三维地理信息系统技术综述
朱庆
测绘遥感信息工程国家重点实验室（武汉大学）
湖北省武汉市珞喻路129号， 430079
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摘要：本文对三维地理信息系统技术进行综述性介绍，扼要地讨论了国内外有关三维地理空间信息的获取、管理、分析与可视化等技术的进展与动态。
关键词：地球空间信息技术，三维地理信息系统，数据获取，三维可视化
A Survey of Three Dimensional GIS Technologies
Zhu Qing
State Key Lab of Information Engineering in Surveying Mapping and Remote
Sensing
129 LuoYu Road, Wuhan Hubei, 430079P.R.China
E-mail:**************
Abstract: in this survey, the 3D GIS technologies are briefly reviewed with the main concern in the recent developments in the acquisition, management, analysis and visualization of 3D geo-spatial information, their advantages and limitations are discussed respectively.
Key Words: Geospatial Technology, 3D GIS, Data Acquisition, 3D Visualization
1 引言
最近一期《自然》杂志刊登的文章“地图制图的时机”把地球空间信息技术（geotech-nologies）看成是世界上继生物技术（biotechnology）和纳米技术（nanotechnology）之后发展最为迅速的第三大新技术，而遥感技术（RS）与地理信息系统技术（GIS）则是地球空间技术的核心内容（Gewin，2004）。特别是GIS技术已经成为空间数据处理、集成和可视化最成功的技术之一，并作为地球空间信息处理的有效工具极大地推动了地球空间技术在各个领域的应用。虽然关于GIS的定义有许多不同，但几乎都公认GIS是一个以空间数据（信息）为中心的系统，这一点从美国摄影测量与遥感学会给出的定义即可见一般：“GIS
是一个对地球空间信息进行编码、存储、转换、分析和显示的信息系统”（）。由于GIS从地形图演进而来的历史原因，现有的绝大多数GIS都使用二维数据描述地理对象，即所有的对象都通过二维坐标（X,Y或经纬度）进行表示。这样的GIS因此又被认为是二维GIS。众所周知，地球空间信息区别于其他类型信息的最显著标志是其地域性（territorial）、多维结构特性（multidimensional structure）和动态变化特性（dynamic changes）。随着计算机技术和数据获取技术的迅速发展，具有处理真三维数据能力的三维GIS的发展受到了极大的关注。显然，对现实世界中三维对象的逼真表示需要三维的方法。三维GIS则使用三维数据描述地理对象，即所有的对象都通过三维立体坐标（X，Y，Z或经纬度与高程）进行表示。三维GIS在日益增长的三维空间信息需求的牵引和蓬勃发展的现代新兴技术的驱动下得到了稳步的发展。首先，诸如城市、海洋、大气、地下工程和军事等重大领域问题的完整解决和空间信息的社会化应用服务迫切需要三维GIS的支持；其次，三维空间数据获取技术的发展极大地方便了各种规模不同细节程度三维空间数据的可得性；再有，信息与通信技术的进步为更有效地处理和利用海量三维空间数据提供了强有力的支撑。从二维GIS到三维GIS，虽然空间维数只增加了一，但基于此既可以包容几乎所有丰富的空间信息，也可以突破常规二维表示对形式的束缚，为更好地洞察和理解现实世界提供了多种多样的选择。但其由此也面临大量更加复杂的问题，如数据量急剧增加、空间关系错综复杂、真实感实时可视化等。在空间上从二维表示到三维表示日益成为GIS的主要发展方向之一，并趋向于对现实世界的增强表示与延伸——“虚拟地理环境”（朱庆和林珲，2004）。
实际上，三维GIS与二维GIS一样，都要提供最基本的空间数据处理功能如数据获取、数据组织、数据操纵、数据分析和数据表现等。尽管有关三维GIS的研究与实践在国内外已经十分广泛，但大多数成果由于立足于特定的有限领域而且都还是分散的、不全面的。比如，三维GIS当前的应用实践还主要局限在三维可视化与逼真的视觉表现方面，而其重要的三维分析与三维操作功能也都还很有限，三维模型数据的获取成本依然很高，市场上还没有象传统二维GIS软件一样得到公认的可以满足大多数应用需要的成熟的商品化三维GIS软件（Zlatanova， et al., 2002；Stoter and Zlatanova, 2003）。为此，本文将探讨国内外有关三维GIS技术开发与应用实践方面的进展和动态。而有关三维GIS的基本问题如数据模型、数据结构、拓扑关系、空间索引、多尺度表示等则可以参考已有文献（陈军和蒋捷，2000；李青元等，2000；肖乐斌等，2001；Kolbe and Gr?ger，2003；朱庆和林珲，2004）。
2 三维GIS的数据获取技术
三维GIS技术最重要的进展之一就是三维数据获取技术的进步，特别是航空与近景摄影测量、机载与地面激光扫描、地面移动测量与GPS等传感器的精度与速度都有了明显的提高（Batty，et al, 2000；Stoter and Zlatanova, 2003）。大量的研究致力于地物（尤其是人工地物）的三维自动重建，而依据分辨率、精度、时间和成本等的不同已经有许多不同的技术方法可供选择。如Tao（2004）将三维建筑物模型的重建方法分为以下三类：
•基于地图的方法，利用已有GIS、地图和CAD提供的二维平面数据以及其他高度辅助数据经济快速建立盒状模型；
•基于图象的方法，利用近景、航空与遥感图象建立包括顶部细节在内的逼真表面模型，该方法相对比较费时和昂贵，自动化程度还不高；
•基于点群的方法，利用激光扫描和地面移动测量快速获得的大量三维点群数据建立几何表面模型。
三维重建的数据源还可以分为远距离获取的数据（卫星影像、航空影像、空载激光扫描等）、近距离获取的数据（近景摄影、近距激光扫描、人工测量）和GIS/CAD导出数据三种（Brenner and Haala, 2001；Shiode，2001）。不同的数据源对应着不同的三维模型细节和应用范畴。比如，基于遥感影像和机载激光扫描的方法适用于大范围三维模型数据获取、车载数字摄影测量方法适用于走廊地带建模、地面摄影测量方法和近距离激光扫描方法则适用于复杂地物精细建模等等。其中，基于影像和机载激光扫描系统的三维模型获取方法能够适用于在大范围地区快速获取地面与建筑物的几何模型和纹理细节，虽然现有技术在很大程度上还依赖人工辅助，但这无疑是最有潜力的三维模型数据自动获取技术之一。基于已有二维GIS数据的简单建模方法具有成本低、自动化程度高的优点，在某些需要快速建立三维模型的领域也有着广泛的应用，这也是现有大多数二维GIS提供三维能力的最主要方式。基于CAD的人机交互式建模方法将继续被用于一些复杂人工目标的全三维逼真重建。另外，基于图象的建模和绘制（Image based modeling & rendering：IBMR）作为一种新的视觉建模方法，在不需要复杂几何模型的前提下也能够获得具有高度真实感的场景表达，能够较好的解决三维建模过程中模型复杂度与绘制的真实感和实时性三者之间的矛盾，大大简化了复杂的数据处理工作。因此也被越来越多地用于各种虚拟环境的建立，特别是基于图形和图象的两种建模技术被综合用于高度真实感的三维景观模型的创建。上述技术主要应用于重建目标的三维表面模型，而有关地球科学领域的真三维重建技术在
