三维GIS研究进展综述

朱 懿

（江西理工大学土木与测绘工程学院 江西 赣州 341000）

1 引言

近年来，随着大数据、“互联网+”、物联网、智慧城市等发展理念的出现，人类的脚步又逐渐跨进了一个多元化、智能化的时期，而且这些领域或者理念的发展也离不开GIS。在当今时代，空间信息成为了一个新的代名词。由于迅速增长的三维空间信息需求和新兴智能技术的发展，人们不仅需要精确的地理位置服务，还对现实空间的三维模拟产生了向往。所以，三维GIS成为了目前GIS领域中的研究主流，其未来也将与二维GIS的发展情况相同，不但成为研究的热点，也为各行各业以及各个研究领域做出巨大贡献。

2 三维GIS研究进展概述

2.1 国内外研究现状

三维GIS的发展最早可以追溯到1980年左右，其主要是通过三维空间可视化来对矿产进行开发和评估。随后国外对于三维GIS做了不少的研究，例如日本的京都大学的虚拟现实技术成功实现虚拟城市显示，用户可以实时访问虚拟京都；Molenaar等[1]在1992年提出了一种形式化的三维数据模型等。国内对于GIS的发展起步较晚，不过随着1980年GIS进入我国后，其发展的速度与日俱增。从1990年代开始，国内三维GIS的研究也逐步开展起来，新方法、新技术、新思想不断涌现[2]。李德仁等[3]研究者在1997年提出了一种三维GIS的混合数据结构，其设计了一种混合式的数据结构来组织三维GIS的大量地理空间数据。吴信才[4]在1998年对当时GIS的技术以及发展的状况进行了总结与归纳，并指出三维的GIS将是一个重要的发展方向，可以为很多应用领域带来巨大的贡献。龚建华等[5]研究者在2001年对分布式虚拟环境的概念与特征进行了讨论，并详细地介绍了分布式三维虚拟GIS的理论以及其实现的过程。朱庆等[6]研究者在2006年运用三维可视化技术对数字文化遗产进行了研究，设计了一套“仿唐木构建筑三维桌面浏览系统”，并且阐述了根据系统和数据所采用的多种类型数据库的管理以及数据库下的实时应用方法。李德仁等[7]研究者在2011年提出了真实虚拟规划模型和真实三维环境相结合的技术方法，设计了一套对城市进行规划的决策支持系统并取得了良好的效果。周鹏等[8]研究者在2018年针对当前网络环境中的三维GIS的拓扑关系构建所存在的缺陷，提出了一种网络环境中的GIS空间数据存储以及三维实体拓扑关系构建方法，其经过实验后表明，这种方案能够依据三维空间拓扑关系迅速重建地理实体，具有实效性。近年来，随着三维GIS自身不断的发展，其推广、解决问题、应用等能力在迅速提升，加快了其融入各行各业的步伐。同时，三维GIS也在被许多使用者应用的同时为各个领域做着贡献。

2.2 三维GIS的应用

现阶段随着智慧城市、大数据、“互联网+”等发展概念和理论的相继提出，给三维GIS也带来了新的机遇和挑战。近年来，测绘地理信息工作取得了长足的进步，建成全国卫星导航定位基准服务系统，获取了海量的地理信息资源，圆满完成第一次全国地理国情普查，开展了常态化地理国情监测，测绘地理信息正朝着获取立体化实时化、处理自动化智能化、服务网络化社会化的方向迈进，为智慧城市建设提供了强有力的支撑[9]。三维GIS有着良好的优势来替代传统的二维GIS，其打破了二维GIS在空间信息表达中的缺陷，能够在现实的三维空间中对城市中的各个部分和细节进行精准的刻画，促进城市的数字化、信息化和智能化发展。三维GIS是智慧城市建设的重要支撑性技术，在未来的智慧城市应用中，三维GIS将借助计算机技术、人工智能技术、大数据与云计算技术实现城市立体信息的高性能、高效率、智能化、实时性分析与可视化，为智慧城市的运营管理提供辅助决策支持[10]。

三维GIS不仅能够融入城市的发展，还能够与各个行业领域相结合。在城市建设中，三维GIS能够凭借其对三维空间的模拟能力来为建设工作作技术支持。王乾坤等[11]研究者在2016年利用三维GIS在地铁车站进行了官网的设计应用研究，其所融合的三维GIS技术在地铁综合官网的设计中凸显出了节省项目建设成本的优势，能够为其他相关项目的应用提供决策支持。同样，甄红锋等[12]研究者在2016年针对目前地铁施工信息管理的可视化程度不高，二维、三维GIS地理信息可视化交替运作等问题，构建了一套三维GIS地理信息的可视化的地铁施工监测信息管理系统，大幅度地提高了地铁施工过程中的可视化效果以及信息化施工的技术水平。康义锋[13]在2017年考虑到道路施工完毕后，针对工程鉴定信息化的问题，将三维GIS技术应用到工程鉴定中，增强了道路工程鉴定的信息化手段。陈晓[14]在2017年利用三维GIS和传统的测绘数据，将地下电力光网基础数据进行采集，对地下电力管线管理系统进行了开发，实现各种专题图的绘制以及数据的录入安全。娄书荣等[15]研究者在2018年为了提高城市地下空间的综合规划合理性，研究了一个基于三维GIS的地下空间辅助规划方法，并提出了地下空间规划的辅助支持框架，同时根据实际应用的需要，开发了一些规划分析功能，为城市的地下空间规划制定了一套可靠的、集成化的决策支持系统。可见，三维GIS已经在城市建设中有了很多的应用，为城市中的建设工作做出了巨大的贡献。此外，三维GIS还在为很多工程中的规划与管理方面作出了技术支持。张献民等[16]研究者在2016年研究了机场净空的评价管理、机场道面评价管理以及飞行区地下管线管理3个子系统所组成的飞行区运行数字化管理系统，并将该系统与三维GIS相结合，基于机场地理信息数据构建了一个机场可视化管理模型，使得机场的管理工作更数字化、智能化，为机场的高效运行提供了保障。三维GIS最初的数据获取方式是人工测图的方式，随着其不断的应用与推广，目前三维GIS的数据采集方式已经有数字摄影测量、机载三维成像仪、车载移动测图等方式。这不仅仅为三维GIS提供了发展新思路，而且也为三维GIS应用于更多的领域奠定了基础，形成了良性的循环。

3 三维GIS未来展望

随着智慧城市、数字城市的发展，三维GIS已经广泛应用到了众多行业和领域。然而，我国的三维GIS相较于国外发展起步较晚且存在着各领域发展技术不均匀的问题。三维GIS目前所融入的应用还只是与虚拟现实技术相关的一些领域，若要融入更多的领域还需要对三维GIS技术进一步发展。三维GIS的数据管理技术主要有文件方式、混合管理方式、数据库方式等，而文件管理和混合管理方式都需要文件系统对所有的数据提供管理，但是文件管理系统按本质上来讲并不适用于空间数据的管理要求的，这主要是因为早期发展时技术相对落后，我们必须以这样的方式来管理数据。当前，技术已经得到了空前的发展，三维GIS逐渐采取数据库的管理方式，而如何在未来对于复杂的空间表达信息进行高效管理以及与新兴技术结合，还需要进一步的研究。目前，三维GIS开发新的空间信息分析方法是该领域的一个瓶颈，在未来还需要与多领域相结合，例如基于图形、基于化学模型等方式结合。同时，三维数据的获取和海量数据的自动化处理还需要进一步提升，且实现海量数据的存储、动态空间信息的可视化以及其配套的空间信息分析功能的技术还有待突破。