三維GIS在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析研究

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(1.西北測(cè)繪職工培訓(xùn)中心， 陜西 西安 710054； 2.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100； 3.國(guó)家測(cè)繪地理信息局第一大地測(cè)量隊(duì)， 陜西 西安 710054)

0 引 言

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡(jiǎn)稱GIS)起源于20世紀(jì)60年代，它是用于地理空間數(shù)據(jù)的采集、模擬、處理、檢索、分析和表達(dá)的計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)。是對(duì)整個(gè)或部分地球表層(包括大氣層)空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的二維地理信息系統(tǒng)是通過二維的方式來表達(dá)三維實(shí)物, 因此大量多維空間信息常常無法得到使用，這就使得常規(guī)二維地理信息系統(tǒng)表達(dá)方式存在很大的束縛和局限性。而三維地理信息系統(tǒng)是通過空間對(duì)象之間的垂直、水平和空間關(guān)系來表達(dá)三維信息，是將采集及經(jīng)運(yùn)算分析后數(shù)據(jù)集中的表現(xiàn)和展示，因此三維地理信息系統(tǒng)更能表現(xiàn)出客觀實(shí)際，從而給用戶提供了一個(gè)更直觀易用的實(shí)景可視化環(huán)境。為客戶帶來更多嶄新的功能和應(yīng)用模式，尤其是面向管理與決策的高級(jí)應(yīng)用。

1 三維GIS在國(guó)內(nèi)外的研究歷史

1.1 三維GIS在國(guó)外的研究狀況

三維GIS是一門交叉科學(xué)，是 GIS 的主要發(fā)展方向之一。它涉及地理信息系統(tǒng)(GIS)、數(shù)據(jù)庫(Database)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(Computer Graphics)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality)等多門學(xué)科領(lǐng)域，它的發(fā)展與研究常常以軟件開發(fā)與原理兩個(gè)方面來分類。一般認(rèn)為三維GIS的發(fā)展經(jīng)歷了從原型系統(tǒng)的探索到真正的三維GIS的建立兩大階段。最早的三維原型系統(tǒng)誕生于西方，它是由加拿大新布朗斯維克大學(xué)于 1987 年研究開發(fā)而來，主要應(yīng)用于礦產(chǎn)資源的開采與評(píng)估，同時(shí)該系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單的分析處理能力。1989年，倫敦 Inpeail 學(xué)院的Bak和Mill開發(fā)了三維GIS，在數(shù)據(jù)的空間分析上獲得了較大的突破。英國(guó) RaPer教授于1989年整理收集了地理信息系統(tǒng)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議中有關(guān)三維GIS方面的文章，并且匯集了之前三維GIS研究結(jié)論和成果。積極號(hào)召召開了第一個(gè)國(guó)際三維GIS專題會(huì)議，為以后三維GIS的研究與發(fā)展指明了方向。日本京都大學(xué)建立的“Digital City Tokyo”是第一個(gè)真正的三維GIS，它是一個(gè)集測(cè)量分析、集虛擬城市漫游、屬性信息查詢?yōu)橐惑w的數(shù)字京都。法國(guó)于2007 年對(duì)公眾開放了虛擬三維地球平臺(tái)“Geospatial”，這個(gè)三維虛擬地球平臺(tái)基于 Skylme Globe 的基礎(chǔ)上開發(fā)的，并且覆蓋法國(guó)全國(guó)范圍的高分辨率衛(wèi)星影像。

1.2 三維 GIS在國(guó)內(nèi)的研究狀況

在國(guó)內(nèi)，從理論研究到應(yīng)用技術(shù)的研究，僅用了短短十幾年，三維GIS 的應(yīng)用研究獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。國(guó)內(nèi)的專家學(xué)者在三維空間數(shù)據(jù)的獲取、建模及行業(yè)應(yīng)用方面，提出了一些有效的方法和技術(shù)手段，并已投入到生產(chǎn)實(shí)踐中。于此同時(shí)，三維空間技術(shù)的研究呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。在跨領(lǐng)域、跨學(xué)科合作研究和攻克技術(shù)難題，空間信息技術(shù)取得了很大的進(jìn)步，推出了一系列優(yōu)秀的三維GIS 軟件平臺(tái)。雖然這些軟件平臺(tái)起步晚，數(shù)據(jù)的分析處理能力、產(chǎn)品的功能、框架結(jié)構(gòu)等方面還不夠完善，和國(guó)外軟件相比仍然存在一定的差距，但是，國(guó)產(chǎn)軟件是基于客戶的實(shí)際需求上研發(fā)的，解決方案更適合國(guó)內(nèi)客戶的使用，再者，在數(shù)據(jù)安全和保密方面，國(guó)產(chǎn)軟件更加適合政府部門和國(guó)企單位的使用，在軟件開發(fā)和使用上，能更方便地提供技術(shù)支持和服務(wù)。此外，很好地性價(jià)比也是國(guó)產(chǎn)軟件的優(yōu)勢(shì)之一。然而，由于種種原因，國(guó)內(nèi)在三維GIS方面的研究時(shí)間不長(zhǎng)，研究和應(yīng)用水平與國(guó)外相比差距較大，大部分是基于三維可視化的研究，開發(fā)的軟件平臺(tái)也只具有簡(jiǎn)單的GIS數(shù)據(jù)分析功能，不具有真正的GIS分析功能，對(duì)于真正的三維地理信息系統(tǒng)，目前還處于研究階段。

2 三維GIS軟件在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展

2.1 國(guó)外主要的三維GIS軟件

2.1.1 Google Earth簡(jiǎn)介 Google Earth是一款Google公司開發(fā)的虛擬地球儀軟件，它把衛(wèi)星影像、航空照片和GIS布置在一個(gè)地球的三維模型上。Google Earth于2005年向全球推出，用戶們可以通過一個(gè)下載到自己電腦上的客戶端軟件，免費(fèi)瀏覽全球各地的高清晰度衛(wèi)星圖片。

遙感衛(wèi)星影像與商業(yè)航片的數(shù)據(jù)整合是Google Earth的數(shù)據(jù)的主要來源。其衛(wèi)星影像部分來自于美國(guó)DigitalGlobe公司的QuickBird(快鳥)商業(yè)衛(wèi)星與美國(guó)的EarthSat公司(影像來源于陸地衛(wèi)星LANDSAT-7衛(wèi)星居多)，航拍部分的來源有英國(guó)的BlueSky公司以航拍、GIS/GPS相關(guān)業(yè)務(wù)為主)、美國(guó)的Sanborn公司(以GIS、地理數(shù)據(jù)、空中勘測(cè)等業(yè)務(wù)為主)、美國(guó)IKONOS及法國(guó)SPOT5。其中SPOT5可以提供解析度為2.5米的影像,IKONOS可提供1米左右的影像，而快鳥就能夠提供最高為0.61米的高精度影像。

Google Earth 6針對(duì)桌面推出了三種不同的版本：Google 地球、Google 地球?qū)I(yè)版和 Google 地球企業(yè)版。用戶可以在任何地方，查看衛(wèi)星圖像、3D建筑、3D樹木、地形、街景視圖、行星等。

2.1.2 World Wind簡(jiǎn)介 World Wind 俗稱地球放大鏡，是美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局NASA Research開發(fā)的一個(gè)開放式的三維GIS軟件平臺(tái)，它是一個(gè)可視化地球儀，將NASA、USGS以及其它WMS服務(wù)商提供的圖像通過一個(gè)三維的地球模型展現(xiàn)，同時(shí)也包含了月球和火星的展現(xiàn)。用戶可在所觀察的行星上隨意地旋轉(zhuǎn)、放大、縮小，同時(shí)可以看到地名和行政區(qū)劃。

World Wind的數(shù)據(jù)是通過Landsat 7、SRTM、GLOBE、SetMODIS、Landmark等多顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)，將Landsat衛(wèi)星的影像和航天飛機(jī)雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)結(jié)合在一起。具有能夠自動(dòng)更新衛(wèi)星數(shù)據(jù)的能力，因此在全世界范圍內(nèi)可以跟蹤氣候的變化、火災(zāi)及近期發(fā)生的事件。

World Wind是一個(gè)無償使用的軟件，在使用上沒有用戶限制，用戶可以針對(duì)實(shí)際需要去修改軟件本身。目前，全球許多主流的三維軟件和國(guó)內(nèi)部分的三維GIS軟件都是在World Wind軟件的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。

另外，美國(guó)微軟公司的Virtual Earth、美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所公司ESRI的 ArcGIS Explorer、美國(guó)Skyline公司：Skyline Globe、美國(guó)Multigen-Paradigm公司的MultiGen Creator等也是有名的三維GIS產(chǎn)品。

2.2 國(guó)內(nèi)主要的三維GIS軟件

在借鑒國(guó)外先進(jìn)三維GIS軟件經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)三維GIS的理論研究，我國(guó)先后開發(fā)出了一些性價(jià)比高、適合國(guó)內(nèi)用戶的軟件產(chǎn)品。

2.2.1 EV-Globe簡(jiǎn)介 EV-Globe是由北京國(guó)遙新天地信息技術(shù)有限公司開發(fā)出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新興的三維空間信息平臺(tái)。具有強(qiáng)大的三維GIS功能，可以在其上用開發(fā)工具(.NET、JAVA、C++等)構(gòu)建各類三維GIS應(yīng)用，是空間信息軟件技術(shù)的核心 。在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了地上、地表、地下、水下信息一體化集成表達(dá)，率先解決了三維CAD設(shè)計(jì)成果與三維空間信息平臺(tái)無縫集成、二三維一體化等三維GIS技術(shù)難題，是一款先進(jìn)的三維GIS平臺(tái)，在諸多三維GIS應(yīng)用領(lǐng)域中成功代替了國(guó)外同類產(chǎn)品。 EV-Globe已經(jīng)成為國(guó)產(chǎn)三維GIS平臺(tái)的領(lǐng)軍品牌，廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防、國(guó)土、測(cè)繪、海洋、石油、電力、市政等多個(gè)行業(yè)。

2.2.2 City Maker簡(jiǎn)介 CityMaker是由清華城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院數(shù)字城市研究所和北京偉景行數(shù)字城市科技有限公司聯(lián)合開發(fā)的一個(gè)三維可視化平臺(tái)，在國(guó)內(nèi)率先推出應(yīng)用于城市管理的三維GIS軟件。它的使用者主要是建筑和規(guī)劃領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員，通過在設(shè)計(jì)過程中融入虛擬可視化技術(shù)，使設(shè)計(jì)人員可以在虛擬的三維環(huán)境下進(jìn)行城市的設(shè)計(jì)和分析等一系列活動(dòng)，為規(guī)劃設(shè)計(jì)和規(guī)劃管理提供全方位服務(wù)。

另外武漢大學(xué)吉奧信息技術(shù)有限公司的GeoGlobe、中地?cái)?shù)碼集團(tuán)的MapGIS IGSS 3D、北京靈圖軟件有限公司的 VR Map、適普軟件有限公司的 IMAGIS、北京超圖公司的 Super map等均為優(yōu)秀的三維GIS 平臺(tái)。

3 主要三維GIS軟件平臺(tái)在功能上的比較

面對(duì)眾多的三維軟件平臺(tái)，有各自的優(yōu)勢(shì)，在各個(gè)功能模塊的實(shí)現(xiàn)效果上也不盡相同，表1從軟件的背景、二次開發(fā)的能力、三維效果的展示等功能實(shí)現(xiàn)方面進(jìn)行了比較。

表1 三維GIS軟件功能比較表

續(xù)表1

4 結(jié) 語

隨著近年來測(cè)繪技術(shù)、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，三維GIS已突破原有技術(shù)瓶頸，憑借其空間信息的展示更為直觀、多維度空間分析功能更加強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，將實(shí)現(xiàn)跨業(yè)務(wù)、跨終端，極大的提升對(duì)地理信息的共享和利用效率，從而提升部門、機(jī)構(gòu)的競(jìng)爭(zhēng)力。它的大力研究和加速發(fā)展現(xiàn)已成為國(guó)際GIS應(yīng)用的熱點(diǎn)，代表著未來GIS的一個(gè)重要發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

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