目錄GIS數據標準化WebGIS3D（4D）GIS空間數據模型（庫）主流GIS軟件認識一．GIS 數據標準化我國對地理信息產業的發展高度重視,在2000年發布的《關于進一步推動國產地理信息系統應用及其產業化的若干意見》的文件中,提出了一系列的發展戰略和指導思想,對我國地理信息產業的發展起到了重要作用,而數據共享(DataSharing)是實現地理信息產業化的前提.不論是國產地理信息系統(GIS)軟件的研制和開發,還是地理數據的生產和應用,都必須考慮數據共享問題.在地理信息產品的用戶由部門用戶向個人用戶發展的今天,數據共享問題的解決尤其重要。GIS（GeographyInformationSystem），即地理信息系統，是一種同時管理地理空間數據和非幾何屬性數據的信息系統，是目前三大空間科學技術（遙感RS、全球定位系統GPS、GIS，簡稱3S技術）之一。當前，已經出現了許多新的GIS研究領域，包括智能GIS（與專家系統、神經網絡、遺傳算法等技術結合在一起）、3S集成以及開放地理信息系統（OPENGIS）等。萬維網地理信息系統是Internet技術和地理信息系統結合的產物，它的產生給國民經濟帶來了深遠影響。數字地球以及數據城市的提出，讓我們更加重視GIS系統。GIS（GeographyInformationSystem），即地理信息系統，是一種同時管理地理空間數據和非幾何屬性數據的信息系統，是目前三大空間科學技術（遙感RS、全球定位系統GPS、GIS，簡稱3S技術）之一。當前，已經出現了許多新的GIS研究領域，包括智能GIS（與專家系統、神經網絡、遺傳算法等技術結合在一起）、3S集成以及開放地理信息系統（OPENGIS）等。萬維網地理信息系統是Internet技術和地理信息系統結合的產物，它的產生給國民經濟帶來了深遠影響。數字地球以及數據城市的提出，讓我們更加重視GIS系統。二．WebGISWebGIS是在Internet或Internet網絡環境下的一種兼容、存儲、處理、分析和顯示與應用地理信息的計算機信息系統。它的基本思想就是在互聯網上提供地理信息，讓用戶通過瀏覽器瀏覽和獲得一個地理信息系統中的數據和功能服務，是Internet技術應用于GIS開發的產物。GIS通過WWW功能得以擴展，真正成為一種大眾使用的工具。從WWW的任意一個節點，Internet用戶可以瀏覽WebGIS站點中的空間數據，制作專題圖，以及進行各種空間檢索和空間分析，從而使GIS進入千家萬戶.網絡與地理信息系統的結合形成InternetGIS/webGIS.互聯網已經成為GIS的新的操作平臺。WebGIS基本原理從網絡技術角度看，Internet/Intranet可以看作是以TCP/IP為通信協議標準，以DNS域名服務和SMTP簡單郵件傳輸協議為基礎，以WWW和FTP服務為支撐，實現多服務器和多平臺的相互連接的計算機通信網絡。從系統運行和技術上分析，GIS系統要成為網絡化的分布式處理的信息系統，必須符合或兼容Internet/Intranet相關的技術標準，包括支持TCP/IP網絡通信協議、HTTP文檔與文件傳輸協議、文檔顯示與應用程序集成(HTML和HTMLBrowser)，服務器端集成、客戶端擴展(HTML,Java和javascript)、服務器端擴展、可執行的客戶端與服務器后臺進程的邏輯分布、多線程可擴展服務器、支持動態訪問、強大的客戶部件、遠程制作（包括可視化遠程制作工具）、圖形文檔支持嵌入的URLs等。支持Internet／Intranet通信技術標準，對于WebGIS來說就是實現客戶端和服務器端數據傳輸通信。WebGIS系統充分利用了分布式體系結構Client/Server的技術特點，是Client/Server結構特點的一個典型應用實例。分布式應用體系結構能使現在客戶端與服務器端都具備提供功能強大、可執行進程的體系結構，達到真正有效地平衡客戶端與服務器端之間的處理負荷，實現計算分布和數據分布的目標，使系統具有可互操作性，從而可以把數據量集中的處理任務由服務器端執行，在客戶端則完成諸如空間查詢，專題地圖生成等進程，以充分發揮客戶機與服務器各自的優勢，最大限度的發揮應用系統的作用。WebGIS系統的客戶端／服務器體系結構使得系統具有良好的開放性，它使系統具有軟硬件資源共享、數據多重應用、跨平臺運行、易于集成等特性。可以說，WebGIS系統是一個建立于Internet/Intranet之上的采用開放式結構，具有統一標準和廣泛適用性的網絡應用系統。WebGIS系統的客戶端用戶不僅能使用服務器端的硬軟件資源，而且可以方便地利用Internet主干網的數據信息資源等。WebGIS的主要構造模型⒈WebGIS的B/S三層結構,常見的WebGIS的結構體系是由數據庫，應用服務器和客戶端組成的三層結構體系,它把數據庫和地理信息系統的應用邏輯分開，相對于最初的兩層結構，數據庫的改變對應用的影響減少了。通過HTTP協議，客戶向web服務器請求數據服務，服務器返回HTML方式書寫的服務頁面。按照瀏覽器和服務器端功能的多少，體系結構可以劃分為胖客戶器／瘦服務器和瘦客戶機/胖服務器兩種。但隨著應用的復雜度增加，客戶對應用服務器的訪問頻率增加，單一的服務器和復雜的應用程序無法快速處理大量的地理信息服務需求。中間技術的出現改進了傳統模式的B/S體系。2.基于中間件的Ｂ／Ｓ多層結構,如果WebGIS應用是建立在分布式數據庫上，那么為了增強服務器端的處理能力和速度，服務器端GIS應用也要求是分布的。中間件技術是解決這一難題的有效途徑。GIS應用服務器不是一個進程，而是由多個中間件組成的分布式的多個進程。中間件相互調用，一個進程是另一進程的客戶，同時又是別的進程的服務，調用關系比較復雜。進程所訪問的私立數據庫也不再是單一的數據庫，可能是一個分布式的異質數據庫。目前分布式計算的中間件技術主要有CORBA,DCOM和EJB等。其中，CORBA體系是最有前途的一種，它實現了異構平臺的互操作；與此對應的是，DCOM模型一統Windows平臺，已經成為Windows平臺的市場標準；而Sun公司大力提倡的EJB體系，也在逐漸的發展。⒊WebGIS的互操作模型,為了解決WebGIS之間的互操作問題，開放地理信息系統協會（簡稱OGC）于1998年倡導了“網絡地圖實驗環境”（簡稱WMT）來推動具有互操作性和可移植性的Web制圖技術的發展。從OGC的WMT文獻以及NSDI,GSDI和數字地球的描述中可以看到，WMT所倡導的，能夠作為NSDI,GSDI和數字地球地理信息傳輸及應用的WebGIS系統至少應具有以下四個特征：⑴互操作性。允許數據在不同的WebGIS系統之間無縫傳輸；一個應用系統中的應用可以調用另一個應用系統中的應用來完成邏輯上統一的任務。⑵可擴展性。要求盡可能利用已有的空間數據設施，不做或少做改動，并能夠兼容以后新出現的GIS系統所產生的空間數據。⑶分布式特征。包括數據分布和應用分布。⑷良好的交互性。根據用戶對Web空間數據應用的需求，應當充分合法用戶對己有的空間數據進行改進更新和刪除。（三）國內外研究、開發現狀近年來，WebGIS應用作為一項產業得到了極大發展，大量的WebGIS產品不斷涌現。從國內外主流的WebGIS軟件技術和產品來看，目前各方對于WebGIS軟件研發所采用的技術路線、開發手段和產品原則上大體相同。在技術思路上基本集中于對空間數據模型、空間數據結構、空間數據傳輸協議、分布式體系結構、網絡環境下空間信息的組織和管理等方面。在技術手段上都基于Internet，采用Web技術和多級B/S體系結構，利用分布式對象技術如CORBA，DCOM/ActiveX或都Java，或者綜合使用幾種分布式對象技術。（四）社會因素和人為因素對國內網絡GIS的影響GIS產業的發展和管理水平有待提高目前國內社會GIS產業的發展還不夠快，管理水平還不夠高，缺少強勁的應用需求推動，在建設計算機網絡或網絡GIS系統時，經費投人不足，尤其是其中的軟件和數據庫建設部分。為了加快相關的信息化的步伐，國內應加大相關領域的投入。國民認識水平較低，公眾參與程度不夠GIS的發展離不開公眾的參與，在一些發達國家中，網絡GIS己經走進社區，走進了千家萬戶，人們充分享受網絡帶來的廣泛豐富的信息，而目前我們國家的網絡GIS的普及遠遠沒達到這一程度，公眾的參與意識和程度很低，網絡GIS的科學和經濟價值在國內尚未被廣泛地接受和認知，造成資金投入不足、推廣應用比較困難的局面。國民認識水平較低，不利于GIS技術應用的普及和推廣。例如，不少政府部門，特別在中小城鎮，由于文化、技術水平較低，難以進行GIS建設，即使是建好的系統也難以用好、維護好，知識產權等法律意識淡簿，使GIS數字化社會產品難以推廣等。較低的地理信息共享程度國內地理信息共享程度低，令人憂慮，這種狀況可能短時間內難以改觀。地理信息共享是一個涉及深層次體制改革的問題，只要地理數據和信息還是部門、單位及其職員經濟利益的不正常價碼，地理信息在國內的廣泛共享就是一句空話。由于社會上缺乏共享的空間數據，缺乏各種區域性自然的、社會的和經濟的地理數據，國內GIS不可能像共享數據比較豐富的發達國家那樣擴展到民用、商用領域。換言之，國內GIS在今后可能不短的時間內，仍將主要局限于政府部門。三．3DGIS1引言最近一期《自然》雜志刊登的文章“地圖制圖的時機”把地球空間信息技術（geotech-nologies）看成是世界上繼生物技術（biotechnology）和納米技術（nanotechnology）之后發展最為迅速的第三大新技術，而遙感技術（RS）與地理信息系統技術（GIS）則是地球空間技術的核心內容。特別是GIS技術已經成為空間數據處理、集成和可視化最成功的技術之一，并作為地球空間信息處理的有效工具極大地推動了地球空間技術在各個領域的應用。雖然關于GIS的定義有許多不同，但幾乎都公認GIS是一個以空間數據（信息）為中心的系統，這一點從美國攝影測量與遙感學會給出的定義即可見一般：“GIS是一個對地球空間信息進行編碼、存儲、轉換、分析和顯示的信息系統”.由于GIS從地形圖演進而來的歷史原因，現有的絕大多數GIS都使用二維數據描述地理對象，即所有的對象都通過二維坐標（X,Y或經緯度）進行表示。這樣的GIS因此又被認為是二維GIS。眾所周知，地球空間信息區別于其他類型信息的最顯著標志是其地域性（territorial）、多維結構特性（multidimensionalstructure）和動態變化特性（dynamicchanges）。隨著計算機技術和數據獲取技術的迅速發展，具有處理真三維數據能力的三維GIS的發展受到了極大的關注。顯然，對現實世界中三維對象的逼真表示需要三維的方法。三維GIS則使用三維數據描述地理對象，即所有的對象都通過三維立體坐標（X，Y，Z或經緯度與高程）進行表示。三維GIS在日益增長的三維空間信息需求的牽引和蓬勃發展的現代新興技術的驅動下得到了穩步的發展。首先，諸如城市、海洋、大氣、地下工程和軍事等重大領域問題的完整解決和空間信息的社會化應用服務迫切需要三維GIS的支持；其次，三維空間數據獲取技術的發展極大地方便了各種規模不同細節程度三維空間數據的可得性；再有，信息與通信技術的進步為更有效地處理和利用海量三維空間數據提供了強有力的支撐。從二維GIS到三維GIS，雖然空間維數只增加了一，但基于此既可以包容幾乎所有豐富的空間信息，也可以突破常規二維表示對形式的束縛，為更好地洞察和理解現實世界提供了多種多樣的選擇。但其由此也面臨大量更加復雜的問題，如數據量急劇增加、空間關系錯綜復雜、真實感實時可視化等。在空間上從二維表示到三維表示日益成為GIS的主要發展方向之一，并趨向于對現實世界的增強表示與延伸——“虛擬地理環境”.2三維GIS的數據獲取技術三維GIS技術最重要的進展之一就是三維數據獲取技術的進步，特別是航空與近景攝影測量、機載與地面激光掃描、地面移動測量與GPS等傳感器的精度與速度都有了明顯的提高。大量的研究致力于地物（尤其是人工地物）的三維自動重建，而依據分辨率、精度、時間和成本等的不同已經有許多不同的技術方法可供選擇。如將三維建筑物模型的重建方法分為以下三類：基于地圖的方法，利用已有GIS、地圖和CAD提供的二維平面數據以及其他高度輔助數據經濟快速建立盒狀模型；

基于圖象的方法，利用近景、航空與遙感圖象建立包括頂部細節在內的逼真表面模型，該方法相對比較費時和昂貴，自動化程度還不高；

基于點群的方法，利用激光掃描和地面移動測量快速獲得的大量三維點群數據建立幾何表面模型。3三維GIS的數據管理技術從二維GIS轉換到成熟的三維GIS時，數據管理成為熱點問題之一。逼真的三維表示不僅具有多種細節層次的幾何表達，還提供具有相片質感的表面描述如逼真的材質和紋理特征以及其他相關的屬性信息。因此有關紋理與材質參數等也是數據庫的重要內容。大量柵格數據與矢量數據的集成應用導致數據量急劇增加，“海量”一詞則是對此最形象的描述，這里的“海量”是指遠遠超出計算機核心內存容量的數據量。針對三維可視化交互的實時性要求，對海量數據的有效管理與調度已經成為三維GIS的關鍵技術之一。與傳統的二維GIS相比較，三維GIS對數據組織與管理又提出了許多新的更高的要求，如：不同類型數據的一體化管理；

多尺度模型（LOD）的集成應用；

從數據庫到三維虛擬顯示的快速轉換，如必須只在當前的視線范圍內選擇物體（金字塔或是圓錐內）和動態裝載等，都要求新的數據模型和有效的空間索引機制。傳統基于文件與關系數據庫混合的GIS數據庫管理方式由于在數據安全性、多用戶操作、網絡共享及數據動態更新等方面已不能滿足日益增長的需要。現有的對象關系型數據庫管理系統（ORDBMS）雖然還不直接支持三維空間對象，但其在保留關系數據庫優點的同時，也采納了面向對象數據庫設計的某些原理，具有將結構性的數據組織成某種特定數據類型的機制，這使得它不僅能夠處理3D數據的復雜關系，也能將在邏輯上需要以整體對待的數據組織成一個對象，這為三維GIS的海量數據管理提供了一條切實可行的途徑。要滿足三維GIS在線的各種實時應用（包括地理協同操作）需要，一方面要對多種類型多種尺度的三維數據進行精心的組織，以提供高效的數據檢索機制；同時，還需要優化設計現有的各種數據庫管理系統，以提供快速的數據動態存取服務。4三維GIS的數據可視化技術視覺是理解空間最有用的感覺，因此三維GIS在很大程度上也依賴視覺表現提供更為豐富逼真（具有相片質感）的信息，各種用戶結合自己相關的經驗與理解就可以做出準確而快速的空間決策。特別的，三維可視化能使人們只有抽象概念而難以直接感知的空間現象現實化和直觀化，比如剖析地下結構、反演不會重現的歷史過程、推演未來發展、仿真復雜的時空現象（臺風演進、洪水淹沒、大氣污染、核電站泄漏事故影響、噪聲傳播、溫度和風場變化）等，由此能獲得各種超越現實的空間感知經驗。目前，大多數三維GIS的三維能力甚至被認為主要體現在三維可視化功能上，并且是區別于二維GIS最重要的特征之一。突出三維可視化功能的三維GIS在許多場合因此又被稱為“虛擬現實GIS”、“三維可視化GIS”等等（Haklay,2002；張生德和王磊，2001）。三維可視化越來越多地成為GIS（不僅是三維GIS）的終端表現形式，并且被認為是不同背景的用戶進行空間信息交流和視覺分析與空間認知的有效媒介。游雄教授與萬剛博士的“戰場可視化與數字地圖”一文則詳細介紹了三維GIS在軍事領域的應用——戰場環境仿真。與傳統二維GIS固定的視角或視點觀察效果明顯不同，當用戶把視點放在三維空間（特別是透視投影空間）里時，不經意的旋轉縮放和平移操作往往容易導致方位的迷失感，使得迅速定位產生困難。為了既能享受常規二維GIS地圖表示優越的方位感，又能得到三維逼真顯示的真實感和沉浸感，多視點的多模態可視化視圖表示成為三維GIS最典型的界面特點。三維GIS基于數據庫能提供多種形式的交互式三維動態可視化功能，比如，較宏觀的飛越漫游能迅速把握整個空間分布包括地形特征和地物布局，較微觀的穿行漫游則能準確分辨地形的微小變化和地物的明顯特征，而且在運動中能及時更新可見的內容并根據距離遠近以不同的細節或尺度進行表現。在計算機交互式圖形處理中，實時動畫往往要求每秒25-30幀的圖形刷新頻率，也就是說所有的建模、光照和繪制等處理任務必須在大約17微妙的時間內完成。所有這些對數據調度機制和圖形繪制策略都提出了新的更高的要求。數據動態裝載、圖形漸進描繪、多重細節層次（LOD:LevelsofDetail）和虛擬現實表現等因此成為三維GIS可視化的典型技術特征。網絡技術、分布式計算技術和三維可視化技術的飛速發展，為分布式三維GIS技術的實現提供了契機。特別是隨著各種小型化、便攜式的移動計算與顯示設備和無線技術的廣泛使用，三維GIS的分布呈現出多樣化的特點，并正為人們提供日益廣泛的增強現實服務。現有分布式三維GIS主要體現在網上三維可視化方面，并且絕大多數都是基于VRML實現的。而采用Java3D和插件等技術由于支持服務器端的數據庫管理與存取，因此在瀏覽器端可以實現在線空間查詢和分析等操作。三維GIS海量數據的交互式真實感可視化對計算機軟硬件環境也提出了特殊的要求，而且一些先進的圖形卡和工作站已經為此目的問世。除了一般的半沉浸式透視顯示方式以外，沉浸式真三維立體可視化平臺也越來越多地被用于三維GIS系統中。但隨著三維空間信息的普遍可得，越來越多的需求將是利用中低檔的桌面系統達到同樣的目的。因此，大多數研究還是主要針對普通個人計算機處理海量的三維GIS數據，而非SGI這樣大型的專用圖形工作站高端系統，畢竟此類系統還非常昂貴、難于推廣普及。特別值得關注的是中國四維測繪技術北京公司為此專門研制了系列大場景沉浸式真三維可視化硬件平臺，為三維GIS應用提供了雙計算機雙投影儀、單工作站雙投影儀、單工作站四投影儀等不同的配置方案.5三維GIS的數據分析技術隨著對地觀測和計算機技術的發展，空間信息及其處理能力已得到極大的豐富和加強，人們渴望利用這些空間信息來認識和把握地球和社會的空間運動規律，進行虛擬、科學預測和調控。三維GIS在提供三維視覺認知的同時，還提供更深刻的解析的空間分析功能，而缺乏新的三維空間分析方法與功能正是制約三維GIS更廣泛深入的專業化應用的主要瓶頸之一（BettyandSmith，2002）。根據空間分析所處理的對象進行劃分，空間分析方法主要有基于圖形的方法與基于數據的方法兩類。基于圖形的空間分析方法如常規的緩沖區分析、疊置分析、網絡分析、復合分析、鄰近分析與空間聯結等能直接從2D擴展至2.5D乃至3D。由于三維數據本身可以降維到二維，因此三維GIS自然能包容二維GIS的空間分析功能。三維GIS最有特色的也許是其基于三維數據的復雜分析能力，如計算空間距離、表面積、體積、通視性與可視域等。結合物理化學模型提供一些更具增值價值的真三維空間分析功能，如水文分析、可視性分析、日照分析與視覺景觀分析等已成為三維GIS分析研究的重要內容之一，并正積極朝結合屬性數據和其他專題數據開發知識發現的新方法、“面向解決與空間有關的問題”提供定量與定性結合的空間決策支持方向發展。四．空間數據庫在網絡GIS空間數據庫管理技術方面，對象——關系數據庫技術和面向對象的數據庫技術正在逐步成熟起來一成為未來GIS空間數據管理的主要技術。而空間數據倉庫的構建是一個大而復雜的系統工程，它的實現有賴于以下關鍵技術的成熟：快速計算、大容量存儲、空間數據庫的無縫連接、元數據、數據挖掘、空間數據聯機分析處理、服務與互操作等關鍵技術。這些技術也是目前制約網絡GIS發展的關鍵所在，是開發和研究網絡GIS的熱點之一。例如，在海量的分布式空間數據的存儲問題：地理空間分割、語義分割、空間數據庫的聯合、異構分布式數據庫的訪問。GIS的核心是空間數據庫、空間查詢和空間分析。三維空間分析，就是直接在三維空間中進行空