真三维GIS技术进展
朱庆
（测绘遥感信息工程国家重点实验室）
2010年1月11日
近年来，卫星定位技术、航空航天遥感技术和计算机网络技术的迅速发展促进了传统GIS技术及其应用发生革命性的变化。GIS因为提供了日益强大的综合分析、解析分析、定量分析和可视化分析等功能，因此已成为人们在广泛的领域内理解时空要素和解决复杂问题的重要工具。特别是由于越来越美观逼真的多种分辨率多时相遥感影像数据和全球数字高程模型数据在网络环境下广泛可得，二维矢量地图、遥感影像和三维地形表面模型的混合应用已成为普通百姓习以为常的基本导航定位方式。Google Earth之类的“数字地球”让人们真正看到了一个“立体化”“逼真化”的世界，并从此改变了人们跟信息交互的方式（《Nature》杂志 2006年2月16日“The web-wide world”一文），三维GIS概念成为当今业界最热门的话题。遗憾的是，这些在大众消费领域盛行的商业模式却被过渡炒作，并蔓延到专业GIS领域。如果说三维GIS从1998年的“数字地球”概念炒作开始，2005年相继出现Google Earth和Virtual Earth而到达热捧的顶峰，越来越多的行业和地方兴起建立“吸引眼球”的三维可视化系统，五花八门的三维可视化软件应运而生，甚至许多GIS业界的专业人士都认为这就是三维GIS的未来。随着对三维GIS技术大量不切实际的期望破灭，人们不得不冷静下来认真思考三维GIS技术的优势和局限，以及其成熟度，并重新回到可持续的发展轨道。本文试图从基本概念、应用需求和技术动态等方面就真三维GIS技术的发展与演进进行简要的评述。
第一，本文的“真三维GIS”概念意在强调地上下室内外三维空间实体的集成表示，既有自然的地形地貌和地表的各种人工建筑物，还有地下的地质结构和各种工程设施与建筑物，突出整个三维实体空间一体化的高精度建模和准确度量分析。三维意味着多维，真三维GIS技术框架自然包含了传统2维和2.5维的GIS技术内涵，并能根据需要提供恰当的多维表示。众所周知，二维GIS主要针对三维空间实体在平面地图空间中符号化的二维抽象表达，以摩天大楼和地铁等为代表的地上空间和地下空间的大规模开发利用正使得垂直的三维城市空间变得极为复杂和充满风险，真三维的城市空间框架数据将是城市规划设计、建设管理、安全防范和综合竞争能力的重要依托。二维GIS技术难以完整准确表示三维城市空间的局限越来越明显，迫切需要突破三维空间实体集成表示的瓶颈问题，而这种集成表示统一考虑了三维空间实体的几何、拓扑、外观和语义信息；由于多专业多源数据（包括既有的地图数据、现势的传感器数据和对未来的规划设计数据）的综合应用，要支持多源三维模型数据在语法和语义层面的无缝整合。尽管基于星载或机载的干涉雷达测量、摄影测量和激光扫描等新一代对地观测技术使得全球范围的高精度地形表面模型快速获取成为现实，但快速获取大范围复杂目标的高精度多细节层次的三维几何模型仍然是世界性难题，而详细的室内和地下三维自动建模更具挑战性。因此，现有大量的三维GIS应用还主要依靠人工建模手段，效率很低，成本极高，加上三维空间数据内容的局限性和片面性也制约了其应用的广度和深度。这也是导致真三维GIS从炒作的“高峰”跌到“低谷”的主要原因。
第二，GIS技术至少有两大显著不同的主导应用，一个是专业化应用，另一个是大众化应用。专业化应用需求无疑是牵引GIS核心技术持续创新的源动力，而大众化应用主要基于成熟的GIS技术和商业运作。GIS技术本来是为了土地规划管理专业应用需求而诞生的，随着GIS的不断成熟和网络化应用，普通百姓却日益成为最广大的用户群体。如果说专业化应用更依赖GIS提供精确可靠的度量分析（metric），那么普通百姓则需要更加灵活直观的可视导航（visual）。与这两种需求紧密相关的是GIS最核心的空间数据基础：精确度量分析的数据基础是图形（graphic），而逼真可视导航的数据基础则是图像（image）。由此就很容易理解为什么高分辨率遥感影像能促使GIS大众化应用迅速普及了（《Nature》杂志2004年1月22日“Mapping opportunities”一文）。很显然，专业化应用的GIS精确建模与解析分析功能要比大众化应用的影像地图导航定位功能复杂得多，因为大众化的地图导航服务（如各种基于DEM和DOM的可量测虚拟地球服务，以及实景三维地图服务等等）一般只需要非常简单的数据模型和非常简单而有限的可视化查询与分析功能。随着中国特色的城市化发展加速推进，垂直城市作为一个复杂的巨系统迫切需要发展兼顾地上下大立体空间环境的城市规划设计、工程适宜性评价与优化设计、地质灾害与风险评价、应急响应决策等新技术，本文的真三维GIS就是面向这样的专业化应用。随着GIS应用从辅助宏观规划管理决策到支撑微观设计和建设工程的不断深入，从二维到三维的必然发展趋势正呈现一个加速态势，真三维GIS的专业化应用将直接贯穿一个工程的全过程（生命周期），而三维GIS与计算机辅助设计（CAD）, 建筑信息模型（BIM） 和建筑工程与建设（AEC）的无缝集成正带来整个工程设计与建设管理领域从二维图纸到三维协同设计与建造的革命性变化。
第三，计算机三维图形技术的快速发展极大地推进了三维GIS的可视化技术进步，乃至于World Wind之类开源软件的应用大大降低了准入门槛，从而催生了大量所谓的“三维可视化GIS”软件。实际上，三维可视化仅仅是三维GIS的基本功能之一，而且这些软件也主要分散在测绘遥感、地质矿产和规划设计与建筑等不同专业领域，仍然缺乏真正满足大规模真三维空间数据集成管理、在线更新与分析应用的通用平台。为此，国内外正加速推进三维城市建模的标准化和综合能力更强的真三维GIS软件平台的研发。首先，一种用来表现三维城市目标的通用信息模型CityGML1.0被作为OGC官方标准于2008年正式发布，而且更具可操作性的中华人们共和国住房和城乡建设部发布的行业标准《城市三维建模技术规范》也将于今年颁布实施。这些标准为统一城市三维模型制作技术要求，保证真三维空间框架数据的准确性和权威性、以及大规模生产与广泛共享奠定了重要基础。其次，作为世界GIS工业领袖的ESRI宣称增强了三维数据编辑、分析和可视化处理能力的ArcGIS 9.4即将推出；中国政府在863计划重点项目中也专门立项开发真三维GIS软件平台，积极探索地上与地下、室内与室外真三维城市空间信息集成应用的新模式；关于真三维GIS空间数据模型，可扩展的高可用的真三维GIS软件体系架构，高效的真三维空间数据库引擎，高性能三维可视化分析与真三维空间探索等关键技术近期有望取得突破。正是这些标准的实施和关键技术的突破才让真三维GIS技术及其应用稳步走向成熟，并蕴育更广大的发展空间。
值得注意的是，上述真三维GIS的技术内涵仍仅限于静态或时态空间实体的表示，而动态的时空现象如大气、海洋等还未充分考虑。但首先必须建立起最基础的真三维地理空间框架，才有助于更好地表示整个四维的环境（虚拟地理环境：VGE）。因为对这些动态时空现象的表示不仅要利用精度高现势性好的传感器数据，还要利用科学的数值模拟与预测数据，这就涉及到更多专业领域不同时空现象的物理模型与行为模型。显然，“智慧地球”的建设需要对整个地球空间环境更透彻的感知，自然也对四维虚拟地理环境技术提出了日益紧迫的需求，这才是真三维GIS技术发展的未来。