三维GIS：新的突破

现实世界在空间上应该是三维的，即地球上任何一个地点的定位信息应该包括经度、纬度和高程。在一些情况下，二维GIS可较好地表述地表的形态，但大多情况下，二维信息很难表示复杂的三维世界，例如一栋大楼内几十家公司的兴趣点信息的表示，地下工程与地面景物的关系等。

三维的信息总是比二维的逼真和丰富多彩，这也是人们对于信息化深度挖掘与应用的需求。在计算机上1；构现实世界的研究已有数十年，各种三维的CAD、CAM设计软件和专业三维信息系统早已问世，但这些软件主要是用于小型的、离散的三维对象的可视化和分析。而三维GIS的功能更强大，能够描述一个小区、一条街道甚至是一座城市的三维景观，在城市规划建设中，还可为项目选址、项目比对、环境热分析等提供立体的可视化和空间分析手段。因此，在智慧城市研究中运用三维GIS十分必要，否则就不可能“全面感知”、“充分整合”结构复杂、内容丰富的现代城市。

众所周知，传统的二维GIS经过数十年的发展与应用已经相当成熟，并且已经基本实现产业化和社会化。但如今二维信息已经远远不能适应社会的需求，因为我们生活在丰富多彩的立体世界之中，为了模拟这个现实世界必须使用三维信息系统。基于二维GIS的信息系统使人的认识空间（三维世界） 与处理问题的方法空间（二维地图）并不一致： 二维GIS使用（x，y）表示空间位置，它本质上是一个基于抽象符号的系统；而三维GIS使用（x，y，z）表示空间位置。三维GIS不仅可提供三维的可视认知，还具有三维空间分析功能。随着计算机技术和二维GIS的发展与广泛应用，人们逐渐表现出对使用三维GIS展现真实世界的渴望，因为更少的抽象意味着更多的真实信息得以体现。此外，各种三维GIS在军事指挥、电子沙盘及地形仿真、数字城市、房地产展示、环保与气象仿真、城市微气候和大气污染模拟、地质构造模拟和地下管线管理等领域都有明显的优越性和不可替代性。

长期以来，三维GIS的研究人员一直将精力集中在三维数据的 海量存储和可视化上，直到2005年Google Earth的横空出世，给整个三维GIS界带来了极大的冲击，它开启了全新的三维GIS时代，让我们体验了三维虚拟地球的魅力。Google Earth展现了海量 数据的浏览和管理功能，让人们足不出户即可纵览全球，这不仅有利于维GIS技术的展.也推进了三维GIS技术在实际业务和个人服务领域的应用。

三维GIS是二维GIS的维度提升，但这种提升并不意味着简单地使用“体”对象替代传统的 “点、线、面”。目前的三维GIS技术已经结合了传统的三维GIS可视化 (三维模型)和虚拟现实的研究成果，正在追求一种基于可计算信息的沉浸式交互场景，即在三维数据上构造各种适合建筑业的三维体块图形，并具备数据库存储、可视化、査询和三维空间分析等功能。在视觉感受上追求使用现代高科技手段生成逼真的视、听一体化的虚拟环境，用户借助必要的设备（鼠标、方向盘和体感设备等外部配件） 以自然的方式与虚拟环境中的对象交互作用、相互影响，产生亲临真实环境的感受和体验。目前的三维GIS产品已经可以不受场地限制，表现效果更为优美、逼真，具有很强的交互性，走进三维仿真中的虚拟环境，恰如身临式境。

三维GIS是对现实城市的一个重新构建，它以真实的地理空间位置再现城市现状景观 （包括地形地貌与城市建筑），并以此作为虚拟数字城市规划、建设和管理的基础空间环境。该三维城市模型是反映城市现状的真实模型，模型中的每栋建筑物，都具有准确的空间地理坐标，并且可以进行量测和分析；而对于大中城市，特别是居民密集的城区来说，房屋的三维立体数字采集工作量是非常大的，因此数字摄影测量系统等先进高效的数字立体采集技术，成为重要的数据采集手段。

城市真实三维数字模型的重建，除了采集城区建筑物的三维空间坐标外，还需要具有自动建立结构模型、自动提取建筑物纹理、进行纹理粘贴和真实纹理替换处理等功能。对于地形起伏变化较大的地区，软件还应具有自动生成DEM和DOM的功能，并且能将DEM与DOM叠加，生成三维地形景观。三维地形观通常作为三维数字城市建筑物结构模型的叠加基础，将二者叠加集成完整的城市真实三维数字模型。三维GIS虽然只比二维GIS高了一个维度，然而其数据采集的类型和容量却远比二维GIS要多，以建筑物为例，一般的二维GIS只需考虑该建筑物的轮廓线即可，而三维GIS不仅要记录该建筑物的位置信息，还有它的外观信息，而如果要考虑该建筑物的经济和社会属性，则还包括其内外部的建筑信息、装饰信息、结构信息等，其数据量远高于几段线条组成的二维平面图形。

近年来随着CPU技术的发展和高性能可视化算法的出现，目前三维大规模场景重建速度得到了极大的提升，同时航空近景和地面实景摄影测量的发展也为三维GIS 的发展提供了丰富的数据基础，使得三维GIS逐渐进入实用化阶段。尽管三维GIS能够表现更丰富的城市细节（包括地上和地下、室内和室外），但相对于三维GIS,二维GIS数据模型更加简单和廉价，因此在很长一段时间内，二维GIS还是无法被取代的，但会逐渐不能满足城市信息化未来发展的需要；同样，单独的三维GIS目前也不能满足应用要求，这是因为它的价格昂贵、分析功能有限等原因。因此，发展二三维一体化的GIS软件和平台，而不仅仅是独立的二维或三维GIS才是GIS软件未来的发展方向。国内对于这种二三维一体化的GIS空间有着不同的名词概述，如超图将它们的二维一体化GIS称为真空间GIS。真空间GIS是相对于纸空间GIS而言的。所谓纸空间GIS指以投影后的纸图坐标空间为基础的GIS，而真空间则是三维地理空间和基于地理椭球面的二维地图空间的混合体。

三维GIS的出现，是GIS界对现实世界认知不断深人的一个结果，人们期待能够看到可计算、可推理和可全息感知的多维动态时空信息，而三维GIS就是这样的一个平台与工具。随着近几年三维GIS众多技术瓶颈的突破，许多过去难以实现的功能，如与二维GIS割裂、缺乏高级GIS分析、不能基于Web浏览和使用等都正在逐渐被克服，三维GIS也不再是一个只能看一看和査一査的花瓶角色，它正在许多城市的规划、建设和管理部门发挥着越来越实际的作用。