三维GIS在国内外现状分析研究

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(1.西北测绘职工培训中心， 陕西 西安 710054； 2.杨凌职业技术学院， 陕西 杨凌 712100； 3.国家测绘地理信息局第一大地测量队， 陕西 西安 710054)

0 引 言

地理信息系统(Geographic Information System，简称GIS)起源于20世纪60年代，它是用于地理空间数据的采集、模拟、处理、检索、分析和表达的计算机信息系统。是对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。传统的二维地理信息系统是通过二维的方式来表达三维实物, 因此大量多维空间信息常常无法得到使用，这就使得常规二维地理信息系统表达方式存在很大的束缚和局限性。而三维地理信息系统是通过空间对象之间的垂直、水平和空间关系来表达三维信息，是将采集及经运算分析后数据集中的表现和展示，因此三维地理信息系统更能表现出客观实际，从而给用户提供了一个更直观易用的实景可视化环境。为客户带来更多崭新的功能和应用模式，尤其是面向管理与决策的高级应用。

1 三维GIS在国内外的研究历史

1.1 三维GIS在国外的研究状况

三维GIS是一门交叉科学，是 GIS 的主要发展方向之一。它涉及地理信息系统(GIS)、数据库(Database)、计算机图形学(Computer Graphics)、虚拟现实技术(Virtual Reality)等多门学科领域，它的发展与研究常常以软件开发与原理两个方面来分类。一般认为三维GIS的发展经历了从原型系统的探索到真正的三维GIS的建立两大阶段。最早的三维原型系统诞生于西方，它是由加拿大新布朗斯维克大学于 1987 年研究开发而来，主要应用于矿产资源的开采与评估，同时该系统具有简单的分析处理能力。1989年，伦敦 Inpeail 学院的Bak和Mill开发了三维GIS，在数据的空间分析上获得了较大的突破。英国 RaPer教授于1989年整理收集了地理信息系统国际学术会议中有关三维GIS方面的文章，并且汇集了之前三维GIS研究结论和成果。积极号召召开了第一个国际三维GIS专题会议，为以后三维GIS的研究与发展指明了方向。日本京都大学建立的“Digital City Tokyo”是第一个真正的三维GIS，它是一个集测量分析、集虚拟城市漫游、属性信息查询为一体的数字京都。法国于2007 年对公众开放了虚拟三维地球平台“Geospatial”，这个三维虚拟地球平台基于 Skylme Globe 的基础上开发的，并且覆盖法国全国范围的高分辨率卫星影像。

1.2 三维 GIS在国内的研究状况

在国内，从理论研究到应用技术的研究，仅用了短短十几年，三维GIS 的应用研究获得了长足的进展。国内的专家学者在三维空间数据的获取、建模及行业应用方面，提出了一些有效的方法和技术手段，并已投入到生产实践中。于此同时，三维空间技术的研究呈现良好的发展态势。在跨领域、跨学科合作研究和攻克技术难题，空间信息技术取得了很大的进步，推出了一系列优秀的三维GIS 软件平台。虽然这些软件平台起步晚，数据的分析处理能力、产品的功能、框架结构等方面还不够完善，和国外软件相比仍然存在一定的差距，但是，国产软件是基于客户的实际需求上研发的，解决方案更适合国内客户的使用，再者，在数据安全和保密方面，国产软件更加适合政府部门和国企单位的使用，在软件开发和使用上，能更方便地提供技术支持和服务。此外，很好地性价比也是国产软件的优势之一。然而，由于种种原因，国内在三维GIS方面的研究时间不长，研究和应用水平与国外相比差距较大，大部分是基于三维可视化的研究，开发的软件平台也只具有简单的GIS数据分析功能，不具有真正的GIS分析功能，对于真正的三维地理信息系统，目前还处于研究阶段。

2 三维GIS软件在国内外的发展

2.1 国外主要的三维GIS软件

2.1.1 Google Earth简介 Google Earth是一款Google公司开发的虚拟地球仪软件，它把卫星影像、航空照片和GIS布置在一个地球的三维模型上。Google Earth于2005年向全球推出，用户们可以通过一个下载到自己电脑上的客户端软件，免费浏览全球各地的高清晰度卫星图片。

遥感卫星影像与商业航片的数据整合是Google Earth的数据的主要来源。其卫星影像部分来自于美国DigitalGlobe公司的QuickBird(快鸟)商业卫星与美国的EarthSat公司(影像来源于陆地卫星LANDSAT-7卫星居多)，航拍部分的来源有英国的BlueSky公司以航拍、GIS/GPS相关业务为主)、美国的Sanborn公司(以GIS、地理数据、空中勘测等业务为主)、美国IKONOS及法国SPOT5。其中SPOT5可以提供解析度为2.5米的影像,IKONOS可提供1米左右的影像，而快鸟就能够提供最高为0.61米的高精度影像。

Google Earth 6针对桌面推出了三种不同的版本：Google 地球、Google 地球专业版和 Google 地球企业版。用户可以在任何地方，查看卫星图像、3D建筑、3D树木、地形、街景视图、行星等。

2.1.2 World Wind简介 World Wind 俗称地球放大镜，是美国国家航空和宇宙航行局NASA Research开发的一个开放式的三维GIS软件平台，它是一个可视化地球仪，将NASA、USGS以及其它WMS服务商提供的图像通过一个三维的地球模型展现，同时也包含了月球和火星的展现。用户可在所观察的行星上随意地旋转、放大、缩小，同时可以看到地名和行政区划。

World Wind的数据是通过Landsat 7、SRTM、GLOBE、SetMODIS、Landmark等多颗卫星数据，将Landsat卫星的影像和航天飞机雷达遥感数据结合在一起。具有能够自动更新卫星数据的能力，因此在全世界范围内可以跟踪气候的变化、火灾及近期发生的事件。

World Wind是一个无偿使用的软件，在使用上没有用户限制，用户可以针对实际需要去修改软件本身。目前，全球许多主流的三维软件和国内部分的三维GIS软件都是在World Wind软件的基础上发展而来。

另外，美国微软公司的Virtual Earth、美国环境系统研究所公司ESRI的 ArcGIS Explorer、美国Skyline公司：Skyline Globe、美国Multigen-Paradigm公司的MultiGen Creator等也是有名的三维GIS产品。

2.2 国内主要的三维GIS软件

在借鉴国外先进三维GIS软件经验的基础上，结合国内三维GIS的理论研究，我国先后开发出了一些性价比高、适合国内用户的软件产品。

2.2.1 EV-Globe简介 EV-Globe是由北京国遥新天地信息技术有限公司开发出的具有自主知识产权的新兴的三维空间信息平台。具有强大的三维GIS功能，可以在其上用开发工具(.NET、JAVA、C++等)构建各类三维GIS应用，是空间信息软件技术的核心 。在国内首次实现了地上、地表、地下、水下信息一体化集成表达，率先解决了三维CAD设计成果与三维空间信息平台无缝集成、二三维一体化等三维GIS技术难题，是一款先进的三维GIS平台，在诸多三维GIS应用领域中成功代替了国外同类产品。 EV-Globe已经成为国产三维GIS平台的领军品牌，广泛应用于航空航天、国防、国土、测绘、海洋、石油、电力、市政等多个行业。

2.2.2 City Maker简介 CityMaker是由清华城市规划设计研究院数字城市研究所和北京伟景行数字城市科技有限公司联合开发的一个三维可视化平台，在国内率先推出应用于城市管理的三维GIS软件。它的使用者主要是建筑和规划领域的设计人员，通过在设计过程中融入虚拟可视化技术，使设计人员可以在虚拟的三维环境下进行城市的设计和分析等一系列活动，为规划设计和规划管理提供全方位服务。

另外武汉大学吉奥信息技术有限公司的GeoGlobe、中地数码集团的MapGIS IGSS 3D、北京灵图软件有限公司的 VR Map、适普软件有限公司的 IMAGIS、北京超图公司的 Super map等均为优秀的三维GIS 平台。

3 主要三维GIS软件平台在功能上的比较

面对众多的三维软件平台，有各自的优势，在各个功能模块的实现效果上也不尽相同，表1从软件的背景、二次开发的能力、三维效果的展示等功能实现方面进行了比较。

表1 三维GIS软件功能比较表

续表1

4 结 语

随着近年来测绘技术、计算机与网络技术的飞速发展，三维GIS已突破原有技术瓶颈，凭借其空间信息的展示更为直观、多维度空间分析功能更加强大的优势，将实现跨业务、跨终端，极大的提升对地理信息的共享和利用效率，从而提升部门、机构的竞争力。它的大力研究和加速发展现已成为国际GIS应用的热点，代表着未来GIS的一个重要发展方向。

参考文献：

[1] 宋世凯.基于Skyline的城市三维地理信息系统的设计与研究[D].河北：河北师范大学，2012.

[2] 卢海滨，郑文锋,等.NASA World Wind JavaSDK数字地球客户端开发[J].测绘科学，2009，(3).

[3] 陶 琼，朱大明.三维GIS的基本理论探讨[J].科技信息，2008,(23).