提 要 本文回顾与评述了三维GIS的相关发展情况，探讨了三维GIS的有关基本问题，如数据获取、大数据量存贮与处理、三维空间分析，同时指出科学计算可视化、数据库系统管理、数字影象处理等技术的成熟和二维GIS长期发展提供的理论实践经验等为三维GIS的发展提供了良好的基础。最后为三维GIS实际系统的开发提出了几个值得注意的要点。
关键词 三维GIS 基本问题 数据结构
0.引言
二维 GIS始于二十世纪六十年代的机助制图，今天已深入到社会的各行各业中，如土地管理、电力、电信、城市管网、水利、消防、交通以及城市规划等。但二维GIS存在着自身难以克服的缺限，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。随着应用的深入，第三维的高程信息显得越来越重要。一些二维GIS和图象处理系统现已能处理高程信息，但它们并未将高程变量作为独立的变量来处理，只将其作为附属的属性变量对待，能够表达出表面起伏的地形，但地形下面的信息却不具有，因此它们在国际国内也被俗称为2.5维的系统。考虑到2.5维这一概念并不严密，作者称之为“地形面三维”或简称面三维。我们认为，面三维的GIS本质上仍然是二维GIS系统。
二维GIS只能处理平面X、Y轴向上的信息，不能处理铅垂方向Z轴上的信息。它在表达上通常是将Z值投影到二维平面上进行处理，因此对于同一（x, y）位置的多个Z值不能表达。
地形面三维的表达将Z值投影到一个模型上，显示时X、Y、Z三个轴均被显示，其模仿人类从某点观察的视觉，使三维对象看起来象真正的三维对象一样。但是面三维技术有两个明显的缺点：①它表达的对象内部是空的，不具备应有的信息；②虽然它能表现邻近的多个表面，但对于表面交叉的情况，则难以进行交叉表达和管理。只有将这类现象置于真正的三维空间中考虑，才能灵活高效地处理各种三维问题，如三维内部属性和拓扑关系，三维空间索引和管理等。这是三维空间表达与二维GIS、地形面三维表达的本质区别之一。
三维空间表达考虑多个Z值的出现，将多个（X, Y, Z）观测点结构化为实体域，这种处理是对人类居住空间的较为接近的近视[1]。
1.三维GIS发展评述
世界的本原是处在三维空间中的，二维GIS将现实世界简化为平面上二维投影的概念模型注定了它在描述三维空间现象上的无能为力，克服这一缺陷迫切需要真正的基于三维空间的GIS的问世。因此在过去的一段时间里，人们很早就开始了三维GIS理论和实际系统方面的探索，同时遇到了不少困难。下面对此展开讨论。
1.1 三维GIS的研发思路与相关软件发展情况
随着GIS应用的深入，人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。在应用要求较为强烈的部门如采矿、地质、石油等领域已率先发展专用的具有部分功能的三维GIS，如加拿大LYNX Geosystems公司的LYNX软件，但由于它们一般是针对自己的领域开发的，没有从理论上加以系统完整的研究，没有面向通用平台进行设计，因此具有较强的局限性。这是由当时的应用要求、数据获取手段及相关的计算机技术发展条件决定的。
由于二维GIS数据模型与数据结构理论和技术的成熟，图形学理论、数据库理论技术及其它相关计算机技术的进一步发展，加上应用需求的强烈推动，三维GIS的大力研究和加速发展现已成为可能。
(1) 三维GIS研发思路
当前研究和开发三维GIS的思路可归纳为两种：
● 由于三维GIS首先要将地理数据变为可见的地理信息，因此人们一方面从三维可视化领域向三维GIS系统扩展，这一点同早期的二维GIS来源于计算机制图管理一样，是从可视化角度出发的[2][3][4]。
● 另一方面，GIS需要存储和管理大量的空间信息和属性信息，因此另一部分人从数据库的角度出发向三维GIS发展，从商用数据库向非标准应用领域扩展，将三维空间信息的管理融入RDBMS中，或是从底层开发全新的面向空间的OODBMS, 如GODOT[5]，GeoO2[6]，GEO++[7]，SmallWorld GIS。一个新的发展方向是将三维可视化与三维空间对象管理藕合起来，形成集成系统。
（2）三维GIS相关软件发展概况
但是迄今为止，目前国际国内还没有一个成熟完整的三维GIS系统，与三维GIS相关的系统大多集中在三维可视化方面，如EVS，Vis5D，Voxel，医学可视化及各种CAD软件等，也有一些三维系统部分实现三维GIS的功能，比较有名的软件有：LYNX， IVM（Interactive Volume Modeling）， GOCAD， I/EMS，SGM等[8][9]。
1.2 三维GIS数据模型和数据结构
上述软件的共同缺点是仅重视表达三维对象本身，对各对象间关系的表达没有足够的重视，因此管理大批量三维空间对象的能力较弱，也不能做一些GIS需要的空间分析。LYNX软件能够处理和表达三维地质数据，但它们不容易在其它领域推广使用，MGE系统有一些简单的三维模块，但也远不能满足三维GIS应有的要求。总起来说，这些软件在构造、表达三维对象上具有较强的能力，但管理和分析能力较弱。作者认为出现这种情况的一个主要原因是三维空间数据模型理论和技术的不成熟，另外空间数据库技术也正处于发展中，不象RDBMS那样具有成熟的理论和技术，因此导致了三维空间建模能力的薄弱。为此，许多学者和研究人员在这方面作出了很多努力[10]~[27]，但仍然没有形成完整的三维GIS理论和开发出成熟的三维GIS系统。
在完整的三维GIS系统研究和开发方面，BREUNIG曾经进行过较为系统的研究与实践[28]。他为三维GIS提出了一个空间信息集成模型，该模型以所谓的扩展复杂要素（e-complex）为内核，表达三维空间地学对象的几何性质，度量属性及对象间的复杂拓扑关系。以此为基础，他又进一步定义了拓扑操作，并将各种e-complex对象融入地学建模和管理的模型框架中，最后给出了一个地质应用的例子。该模型是以矢量模型为基础，对象及对象间的拓扑关系表达较为精确，但各种操作复杂费时，空间分析不易。
国内李清泉也做过较为系统的三维GIS研究[9]。他以八叉树和不规则四面体为基础提出了三维GIS的混合数据模型。以栅格结构的八叉树作为对象描述的总体框架，控制对象空间的宏观分布，以矢量结构的不规则四面体描述变化剧烈的局部区域，较为精确地表达细碎部分，并将这两种模型进行有机地结合。这种混合模型是一种矢量栅格三维结合的有益尝试，在一些情况下比较合适，但还需要其它表达模型的补充，以提高表达、访问和操作的效率。
作者认为，由于地学对象赋存形态各异，千变万化，各种模型又都有其优缺点，因此为三维GIS表达和分析服务的各种数据模型和数据结构设计，应当针对不同的数据获取方式、地学对象本身的大致形态和主要的应用目的设计不同的数据模型与结构[29]。以此将各种模型的长处充分发挥，进一步提高三维GIS表达和分析的效率。
1.3 三维空间分析
在三维空间分析方面做得较多的是计算机图形学领域里的工作者，但他们的工作往往偏重于几何图形与算法性能，例如边界追踪检测[30]~[32]、邻居寻找[33][34]，很少考虑为地学目的服务的分析。地学领域曾有人在三维地质表面模拟中提出过三维边界搜索算法[35]，但其算法较为复杂。作者曾提出过结构较为简单的邻域寻找算法[36]，能在线性四叉树和线性八叉树中直接确定单元的邻居。三维空间分析中还有很多研究工作要做，例如三维拓扑关系的描述与构造，三维查询与统计分析等，有待于进一步的研究。
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