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地理信息系统-GIS
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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。在应用要求较为强烈的部门如采矿、地质、石油等领域已率先发展专用的具有部分功能的三维GIS,如加拿大LYNX Geosystems公司的LYNX软件,但由于它们一般是针对自己的领域开发的,没有从理论上加以系统完整的研究,没有面向通用平台进行设计,因此具有较强的局限性。这是由当时的应用要求、数据获取手段及相关的计算机技术发展条件决定的。
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它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。
当前研究和开发三维GIS的思路可归纳为两种:
● 由于三维GIS首先要将地理数据变为可见的地理信息,因此人们一方面从三维可视化领域向三维GIS系统扩展,这一点同早期的二维GIS来源于计算机制图管理一样,是从可视化角度出发的。
● 另一方面,GIS需要存储和管理大量的空间信息和属性信息,因此另一部分人从数据库的角度出发向三维GIS发展,从商用数据库向非标准应用领域扩展,将三维空间信息的管理融入RDBMS中,或是从底层开发全新的面向空间的OODBMS, 如GODO,GeoO2,GEO++,SmallWorld GIS。一个新的发展方向是将三维可视化与三维空间对象管理藕合起来,形成集成系统。
（2）三维GIS相关软件发展概况
但是迄今为止,目前国际国内还没有一个成熟完整的三维GIS系统,与三维GIS相关的系统大多集中在三维可视化方面,如EVS,Vis5D,Voxel,医学可视化及各种CAD软件等,也有一些三维系统部分实现三维GIS的功能,比较有名的软件有:LYNX, IVM（Interactive Volume Modeling）, GOCAD,I/EMS,SGM等。
迄今为止,目前国际国内还没有一个成熟完整的三维GIS系统,与三维GIS相关的系统大多集中在三维可视化方面,如EVS,Vis5D,Voxel,医学可视化及各种CAD软件等,也有一些三维系统部分实现三维GIS的功能,比较有名的软件有:LYNX, IVM（Interactive Volume Modeling）, GOCAD, I/EMS,SGM等。
地图标绘指在地图背景上标绘各种具有空间特征的事、物的分布状态或行动部署。标绘功能广泛应用于电力、通信和应急等多个行业和领域，它可以用来表达各种信息，描述各种对象，表示各种资源，还可以渲染业务进度和流程，以便于三维可视化分析。
1.三维地球上的标绘
标绘技术是三维GIS的一个重要技术手段，在几何表达上主要分为点标绘、线标绘、面标绘、体标绘，常用的为点、线、面的形式。
01 点标绘
点标绘用以表示大小可以忽略不计的小面积地物或点状地物，一般点标绘只有位置信息和属性信息，分别表征其定位含义和属性含义。
02 线标绘
线标绘通常采用折线法实现，在特定的场景中线标绘有两种表现形式：一种是没有宽度的线即单线，用于表达边界线；另一种是从中心向两边扩展为面的线，即带状标绘，如用于表达道路、河流等。
03 面标绘
面标绘一般用于表达一个特定的区域，如受灾区域、滑坡范围、规划区等。
04 体标绘
体标绘采用简单体或实体模型来表示三维场景中的具体地物。
2.标绘功能的应用场景
标绘功能广泛应用于电力、通信和应急、地籍调查、规划设计等多个行业和领域。
以下以地震场景应急救援为例 ：
在地震灾害场景中，“标绘”功能模块的任务主要有三，即初步展示阶段、交互分析阶段和辅助决策与预演模拟阶段。
在第一阶段，通常利用批量点标绘加实体模型和文字标注展示灾区学校、政府机构、医院等的分布情况，并分析灾区居民的主要聚集地，给分析人员提供整体的初步认识；
在第二阶段，综合使用各类标注方法及空间表现手段对灾区进一步分析，为救援方案的制定提供辅助信息；
在第三阶段，分析人员借助前两个阶段的综合展示与分析成果，制定初步的备选救援方案，并以标绘形式进行动态预演和模拟，判断不同方案的优劣性并实时改进救援方案，为救援指挥顺利开展提供保障。
3.一种便捷的标绘方法
在最新发布的EasyEarth版本中，着重优化了点、线、面标绘功能的显示问题。 可以做到根据用户在三维球上捕捉的对象类型进行贴对象显示，影像、地形、倾斜、传统模型等数据均可做到完美贴合。
点标绘效果
线标绘效果
面标绘效果
倾斜数据面标绘
地形数据面标绘
传统模型面标绘
以上场景及功能均可免费体验！
由于自然资源部的组建，“山、水、林、田、湖、草”作为生命共同体综合管理是当前的迫切需求，原有的单要素的资源管理方式满足不了当前的管理需求，需要技术上实现从二维到三维的转变。
自然资源管理中技术与业务的双转变
随着GIS的深入应用，人们越来越多地要求在三维的场景下还原现实。在技术方面，三维GIS先要将地理数据变为可见的地理信息，因此人们一方面从三维可视化领域向三维GIS系统扩展，这一点同早期的二维GIS来源于计算机制图管理一样，是从可视化角度出发的。在需求方面，由于自然资源部的组建，“山、水、林、田、湖、草”作为生命共同体综合管理是当前的迫切需求，原有的单要素的资源管理方式满足不了当前的管理需求，需要技术上实现从二维到三维的转变。
1. 机构转变带来的管理提升
2018年自然资源部部长陆昊在海南调研期间提出，自然资源相关业务系统要由二维系统变成三维系统，解决自然资源调查、确权和国土空间用途管控等问题。城市空间作为国土空间的重要组成部分，城市发展逐渐从平面转向了空间，三维思维的城市发展理念及实践的不断涌现，既是城市空间形态的自然演进，又是城市发展过程中解决交通拥堵、环境恶化、资源匮乏等系列问题的路径探索。从发展的角度来看，三维技术将是承载自然资源管理的重要技术，需要建立实现数据管理、空间展示、空间分析、业务应用、辅助决策等功能于一体的三维管理平台。
2. 三维技术突破带来全新功能
随着三维空间信息获取技术的发展，大规模、高精度、低成本数据的获取成为现实，三维应用建设成本大幅降低。除了成本之外，三维技术在以下几点也实现了创新：利用BIM、三维实体数据模型，实现从物体表面与形状的表达到内部结构的表达；新型三维数据（倾斜摄影、BIM、激光点云）与传统数据（影像、矢量、地形数据、精细模型、地下管线）融合，实现提高了三维场景的建模成本和精度；基于WebGL技术的Web三维，为构建B/S架构的三维GIS应用提供了可行性，同时在跨平台GIS技术的基础上，发展出了Web端的三维空间分析能力；三维GIS标准化与数据共享降低三维Web应用的建设难度和建设成本。
3. 技术与业务融合日趋深入
在自然资源的管理中需要体现个体及整体的特性，而自然资源中的个体又极为复杂，这给三维技术的应用提出了挑战。众所周知，每一种三维技术都各有特长，怎么样“集百家之长，成自然资源解决之道”呢？三维技术的融合，为三维技术在自然资源管理中的应用提供了无限可能。在自然资源应用层面，利用不同三维技术的特性，能更好地还原现实。比如倾斜摄影动态单体化技术，借用矢量面数据模型，不仅可以做到单体化选择、查询，还可以实现缓冲区分析、空间查询等功能；利用点云的精度、精细模型的美观、楼盘表的内部信息，还原真实不动产客体信息。
三维GIS技术助力生命共同体升维
自然资源在空间分布上位置不一、形态各异，自然资源的管理的不仅是各项指标，更需要模拟自然资源的真实分布情况，从实际出发、从需求出发，还原自然资源的利用情况、管制情况，更好地去规划、保护、修复自然资源。
1. 自然资源管理
摸清家底是实现自然资源资产化管理的重要一步，只有把握现在的数据与趋势，才能决策未来的目标与方向。通过系统门户能看到资源的概括情况，包括各类自然资源的数量情况、自然资源类别的分布情况、自然资源与不动产的关联情自然资源与空间管制的情况。
4. 三维矿体管理
自然资源是生态环境的命脉，可以用三维的方式为自然资源“把脉”。没有了高度，山会变成平原；没有了树木，山也不会是金山银山；没有地下空间，也不会看到金矿银矿。自然资源在空间分布上不仅仅是有广度，还具备一定的深度。通过自然资源三维的建设，实现从地面到地下，从整体到个体，直观的展示一层一层的自然资源在空间上的分布情况。
8. 隧道挖掘分析
交通是连接城市的重要纽带，也是为城市发展运送人流、物流的重要通道。一条山路，贯通的是山，缩短的是城市之间的距离。但对于隧道挖掘占用的自然资源面积该怎么样计算呢？由于隧道和自然资源在二维的投影上是相交的，实际上占用的面积并非等于相交的面积。以三维的方式，建立穿山隧道模型，实现二三维的对比分析，为自然资源的占用情况提供准确分析结果。
一）主要研究开发内容
空间数据的获取是GIS建设与运行的基础，数据源及数据获取方式的不同，对数据模型的生成产生很大的影响，如何根据不同的需要，采取合适的方法来获取数据，以及如果保证数据的精确度，最终使可视化程度更接近现实，提高系统的空间查询分析能力。
由于客观世界的多样性和复杂性，可视化要涉及多方面的数据集成，要采用较复杂的数据模型。为了有效的管理和分析三维GIS中的各种数据，要求三维GIS的数据模型有着很强的数据表达能力。三维GIS数据模型不但要满足三维空间分析的需要，也要满足三维图形空间生成和管理的需要。如何选择一种快速而且有效的建模方法来满足不同应用的需求。
如何使人们能够在一个虚拟的三维环境中，用动态交互的方式对场景进行全方位的审视，比如可以从任意角度、距离和精细程度观察场景，可以选择并切换多种运动模式，如行走、驾驶、飞翔等，还可以自己控制浏览的路线等等。
（二）技术关键
1、空间数据采集方法
空间数据采集是GIS建设和运行的基础，广义GIS空间数据不仅包括地理、测绘数据，还包括地质环境与工程设计数据。人类在认识自然和改造自然的过程中，发现和发明了一系列空间定位方法与定位工具，使得人类能够认识地球表面、内部及其外部空间。随着现代测绘技术、地质勘探和地球物理技术的发展，三维空间数据采集技术不断发展和丰富，极大地提高了人类认识自然的能力。
1.1 空间数据采集方法
空间数据的获取既可以直接在野外通过全站仪或者GPS、激光测距仪等进行测量，也可以间接地从航空影像或者遥感图像以及既有地图上得到。其中地图数字化和摄影测量是大规模空间数据采集最有效的两种方式，应用也最为普遍。
1.1.1 地图数字化技术
从现代意义上讲，以往的大比例尺、航测各种比例尺成图等，都是模拟的纸质图、胶片或影像。要进入GIS实现计算机管理，必须是数字化的电子地图。将现有图像负载的大量信息输入数据库的过程称为数字化。广义的数字化泛指将信息转化为计算机能接收的形式的过程，而狭义的数字化则指将地图/影像转变为符合要求的矢量数据结构的过程。目前，地图/影像数字化包括手扶跟踪数字化和扫描数字化两种方式。前者是借助计算机和平板状数字化仪，从已有纸质地图上进行重采样，并形成数字化的坐标点列数据的过程；后者借助计算机和平板式或滚筒式扫描仪，从已有纸质地图上进行重采样，并形成坐标点列数据的过程。
（1）手扶跟踪数字化
手扶跟踪数字化设备包括固定地图用的数字化板和采样用的游标，手扶数字化过程包括以下三步：图件的预处理：在进行图件的数字化之前，应根据图幅内容及图件各要素进行编号。编号时要按照编号系统的统一要求进行，通常以小比例尺分幅或经纬度位置分区域统一编号，以便于图幅的拼接和处理；也可以按行政区域的管理范围分区域编号。在区域编号时，对图斑、结点、链段、独立点均要事先分别编号，而主要链段上的特征点和特征线可在数字化时按顺序递增编号。编号结束后，应做必要的记录，以便查询。记录内容包括：图幅编号、图幅坐标及编号内容等。图幅编号之后，即可在数字化仪上进行图件定位。
图件的数字化：通常，数字化仪采用点模式、线模式和数据流模式采集数据。在点模式下，地图上的各个孤立点通过将游标定位于采集点的位置上并按下按钮进行记录；线模式下，直线段是通过数字化线段的两个端点来记录的，曲线则通过对组成它的一系列直线的数字化来记录；在数据流模式下，曲线是以时间或距离的规定间隔来自动采集曲线上点的坐标值。点模式和线模式的优点是尽可能减少特征点丢失，重采样精度高，缺点是采样效率低，一般适合地籍图、规划图的数字化。数据流模式的优点是重采样效率比较高，缺点是容易丢失特征点，一般适合地形图、等高线图的数字化。
图属关系连接：图件数字化仅仅获得了点、线、面要素的几何坐标数据，还必须输入点、线、面要素的属性信息，并生成点、线、面要素之间的拓扑关系，拓扑关系可以通过全多边形模式、手工模式或自动模式建立。
（2）扫描数字化
扫描数字化是使用扫描仪将整幅地图扫描成像之后，再进行矢量转换或屏幕跟踪的方法。这种方式通常要求对原始材料进行预处理。例如将地图中的各种色彩不同的地理特征先分色，复制在透明薄膜上，然后再进行扫描。目前已有自动的分色扫描仪，也有研究自动分层建库的文献。经过光学扫描仪的栅格扫描方法得到地图栅格数据结构，是以像素方式存储的，在使用之前，需要将它转换成矢量数据结构。矢量数据结构在数据冗余、地图缩放、漫游、存储空间、编辑、修改以及地图分析等方面具有栅格数据所不能比拟的优越性，所以根据系统设计时选择的地图数据存储格式还要进行必要的矢量化处理。栅格数据转换矢量数据的方法主要分为三类，即点状栅格的矢量化，线状栅格的矢量化和面状栅格的矢量化。