一、 背景及意義
（一）背景
地理信息系統(tǒng)（GeographyInformationSystem）是整個地球或部分區(qū)域的資源、環(huán)境在計算機中的縮影，反映了人們賴以生存的現(xiàn)實世界，是在計算機軟件和硬件支持下，以一定的格式輸入、存儲、檢索、顯示和綜合分析應用的技術系統(tǒng)。
GIS作為計算機和空間數(shù)據(jù)分析方法作用于許多相關學科后發(fā)展起來的一門邊緣學科，由于能及時地抓住當今世界計算機技術飛速發(fā)展，各國政府對地理、資源和環(huán)境信息日益重視這一時代特點，加上許多相關技術(如GPS、DPS、RS等)為它提供了強有力的地理空間信息獲取手段，使得GIS己經(jīng)成為各國政府部門、商業(yè)公司、科研機構和高等院校極為關注的熱點領域。特別是進入20世紀90年代以來，GIS己在全球范圍內(nèi)形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，并將進一步深入到各行業(yè)乃至人們的日常生活之中。
二維地理信息系統(tǒng)始于二十世紀六十年代的機助制圖，今天己深入到社會的各行各業(yè)中，但二維地理信息系統(tǒng)存在著自身難以克服的缺限，它本質(zhì)上是基于抽象符號的系統(tǒng)，不能給人以自然界的三維真實感受。三維地理信息系統(tǒng)是在二維平面的基礎上模擬并處理現(xiàn)實世界上所遇到的三維現(xiàn)象和問題。地理信息三維可視化系統(tǒng)是對具有三維地理參考坐標的空間信息進行輸入、存儲、編輯、查詢、空間分析和模擬的計算機系統(tǒng)。二維地理信息系統(tǒng)與三維地理信息系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別在于數(shù)據(jù)的分布范圍，在于高程是被看成空間數(shù)據(jù)還是屬性數(shù)據(jù)。三維GIS的根本目標是多維時空現(xiàn)象的三維表示。相對于二維GIS而言，三維GIS具有三個顯著的特點：
1、直觀性：直觀性是三維GIS的最顯著的特點，通過三維可視化技術，用戶將得到更好的人機交互接口，更少的訓練時間，以及更多的空間信息。
2、巨大的數(shù)據(jù)量：三維GIS應用通常具有海量數(shù)據(jù)(可達數(shù)百G)，這種巨大的數(shù)據(jù)量使得三維GIS需要得到數(shù)據(jù)庫的有效管理，具有高效的數(shù)據(jù)存取性能。
3、復雜的數(shù)據(jù)結構：三維GIS不是對二維GIS的簡單擴展，三維空間中增加了許多新的數(shù)據(jù)類型，空間關系變得更加復雜。
三維可視化一直以來是虛擬現(xiàn)實、地理信息系統(tǒng)、數(shù)字攝影測量等領域的研究重點。早在八十年代末期，隨著GIS研究與應用的不斷深入，許多研究者開始了三維GIS的研究。早期的研究主要面向地質(zhì)、礦山等特殊應用領域，建立柵格化的數(shù)據(jù)模型和進行一些特殊的空間分析，功能較為單一。K和Masry于1987年開發(fā)了用于礦產(chǎn)資源評估和開采的三維GIS原型系統(tǒng)，這個系統(tǒng)可能是最早的三維GIS系統(tǒng)，具有一些簡單的空間分析能力，如最近點分析等。
隨著計算機技術的發(fā)展，人們己不滿足于一些簡單的三維顯示、查詢等功能，他們要求二維GIS的功能在三維空間得到更好的實現(xiàn)。于是，許多模擬系統(tǒng)開始集成傳統(tǒng)的GIS技術和三維可視化技術(包括虛擬現(xiàn)實技術)，以數(shù)據(jù)庫為基礎，研究海量數(shù)據(jù)的存取和可視化。
三維GIS經(jīng)過十余年的發(fā)展，在許多方面取得了豐富的成果，在一些領域逐漸開始得到應用。在軍事訓練中，它可以用于飛行員模擬駕駛訓練；在作戰(zhàn)指揮方面，它可以用于模擬真實戰(zhàn)場環(huán)境，進行虛擬作戰(zhàn)演習；在外交方面，對于有爭議地區(qū)的邊界劃分，三維虛擬地形則可以消除雙方認識上的分歧；三維城市虛擬景觀則可以為城市規(guī)劃與設計提供最直觀的表現(xiàn)形式，以幫助我們建設更美好的家園；利用地理信息三維可視化系統(tǒng)還可以真實再現(xiàn)人類尚未到達或難以到達的區(qū)域。由此可見，地理信息三維可視化系統(tǒng)的研究有著十分重要的意義。在地理信息技術研究中，從平面紙質(zhì)地圖到電子地圖，從二維到三維，從簡單模擬到虛擬現(xiàn)實，可視化都在其中扮演著非常重要的角色。
目前，國內(nèi)外幾個主要的GIS產(chǎn)品中，包含三維模塊的主要有以下幾個：
（1）ESRI公司推出的ArcGIS不斷擴展了它的三維顯示與分析組件ArcGIS3DAnalyst。該組件提供用戶的功能可以實現(xiàn)基于TIN格式的DEM三維顯示和立體分析，數(shù)字城市的三維顯示、分析與管理，并提供三維建模工具。
（2）ERDAS公司推出的ERDASIMAGINE系列產(chǎn)品是一個包括制圖和可視化核心功能在內(nèi)的影像工具軟件。其擴充的VirtualGIS模塊可以實現(xiàn)實時三維飛行模擬和GIS分析等功能。
（3）VRMap是一個三維可視化平臺，可以在多種編程語言平臺下進行二次開發(fā)。
（4）IMAGIS是一套以數(shù)字正射影像(DOM)，數(shù)字地面模型(DEM)、數(shù)字線劃圖(DLG)和數(shù)字柵格圖(DRG)作為綜合處理對象的虛擬現(xiàn)實管理的GIS系統(tǒng)。提供了三維顯示、數(shù)據(jù)庫查詢以及三維分析等模塊。
（5）CyberCity是專為數(shù)碼城市建設開發(fā)而成的。該軟件的主要特點是基于數(shù)字攝影測量工作站DPW采集的城市三維編碼數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)、CAD數(shù)據(jù)等自動建立三維模型，并具有大范圍海量數(shù)據(jù)三庫一體化管理和無縫三維實時漫游功能，并包含和拓展了常規(guī)GIS的空間信息查詢、表示、分析和決策功能。
但是三維GIS也面臨著一些技術挑戰(zhàn)，許多關鍵技術沒有得到很好的解決。例如，如何自動重構三維GIS數(shù)據(jù)源，如何實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的可視化等。地理信息三維可視化系統(tǒng)的研究對象是三維空間，必須能對與三維對象相關的信息進行建模、表示、管理、操作、分析和決策。因此，對地理信息三維可視化系統(tǒng)進行研究，不是對二維地理信息系統(tǒng)的簡單擴展，而是從空間模型分析到空間數(shù)據(jù)庫的結構直至三維數(shù)據(jù)的可視化，都必須進行系統(tǒng)的研究。
由于專業(yè)空間分析種類繁多復雜且與具體的問題相關，有很大的針對性，同時專業(yè)空間分析的理論方法體系也沒有統(tǒng)一。因此，目前還沒有實現(xiàn)三維GIS軟件與專業(yè)空間分析模型的完全集成。三維GIS與專業(yè)空間分析模型的集成方式主要有以下３種途徑：
（1）三維GIS與專業(yè)空間分析模型的松耦合集成模式。松耦合集成模式也稱外掛式集成，是通過在兩個相對獨立的三維GIS軟件和專業(yè)空間分析模型之間增加數(shù)據(jù)交換接口實現(xiàn)的。其特點是三維GIS與專業(yè)空間分析模型能夠獨立運行，模型可直接從三維GIS數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，并將分析結果存儲在三維GIS數(shù)據(jù)庫中；同時專業(yè)空間分析的相關數(shù)據(jù)和結果可在三維GIS中可視化表達出來。優(yōu)點是開發(fā)費用低、風險小、易實現(xiàn)；缺點是執(zhí)行效率低，只適用于周期較短的情況。
（2）三維GIS與專業(yè)空間分析模型的緊耦合集成模式。緊耦合集成模式也稱內(nèi)嵌式集成，是將一系統(tǒng)的主要功能添加到另一系統(tǒng)中。有兩種實現(xiàn)途徑：一是將專業(yè)空間分析模塊作為一個應用模塊嵌入三維GIS軟件包中，三維GIS在為專業(yè)空間分析提供數(shù)據(jù)的同時還提供圖形顯示功能；二是在專業(yè)空間分析模型中添加三維GIS的一些功能。其特點是功能模塊必須借助于主系統(tǒng)才能運行。優(yōu)點是功能齊全、系統(tǒng)效率高且穩(wěn)定、界面友好；缺點是周期長、造價高。
（3）三維GIS與專業(yè)空間分析模型的一體化集成。一體化集成是三維GIS與專業(yè)空間分析模型集成的最高層次。其實現(xiàn)需要建立在專業(yè)應用模型的理論與實踐、三維GIS軟件環(huán)境較為成熟的前提下，將某一專業(yè)空間分析應用模型作為專門的專業(yè)空間分析工具納入三維GIS環(huán)境，有共同的操作界面和數(shù)據(jù)基礎，從功能上集成了兩者共同的優(yōu)勢。優(yōu)點是集成性和效率較高，缺點就是跨越的方面較多，需要多方人員的密切配合，系統(tǒng)開發(fā)難度大。在三維GIS與專業(yè)空間分析模型集成中，無論是緊耦合模式還是松耦合模式都沒有解決模型的重用性及其與系統(tǒng)的高效集成，且都有一定局限性，需要尋求一種更好的集成途徑解決上述問題。
隨著計算機及相關技術的飛速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)也由單機的系統(tǒng)發(fā)展到網(wǎng)絡、分布式地理信息系統(tǒng)，軟件開發(fā)和系統(tǒng)集成也面臨新的挑戰(zhàn)。在復雜分布式環(huán)境、廣泛的包容性、多源異構條件的驅使下，傳統(tǒng)的系統(tǒng)集成模式開始向構件式軟件開發(fā)模式邁進。
作為構件技術存在的基礎，中間件成為了三維GIS軟件發(fā)展的一個新亮點。一般說來，中間件有兩層含義。從狹義的角度，中間件意指Middleware，它是表示網(wǎng)絡環(huán)境下處于操作系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件和應用軟件之間的一種起連接作用的分布式軟件，通過API的形式提供一組軟件服務，可使得網(wǎng)絡環(huán)境下的若干進程、程序或應用可以方便的交流信息和有效的進行交互與協(xié)同。簡言之，中間件主要解決異構網(wǎng)絡環(huán)境下分布式應用軟件的通信、互操作和協(xié)同問題，它可屏蔽并發(fā)控制、事務管理和網(wǎng)絡通信等各種實現(xiàn)細節(jié)，提高應用系統(tǒng)的易移植性、適應性和可靠性。從廣義的角度，中間件在某種意義上可以理解為中間層軟件，通常是指處于系統(tǒng)軟件和應用軟件之間的中間層次的軟件，其主要目的是對應用軟件的開發(fā)提供更為直接和有效的支撐。
中間件是處于系統(tǒng)軟件和應用程序之間的軟件層，屬于基礎軟件的范疇。按照國內(nèi)對軟件的分類方法，中間件應該歸入支撐軟件。支撐軟件總的作用就是為處于自己上層的應用軟件提供運行和開發(fā)環(huán)境。目前，中間件已經(jīng)與操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)成為基礎軟件的３個主要組成部分。ＩＤＣ將中間件定義為：中間件是一種獨立的系統(tǒng)軟件或服務程序，分布式應用軟件借助這種軟件在不同的技術之間共享資源，中間件位于客戶機服務器的操作系統(tǒng)之上，管理計算機資源和網(wǎng)絡通信。中間件可以屏蔽底層的異構環(huán)境向用戶提供一組接口，用戶之間相互獨立并通過接口與中間件進行通信。當?shù)讓有畔l(fā)生改變時只需要對中間件進行相應的更新，客戶系統(tǒng)便可以繼續(xù)應用。中間件的特點是具有標準的接口和協(xié)議，適用于分布式計算，提供網(wǎng)絡、硬件和操作系統(tǒng)的透明性，能滿足大量應用的需要，能應用于多種硬件和操作系統(tǒng)平臺。
通過融入中間件技術能夠實現(xiàn)三維GIS軟件與專業(yè)空間分析模型的高效集成，提高模型重用率，使有限的專業(yè)空間分析模型和無限的三維GIS應用軟件達到一個靈活的結合，同時也能解決分布式異構環(huán)境下軟件開發(fā)的問題。
（二）意義
科學研究表明，人類所接觸的信息中80％以上是與地理位置相關的，基于真實數(shù)據(jù)的三維虛擬環(huán)境的建立有助于人們更好的接受、理解和分析信息。特別是將虛擬現(xiàn)實技術運用到地理信息系統(tǒng)中以后，二維的、符號化的地理信息系統(tǒng)所面臨的抽象、難以理解、表現(xiàn)方式單一等致命問題將迎刃而解。三維虛擬環(huán)境憑借自然的交互方式、豐富的表現(xiàn)手法、真實的三維場景，在軍事、交通、三維游戲、城市規(guī)劃等領域具有廣闊的市場應用前景。可見，研究GIS數(shù)據(jù)的三維可視化，具有較大的學術價值和應用價值。具體的講，主要有以下幾個方面的應用：
1、三維虛擬戰(zhàn)場環(huán)境
三維虛擬戰(zhàn)場環(huán)境就是利用虛擬現(xiàn)實技術生成的虛擬作戰(zhàn)自然場景。為了能夠“真實地”再現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境，準確的反映作戰(zhàn)區(qū)域的戰(zhàn)場態(tài)勢和各種環(huán)境特征，虛擬戰(zhàn)場環(huán)境除了基本的地形、地貌之外，還需要集成各種地理要素和實體(如：道路、橋梁、建筑等)以構建更加符合真實情況的戰(zhàn)場環(huán)境，為建立三維數(shù)字化戰(zhàn)場提供基礎平臺。
2、仿真訓練和模擬
許多仿真訓練和模擬，如駕駛模擬、飛行仿真、對抗模擬等，由于建造真實訓練環(huán)境費用高、難度大，而且真實訓練危險性很高。利用虛擬現(xiàn)實技術在計算機上構建訓練環(huán)境具有費用低廉、控制靈活、安全性高等特點。大范圍室外虛擬環(huán)境的構建可以為仿真訓練和模擬提供基礎平臺。
3、三維城市數(shù)字規(guī)劃
城市的規(guī)劃往往需要考慮功能、布局、交通、外觀、與周圍環(huán)境的配合等諸多方面的因素。利用三維可視化技術可以將規(guī)劃方案直觀的展示出來，并能進行局部修改、實時交互，既能縮短城市規(guī)劃的時間，又能對各個方案的價值作出比較準確的評估，達到輔助決策的目的。
4、三維游戲和數(shù)字娛樂
自虛擬現(xiàn)實技術產(chǎn)生以來，三維游戲和數(shù)字娛樂就是其重要的應用領域之一。包含豐富細節(jié)信息的逼真虛擬游戲場景，是吸引廣大游戲開發(fā)人員和游戲愛好者的重要原因。因此，三維虛擬環(huán)境快速構建技術在三維游戲和數(shù)字娛樂中有著廣闊的應用前景。
可以預見，三維虛擬環(huán)境的建立和各種實體的嵌入可為其他應用提供良好的交互、展示和決策支持平臺。三維虛擬環(huán)境應用系統(tǒng)的性能和質(zhì)量與基礎平臺的繪制效率、交互性、真實感等有密切關系，因此該項技術有廣泛的應用前景。
專業(yè)空間分析與三維GIS是空間信息處理的兩個主要分支，兩者有區(qū)別也有聯(lián)系。專業(yè)空間分析方法與模型雖已有了很大的發(fā)展，但仍沒有形成統(tǒng)一體系；三維GIS也進入了應用型、智能型時代，專業(yè)空間分析功能與三維GIS的高效集成是完善三維GIS在多源異構環(huán)境中分析決策功能的關鍵。從專業(yè)空間分析模型與三維GIS集成模式的角度出發(fā)，分析了目前結合方式的特點，提出了將新的構件化軟件開發(fā)模式應用于兩者的集成，即中間件技術在三維GIS中應用的研究。通過將各個專業(yè)空間分析模型作為相互獨立的COM組件，不同的三維GIS應用軟件能夠通過接口直接調(diào)用相應的模型，提高了模塊重用率和系統(tǒng)的開發(fā)、運行效率。使用中間件技術意義如下：
（1）縮短投放市場所需時間
時間因素絕對是所有項目的首要問題。自行建立軟件基礎結構耗時長，使用現(xiàn)成的基礎結構軟件則可以將軟件開發(fā)時間縮短25%-50%。如果應用系統(tǒng)每月可帶來100萬美元的利潤或節(jié)省100萬美元的開銷，那么軟件開發(fā)時間縮短的每一個月就相當于在銀行存入100萬美元。
（2）節(jié)省應用開發(fā)費用
只有少于30%的代碼與應用/業(yè)務有關，而其余部分均歸屬于基礎結構！如果使用現(xiàn)成的基礎結構，費用可節(jié)省25%-60%。對于一個200萬美元的項目而言，這意味著將節(jié)省50萬-120萬美元。
（3）減少系統(tǒng)運行開銷
一個不采用商用中間件產(chǎn)品部署的系統(tǒng)，其初期購買及運行費用將加倍。許多大企業(yè)由于采用中間件產(chǎn)品而在硬件及軟件方面節(jié)省了大量的投資。一個200萬美元的項目因此將只需花費100萬，而其中還包括了中間件的投資。
（4）降低失敗率
雖然自行開發(fā)中間件的項目失敗率高達90%以上，可見這種做法是十分危險的。但其結果可能由100%推翻重來，以至于1000%超出預算。
（5）提高投資效率
采用中間件產(chǎn)品既能保護現(xiàn)有投資，又能提高投資效率。通過使用中間件產(chǎn)品，用戶可以建立專有系統(tǒng)以外的應用程序，不但擴展了主機應用，而且還能將主機應用與整體系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接。許多企業(yè)發(fā)現(xiàn)其在兩層客戶機/服務器結構下建立的新的應用系統(tǒng)并不能在Internet上運行，而已被淘汰的應用程序則更適合Internet。采用中間件技術可以恢復被Internet淘汰的應用程序的生命，該費用將大大低于應用程序重新開發(fā)的費用。這筆費用通常會在數(shù)十萬美元到數(shù)億美元之間。
（6）簡化應用集成
使用中間件產(chǎn)品，現(xiàn)有應用程序、新開發(fā)應用程序以及所有其他購買軟件均能實現(xiàn)無縫集成。從而能夠從開發(fā)、投放市場時間兩方面節(jié)約數(shù)百萬美元的開支。
（7）降低軟件維護費用
自行開發(fā)基礎結構成本很高，維護時則更會變本加厲。對于自行開發(fā)的基礎結構，其年維護費可達開發(fā)費用的15%-25%；而應用程序的維護費則達到開發(fā)費用的10%-20%。以一個200萬美元的項目為例，其中120萬用于基礎結構建立，其年維護費為18萬-28萬美元。而購買現(xiàn)成的中間件僅需項目總成本的15%-20%，依購買規(guī)模和供應商的不同還有可能大大低于該價格。
（8）高質(zhì)量
在自行建立中間件的應用系統(tǒng)中，每次將新的應用組件加入系統(tǒng)時，相應的新的中間件模塊被加入到當前的中間件之上。在一個實際的應用系統(tǒng)中，Standish集團發(fā)現(xiàn)其使用了17000個應用接口。而商用中間件產(chǎn)品則具有清晰的接口層次，從而大大降低新系統(tǒng)及原有系統(tǒng)的維護成本。此外，由于商用中間件支持數(shù)百萬的交易吞吐量，其質(zhì)量遠遠高于用戶自行開發(fā)的中間件產(chǎn)品。
（9）保證技術革新
除了需對自行建立的中間件進行維護，還需對其進行技術革新，而這似乎不太現(xiàn)實。而從第三方購買的中間件產(chǎn)品則會隨著其所屬公司對其進一步的投資不端得到增強。采用具有層次接口設計的中間件產(chǎn)品，將能節(jié)省時間和費用。
（10）增強應用程序吸引力
由于中間件提供了一個靈活的平臺，許多新功能、新特性均可以在應用系統(tǒng)中得以建立。
綜上所訴，將中間件技術應用到三維GIS的集成技術框架主要研究將專業(yè)空間分析模型以中間件的方式集成到各個專題應用的三維GIS系統(tǒng)中，稱為三維GIS專業(yè)空間分析中間件。整個系統(tǒng)遵循3層體系結構，在分布式系統(tǒng)中，中間層通過采用中間件技術，屏蔽底層的系統(tǒng)平臺異構和數(shù)據(jù)多源異構。當客戶端進行某項應用操作時，通過接口代理向系統(tǒng)發(fā)出請求，根據(jù)對用戶請求的分析，由中間件管理引擎調(diào)用相應的實現(xiàn)部分在這種開發(fā)模式下，可以提高專業(yè)空間分析模型的重用率，模塊與軟件組合更加靈活且不必考慮平臺的異構性，將大大降低開發(fā)成本和難度。
二、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
（一）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
三維GIS將地理學、幾何學、計算機科學、CAD技術、遙感技術、GPS技術、互聯(lián)網(wǎng)、多媒體技術和虛擬現(xiàn)實技術等融為一體，利用計算機圖形學與數(shù)據(jù)庫技術來采集、存儲、編輯、顯示、轉換、分析和輸出地理圖形及其屬性數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要將這些信息圖文并茂的輸送給用戶，便于分析及決策。三維GIS已經(jīng)在地質(zhì)礦產(chǎn)、土地信息、三維仿真、管線成圖與信息管理等領域大顯身手。三維GIS發(fā)展至今，研發(fā)思路主要有兩條，即從三維可視化向三維GIS的擴展和從數(shù)據(jù)庫角度向三維GIS過渡。在可視化方面，主要集中在地形表面的重建、房屋建筑幾何模型建立等方面。地理信息系統(tǒng)技術從60年代開始以來，經(jīng)歷了30多年的發(fā)展。隨著計算機技術、空間技術和現(xiàn)代信息基礎設施的飛速發(fā)展，GIS作為聯(lián)系三者的紐帶，在國民經(jīng)濟信息化進程中的重要性與日俱增。GIS軟件平臺不斷推陳出新，處于急劇變化和發(fā)展之中。傳統(tǒng)的2D2GIS軟件通過矢量或柵格的方法完成二維陸地表面的成圖和分析。矢量方法接近于傳統(tǒng)的地質(zhì)圖，柵格系統(tǒng)則適用于各種地球物理數(shù)據(jù)及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)等。多年來，地質(zhì)學家一直采用二維地圖產(chǎn)品表示三維地物，地質(zhì)圖、橫斷面圖、示意圖以及專門的幾何結構圖如立體網(wǎng)等。但在某些領域，人們需要分析具有三維坐標的地表面以下的狀況，這種空間關系時常為確定和評價礦產(chǎn)資源、石油資源或污染狀況提供重要的信息。
當前國內(nèi)僅有少量的GIS商品化軟件能進行真三維的分析和顯示，原因在于原來的大多數(shù)軟件都是基于二維的數(shù)據(jù)結構，而要在這些原有軟件的基礎上修改數(shù)據(jù)結構決不是一件容易的事，因此我們可以說，找到一種合適的三維數(shù)據(jù)結構是開發(fā)三維GIS平臺的技術關鍵。近20年來，計算機技術的飛速發(fā)展使生成、顯示和操縱描述3D幾何特征和屬性特征的數(shù)據(jù)結構成為可能，這些3D技術大致可分為兩類：基于面表示和基于體表示。面表示可以分為柵格結構(grid)、三角形不規(guī)則網(wǎng)絡(TIN)、邊界表示(BR)和參數(shù)函數(shù)。它的優(yōu)點在于容易為地層及其構造提供精確的空間描述，特別是構造復雜地帶或巖石斷裂處，便于顯示和更新，不足之處是空間分析較難。體表示將整體細分為大量的體元(voxels)。定義一個大的模型需要大量的體元，因此在數(shù)據(jù)壓縮和檢索上需進行大量的工作。它可以分為3D柵格(array)、八叉樹(octree)、實體結構幾何法(CSG)和四面體格網(wǎng)(TEN)。其優(yōu)點是便于空間操作和分析，便于表示異質(zhì)特征的整個3D分布狀況，但占用存儲空間大，計算速度較慢。
（1）八叉樹結構
在八叉樹結構中，根結點表示一個包含整個目標的立方體，如果目標充滿整個立方體，
則不再分割；反之要分成8個大小相同的立方體，對于每一個這樣的立方體，如果目標充滿它或它與目標無關，則不再分割，否則繼續(xù)將其分成8個更小的立方體，按此規(guī)則一直分割到不再需要分割或達到規(guī)定的層次為止。在八叉樹結構中常用的編碼方法是線性八叉數(shù)編碼(LO)，在此編碼中只存儲實葉結點的地址碼和屬性值，常用的地址碼是Morton碼，其中隱含了葉結點的位置和大小。
（2）四面體格網(wǎng)
四面體格網(wǎng)(TetrahedralNetwork—TEN)是將目標空間用緊密排列但不重疊的不規(guī)則四面體形成的格網(wǎng)來表示，其實質(zhì)是2DTIN結構的3D擴展。在概念上首先將2DVoronoi格網(wǎng)擴展到3D，形成3DVoronoi多面體，然后將TIN結構擴展到3D形成四面體格網(wǎng)。四面體格網(wǎng)由點、線、面和體4類基本元素組合而成。整個格網(wǎng)的幾何變換可以變?yōu)槊總€四面體變換后的組合，這一特性便于許多復雜的空間數(shù)據(jù)分析。同時四面體格網(wǎng)既具有體結構的優(yōu)點，如快速幾何變換、快速顯示，又可以看成一種特殊的邊界表示，具有一些邊界表示的特點，如拓撲關系的快速處理。在實際應用中一個關鍵問題是四面體格網(wǎng)的自動生成。目前研究較多的是柵格算法。基本思想是：將3D空間用3D柵格表示，空間點可以通過矢量用距離變換生成3DVoronoi多面體，再由3DVoronoi多面體轉換到四面體格網(wǎng)。
（3）混合數(shù)據(jù)結構
從以上討論不難發(fā)現(xiàn)，對于八叉樹結構隨著分辨率的提高將成倍增加數(shù)據(jù)量，而且八叉樹結構始終是一種近似表示，但八叉樹結構具有結構簡單、操作方便等顯著優(yōu)點;而四面體格網(wǎng)能夠保存原始觀測數(shù)據(jù)，具有精確表示較為復雜的空間拓撲關系的能力，但結構比八叉樹復雜，在某些場合數(shù)據(jù)量較大。許多學者對八叉樹和體元進行了大量的研究，希望能解決地質(zhì)礦體、地下水分布等問題。后來人們發(fā)現(xiàn)與基于柵格的GIS無法解決一切問題的情況類似，基于體元或八叉樹結構，也無法解決三維現(xiàn)象的所有問題。對于一個開采的礦山，除了礦體之外，還有許多礦井設施，有通風管道，有運輸線路、有開采井道等等。用體元來表達精度是遠遠不夠的，而且用體元表達還無法進行各種巷道之間的拓撲關系分析，所以最近人們開始了三維矢量數(shù)據(jù)模型的研究。最終結果可能是設計一種體元與三維矢量并存的系統(tǒng)，這樣就產(chǎn)生了混合數(shù)據(jù)結構。我們可以預測，隨著計算機軟、硬件技術的飛速發(fā)展，人們必然能夠找到一種適合三維GIS的三維數(shù)據(jù)結構。
2、國外著名的三維GIS軟件概述
在地理信息系統(tǒng)的建設過程中，地理信息系統(tǒng)軟件的發(fā)展具有舉足輕重的作用，一些發(fā)達國家如美國，投入大量資金發(fā)展地理信息系統(tǒng)軟件產(chǎn)業(yè)。目前我國外來的GIS軟件主要有：ARC?INFO、ERDAS、GRASS、GIST、MGE、EPPL7、IDRISI、PCI和MAP?INFO等。
（1）GRASS
地理資源分析支持系統(tǒng)(GeographicalResourceAnalysisSupportSystem，簡稱GRASS)，是美國軍用工程公司建筑工程研究所與美國土壤保持部、土壤管理局、環(huán)境保護局等11個部門聯(lián)合，為滿足資源與環(huán)境等領域中多方面需要而研制的一套基于微機的多功能地理信息系統(tǒng)軟件工具。GRASS采用矢量結構、柵格結構、點結構、影像像元結構和屬性數(shù)據(jù)庫5種數(shù)據(jù)結構。矢量、柵格及點結構可以相互轉換，屬性數(shù)據(jù)庫與圖形數(shù)據(jù)緊密相聯(lián)，多種數(shù)據(jù)結構用于存儲管理不同類型的數(shù)據(jù)，使管理方便靈活，支持系統(tǒng)多種功能的高效實現(xiàn)。GRASS的主要功能有：
顯示功能。包括二維與三維顯示、縱剖面、直方圖、餅狀圖表、統(tǒng)計曲線、屏幕內(nèi)容的硬拷貝；
基于柵格的分析功能。包括疊置、篩選、完整的數(shù)學計算功能、鄰域分析、測算、聚類分析、輸入?輸出、視線分析、成本分析、旋轉、矢量化轉換、掩膜分析、再分類、網(wǎng)絡流分析、壓縮格網(wǎng)、高程變換；
基于矢量的分析功能。包括數(shù)字化、編輯、標注、測算、輸入?輸出、顯示、完整的拓撲相關分析、柵格化數(shù)據(jù)、柵格生成、等高線標注；
圖像數(shù)據(jù)與處理功能。主要用于處理Landsat的MSS、TM多光譜圖像、SPOT及高緯NHAP圖像。
目前GRASS的技術人員正著手新的開發(fā)研究，包括：多重屬性的生成、存取，高效的子圖區(qū)域查詢，空間與DBMS的混合查詢，三維數(shù)據(jù)庫，X界面，浮點數(shù)據(jù)，神經(jīng)網(wǎng)絡，數(shù)字的自動化實現(xiàn)。未來的GRASS還渴望在并行處理、數(shù)據(jù)存取的網(wǎng)絡服務、實時三維圖像顯示、全球數(shù)據(jù)庫、柵格數(shù)據(jù)的編輯、完整的矢量運算、基本的DBMS與GRASS連接等功能方面有所突破。
（2）MGE
模塊化地理信息系統(tǒng)(MGE)是一個兼有矢量和柵格數(shù)據(jù)結構以及矢量、柵格分析運算功能，及具有面向對象分析操作功能的地理信息系統(tǒng)。同時它也是一個遙感圖像運算處理、地圖制圖系統(tǒng)。它是美國INTEGRAPH公司開發(fā)的。MGE建立在著名的CAD軟件平臺MICROSTATION上，由20多個模塊組成，MGE可根據(jù)用戶應用需要任意選擇各種模塊組合。用戶可通過多種開發(fā)工具進行二次開發(fā)。MGE的主要功能有：
GIS的空間分析。包括：(a)GIS的傳統(tǒng)分析，CAD圖形的分析；關系數(shù)據(jù)庫的標準查詢，矢量拓撲分析；拓撲空間的重疊分析、重疊運算。(b)MGE分析：生成拓撲文件、建立空間查詢結果；進行圖素分區(qū)、區(qū)域合并、區(qū)域布線、提供查詢報表并輸出分析生成的結果。(c)MGE網(wǎng)絡分析：為用戶提供創(chuàng)建、管理、顯示和分析多層空間網(wǎng)絡數(shù)據(jù)；方便快速的矢量轉換使數(shù)據(jù)可同時進行GIS矢量分析和空間網(wǎng)絡分析；還可將其它GIS軟件的柵格數(shù)據(jù)轉換成MGE柵格數(shù)據(jù)，并參與MGE的矢量分析；
MGE圖像處理。對各種磁帶數(shù)據(jù)讀入、顯示和管理；圖像的復原和校正;圖像的精度處理和光譜增強及多光譜分類；
MGE地形建模。提供完善的三維建模生成工具，成熟的繪圖計算，復雜表面的顯示技術，以及模型編輯工具；同時對三維空間信息進行處理、顯示并生成等高線及坡度、坡向等信息。
（3）PCI
PCI是加拿大PCI公司開發(fā)的用于圖像處理、幾何制圖、GIS、雷達數(shù)據(jù)分析以及資源管理和環(huán)境監(jiān)測的多功能軟件系統(tǒng)。PCI不僅可用于衛(wèi)星和航空遙感圖像的處理，還可以應用于地球物理數(shù)據(jù)圖像、醫(yī)學圖像、雷達數(shù)據(jù)圖像、光學圖像的處理。其應用領域還包括石油天然氣勘探，林業(yè)、農(nóng)業(yè)、土地資源調(diào)查評估與管理，自然災害自動監(jiān)測、測繪、環(huán)保、城市規(guī)劃、鐵路交通、大規(guī)模管道工程設計、沙漠治理、工程建議、氣象預報、醫(yī)學光片解析、光譜分析、雷達數(shù)據(jù)分析等。
PCI包括常規(guī)處理、幾何校正、大氣校正、多光譜分析、高光譜分析、攝影測量、雷達分析、極化雷達分析、地形地貌分析、矢量應用、神經(jīng)網(wǎng)絡分析、區(qū)域分析、GIS連接、正攝影像圖、三維圖像生成、豐富的可供二次開發(fā)調(diào)用的函數(shù)庫、制圖、數(shù)據(jù)輸入輸出等400多個軟件包。PCI也支持由GPS輸入的地面控制點，支持24種USGS地圖標準。PCI包括一個Fly模塊，它是一個全方位可視的準實時三維“圖像飛行”軟件包。
3、中間界技術
最早具有中間件技術思想及功能的軟件是IBM的CICS，但由于CICS不是分布式環(huán)境的產(chǎn)物，因此人們一般把Tuxedo作為第一個嚴格意義上的中間件產(chǎn)品。Tuxedo是1984年在當時屬于AT&&T的貝爾實驗室開發(fā)完成的，但由于分布式處理當時并沒有在商業(yè)應用上獲得像今天一樣的成功，Tuxedo在很長一段時期里只是實驗室產(chǎn)品，后來被Novell收購，在經(jīng)過Novell并不成功的商業(yè)推廣之后，1995年被現(xiàn)在的BEA公司收購。盡管中間件的概念很早就已經(jīng)產(chǎn)生，但中間件技術的廣泛運用卻是在最近10年之中。BEA公司1995年成立后收購Tuxedo才成為一個真正的中間件廠商，IBM的中間件MQSeries也是90年代的產(chǎn)品，其它許多中間件產(chǎn)品也都是最近幾年才成熟起來。國內(nèi)在中間件領域的起步階段正是整個世界范圍內(nèi)中間件的初創(chuàng)時期。東方通科技早在1992年就開始中間件的研究與開發(fā)，1993年推出第一個產(chǎn)品TongLINK/Q。可以說，在中間件領域國內(nèi)的起步時間并不比國外晚多少。
中間件的主旨是簡化分布系統(tǒng)的構造，其基本思想是：抽取分布系統(tǒng)構造中的共性問題，封裝這些共性問題的解決機制，對外提供簡單統(tǒng)一的接口，從而減少開發(fā)人員在解決這些共性問題時的難度和工作量。在構造分布系統(tǒng)的過程中，開發(fā)人員經(jīng)常會遇到網(wǎng)絡通信、同步、激活/去活、并發(fā)、可靠性、事務性、容錯性、安全性、伸縮性、異構性等問題。中間件正是輔助應用開發(fā)者解決這些問題的軟件系統(tǒng)，一般提供如下功能：
（1）通信支持
大多數(shù)基于中間件的系統(tǒng)包含有分布式操作，也就是說，系統(tǒng)需要于其它分布式服務或系統(tǒng)進行交互。現(xiàn)代操作系統(tǒng)一般提供一組網(wǎng)絡操作的編程接口（如套接字），中間件則提供通信支持以屏蔽這組底層、復雜的接口。基于中間件的應用分布式交互主要包括遠程過程調(diào)用（RemoteProcedureCall，RPC）和消息兩種方式。
遠程過程調(diào)用允許一個應用程序（稱為客戶端）調(diào)用另外一個應用程序（稱為服務器）提供的服務，而在客戶端源程序中寫法與普通的過程調(diào)用相同。遠程過程可以與客戶端運行在同一臺計算機上，也可以是通過網(wǎng)絡連接的其它計算機上。因此，提供遠程過程調(diào)用的支持，事實上需要中間件完成數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡編程的功能。中間件負責使用操作系統(tǒng)提供的編程接口完成網(wǎng)絡連接的建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘鹊讓印碗s和容易出錯的工作，而對上層系統(tǒng)只提供非常簡單的編程接口或編程模型。
與遠程過程調(diào)用固有的同步方式不同，消息提供異步交互的機制。一類應用（稱為消息的生產(chǎn)者）只在將產(chǎn)生的消息放入某個消息隊列或主題中之后，并不等待而是繼續(xù)執(zhí)行下去；而另一類應用（稱為消息的消費者）則得到通知并從消息隊列或主題中取出消息進行處理。
（2）并發(fā)支持
分布式應用系統(tǒng)一般需要具有較強的處理能力，也就是說，系統(tǒng)可以處理很多的客戶請求。為盡量利用硬件的計算能力，一般系統(tǒng)實現(xiàn)時采用并發(fā)技術（如多進程或多線程），對多個客戶請求同時進行處理。但并發(fā)技術的使用是一個復雜而且容易出錯的過程：并發(fā)執(zhí)行的程序單元之間可能會互相影響、競爭資源，也可能會產(chǎn)生系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的不一致。因此，應用程序使用并發(fā)技術后，其自身復雜度會有很大提高。中間件為應用系統(tǒng)提供并發(fā)支持，是指提供一種“單線程”或“單進程”的編程模型，開發(fā)者在開發(fā)系統(tǒng)時，無需考慮并發(fā)對程序的影響，可以假設程序是串行執(zhí)行的，從而極大的簡化了程序開發(fā)和維護的復雜度，也減少了程序出錯的可能性。
（3）公共服務
公共服務是對應用中共性功能或約束的抽取。中間件提供一個或一組公共服務，供系統(tǒng)使用，這組公共服務不特定于某一種或某一類系統(tǒng)；應用系統(tǒng)在實現(xiàn)和運行時直接使用這些公共服務。公共服務的好處在于一方面將應用中的共性抽取出來由中間件實現(xiàn)，減少了系統(tǒng)開發(fā)的工作量；另一方面使得應用開發(fā)者更能關注業(yè)務功能的需求、設計和實現(xiàn)，有助于提高軟件質(zhì)量。不同中間件中提供的公共服務有可能存在差別，其中主要的公共服務包括：名字和目錄服務，提供動態(tài)的查找功能，應用系統(tǒng)可以在運行時刻按照名字或目錄查找需要使用或進行交互的其它系統(tǒng)或系統(tǒng)組成部分。事務服務，提供對應用操作事務性的保證，包括聲明型的自動完成事務的啟動、提交或回滾，和編程型的事務接口由應用程序控制事務流程。另外，很多中間件還提供分布式的事務支持。安全服務，從通信、訪問控制等多個層次上保證應用系統(tǒng)的安全特性。持久化服務，提供一種管理機制，應用系統(tǒng)可以管理其持久化的數(shù)據(jù)。例如，在基于面向對象方法設計和實現(xiàn)的系統(tǒng)中完成對象——關系映射，將對象存儲到關系型數(shù)據(jù)庫中。
基于構件的軟件復用方法經(jīng)過多年的研究與實踐，得到了廣泛的認可。中間件技術更是在實現(xiàn)層次直接支持構件的部署和運行。由于面向對象技術具有對構件的自然支持，因此，對象中間件正在或已經(jīng)發(fā)展成為構件中間件。
（三）發(fā)展趨勢
3D地形數(shù)據(jù)以項目管理的方式管理，適合于大數(shù)據(jù)量的地形生成；GcoNova的DILAS支持多細節(jié)層次的3D建模、基于Omcle對象關系數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)管理與存儲、基于XML的處理規(guī)則和基于web的地學信息服務等。國內(nèi)．適普公司的IMAGIS具有較強的三維造型功能：靈圖公司的VRMap在三維視覺上較有優(yōu)勢；吉奧公司的CCGIS接受攝影測量的數(shù)據(jù)格式并進行三維虛擬環(huán)境建模，支持海量數(shù)據(jù)的管理、大范圍漫游與可視化、三維模型的分析與應用。由于三維空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量非常龐大，三維空間目標具有較復雜的空問關系。在二維平面上顯示三維空間數(shù)據(jù)存在局限，且三維GIS在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)組織與管理、數(shù)據(jù)運算、空間查詢與分析、系統(tǒng)建立、可視化等方面都有待進一步研究。總結起來，主要有以下問題困擾三維GIS的研究與實現(xiàn)：
1)缺乏實用的三維數(shù)據(jù)模型；
2)缺乏有效的三維數(shù)據(jù)組織與管理方法；
3)多尺度三維可視化表現(xiàn)缺乏深入研究；
4)---維數(shù)據(jù)獲取與處理困難；
5)--維拓撲關系與空間分析研究滯后；
6)三維可視化交互與人機協(xié)同的研究不夠。
目前，真正的三維GIS軟件還較少，現(xiàn)有的軟件也只能完成顯示和進行簡單的分析。GIS數(shù)據(jù)的分析和處理，隨著存儲器容量的增加，CPU功能的增強，顯示設備的改進將有進一步增強。各個國家都在強化空間數(shù)據(jù)標準，這將迫使GIS軟件廠商支持這些國家標準，并開始增加空間數(shù)據(jù)描述信息(Metadata)的處理功能。隨著三維GIS的發(fā)展，將會出現(xiàn)4D2GIS，即在三維的基礎上加上時間序列。例如地質(zhì)學家想對某一時刻的所有地質(zhì)條件或某一時間段內(nèi)的平均地質(zhì)條件進行評價，他們想獲得“a時刻的值”或“從時間b到時間c這段時間內(nèi)的值”。大部分地質(zhì)特征和條件的變化是緩慢的，但并不都如此。例如水災、地震、暴風雨以及滑坡等都會使局部地質(zhì)條件發(fā)生快速而巨大的變化。為充分滿足需要，這種時間數(shù)據(jù)獲取能力應該與3D模型相結合。地質(zhì)學家對4D(立體3D加上時間第4D)的空間2時間模型尤感興趣。這些問題的徹底解決，則需要在三維GIS技術成熟之后，再發(fā)展成為四維GIS。
作為項目支持的中間件技術。首先，中間件越來越多地向傳統(tǒng)運行層（操作系統(tǒng)）滲透，提供更強的運行支撐，特別地，分布式操作系統(tǒng)的諸多功能逐步融入中間件，如，在CORBA和RMI中，中間件往往以類庫的形式被上層應用主動地載入應用運行空間，與之相反，在CCM和EJB中，中間件是獨立的運行程序，負責裝載上層應用并為之提供運行空間。此外，基于服務質(zhì)量的資源管理機制以及靈活的配置與重配置能力也是目前的中間件研究熱點。其次，應用軟件需要的支持機制越來越多地由中間件提供，中間件不再局限于提供適用于大多數(shù)應用的支持機制，那些適用于某個領域內(nèi)大部分應用的支持機制（這些機制往往無法在其它領域使用）也開始得到重視。如在最新的CORBA規(guī)范中，增加了對實時應用和嵌入式應用的支持，而特定于無線應用的移動中間件、支持網(wǎng)格計算的中間件也是目前的研究熱點。其三，中間件也開始考慮對高層設計和應用部署等開發(fā)工作的支持，如，CORBA和RMI提供了支持基于構件的軟件開發(fā)的CCM和EJB構件模型，J2EE提出了包括構件開發(fā)、構件組裝、應用部署等在內(nèi)的基于構件的軟件開發(fā)過程模型，OMG提出的模型驅動體系（Model-DrivenArchitecture）則考慮如何利用UML更有效地開發(fā)基于中間件的應用系統(tǒng)。對于目前的AOP（AspectOrientedProgramming），中間件由于其封裝的共性特征及其動態(tài)配置能力，成為支持側面動態(tài)編織的主流支撐平臺。
由此推知，隨著計算機與空間技術的進步與發(fā)展，GIS將由各自分開獨立的系統(tǒng)走向兼容與集成；從二維走向三維和四維，從單機走向網(wǎng)絡，并最終走向社會和家庭。