三維GIS研究進展綜述

朱 懿

（江西理工大學土木與測繪工程學院 江西 贛州 341000）

1 引言

近年來，隨著大數據、“互聯網+”、物聯網、智慧城市等發展理念的出現，人類的腳步又逐漸跨進了一個多元化、智能化的時期，而且這些領域或者理念的發展也離不開GIS。在當今時代，空間信息成為了一個新的代名詞。由于迅速增長的三維空間信息需求和新興智能技術的發展，人們不僅需要精確的地理位置服務，還對現實空間的三維模擬產生了向往。所以，三維GIS成為了目前GIS領域中的研究主流，其未來也將與二維GIS的發展情況相同，不但成為研究的熱點，也為各行各業以及各個研究領域做出巨大貢獻。

2 三維GIS研究進展概述

2.1 國內外研究現狀

三維GIS的發展最早可以追溯到1980年左右，其主要是通過三維空間可視化來對礦產進行開發和評估。隨后國外對于三維GIS做了不少的研究，例如日本的京都大學的虛擬現實技術成功實現虛擬城市顯示，用戶可以實時訪問虛擬京都；Molenaar等[1]在1992年提出了一種形式化的三維數據模型等。國內對于GIS的發展起步較晚，不過隨著1980年GIS進入我國后，其發展的速度與日俱增。從1990年代開始，國內三維GIS的研究也逐步開展起來，新方法、新技術、新思想不斷涌現[2]。李德仁等[3]研究者在1997年提出了一種三維GIS的混合數據結構，其設計了一種混合式的數據結構來組織三維GIS的大量地理空間數據。吳信才[4]在1998年對當時GIS的技術以及發展的狀況進行了總結與歸納，并指出三維的GIS將是一個重要的發展方向，可以為很多應用領域帶來巨大的貢獻。龔建華等[5]研究者在2001年對分布式虛擬環境的概念與特征進行了討論，并詳細地介紹了分布式三維虛擬GIS的理論以及其實現的過程。朱慶等[6]研究者在2006年運用三維可視化技術對數字文化遺產進行了研究，設計了一套“仿唐木構建筑三維桌面瀏覽系統”，并且闡述了根據系統和數據所采用的多種類型數據庫的管理以及數據庫下的實時應用方法。李德仁等[7]研究者在2011年提出了真實虛擬規劃模型和真實三維環境相結合的技術方法，設計了一套對城市進行規劃的決策支持系統并取得了良好的效果。周鵬等[8]研究者在2018年針對當前網絡環境中的三維GIS的拓撲關系構建所存在的缺陷，提出了一種網絡環境中的GIS空間數據存儲以及三維實體拓撲關系構建方法，其經過實驗后表明，這種方案能夠依據三維空間拓撲關系迅速重建地理實體，具有實效性。近年來，隨著三維GIS自身不斷的發展，其推廣、解決問題、應用等能力在迅速提升，加快了其融入各行各業的步伐。同時，三維GIS也在被許多使用者應用的同時為各個領域做著貢獻。

2.2 三維GIS的應用

現階段隨著智慧城市、大數據、“互聯網+”等發展概念和理論的相繼提出，給三維GIS也帶來了新的機遇和挑戰。近年來，測繪地理信息工作取得了長足的進步，建成全國衛星導航定位基準服務系統，獲取了海量的地理信息資源，圓滿完成第一次全國地理國情普查，開展了常態化地理國情監測，測繪地理信息正朝著獲取立體化實時化、處理自動化智能化、服務網絡化社會化的方向邁進，為智慧城市建設提供了強有力的支撐[9]。三維GIS有著良好的優勢來替代傳統的二維GIS，其打破了二維GIS在空間信息表達中的缺陷，能夠在現實的三維空間中對城市中的各個部分和細節進行精準的刻畫，促進城市的數字化、信息化和智能化發展。三維GIS是智慧城市建設的重要支撐性技術，在未來的智慧城市應用中，三維GIS將借助計算機技術、人工智能技術、大數據與云計算技術實現城市立體信息的高性能、高效率、智能化、實時性分析與可視化，為智慧城市的運營管理提供輔助決策支持[10]。

三維GIS不僅能夠融入城市的發展，還能夠與各個行業領域相結合。在城市建設中，三維GIS能夠憑借其對三維空間的模擬能力來為建設工作作技術支持。王乾坤等[11]研究者在2016年利用三維GIS在地鐵車站進行了官網的設計應用研究，其所融合的三維GIS技術在地鐵綜合官網的設計中凸顯出了節省項目建設成本的優勢，能夠為其他相關項目的應用提供決策支持。同樣，甄紅鋒等[12]研究者在2016年針對目前地鐵施工信息管理的可視化程度不高，二維、三維GIS地理信息可視化交替運作等問題，構建了一套三維GIS地理信息的可視化的地鐵施工監測信息管理系統，大幅度地提高了地鐵施工過程中的可視化效果以及信息化施工的技術水平。康義鋒[13]在2017年考慮到道路施工完畢后，針對工程鑒定信息化的問題，將三維GIS技術應用到工程鑒定中，增強了道路工程鑒定的信息化手段。陳曉[14]在2017年利用三維GIS和傳統的測繪數據，將地下電力光網基礎數據進行采集，對地下電力管線管理系統進行了開發，實現各種專題圖的繪制以及數據的錄入安全。婁書榮等[15]研究者在2018年為了提高城市地下空間的綜合規劃合理性，研究了一個基于三維GIS的地下空間輔助規劃方法，并提出了地下空間規劃的輔助支持框架，同時根據實際應用的需要，開發了一些規劃分析功能，為城市的地下空間規劃制定了一套可靠的、集成化的決策支持系統。可見，三維GIS已經在城市建設中有了很多的應用，為城市中的建設工作做出了巨大的貢獻。此外，三維GIS還在為很多工程中的規劃與管理方面作出了技術支持。張獻民等[16]研究者在2016年研究了機場凈空的評價管理、機場道面評價管理以及飛行區地下管線管理3個子系統所組成的飛行區運行數字化管理系統，并將該系統與三維GIS相結合，基于機場地理信息數據構建了一個機場可視化管理模型，使得機場的管理工作更數字化、智能化，為機場的高效運行提供了保障。三維GIS最初的數據獲取方式是人工測圖的方式，隨著其不斷的應用與推廣，目前三維GIS的數據采集方式已經有數字攝影測量、機載三維成像儀、車載移動測圖等方式。這不僅僅為三維GIS提供了發展新思路，而且也為三維GIS應用于更多的領域奠定了基礎，形成了良性的循環。

3 三維GIS未來展望

隨著智慧城市、數字城市的發展，三維GIS已經廣泛應用到了眾多行業和領域。然而，我國的三維GIS相較于國外發展起步較晚且存在著各領域發展技術不均勻的問題。三維GIS目前所融入的應用還只是與虛擬現實技術相關的一些領域，若要融入更多的領域還需要對三維GIS技術進一步發展。三維GIS的數據管理技術主要有文件方式、混合管理方式、數據庫方式等，而文件管理和混合管理方式都需要文件系統對所有的數據提供管理，但是文件管理系統按本質上來講并不適用于空間數據的管理要求的，這主要是因為早期發展時技術相對落后，我們必須以這樣的方式來管理數據。當前，技術已經得到了空前的發展，三維GIS逐漸采取數據庫的管理方式，而如何在未來對于復雜的空間表達信息進行高效管理以及與新興技術結合，還需要進一步的研究。目前，三維GIS開發新的空間信息分析方法是該領域的一個瓶頸，在未來還需要與多領域相結合，例如基于圖形、基于化學模型等方式結合。同時，三維數據的獲取和海量數據的自動化處理還需要進一步提升，且實現海量數據的存儲、動態空間信息的可視化以及其配套的空間信息分析功能的技術還有待突破。