三維GIS的困境與出路

1、三維GIS的困境與出路10-01-20 11:10:42 超圖軟件核心提示：到底三維GIS有沒有出路？要解決哪些問題才能走向成 熟應用？作者以Realspace GIS的真實實踐，告訴你一個成功的解 決方案。自Google Earth發(fā)布以來，三維應用系統(tǒng)很快得到業(yè)界青睞，但同 時也有很多質(zhì)疑其“花架子”的聲音。到底三維GIS有沒有出路？要 解決哪些問題才能走向成熟應用？作者以Realspace GIS的真實實 踐，告訴你一個成功的解決方案。自Google Earth發(fā)布以來，三維GIS得到業(yè)界廣泛關注，一時 間成為研究和應用的熱點，各廠商紛紛推出三維可視化軟件，在國內(nèi), 命名為某某Globe

2、或某某Earth的三維可視化軟件就達數(shù)十個。在 這種大趨勢下，超圖公司也開發(fā)了一個類似的三維可視化軟件?；?這些形形色色的軟件，各應用單位建立了大量的三維可視化應用系 統(tǒng)，由于可視化效果比二維更加真實，也更加吸引眼球，因此三維應 用系統(tǒng)很快得到業(yè)界的青睞。然而短短幾年后，業(yè)界開始不滿足于“面子工程”或“花架子”的三 維可視化效果，并對三維GIS的實用性產(chǎn)生懷疑，三維GIS的發(fā)展 似乎陷入困境。那么，三維GIS究竟有沒有出路？還要解決哪些問題才能走向成熟應用?新技術光環(huán)曲線三維GIS作為一種高新技術，要理清其技術和應用發(fā)展規(guī)律不是 件易事。GIS作為IT的一分子，借助IT領域常用的分析技術手段

3、是 十分有意義的。國際著名的IT研究與顧問咨詢公司Gartner，從1995年開始運 用光環(huán)曲線(Hype Cycle)來表示各項新技術發(fā)展的生命周期。在 光環(huán)曲線中，以技術應用成熟度為橫軸，顯現(xiàn)度為縱軸，新技術的發(fā) 展分為五個階段，即：萌芽期、過熱期、低谷期、復蘇期和成熟期。 主要GIS平臺軟件技術光環(huán)曲線Gartner定期發(fā)布主要信息技術的光環(huán)曲線，為業(yè)內(nèi)相關從業(yè)者 提供決策參考。Gartner發(fā)布的2009年新興技術光環(huán)曲線圖中，Pu blic Virtual Worlds (如 Google Earth 等)已處于低谷期。GIS技術近年來也取得長足發(fā)展，筆者拋磚引玉，于2009年9月試

4、著繪制了幾種GIS技術的光環(huán)曲線。expectationsCbudi Computhg E-Bode Readers訓晦I託西昨彳 hiemw TVjSocial 1w are Suites tMicroblogginGartner Hype Cycle of Emerging Technologies 2009This 出齟 i$cneo(79 He C ycfes, tracking m m than IBSOtedwil&ges. pUotlshed by Gartner Research in Ausl 20C93-D PrinWifl , Augmtnwd蘇禎expectations

5、Cbudi Computhg E-Bode Readers訓晦I託西昨彳 hiemw TV fTwnn_rfS Speech rs ZOA險曲時m .： Localidn Auu-a reWis即pTnsSecinMiic Pamper11-TabfetPC*- Ide a ManaL 哋b 2-0-Social btetwg 如芳-S sttms4 Otwe MfiwMASTERING theHYPE CYCLE、fa Cmldbi. 1 Hl WnliMHdmAnaM ! TIrvFiftCKlEFENN： MARK RKXihOGartnerTnE 蟲 SSm DHIlfcj 血 rmt

6、Plats qTPlats qTProcfcjdivityYears t main ream ad option:obolAteOlessthan 2 years Q 2to 5 years 5 to 10 years A more than 10 years before plateau圖1 Gartner于2009年8月發(fā)布的新興技術的光環(huán)曲線組件式GIS、空間數(shù)據(jù)庫技術、服務式GIS和云GIS都是GIS結 合信息技術的產(chǎn)物。組件式GIS和空間數(shù)據(jù)庫已經(jīng)進入成熟期，經(jīng) 歷了近十年的發(fā)展，這兩種技術的熱度已遠不如2000年前后，當前 已被廣泛應用，成為一種普通的但成熟的GIS技術。隨著SOA

7、進入 復蘇期，基于該思想的服務式GIS(Service GIS)也由于越來越多 應用實踐的成功，逐步進入復蘇期的早期階段，在未來十年內(nèi)，基于 服務式GIS的應用開發(fā)將成為主流的GIS應用開發(fā)方式，基于服務 式GIS的面向地理信息共享模式也將大行其道。隨著云計算概念的 熱炒，云GIS概念已經(jīng)萌芽，隨后也將進入概念炒作階段。二維GIS和三維GIS則是從計算機對真實世界表達方式的角度劃 分的兩種GIS技術，也處于光環(huán)曲線中相去甚遠的位置。歷經(jīng)了四 十余年的發(fā)展，二維GIS技術早已進入了成熟期。由于二維GIS的 成熟應用，以至于GIS已經(jīng)突破最初的測繪和地學的行業(yè)范疇，發(fā)展成為跨行業(yè)通用的平臺軟件技術

8、，廣泛應用于政府信息化和企業(yè)信 息化，并越來越多地涉足面向個人的信息服務領域。(BmqsA)腿再唱Expedion)葫芽期低谷期(BmqsA)腿再唱Expedion)葫芽期低谷期復莽期(Technology(Peak off(Trough of(Slop of(Plateau ofInflatedDkilliisioniwnt)ElnlightiaimaiQProductivity成熟度(Maturity)圖2 2009年9月主要GIS平臺軟件技術的光環(huán)曲線而三維GIS則逐漸邁入低谷期。2005年6月Google Earth軟件 推出，此后全球范圍內(nèi)掀起一股前所未有的三維熱潮，盡管Google

9、 Earth主要面向個人市場和跨行業(yè)的簡單的水平應用市場（該領域 被Gartner稱為Public Virtual Worlds），但在它的帶動下，面向 垂直行業(yè)應用開發(fā)的三維GIS也達到光環(huán)曲線的過熱期頂點。而四 年以后的今天，盡管大量三維GIS應用案例不斷涌現(xiàn)，但部分應用 單位開始對三維GIS的價值質(zhì)疑，三維GIS的顯現(xiàn)度有所下降，開 始進入低谷期。三維GIS必須突破的瓶頸按照正常的光環(huán)曲線，部分新技術會經(jīng)過若干發(fā)展階段，最終走 向成熟應用；也有一些技術因為無法完善，最終被其他替代技術所淘 汰,永遠沒有機會達到成熟應用階段。即使未來能夠成熟應用的技術, 需要花多少時間從低谷期進入復蘇期？又

10、需要花多少時間從復蘇期 進入成熟期？這將取決于需求旺盛程度、技術完善速度和技術成本降 低的速度。與二維GIS相比，三維GIS有其獨特的優(yōu)勢。三維GIS因更接近 于人的視覺習慣而更加真實，同時三維能提供更多信息，能表現(xiàn)更多 的空間關系。無論單位用戶還是個人用戶，都對三維有迫切的需求。 若技術完善和成本方面能得到突破，三維GIS必將走向成熟應用。 那么，當前的三維GIS解決哪些問題，才能突破低谷期，加快進入 復蘇期，并最終進入成熟應用階段呢？筆者認為，要加快三維GIS 應用發(fā)展，需進一步降低三維數(shù)據(jù)獲取成本和突破三維GIS軟件技 術。可接受的數(shù)據(jù)獲取成本是三維GIS大范圍推廣應用的重要前提條 件之

11、一。三維數(shù)據(jù)采集的經(jīng)濟代價和時間代價一度很高，但近年來隨 著各種三維數(shù)據(jù)采集手段的快速發(fā)展，三維數(shù)據(jù)獲取成本已經(jīng)開始降 低，周期也越來越短。在未來幾年內(nèi)，還要在保證一定的數(shù)據(jù)精細度 前提下，繼續(xù)降低三維數(shù)據(jù)獲取成本。GIS軟件技術是影響三維GIS能否大范圍深度應用的另一重要因 素。當前的三維軟件還不能充分滿足GIS用戶的需求。對GIS平臺 軟件的需求可以分為從低到高的五個層次，即：數(shù)據(jù)獲取/管理、可視化、查詢、分析和建模。其中建模指的是分析模型，而不是三維數(shù) 據(jù)模型。目前，二維GIS已經(jīng)可以滿足這五個層次的需求，但三維 GIS則僅能滿足前三個層次的需求，在后兩個層次方面，具備一些能 力，但整體

12、上還不能滿足。從這個意義上來講，二維GIS雖然沒有 三維那樣的視覺效果，但功能齊全，是“實力派”三維可視化軟件具 有更佳的視覺效果，但功能尚不完整，是“偶像派”。圖3 GIS應用功能需求層次GIS應用開發(fā)商已經(jīng)注意到這個問題，在三維GIS基礎軟件功能 還不夠完善的情況下，釆用二維GIS平臺和三維可視化軟件相結合 的方式開發(fā)應用系統(tǒng)，推進了三維GIS技術的應用深度。但是，擁 有優(yōu)秀可視化效果的三維軟件的廠商往往缺乏強大、成熟的二維GI S軟件，而主流的二維GIS平臺廠商的三維軟件卻差強人意。應用 開發(fā)商不得不整合分別來自不同廠商的二維GIS軟件和三維軟件，二者在數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結構和系統(tǒng)架構上都不

13、一致，以至于應用系統(tǒng) 的二維和三維部分貌合神離，甚至同樣的數(shù)據(jù)要在兩種軟件中分別存 儲一份，不僅增加了數(shù)據(jù)冗余，而且增加了數(shù)據(jù)更新維護的代價。從紙空間GIS到Realspace GIS單獨的三維GIS不能滿足應用要求，盡管三維GIS有二維GIS不 可比擬的優(yōu)勢，但在相當長時間內(nèi)還無法完全替代二維GIS。此外， 二維也有比三維更宏觀、更抽象、更綜合的優(yōu)點，在部分應用中也需 要忽略真實細節(jié)呈現(xiàn)關鍵信息，此時二維就可能比三維更合適。因此, 發(fā)展二三維一體化的GIS軟件，而不是獨立的三維GIS，才是GIS 軟件未來的發(fā)展方向，也是三維GIS技術發(fā)展的出路。這樣的GIS 軟件，無論稱它為二維GIS軟件或

14、三維GIS軟件都是不全面的，我 們姑且把這種二三維一體化的GIS技術稱之為Realspace GIS。單純的三維可/視化軟件+三維可視化臺軟件圖4三維GIS技術發(fā)展的出路Realspace GIS是相對于Paper Space （紙空間）GIS而言的。 所謂紙空間指投影以后的紙圖坐標空間。相應地，紙空間GIS,指的 是以投影后的紙圖坐標空間為基礎的GIS軟件。地球不是平面的， 在GIS出現(xiàn)之前，要在紙圖上表達地圖，就必須把球面或橢球面投 影到平面上，因此紙圖都采用了投影后的坐標空間。早期的地理信息 數(shù)據(jù)來源于紙圖數(shù)字化，因而二維GIS軟件一開始就設計為基于紙 圖空間的，這個基礎一直保持至今。由

15、于投影之后的地圖存在變形，影響地圖上的各種量算的結果， 地圖學家們針對不同的應用發(fā)展了多種多樣的投影，這些投影無疑增 加了集成各種數(shù)據(jù)的難度，也增加了 GIS軟件的復雜程度。盡管GI S已經(jīng)發(fā)展為IT中一種通用的技術，但不少非地學或測繪出身的使 用者，對GIS軟件中的投影感到十分困惑和難以掌握，投影的復雜性也一度影響了 GIS在IT中的推廣應用。紙空間GIS是為兼容紙圖而設計的，而今大量的數(shù)據(jù)采集已經(jīng)不 是來自紙圖數(shù)字化了，然而十分遺憾的是，發(fā)展了四十多年的GIS 軟件仍然在延續(xù)著紙空間的習慣。既然新產(chǎn)生的地理信息數(shù)據(jù)多數(shù)不 再來源于紙圖數(shù)字化，既然計算機軟件的表達方式已經(jīng)遠遠超越紙圖 的表達

16、能力，那么二維GIS為何還要繼續(xù)局限于紙空間的呢？所謂Realspace是指三維地理空間和基于地理球面或橢球面的二 維地圖空間。Realspace GIS指的是以三維地理空間和基于地理球 面或橢球面二維地圖空間為基礎的GIS。Realspace GIS有以下幾 個特點：Realspace GIS不僅僅是三維的，而是二三維一體化的。Reals pace GIS二三維一體化體現(xiàn)在：a)二維與三維在數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù) 結構上保持一致，所有的二維數(shù)據(jù)無須任何轉(zhuǎn)換處理，可直接高性能 地在三維場景中可視化。保證二三維場景的數(shù)據(jù)同步，不僅需要三維 GIS兼容二維的數(shù)據(jù)結構，同時在GIS基礎軟件研發(fā)時，二維GIS

17、 軟件底層數(shù)據(jù)結構也要做適當?shù)恼{(diào)整以實現(xiàn)海量二維數(shù)據(jù)在三維場 景中的高性能可視化。b)所有的二維GIS分析和處理功能，均可以 在三維場景中直接操作和使用。Realspace GIS還要對已有的二維GIS進行必要的改造，而不 僅僅是實現(xiàn)二維與三維軟件的對接。如Realspace GIS可支持三維 量算，也同時支持用于多種目的的更精準的二維GIS量算，如無須 投影變換，同時精準量算距離、面積和方位角度；當GIS應用不涉 及圖紙輸出時，復雜的投影不再重要，也不再是必須的。Realspace GIS支持用關系數(shù)據(jù)庫一體化存儲二維與三維數(shù)據(jù)， 即空間數(shù)據(jù)庫的一體化。Realspace GIS還應該提供逐

18、步完善的高端三維分析功能。如三 維體對象的布爾運算、三維的拓撲處理、三維空間關系查詢、三維緩 沖體分析、三維網(wǎng)絡分析等等。未來的Realspace GIS還應實現(xiàn)地下、地表和地球上空(大氣 層)的三維一體化。Realspace GIS基于Realspace,但要兼容紙空間。而此前的 紙空間GIS是以紙空間為基礎，以三維可視化作補充，本末倒置， 不利于進一步發(fā)展。另外，關于Realspace GIS還要避免幾個誤區(qū)：“Realspace GIS是一個單獨的產(chǎn)品”。Realspace GIS不是單 獨的產(chǎn)品，而是一個技術體系，是一種在桌面GIS、組件式GIS和 服務式GIS等多種產(chǎn)品形態(tài)中都存在的

19、技術體系，設計成獨立的產(chǎn) 品是不合適的。“Realspace GIS的空間是絕對真實的空間”。Realspace GIS 中的Realspace是相對的，并非絕對真實的空間，無論是基于球還 是橢球，都是接近于真實空間的一種模擬空間，但比紙空間更接近于 真實的空間。3) “Realspace GIS 誕生便可解決所有問題”。Realspace GIS 技術的發(fā)展和完善還需要幾年時間，但仍然不宜一開始就對Realsp ace GIS抱有完美表現(xiàn)的過度期望，否則很容易跌入Realspace G IS的低谷期。早期的Realspace GIS產(chǎn)品或許在可視化效果方面不 能立即趕上現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實軟件或三

20、維軟件，三維分析功能也不完 備，但由于擁有Realspace GIS的技術架構，可實現(xiàn)三維GIS面向 管理服務的深入應用。Realspace GIS可促進突破當前三維僅僅滿足于以可視化為主 的淺層應用需求的困境，實現(xiàn)三維GIS技術的深度廣泛應用，推動 三維GIS技術快速進入光環(huán)曲線復蘇期，并最終走向成熟。超圖的Realspace GIS實踐2006年，超圖啟動了新一代具有自主創(chuàng)新內(nèi)核的、與二維一體化 的、面向管理的三維GIS平臺軟件研發(fā)，并計劃將該技術集成到Su perMap GIS 6R中發(fā)布。在規(guī)劃產(chǎn)品時，我們認為不應該研發(fā)獨立 的三維軟件，三維技術應該是一種與二維一體化的技術，在服務式G

21、 IS、組件式GIS和桌面GIS等多種GIS軟件形態(tài)中都存在，只有這 樣才能實現(xiàn)“實力派”與“偶像派”的真正統(tǒng)一，才能滿足二維與三維一 體化的應用需求。這樣一體化的軟件稱其為二維GIS或三維GIS都 是不全面的，于是針對紙空間提出了 Realspace，進而提出Realsp ace GIS技術的命名。也就是SuperMap GIS 6R中的“R”。SuperMap GIS 6R將二三維有機地結合起來，實現(xiàn)二維與三維 數(shù)據(jù)管理的一體化，解決了以往兩套系統(tǒng)、兩套數(shù)據(jù)的缺陷，降低了 系統(tǒng)的成本和復雜度；采用同樣的符號庫、填充庫、線型庫，實現(xiàn)了 符號的一體化，降低了符號管理的復雜度；采用同一套編輯體系

22、，實 現(xiàn)了聯(lián)動編輯和編輯的一體化；采用統(tǒng)一的空間査詢和分析模塊，實 現(xiàn)查詢和分析的一體化，除提供了通視分析、淹沒分析、三維量算等 三維分析方法外，還在三維場景中直接集成二維分析功能，如緩沖區(qū) 分析、疊加分析、網(wǎng)絡分析和專題圖分析等；采用統(tǒng)一的工作空間、 圖層、圖例管理、專題圖構建方式，實現(xiàn)表現(xiàn)方式的一體化。SuperMap GIS 6R的Realspace GIS技術已經(jīng)在部分項目中 得到應用實踐。由國土資源部第二次全國土地調(diào)查辦負責組織實施、 由北京中天博地科技有限公司基于SuperMap GIS和大型關系數(shù)據(jù) 庫建成的全國“一張圖”本地數(shù)據(jù)庫中，空間數(shù)據(jù)達到45TB，其二維 版系統(tǒng)于200

23、9年1月通過專家驗收。在后續(xù)三維版本應用系統(tǒng)開發(fā) 試驗時，無須重新處理原有建成的45TB海量二維空間數(shù)據(jù)庫，直接 將基于SuperMap SDX+空間數(shù)據(jù)庫技術管理的海量影像和矢量數(shù) 據(jù)在三維場景中可視化。若沒有二三維一體化技術，在已建成二維空 間數(shù)據(jù)庫后還要經(jīng)過處理重新制作一份用于三維可視化的二維數(shù)據(jù)， 需要多占用龐大的冗余存儲空間和幾個月的數(shù)據(jù)處理時間，不可能在 短時間內(nèi)完成開發(fā)工作。除此以外，Realspace還在房產(chǎn)管理和應急指揮等領域建立了應 用案例。這些應用案例僅體現(xiàn)了 Realspace GIS的一部分價值，隨著SuperMap GIS 6R的發(fā)布和應用推廣，更多的應用價值會逐步 體現(xiàn)出來。SuperMap GIS三大技術體系自此，Sup