上实现数字城市应用，并建立了一些具有初步功能的实验系统Zlatanova S..VRML for 3D GIS [C].Proceedings of 15th Spring Conference on Computer Graphics，Budmerice，1999:74-82。目前，这些三维Web-GIS实验系统在数据模型、网络传输等方面还存在许多缺陷，因此还没有得到实际应用。

一些商用GIS系统也加入了三维GIS模块，如ArcView 3D Analyst、Titan 3D、ERDAS IMAGINE等。这些三维地理信息系统模块通过处理遥感图像数据和三维地形数据，能在实时三维环境下，提供地形分析和实时三维飞行浏览。但这些三维地理信息系统主要集中于二维表面地形的分析，仅将数据在三维环境中进行显示，在空间查询等方面功能比较简单，还不是真正的三维地理信息系统系统（通常称为2.5维地理信息系统）。武汉适普公司开发的IMAGIS结合三维可视化技术和虚拟现实技术，能够对三维对象进行建模、移动、漫游等操作，但缺乏空间数据库的有效管理，空间查询和分析功能较弱。国防科学技术大学开发了X-2000三维军事电子地图系统，以X-2000空间数据库为核心，实现了地形分析、空间查询、真三维再现等多项功能。武汉测绘科技大学也在其研制的GeoStar系统中加入了三维地理信息系统模块，可以应用于城市规划等领域中。

随着地理信息系统应用领域的不断扩大，普及程度不断提高，人们对地理信息系统的操作界面和结果的可理解性，提出了越来越高的要求。可视化技术是改善操作界面、提高结果可理解性的有效手段。广义而言，地理信息系统中研究的可视化是“视觉”、“听觉”、“触觉”等各种感觉的综合。因此，近几年出现了地理信息系统与虚拟现实技术（VR）相结合的发展趋势，在地理信息系统中采用虚拟现实技术，可大大提高地理信息系统图形显示的真实感和对图形的操作性。目前，地理信息系统中虚拟现实技术主要采用VRML语言。

地理信息系统与专家系统（Expert System，ES）、神经网络、遗传算法等相结合，出现了智能地理信息系统或专家地理信息系统，它实际上是基于知识的专家系统在地理信息系统中的应用。目前地理信息系统的应用还主要停留在建立空间数据库、数据库查询、空间叠加分析、缓冲区分析和图形显示输出等方面，缺乏知识处理和启发式推理的能力，无法为解决空间复杂问题提供足够的决策支持。因此，地理信息系统与ES相结合，组成智能地理信息系统或SDSS，是解决一些空间复杂问题的重要途径。在专家地理信息系统当中，由地理信息系统完成空间属性分析，由ES 来评价，二者相互补充。

在某些应用中地理信息系统所描述的现实世界是随时间连续变化的，而传统的无时间概念的地理信息系统中的数据，只能是现实世界在某个时刻的“快照”。当被描述的对象随时间变化比较缓慢且变化的历史过程无关紧要时，可以用“数据更新”的方式来处理时间变化的影响。然而，在某些应用中，被描述的对象随时间变化很快（如云量变化、日照变化等）或者历史数据也必须予以保存（如地籍变更、海岸线变化、环境变化等）。在这种情况下，时间就必须作为一个与空间同等重要的因素引入到地理信息系统中来，这样便产生了时态地理信息系统（TGIS）或四维地理信息系统的概念。

四维地理信息系统的关键问题是建立合适的时间与空间联合的数据模型——时空数据模型。一般认为，一个合理的时空数据模型必须考虑的因素：节省存储空间，加快存取、查询、分析的响应速度以及表现时空语义。时空数据模型的建立依赖于时间的表示方法。目前在TGIS中主要研究方法有全局状态标记（快照法）、元组时间标记法和同步数据项时间标记法。在这三种时间表示方法中，时间变化对于属性数据影响的描述是越来越深入，基本路线是整体—实体—数据项。时间的表达并不是四维地理信息系统的目标，四维地理信息系统强调的是利用时空分析的工具和技术来模拟动态过程，探究和挖掘隐含于时空数据中的信息和规律。这就必须建立规范化的时空数据模型。然而，令人遗憾的是，关于规范化时空数据模型的建立方法，至今还处在探索阶段。杜国明等认为时态地理信息系统需在时空数据模型、时空数据库、时态-实时数据库、时空地理信息系统数据查询语言、时空地理信息系统数据的可视化等方面进行深入研究。

从总体上来看，三维地理信息系统的研究经过十多年的发展，在取得许多成就的同时，仍然存在着诸多问题。目前三维地理信息系统还没有很成熟的商用产品出现，也没有通用的基础开发平台。虽然已经开发了许多三维地理信息系统原型系统，但也只是集中于一些特殊的应用领域，特别是地质、数字城市等领域，离普遍应用还有较大的差距。