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GIS是计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合的技术。要给出GIS的准确定义是困难的，因为GIS涉及的面太广，站在不同的角度，给出的定义就不同.通常可以从4种不同的途径来定义GIS。
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(1) 面向功能的定义：
GIS是采集、存储、检查、操作、分析和显示地理数据的系统。
(2) 面向应用的定义：
这种方式根据GIS应用领域的不同，将GIS分为各类应用系统，例如土地信息系统、城市信息系统、规划信息系统、空间决策支持系统等。
(3) 工具箱定义方式：
GIS是一组用来采集、存储、查询、变换和显示空间数据的工具的集合。这种定义强调GIS提供的用于处理地理数据的工具。
(4) 基于数据库的定义：
GIS是这样一类数据库系统，它的数据有空间次序，并且提供一个对数据进行操作的操作集合，用来回答对数据库中空间实体的查询.。
我们认为，虽然GIS是一门多学科综合的边缘学科，但其核心是计算机科学，基本技术是数据库、地图可视化及空间分析。因此，可以这样定义：GIS是处理地理数据的输入、输出、管理、查询、分析和辅助决策的计算机系统.。
虽然GIS使用了地图、可视化、数据库等技术，但与CAD系统、计算机地图系统、数据库系统等均有很大的区别。CAD系统提供交互式的图形处理功能，以辅助象建筑、VLSI等人造对象的设计，其主要特点是设计者与计算机模型的交互。目前许多CAD开始支持对象的非图形性质，而GIS处理的数据大多来自现实世界，较之CAD的人造对象更为复杂，数据量更大.另外，CAD中的拓扑关系较为简单.更重要的是，GIS强调对空间数据的分析，CAD这方面的功能要弱得多。
计算机地图系统侧重于数据查询、分类及自动符号化，具有辅助设计地图和产生高质量矢量形式的输出机制。它强调数据显示而不是数据分析，地理数据往往缺少拓扑关系。另外，它与数据库的联系通常是一些简单的查询。
数据库系统是各种类型信息系统的核心。通用数据库侧重非图形数据的优化存储与查询，其图形查询与显示功能极为有限，其数据分析功能也很有限.然而，数据库的一些基本技术，如数据模型、数据存储、数据检索等，都在GIS中广泛采用，成为GIS的核心技术。
由此可见，GIS已经形成了一个独立的、具有鲜明特色的研究领域
地学现象与地学本质规律密不可分，地学可视化作为科学计算可视化在地学中的分支，以模拟、抽象和再现各种地学现象为核心任务，一直是地球信息科学中的重要组成部分。可视化系统是GIS系统中的重要组成部分，反映了GIS系统对空间信息的表达能力，也是衡量GIS系统的重要指标。
GIS二维可视化沿用传统制图学的手段，通过各种专题图，符号库等地图学的抽象符号来表达地理信息，对地理信息提供了一种宏观的抽象表达方式，大大简化了人们对地图的使用、查询和分析。但是二维的地理信息系统提供给用户的仅仅是二维的平面图形，在可视化程度方面比传统的纸质地图并没有实质性的改善，随着GIS应用不断深入，这已经远远不能满足人们的视觉要求。世界原本就是处在三维空间中的，二维的可视化将现实世界简化为平面上二维投影的概念模型注定了它在描述三维空间现象的局限性，解决这一问题的有效手段就是三维GIS可视化。计算机图形学和各种图形硬件技术的不断发展以及人们对视觉要求的不断提高，也为三维GIS可视化的发展提供了动力，创造了条件。
目前，一些GIS厂商已经开发、提供了三维可视化的系统，但这些系统由于各方面的原因没有能够做到向下兼容，将二维系统与三维系统完全割裂，不仅数据无法直接共享，而且三维场景制作过程复杂。
理想的可视化方式应该是在满足人们可视化需求、提供高性能三维可视化功能的基础上，还能够完全兼容二维的可视化表达方式，提高重复使用能力，降低开发制作费用，具体内容包括：
1）兼容已有的二维GIS数据；
2）兼容已有的二维专题图制作方式；
3）兼容已有的二维符号库系统；
4）兼容已有的二维GIS交互方式。
二维、三维的一体化可以充分有效地利用丰富的二维空间数据资源，同时又可以满足对三维建模和可视化的需要，实现二维向三维GIS平滑过渡，并与动态GIS结合，实现多维动态GIS。目前，国际和国内一些有远见的GIS企业已开始研究二维和三维的一体化技术，二维与三维一体化的商业化GIS软件将有望在“十一五”中期推出。
三维可视化技术与GIS工程
一、前言目前，科学可视化、计算机动画和虚拟现实技术蓬勃发展，并
成为计算机图形学领域的三大热门研究方向，它们的核心都是三维真实感图
形[1],也就是三维可视化技术。三维可视化技术是目前计算机技术和图像
图形学发展的热点之一，它是依靠视觉效果将数据所要表达的信息直观显示出来的一种最好的方法。传统的地理信息系统对实物的空间立体感表达就比
较抽象，将三维可视化技术引入GIS领域中可以动态地、形象地、多视角地、多层次地、如实逼真地描绘地球科学中的客观现象。如通常所见的地
形三维可视化、虚拟战场、数字社区和虚拟城市等。本文结合在GIS中的应
用介绍三维可视化开发的基本方法。
二、三维可视化GIS关键技术三维可视化技术可以简单的分解为三种技术的结合：可视化、三维和GIS。下面分析了可视化技术、虚拟现实、体视化技术、三维技术等关键技术。
1、可视化技术
可视化，也称为科学计算可视化(VisualizationinScientific
Computer),它是指运用计算机图形和图像处理技术，把科学数据转换成可视的、能帮助科学家理解的信息，并进行交互处理的理论、方法和技术。
GIS可视化技术是目前信息领
域中广泛应用的一项技术，它通过强大的、有效的地图系统将复杂的空间
和属性数抓以地理的形式进行描述，具有界面风格人性化设计，实现了文本、
图形和图像信息相结合的定位、查询、检索模式信息表达形象化、自观化操作简单便利等特点［2］。
2、虚拟现实
虚拟现实(VirtualReality)技术是一个由图像技术、传感
器技术、计算机技术、网络技术以及人机对话技术相结合的产物。它以计算
机技术为基础，利用高性能、高度集成的计算机硬、软件及各类先进的传感
器，去创造一个使参与者处于一个三维视觉、听觉和触觉的环境，具有完善
的交互作用能力、能帮助和启发进入虚拟境界的参与者的构思的
GIS 是为解决资源与环境等全球性问题而发展起来的技
术与产业。上世纪60 年代中期，加拿大开始研究建立世界上
第一个地理信息系统(CGIS)，随后又出现了美国哈佛大学的
SYMAP 和GRID 等系统。自那时起，GIS 开始服务于经济建设
和社会生活。在北美、西欧和日本等发达国家，现在已建立
了国家级、洲际之间以及各种专题性的地理信息系统。我国
GIS 的研究与应用始于上世纪80 年代，近30 年来发展也十分
迅速，在计算机辅助绘制地图等方面开展了大量基础性的试
验与研究工作，在理论、技术方法和实践经验等方面都有了
长足的进步。
1.国外地理信息系统(GIS) 发展的4 个阶段
（1）模拟地理信息系统阶段
自19 世纪以来就得到广泛应用的地图——模拟的图形数
据库和描述地理的文献著作——模拟的属性数据库相结合，
构成了地理信息系统的基本概念模型。但是，这种模拟式的、
基于纸张的信息系统和信息过程，使得空间相关数据的存贮、
管理、量算与分析、应用极不规范、不方便和效率低下。随
着计算机科学的兴起，数字地理信息的管理与使用成为必然。
（2）学术探索阶段
上世纪50 年代，由于电子技术的发展及其在测量与制图
学中的应用，人们开始有可能用电子计算机来收集、存贮和
处理各种与空间和地理分布有关的图形和属性数据。1956 年，
奥地利测绘部门首先利用电子计算机建立了地籍数据库，随
后这一技术被各国广泛应用于土地测绘与地籍管理。1963 年，
加拿大测量学家首先提出地理信息系统这一术语，并建立了
世界上第一个地理信息系统—— 加拿大地理信息系统
（CGIS），用于资源与环境的管理和规划。稍后，北美和西欧
成立了许多与GIS 有关的组织与机构，如美国城市与区域信
息系统协会（URISA），国际地理联合会（IGU）地理数据收集
和处理委员会（CGDPS）等，极大地促进了地理信息系统
知识与技术的传播和推广应用。
（3）飞速发展和推广应用阶段
上世纪70 年代以后，由于计算机技术的工业化、标准化
与实用化，以及大型商用数据库系统的建立与使用，地理信
息系统对地理空间数据的处理速度与能力取得突破性进展。
其结果是：①一些发达国家先后建立了许多专业性的土地信
息系统（LIS）和资源与环境信息系统（GIS）；②关于GIS 软
件、硬件和项目开发的商业公司篷勃发展。到1989 年，国际
市场上有报价的GIS 软件达70 多个，并出现一些有代表性的
公司和产品。③数字地理信息的生产标准化、工业化和商品
化。④各种通用和专用的地理空间分析模型得到深入研究和
广泛使用，GIS 的空间分析能力显著增强。⑤有关GIS 的具有
技术权威和行政权威的行业机构和研究部门在GIS 的应用发
展中发挥引导和驱动作用。
（4）地理信息产业的形成和社会化地理信息系统的出现
上世纪90 年代以来，随着互联网络的发展及国民经济信
息化的推进，地理信息系统作为大的地理信息中心，进入日
常办公室和千家万户之中，从面向专业领域的项目开发到综
合性城市与区域的可持续发展研究，从政府行为、学术行为
发展到公民行为和信息民主，成为信息社会的重要技术基础。
2.国内地理信息系统(GIS)发展现状
我国对GIS 的研究起步较晚，但是近30 年来，在各级政
府和有关人士的大力呼吁和促动下，我国的地理信息系统事
业突飞猛进，成绩巨大。我国GIS 的发展可以划分为3 个阶
段。
（1）起步准备阶段（1978～1985 年）
主要在概念和理论体系的引入与建立，关于遥感分析、
制图和数字地面模型的试验研究，以及软、硬件的引进，相
应规范的研究，局部系统或试验系统的开发研究，为GIS 的
全面发展奠定基础。
（2）加速发展阶段（1985～1995 年）
GIS 作为一个全国性的研究与应用领域，进行了有计划、
有目标、有组织的科学试验与工程建设，取得一定的社会经
济效益。主要表现在：①GIS 教育与知识传播的热浪此起彼伏，
GIS 成为空间相关领域的热门话题；②GIS 建设引起各级
政府高度重视，其发展机制由学术推动演变为政府推动；③
部分城市和沿海地区GIS 建设率先进入实施阶段，并取得阶
段性成果；④出现商品化的国产GIS 软件、硬件品牌；出现
专门的GIS 的管理中心、研究机构与公司；出现专门的GIS
协会，涌现一批GIS 专门人才；出现专门的刊物与展示会；
初步形成全国性的GIS 市场。⑤在应用模式、行业模式和管
理方面作了有益的探索。
（3）地理信息产业化阶段（1995－）
目前，我国GIS 的发展正处于向产业化阶段过渡的转折
点。能否借助国际大气候的东风，倚重国内经济高速发展的
大好形势，搭乘全球信息高速公路的快车，实现地理信息产
业化和国民经济信息化，这是国内地理信息界人士面临的严
重挑战和千载难逢的机遇。而在这一过程中，一方面需要探
索建立一套政府宏观调控与市场机制相结合的地理信息产业
模式。另一方面，则要充分总结和借鉴国内外地理信息系统
项目建设的经验和教训，掌握地理信息系统的发展动向，建
立起行之有效的地理信息系统工程学的理论、方法与管理模
式。
（三）地理信息系统(GIS)的发展动向
近年来地理信息系统技术发展迅速，其主要的原动力来
自日益广泛的应用领域对地理信息系统不断提高的要求。另
一方面，计算机科学的飞速发展为地理信息系统提供了先进
的工具和手段，许多计算机领域的新技术，如面向对象技术、
三维技术、图象处理和人工智能技术都可直接应用到地理信
息系统中。下面对当前地理信息系统研究中的几个热点研究
领域作一介绍。
1.GIS 中面向对象技术研究
面向对象方法为人们在计算机上直接描述物理世界提供
了一条适合于人类思维模式的方法，面向对象的技术在GIS
中的应用，即面向对象的GIS，已成为GIS 的发展方向。这是
因为空间信息较之传统数据库处理的一维信息更为复杂、琐
碎，面向对象的方法为描述复杂的空间信息提供了一条直观、
结构清晰、组织有序的方法，因而倍受重视。面向对象的GIS
较之传统GIS 有下列优点：(1)所有的地物以对象形式封装，
而不是以复杂的关系形式存储，使系统组织结构良好、清晰；
(2)以对象为基础，消除了分层的概念；(3)面向对象的分类
结构和组装结构使GIS 可以直接定义和处理复杂的地物类型；
(4)根据面向对象后编译的思想，用户可以在现有抽象数据类
型和空间操作箱上定义自己所需的数据类型和空间操作方
法，增强系统的开发性和可扩充性；(5)基于icon 的面向对
象的用户界面，便于用户操作和使用。
2.时空系统
传统的地理信息系统只考虑地物的空间特性，忽略了其
时间特性。在许多应用领域中，如环境监测、地震救援、天
气预报等，空间对象是随时间变化的，而这种动态变化的规
律在求解过程中起着十分重要的作用。过去GIS 忽略时态主
要是受器件的限制，也有技术方面的原因。近年来，对GIS
中时态特性的研究变得十分活跃，即所谓“时空系统”。
地物除了具有三维空间中的空间性质外，如何刻画时间
维的变化也十分重要。通常把GIS 的时间维分成处理时间维
和有效时间维。处理时间又称数据库时间或系统时间，它指
在GIS 中处理发生的时间。有效时间亦称事件时间或实际时
间，它指在实际应用领域事件出现的时间。
根据处理时间和有效时间的划分，可以把时空系统分为4
类：静态时空系统、历史时态系统、回溯时态系统和双时态
系统。
(1)静态时空系统。它既不支持处理时间，也不支持有效
时间，系统只保留应用领域的一种状态，比如当前状态。(2)
历史时态系统。它只支持有效时间，这种系统适用于事件实
际发生的历史对问题求解十分重要的应用领域。(3)回溯时态
系统。它只支持处理时间，这种系统适用于信息系统的历史
对问题求解十分重要的应用领域。(4)双时态系统。它同时支
持处理时间和有效时间。处理时间记录了信息系统的历史，
有效时间记录了事件发生的历史。 时空系统主要研究时空模
型，时空数据的表示、存储、操作、查询和时空分析。
3.地理信息建模系统
通用GIS 的空间分析功能对于大多数的应用问题是远远
不够的，因为这些领域都有自己独特的专用模型，目前通用
的GIS 大多通过提供进行二次开发的工具和环境来解决这一
问题。二次开发工具的一个主要问题是它对于普通用户而言
过于困难。而GIS 成功应用于专门领域的关键在于支持建立
该领域特有的空间分析模型。GIS 应当支持面向用户的空间分
析模型的定义、生成和检验的环境，支持与用户交互式的基
于GIS 的分析、建模和决策。这种GIS 系统又称为地理信
息建模系统(GIMS)。GIMS 是目前GIS 研究的热点问题之一。
GIMS 的研究有几个值得注意的动向。(1)面向对象在GIS
中的应用。面向对象技术用对象(实体属性和操作的封装)、
对象类结构(分类和组装结构)、对象间的通讯来描述客观世
界，为描述复杂的三维空间提供了一条结构化的途径。这种
技术本身就为模型的定义和表示提供了有效的手段，因而在
面向对象GIS 基础上研究面向对象的模型定义、生成和检验，
应当比在传统GIS 上用传统方法要容易得多。(2)基于icon
的用户建模界面。建模过程中的对象和空间分析操作均以
icon 形式展示给用户，用户亦可自定义icon。用户在对icon
的定义、选择和操作中完成模型的定义和检验。这种方法较
之AML 这类宏语言要方便和直观得多。(3)GIS 与其他的模型
和知识库的结合。这是许多应用领域面临的一个非常实际的
问题，即存在GIS 之外的模型和知识库如何与GIS 耦合成一
个有机整体。
4.GIS 将往高维化发展
GIS 在矿山与地质领域的应用受到很大限制的重要原因
是其在处理三维问题上的不足。现有的GIS 软件虽然可以用
数字高程模型来处理空间实体的高程坐标，但是由于他们无
法建立空间实体的三维拓扑关系，使得很多真三维操作难以
实现，因而人们将现有的GIS 称为二维GIS 或2.5 维GIS。矿
山、地质以及气象、环境、地球物理、水文等众多的应用领
域都需要三维GIS 平台来支持他们大量的真三维操作。空间
可视化技术是指在动态、时空变换、多维的可交互的地图条
件下探索视觉效果和提高视觉效果的技术。虚拟现实(VR)技
术，也称虚拟环境和人工现实，已在游戏中成功使用。运用
空间可视化技术和虚拟现实技术进行地形环境仿真，真实再
现地景，用于交互式观察和分析，提高对地形环境的认知效
果，是今后三维GIS 可视化发展的一个重点。四维GIS（4DGIS）
一般是指在原有的三维GIS 基础上加入时间变量而构成的
GIS。许多人认为地质特征是不变的，但实际上大部分地质特
征是动态的、变化的，不是所有地质情况都是变化缓慢的，
水灾、地震、暴风雨以及滑坡都会使局部地质条件发生快速
而巨大的变化。地质学家对4D(立体3D 加上时间第4D)的空
间——时间模型尤感兴趣。但是，增加一维将带来很大的问
题。比如数据量的几何级数增长，致使数据的采集、存取、
处理都带来一系列的问题。不过，这些问题可以在计算机技
术、数据库技术以及相关电子技术的发展而得到解决。因此，
如何设计4DGIS 并运用它来描述和处理地理对象的时态特征
是一个重要的发展领域。