地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是一种特定的、十分重要的空间信息系统，它是在计算机硬、软件系统支持下，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、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。三维是将采集以及经运算分析后对数据的表现、展示，三维数据相对二维数据更能表现出客观实际。随着GIS应用的深入，人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。

由于二维GIS数据模型与数据结构理论和技术的成熟，图形学理论、数据库理论技术及其他相关计算机技术的进一步发展，加上应用需求的强烈推动，三维GIS的大力研究和加速发展现已成为可能。本章作为全书的一个引子，将从三维GIS发展现状、趋势等方面，对三维GIS进行阐述，带您一起体验三维GIS功能的强大和应用领域的广泛。

目的要求

本章是三维GIS的概要，从整体上介绍了三维GIS的基本内容。读者可以通过对本章的学习，初步了解三维GIS的概念和基本知识，并基于对三维GIS的总体了解，从宏观上把握三维GIS平台的各种技术，为深入学习奠定基础。

主要内容

本章首先介绍三维GIS平台技术现状，在此基础上对三维平台体系架构和功能层次结构进行学习，最后对三维GIS平台应用及发展趋势进行介绍，层次深入，引导读者深入理解。

重点难点

本章的重点是掌握三维GIS平台体系架构和功能层次结构，了解三维GIS平台应用现状，并在此基础上把握三维GIS技术发展趋势。对三维GIS平台技术现状的理解及掌握将是本章学习的一个难点。

1.1 概述

21世纪以来，地理信息技术以其强大的存储、处理、分析与展现空间和非空间数据的优势，正以空前的速度强有力地改变着我们的生产和生活方式。然而，现有的绝大多数GIS软件都使用二维模型近似性描述三维空间信息，使得众多行业领域中许多实际问题得不到很好的解决，难以满足社会及经济发展对GIS提出的要求。因此，要适应现代的科学管理就迫切的需要发展三维GIS，这是目前GIS软件发展的主要趋势之一，已引起GIS学术界广泛的关注并成为具有国际前沿性质的研究焦点。

三维GIS是能够对真三维空间内的空间对象进行三维描述和分析的GIS系统，它可以描述地上的大气环境、构筑物、建筑物、地表高程以及地下地质环境等涵盖地上、地表与地下全方位的三维空间信息，提供全方位三维空间信息分析和服务，已经广泛应用到气象、景观、地质建模等多个领域。

在气象应用方面，针对气象站点分布广泛、信息种类繁多等特点，已实现了基于三维技术的全国气象综合GIS平台，为用户提供更及时、更快捷、更准确的气象信息服务。基于地理信息系统实现综合查询并发布高质量的信息加工分析产品对于指导气象部门进行气象决策。在地上景观建模方面，国内外众多学者对三维城市和城市模型进行了实践研究。2010年10月，国家住房和城乡建设部正式发布《城市三维建模技术规范》国家行业标准，完善了城市三维建模的标准。截至2010年年底，全国已有100多个城市相继开展或完成了城市三维的建设工作，并取得了初步较好的社会和经济效果，极大地提高了城市的综合信息管理水平。在地形建模方面，随着遥感和数字摄影测量技术的发展，使用由航空航天摄影测量所获取的地形数据，结合真三维建模技术来创建高度细节层次的三维地形模型已经得到普遍应用，成为未来地形可视化领域主要的地形建模方法。在地质三维建模方面，从20世纪90年代初期开始，三维地质建模便受到地球科学专家和学者的重视，并逐渐成为矿山地质、水文地质、油气勘探、岩土工程等各领域的研究热点。

然而，目前的三维GIS平台大多数只停留在可视化方面，能够提供三维空间分析的商业化三维GIS平台屈指可数，而且这些平台一般只针对地上环境、地表景观、地下地质环境中某些单方面进行管理或模拟，尚未出现真正将空中、地上、地表及地下整个真三维空间相结合，进行综合管理、可视化及分析的三维GIS平台。针对三维GIS系统的研究仍不能很好地解决三维地理信息系统面向地上、地表及地下综合应用的需要，特别是在统一的时空框架下对地上、地表及地下的三维空间信息进行整体的描述、可视化表达、管理、分析与应用等方面需要进行更深入的研究。

以GIS的角度对真三维空间信息进行管理、建模、可视化与分析的三维GIS平台能够提升我国三维GIS的相关技术水平和核心竞争力，解决三维GIS应用系统开发困难、门槛高的尴尬，实现快速的应用、灵活的搭建，使得用户能够参与构建三维GIS系统成为可能，加快三维技术应用的普及速度，提高我国三维信息管理的技术水平与应用能力，为城市规划、国土资源管理、地质勘查、城市应急响应等各行业的应用提供及时、可靠的数据支撑，有效提升各行业的信息化共享能力，为社会的信息化、智能化和政府决策提供技术支撑。

1.2 三维GIS平台技术现状

当前，与三维GIS相关的系统主要分为以地上目标建模与可视化为主的3D CMS和以地下目标建模与可视化为主的3D GMS两大类。国际上，比较著名的城市模型系统有：提供全球的地貌影像和3D数据的Google Earth软件、拥有国际领先三维数字化显示技术Skyline三维GIS软件、支持从2D到2.5D矢量数据快速转换的ESRI的ArcView 3D Analyst、支持多细节层次3D建模的GEONOVA的DILAS、基于Oracle对象关系数据库的数据管理与存储、基于XML的处理规则和基于WEB网络的地学信息服务，以及其他诸如ArcGlobe、Intergarph公司的GeoMedia Terrain模块等。国内典型三维GIS软件有适普软件有限公司的“三维可视化地理信息系统IMAGIS”、吉奥信息工程技术有限公司的“数码城市地理信息系统CCGIS”、灵图软件技术有限公司的“三维地理信息系统平台VRMap”等。

在三维地质建模方面也有许多专业软件，国际上比较有影响的有Skua、EarthCube、Gemcom、Mincom、MineMap、Vulcan、3D Move、EarthVision、Micromine、AVS/Express、LYNX 、CTech、Geosec、GeoViz等。我国的三维地质建模软件系统主要有南京大学与胜利油田合作开发的SLGRAPH系统、中国地质大学（武汉）资源学院的GeoView系统、北京理正软件设计研究院的“理正地理信息系统”、北京东方泰坦公司与广东省地质调查院合作开发TITAN T3M建模系统、中地数码科技有限公司的MapGIS-TDE。

1.2.1 平台体系架构

随着计算机技术的发展与革新，GIS技术已经相当成熟，商业化GIS平台产品已成为当今发展最快的软件产业之一。从目前国内众多地理信息系统使用的GIS软件的应用情况来看，使用国外进口软件，以ArcGIS、MapInfo居多。但随着国内GIS行业的发展，国内MapGIS、SuperMap、GeoStar等也逐渐替代国外GIS软件，成为国内主流GIS行业软件。系统平台的选择除了需要考虑其伸缩性，还应满足系统“无缝”集成性以及系统的安全性。现有的基于GIS的平台架构主要有单机版和基于网络的客户端/服务器（C/S）、客户端/服务器（B/S）、SOA、网格、云等平台体系架构。这里我们主要调查比较了目前国内外GIS平台中五种比较常用的平台体系架构：C/S、B/S、SOA、网格、云等体系架构。

1.C/S、B/S体系架构

平台体系结构从过去单用户发展到今天的文件/服务器（F/S）体系和领导主流的C/S体系及B/S体系。C/S体系结构可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到客户端和服务器端来实现，降低系统的通信开销。C/S架构软件应用服务器运行数据负荷较轻、数据的存储管理功能较为透明等优势特点，但其维护成本高昂且投资大。另外，C/S体系结构的平台软件需要针对不同的操作系统开发不同版本的软件，加之产品更新换代快，难以适应百台电脑以上局域网用户同时使用。

B/S体系结构是对C/S结构的一种改进结构，主要利用不断成熟的WWW浏览器技术，结合浏览器的多种Script语言和ActiveX技术，用通用浏览器实现原来需要复杂的专用软件才能实现的强大功能，是一种全新的软件系统构造技术。在网络拓扑结构上，B/S采用星形建立企业内部通信网络或利用Internet虚拟专网（VPN）。B/S架构分布性广，灵活方便，用户工作界面通过万维网浏览器来实现，极少部分的事务逻辑在前端（Browser）实现，主要事务逻辑在服务器端（Server）实现，形成所谓三层3-tier结构，简化客户端计算机载荷，减轻系统维护与升级的成本和工作量，降低用户总体成本（TCO）。

总体说来，C/S的特点是安全、快捷、准确，B/S的特点是节省投资、跨地域广。

2.SOA体系架构

B/S架构是相对于C/S的登录方式的不同而命名，所有的数据存储、计算、格式化及页面代码的生产都依赖于Web服务器，但其缺点是数据处理同步方式带来时间冗余，页面动态更新、响应速度慢，难以实现个性化需求，无状态方式带来的会话控制成本等，SOA体系架构可以解决C/S和B/S体系架构中一些不足之处。SOA本身是一种面向企业级服务的体系架构，是一种进行系统开发的新的体系架构，被誉为下一代Web服务的基础架构。

SOA是在计算环境下设计、开发、应用、管理分散的逻辑（服务）单元的一种规范。在基于SOA架构的系统中，围绕服务的所有模式都是基于标准的技术实现的，具体应用程序的功能是由一些松耦合且具有统一接口定义方式的组件（即Service）组合构建起来的，其优势是可以将系统和应用迅速转换为服务，不仅覆盖来自于打包应用、定制应用和遗留系统中信息，还覆盖来自于安全、内容管理、搜索等IT架构中的功能和数据。基于SOA的应用能更快地应对市场变化，促使企业业务部门设计开发出新的功能应用。基于SOA架构的系统一定是从企业的具体需求开始构建的，SOA和其他企业架构的不同之处在于SOA提供的业务灵活性，即能对业务变更进行快速和有效的响应，具有利用业务变更来得到竞争优势的能力。

3.网格体系架构

Web体系架构侧重于利用现有网络来实现数据共享，强调利用网络实现GIS的互联操作，但是，Web体系架构基于RMI、CORBA、DCOM等中间件平台，要求服务客户端与系统提供的服务本身之间进行紧密耦合，无法实现跨平台的数据访问，以及面对计算密集型或者数据密集型的GIS应用，会存在一些问题。另外，Web服务没有状态保持机制，无法辨别。然而网格GIS体系架构可以解决Web服务技术中存在的不足。网格应用普遍存在的有状态服务、异步状态通知难题，现有的Web服务技术没有提供一种标准方式加以解决。

网格GIS即“Grid GIS=GIS+Grid+Internet+Middleware”，在继承现有Web服务核心标准的基础上，建立一个符合一套约定和接口显状态的Web服务，这些约定和接口提供了对显状态服务的一种可控的、抗错的和安全的管理，通过共享资源、协作及并行计算，网格技术可以集成计算能力，提供有效集群和负载均衡，支持多用户空间操作的协调，解决GIS服务中的诸多问题。网格体系架构可以分为三个层次：数据资源层、网络服务层和应用层。网格技术在GIS服务中的应用研究，以提供一体化、智能化GIS服务为目标，力图借助网格基础建设，结合OGC互操作规范，改变传统GIS服务的单一化形式和应用模式，增强计算、协作、迁移和集成的能力。

4.云计算体系架构

尽管网格被认为是下一代的Internet，但是其多约束性在应用面向对象思想进行实现时，容易因为公共业务逻辑而产生大量的代码交织和分散，进一步造成可跟踪性差、代码重用性差、代码质量差、难以维护等问题，从而加剧了模块间耦合度，给网格应用的开发和后期维护带来诸多不便。云计算体系架构在这些方面显示出了优势，云架构主要针对基础设施进行整合成一个大的服务器和服务器应用平台，实现各硬件间的负载均衡，充分利用计算、存储资源，支持快速度的应用开发。

经典的云计算架构包括IaaS、PaaS、SaaS三层服务。云平台的云计算架构分为硬件层、虚拟层、软件平台层、能力层、应用平台层及软件服务层，每个层次之间都是松耦合关系，在一个具体的应用中，并非应用到每个层次的服务，而是根据具体的应用环境搭建相应的云计算架构。基于云架构的GIS平台体系优势有：一个/最零前期基础设施投资、准时制的基础设施、更高效的资源利用、基于成本、潜在缩水的处理时间等。云架构体系可以提供标准化的软件服务，提供7×24小时全天候企业操作平台，各个业务流程相互操作，各协作企业协同工作。云服务是一个独立的商业服务，并非一个独立的IT系统，是一个灵活的软件服务，企业可以根据自身的需求自由组合自己的业务系统，实现方便快捷的访问，自由办公。此外，云架构可以分发和协调大规模工作在不同机器上运行流畅，可基于动态工作负载向上和向下扩展等优势特点。

1.2.2 功能层次结构

三维GIS平台搭建大致可分为基础平台层、功能层及应用服务层。基础平台层在底层硬件系统、操作系统、数据库系统等支撑环境下构建了基于三维GIS的框架体系，功能层提供了一系列功能强大、交互性好、计算准确的三维GIS分析功能，应用服务层提供面向各专业领域的应用服务，功能层是三维GIS平台的核心，已有众多学者针对三维GIS平台应具有的功能进行了描述。

Rhind基于二维GIS的发展状况提出了三维GIS可能包括的10项功能：

● 数据采集和检验有效性；

● 数据结构化和转化为新的结构，包括创建拓扑关系和从一种拓扑关系转化为另一种拓扑关系）；

● 各种变化，如平移、旋转、比例、剪切（shear）；

● 选择；

● 布尔操作，如交、并差、或；

● 切割断面、开隧道（tunneling）、建筑（building）；

● 计算，如体积、表面积、中心、距离、方向；

● 分析；

● 可视化；

● 系统管理。

Kelk为三维地学模拟提出过14项功能：

● 从其他系统中引进数据和部分分析功能；

● 保存和操作真三维坐标数据；

● 无原始坐标信息损失地变化方向；

● 保存和显示地理对象内部组分的信息；

● 能够方便地进行交互式修改，可针对地理对象及其数据库；

● 允许满足不同数据模型要求的模型重建；

● 将断层等特征作为事件考虑，允许它们影响地学对象；

● 处理大的比例尺差异；

● 处理内部流体运动和其他时间方面的事件；

● 和其他定量公式交互；

● 允许局部细节和更广的软中心（soft-focus）图片显示；

● 视觉上使用户满意；

● 分析各种建模趋势、模式及与其他GIS模块的联系；

● 在主要的数据库中存贮模型和导出报表。

Breunig从空间信息集成的角度为三维GIS的发展提出了三项必备的功能：

● 复杂地学对象的管理和处理；

● 能够对由各种空间对象表达形式表示的地学复杂对象进行有效的空间存取；

● 能够对各种空间对象进行有效的空间操作。

Alexander和Sigrid在城市三维GIS的设计者中提到了三维城市GIS应该具备的另两项功能：

● 应能受益于现代数据获取方法的进步；

● 三维城市GIS应面向未来的技术。

三维GIS也必须解决一些传统问题，如不确定性、误差定位和消除、处理数据模型的不连续、处理时态数据、处理在不同数据结构中的不同类型和不同比例尺数据等，众多学者对三维GIS平台所需功能进行了一系列的定义。

综合上述观点，结合应用系统开发经验和具体用户的需求，三维GIS与二维GIS相比，对空间对象进行三维空间分析和操作是其特有的功能。目前，许多学者对三维GIS应具有的功能作了阐述。在此基础上，结合GIS基本功能，对三维GIS应具有的功能进行了总结，三维GIS除应具有二维GIS的基本功能之外，还应包括以下功能。

（1）2.5 维信息处理分析功能：已有数据中有大量2.5 维信息数据，这些数据对于简单的三维可视化、分析仍具有重要价值，因此三维GIS应具有处理分析这类信息的功能。

（2）三维数据获取：包括两方面内容，一是利用遥感、测绘等技术直接获取三维数据；二是利用数据交换接口，从其他数据库将不同格式的数据转入到本数据库中。总体来说三维GIS应具有灵活的数据交换接口，能容纳多源数据，使更多的数据能够被利用。

（3）三维数据存储、管理：三维空间数据库是三维GIS的核心，存储庞大的三维空间数据，需要高效适宜的数据库管理技术，实现快速连接、检索、提取等。此外，还应支持对三维数据的本地存储和网络存储。

（4）三维数据编辑、可视化操作：主要实现数据的编辑及图形数据的删除、修改等操作。可视化主要包括对三维空间对象的平移、旋转、缩放、切割生成剖面图等功能。

（5）三维建模：三维空间是复杂的，基于三维的应用也有着巨大差异，地质、环境、数字城市等不同的领域需要不同的三维模型，对三维GIS功能的需求也不一样。因此三维GIS应针对不同应用领域，提供系列三维建模功能，如地表景观建模、城市三维建模、三维地质建模等。

（6）三维空间分析：它是三维GIS独有的能力，是直接在三维空间中进行操作与分析，空间分析应该是面向用户的，通过空间分析解决用户特定的问题，为决策者提供决策支持。三维空间分析除了包括二维GIS的分析功能外，还应包括针对三维空间对象的特殊分析功能。具体可分为以下几类：

● 查询，包括几何参数查询、空间定位、关系查询等；

● 空间量测；

● 叠置分析；

● 缓冲区分析，如点、线、面、体缓冲分析；

● 网络分析：包括最短路径、资源分配、连通分析等；

● 地形分析；

● 剖面分析；

● 空间统计分析。

（7）多维转换：是指将传统一维、二维对象转入到三维GIS中，区分出一维、二维对象在垂直方向上的变化，以及将时间维融入实现静态的三维的动态化，另外出于实际需要将三维对象用传统二维方式进行表达处理等。

（8）数据输出、共享：将系统的三维数据以不同的格式输出到其他系统中去，实现数据多次利用，或者利用设备输出二维、三维空间视图等；由于网络的高度发展，还要考虑通过网络实现三维功能共享。

1.3 三维GIS平台应用及发展趋势

1.3.1 应用现状

三维GIS平台已经广泛应用于天气预报、数字城市建模、地形建模和地质建模等众多领域，按照由上至下的高度层次可划分为空中、地上、地表、地下四个方面的应用：

1.三维GIS在空中的应用

GIS作为一门重要的信息技术，已经在如天气预报应用、气候区划应用、地质灾害气象预报、台风信息分析、综合气象服务系统等气象业务方面，并表现出了良好的应用前景。

1）天气预报应用

GIS在数值天气预报（NWP）业务中开始发挥越来越多的作用。首先，可以将单点实时观测数据进行网格化，并根据不同的应用需求，建立不同的模式方程；同时，在方程中将地理数据、气象数据等数据源作为自变量进行空间分析与计算，从而得出不同的预报要素，最后，通过GIS的加工、处理及显示功能，制作出数字化的多媒体天气预报图件或图表。利用GIS技术的绘制、分析、可视化能力，还可以进一步帮助气象专家解释天气数据与天气形势，得出更加准确的天气预报。

2）气候区划应用

以第三次全国农业气候区域划分为契机，GIS技术在农业气候区划领域得到较好的应用。农业气候区划的基本流程是首先确定区划对象、确定区划指标，然后建立区划模型，进行气候资源小网格推算，最后进行分析制图。在整个流程中，GIS可以管理空间上离散点（如气象监测站）的基本气候资料，包括热量条件、水分条件、光照条件、辐射条件等，可以管理基本地理资料，包括各站点的地理位置、地区的区界以及高程、坡度、坡向等数据；GIS可以提供多种方式的从离散点到格点的插值方法；GIS还提供了多种方式的制图输出能力来丰富气候区划产品。

3）地质灾害气象预报应用

目前GIS技术的地质灾害气象预报已经形成了较为成熟的方法。一般在地质灾害调查区划成果基础上，利用GIS生成地质灾害易发程度区划图，完成区域内地质灾害易发分区；将影响灾害的地质环境条件和气象条件在GIS中叠加分析，判定诱发地质灾害的气象条件（如日暴雨、暴雨型和前期累积降雨型）；应用气象灾害数据统计分析，结合依法分区条件构造简明实用的预警指标以及预警标准综合判别方法。2006年，国家气象中心与成都山地所进行的合作开发，以滑坡和泥石流发育的环境背景基础数据库和典型灾害数据库为背景，以滑坡和泥石流形成条件分析为基础，分析建立了滑坡和泥石流区域预报模型，并以GIS技术和数值天气预报为手段，研究建立了滑坡和泥石流区域短期预报应用系统，并进行了业务化运行，取得了良好的社会服务效益。

4）台风预报分析应用

中国气象局上海台风研究所作为我国从事热带气旋基础研究和应用基础研究的重要科研部门，也非常重视GIS技术。他们与华东师范大学合作开发建立了基于GIS技术的西北太平洋热带气旋信息系统，充分利用GIS的空间分析能力，实现了关键台风区路径查询、相似路径查询、热带气旋影响分析（大风及降雨）和源地分析等功能；结合遥感和GIS技术，还初步建立了能集成多种数据资料和多种算法的热带气旋客观定位系统，并采用数学形态学等算法来综合提高热带气旋定位的客观化和自动化程度。另外在公共服务方面，上海市防汛信息中心建立了1921—1998年对上海有重要影响的台风及1998年以来历史台风数据库，并采用网络GIS作为台风信息共享平台，完成了台风路径自动生成和动态告警、网上距离量算、风圈半径影响分析、相关信息综合查询、相似路径智能查找等功能。系统操作简单方便，显示直观形象，为气象信息发布、水情预报和防汛指挥决策提供了有效的科学依据。

2.三维GIS在地上的应用

随着计算机技术和信息技术的飞速发展，城市信息化的程度越来越高，信息技术正全方位地渗入城市规划领域中，而“数字地球”（Digital Earth）、“数字城市”（Digital City）概念的提出和相关技术的逐步完善，也使得城市规划设计的技术手段越来越丰富，运用“数字城市”相关技术来进行城市规划设计将是规划行业发展的必然趋势。

3D-GIS的研究、建立与应用是目前GIS学科的热点之一，在自然资源管理、城市规划、作战模拟演练等应用领域显示出重要的价值和巨大的潜力。三维数据模型和三维城市规划模型就是这样一个基于GIS和虚拟现实技术基础上的平台，利用在计算机中所建立的模型、场景和数据来实时地再现现实世界中的任何物体，在计算机的虚拟世界里就能直观地体会到现实世界中的各种感觉。三维地形模型的建立是数字城市建设系统中一个强大的工具平台和数字城市建设课题中一个有效的手段。这无疑对城市规划设计水平的提高、城市景观恢复和研究等，都有着非常重要的意义和应用价值。三维城市规划可以建立一个三维的、动态的、可视化的景观来形象、生动和真实地表现城市的自然和人文现象，进行三维空间分析，更好地帮助城市规划、建设和管理。GIS在城市规划中应用是一次大的革新和尝试，会大大提高城市规划的效率和统计分析功能，能够更直观、更准确地表达规划区域的状况和城市规划理念，为区域的发展提供更有力、高效的支持。

3.三维GIS在地形的应用

在经济建设和日常生活活动所涉及的信息中，有75%～80%的数据是地理空间数据，而地形数据又占了地理空间数据中的大部分。地形是指地球表面的起伏形态，是地貌和地物的总称。地貌是地球表面的自然状态，如山地、平原、丘陵、盆地等；地物是指分布于地表之上的人工或自然物体，如建筑物、江河、森林等。随着GIS应用范围的扩大，GIS本身所特有的空间信息查询、图层叠加等简单的空间分析功能已经不能满足各类实际应用的需要。GIS的许多应用领域，如各类工程建设、水电站选址、交通枢纽选址、通信中转站选址、气候分析、水文分析、土壤地理分析、地貌分析、旅游线路选择、区域治理开发等，对GIS的地形分析功能提出了越来越高的要求。因此，GIS的地形分析功能在GIS中的作用也越来越重要。但大多数GIS平台仅具有地形分析中非常有限的功能，有的甚至没有，而且地形的表现形式也不直观，很难满足各种应用的实际需要。GIS中的二维数据在地形分析方面显得无能为力，三维GIS平台，为地形分析提供了有力手段。将地形分析作为一个应用型GIS系统建立的工作重点，并在DEM基础上，实现了此系统丰富、实用而又精确的地形分析功能，可以满足许多应用领域的需求。

4.三维GIS在地下的应用

随着科学计算可视化技术和地质信息计算机模拟技术的发展，三维地质建模在20世纪90年代初期开始为人类所重视，并逐渐成为数学地质、石油勘探、岩土工程、GIS和科学计算可视化领域的研究与应用热点。

三维地质建模的核心任务是构建三维地质模型，其应用也主要体现在地下三维模型的构建和应用分析上。应用事例主要有：武汉中地数码科技有限公司开发的相关软件应用于城市地质信息管理、工程勘察中；中国矿业大学吴立新等基于LYNX进行了“三维地质模拟体视化技术在煤矿中的应用研究”，中国地质科学院区划室陈郑辉、肖克炎等基于Vulcan软件系统对阿舍勒铜锌矿床进行三维立体模型的研究；日本海洋科学与技术中心（JAMSTEC）利用国际数据库系统建立日本深海沟、岛弧壳和洋壳三维结构模型，以便为地震预报提供依据；De Kemp以太古代科帕蒂纳组阿比提比绿岩带为例，建立了构造场数据三维可视化模型；De Paor研究了复杂地质构造的可视化；Moore等利用微构造切片技术研究石榴石晶体中一系列弯曲的非圆柱状表面及叠加褶皱的三维可视化。

三维地质建模技术起源石油勘探、矿山开采等行业的实际应用需求，随着人类对地质信息进行真3D分析的需求增加，它逐渐在城市地质、岩土工程、地质灾害防治、水利水电工程、地下水模拟等众多领域进行了拓展。

1）固体矿产勘探与开发

固体矿产的地质勘探是一个长时间的研究和生产过程，涵盖了地球物理、地球化学、成矿预测等诸多领域，一般要经过成矿研究、地质普查、详细勘探等过程，三维地质建模及可视化技术可应用于整个过程，尤其是可延伸到矿山开发、管理等阶段。在成矿分析、地质普查阶段，可基于三维可视化技术构建成矿预测分析评价平台，在三维空间中分析各种资料及其异常特征，对这些资料进行叠加运算、缓冲区分析等，寻找其与成矿的关系，建立成矿模型，更好地进行预测。在详细勘探阶段，利用三维地质建模技术可以优化钻孔布置，减少勘探成本，还可根据已有的钻孔数据库进行地质预测，圈定矿体，进行储量计算，提交高级别的储量。在固体矿产的经济评价阶段，利用三维地质建模与可视化技术能够根据市场变化方便地进行矿山经济评价。在采矿设计和矿山的生产管理过程中，利用三维地质建模与可视化技术能够大大提高设计和管理的精度。因此，三维地质建模及可视化技术是“数字矿山”工程的核心技术，开发基于三维区域矿山地质的集矿产地质建模、矿山智能开采设计、运营以及矿山三维煤气浓度分析监控等一体的矿山开采业务系统集成平台将是最终的发展方向。

2）城市地质

城市环境地质研究的核心是通过对地质体在地下空间的相对位置、形态、物化特征等三维构模处理，建立地下空间地层岩性、构造条件及其与地下构筑物关系模型，分析城市地质构造、岩土力学特征、地下水环境等问题，为城市建设、发展规划等方面提供三维分析工具。应用三维可视化技术对城市环境地质研究是一个全新的研究领域，目前尚没有系统完整的应用先例。但三维地质可视化技术将在城市化环境地质研究中开拓一个崭新的环境地质研究时代。

3）岩土工程

三维地质建模及可视化技术可贯穿于岩土工程的勘察、设计、施工的全过程，通过三维模型，将以往仅仅蕴涵于地质学者脑海中的地质体及其形态构造直观形象地展现在规划设计师和岩土工程师面前，能够最大限度地增强地质分析的直观性和准确性，做出符合地质现象分布变化规律的工程设计与施工方案，从而减少人类对地质问题认识的盲目性以及地下工程设计、施工面临的巨大风险。

4）地下水模拟

运用三维地质建模与可视化技术研究地下水水文地质层的结构及其内部物理、化学属性（即地下水的赋存环境），地下水水位、水质等的时空分布及地下水流场的运动变化规律，地下水降落漏斗的形成与发展过程以及地下水污染物的运移规律，从而辅助决策地下水资源的开采。

5）地球物理勘探

三维地质建模与可视化技术可以实现三维、四维地震勘探获得的地震记录的表达，并在三维空间中进行地质属性的提取、地质解释等操作，从而为油气勘探中钻孔定位、油气评价等提供辅助决策工具。

1.3.2 发展趋势

综上，三维GIS平台在空中物质建模、地上景观建模、地形建模及地质建模中都有着广泛的应用，随着应用的不断开展和深入，支撑三维GIS应用的平台关键技术也将不断发展，具体表现在以下几个方面。

1）通用准确的三维数据模型表达

传统数据模型在一定程度上解决了对真实世界事物的模拟再现问题。但是对于三维空间对象之间的空间和非空间关系的表达方面，还存在很大的局限性。不同的模型由于其针对性不同，在解决空间关系的表达方面采用不同的方法，并且由于采用针对性的结构化表达，模型的扩展能力受到了很大的限制。当前，3D GIS的发展急需一种可对三维空间对象进行完整有效语义表达的数据模型，类似于二维GIS一样具有通用性的数据模型。利用关系、规则来表达对象的语义信息是三维空间对象语义表达的一种有效的形式之一，将作为三维空间数据模型研究的借鉴。

2）一体化多分辨率的三维空间数据模型

目前国内外三维空间建模技术在地形、地上目标、地下简单目标的独立三维建模、地形与地上景观的多分辨率表达等相对已成熟，而地上地下三维复杂目标几何无缝集成建模的三维空间数据模型、地上地下集成模型的多分辨率表达等关键技术还未突破，特别是大范围地上地下复杂目标的3D集成建模、多分辨率表达与高效更新等，仍是国际上该领域的科技难题，是今后重点突破的研究方向。

3）海量空间数据三维可视化

随着勘探手段、测量仪器不断改进，需要可视化处理的数据规模越来越大，尽管现在计算机的计算速度、内存容量以及其他图像加速设备的发展日新月异，但是对于庞大的数据，可视化效率始终不尽如人意，使得仅依靠软件加速的三维可视化技术面临着前所未有的冲击。加之，计算机图形硬件性能的飞速提升，基于硬件加速的三维可视化已经成为该领域发展的趋势，同时，由于大数据量的图形环境模型以及虚拟现实、计算机仿真、计算机游戏等实时需求向图形处理提出了越来越高的要求，GPU将得到进一步的高速发展，随着GPU功能的更丰富和处理能力的更强大，GPU在三维可视化中的应用将更为广泛。

4）复杂的三维空间数据分析

当前，三维GIS相关技术总体上仍处于探索阶段，由于三维空间的复杂性，当前仍然缺乏统一的、可扩展的数据模型，同时，由于三维空间数据处理和分析的难度大等原因，使得当前的多数三维分析功能仍然停留在较为基础的分析上面，至于更深层次的功能，由于处理数据量大、实时要求性高、数据结构复杂等原因导致算法更为复杂，这也提高了三维GIS开发的门槛，限制了三维GIS在各行业中的深入发展和应用。研究新的三维空间分析方法与功能，这正是促进三维GIS更广泛、深入、专业化应用的主要手段之一。

5）快速有效的三维平台二次开发

目前三维GIS应用的趋势是从以数据服务为主向技术服务和信息服务转变，这要求在按专业要求和统一标准对各种资源进行集成的基础上，快速构建具有业务化运行能力的运营系统。三维GIS应用存在的主要问题是缺乏面向行业应用的集成开发平台，制约了行业应用向纵深方向发展，导致成果的智能化、产品化的程度不高，影响了领域相关技术方法的规模化应用和推广。因此，研究适合各种三维GIS应用领域应用系统的快速构建技术，为多领域应用系统的集成及功能复用提供手段，在统一的框架下实现各个业务分析处理的协调工作，支持应用方案的集成搭建和可视化配置，增强业务化应用系统根据需求不断变化的能力，降低业务化应用集成开发门槛和难度，推进三维GIS在各行业中的深入发展和应用，将是三维GIS平台发展的一个重要任务。

1.4 小结

本章首先纵观了三维GIS的发展现状，介绍了现阶段三维GIS平台所存在的问题；然后着重介绍了三维GIS平台技术现状，包括平台体系架构和功能层次结构；最后结合各个行业对三维GIS平台应用现状和发展趋势进行了总体介绍。

了解三维GIS平台体系架构和功能层次结构之后，在接下来的章节中，我们将详细介绍三维GIS的各项技术内容。

1.5 问题与解答

1.目前三维GIS平台有哪些限制？需要在哪方面做进一步研究？

解答：目前的三维GIS平台大多数只停留在可视化方面，能够提供三维空间分析的商业化三维GIS平台屈指可数，而且这些平台一般只针对地上环境、地表景观、地下地质环境中某些单方面的管理或模拟，尚未出现真正将空中、地上、地表及地下整个真三维空间相结合，进行综合管理、可视化及分析的三维GIS平台。针对三维GIS系统的研究仍不能很好地解决三维地理信息系统面向地上、地表及地下综合应用的需要，特别是在统一的时空框架下对地上、地表及地下的三维空间信息进行整体的描述、可视化表达、管理、分析与应用等方面需要进行更深入的研究。

2.针对二维GIS基本功能，三维GIS还应该包括哪些功能？

解答：三维GIS除应具有二维GIS的基本功能之外，还应包括2.5维信息处理分析功能，三维数据获取，三维数据存储、管理，三维数据编辑、可视化操作，三维建模，三维空间分析，多维转换，数据输出、共享等功能。

1.6 练习题

1.国内外在三维地质建模方面有哪些专业软件？

2.简述国内外常用GIS平台体系架构？