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文檔簡介
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發布以來,三維應用系統很快得到業界青睞,但同 時也有很多質疑其“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發布以來,三維GIS得到業界廣泛關注,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, 命名為某某Globe
2、或某某Earth的三維可視化軟件就達數十個。在 這種大趨勢下,超圖公司也開發了一個類似的三維可視化軟件。基于 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,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 用系統很快得到業界的青睞。然而短短幾年后,業界開始不滿足于“面子工程”或“花架子”的三 維可視化效果,并對三維GIS的實用性產生懷疑,三維GIS的發展 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?新技術光環曲線三維GIS作為一種高新技術,要理清其技術和應用發展規律不是 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 用光環曲線(Hype Cycle)來表示各項新技術發展的生命周期。在 光環曲線中,以技術應用成熟度為橫軸,顯現度為縱軸,新技術的發 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平臺軟件技術光環曲線Gartner定期發布主要信息技術的光環曲線,為業內相關從業者 提供決策參考。Gartner發布的2009年新興技術光環曲線圖中,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月發布的新興技術的光環曲線組件式GIS、空間數據庫技術、服務式GIS和云GIS都是GIS結 合信息技術的產物。組件式GIS和空間數據庫已經進入成熟期,經 歷了近十年的發展,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,基于 服務式GIS的應用開發將成為主流的GIS應用開發方式,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,也處于光環曲線中相去甚遠的位置。歷經了四 十余年的發展,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已經突破最初的測繪和地學的行業范疇,發展成為跨行業通用的平臺軟件技術
8、,廣泛應用于政府信息化和企業信 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 垂直行業應用開發的三維GIS也達到光環曲線的過熱期頂點。而四 年以后的今天,盡管大量三維GIS應用案例不斷涌現,但部分應用 單位開始對三維GIS的價值質疑,三維GIS的顯現度有所下降,開 始進入低谷期。三維GIS必須突破的瓶頸按照正常的光環曲線,部分新技術會經過若干發展階段,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 應用發展,需進一步降低三維數據獲取成本和突破三維GIS軟件技 術。可接受的數據獲取成本是三維GIS大范圍推廣應用的重要前提條 件之
11、一。三維數據采集的經濟代價和時間代價一度很高,但近年來隨 著各種三維數據采集手段的快速發展,三維數據獲取成本已經開始降 低,周期也越來越短。在未來幾年內,還要在保證一定的數據精細度 前提下,繼續降低三維數據獲取成本。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:數據獲取/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 據模型。目前,二維GIS已經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應用開發商已經注意到這個問題,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 的方式開發應用系統,推進了三維GIS技術的應用深度。但是,擁 有優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,二者在數據模型、數據結構和系統架構上都不
13、一致,以至于應用系統 的二維和三維部分貌合神離,甚至同樣的數據要在兩種軟件中分別存 儲一份,不僅增加了數據冗余,而且增加了數據更新維護的代價。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 可比擬的優勢,但在相當長時間內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、更綜合的優點,在部分應用中也需 要忽略真實細節呈現關鍵信息,此時二維就可能比三維更合適。因此, 發展二三維一體化的GIS軟件,而不是獨立的三維GIS,才是GIS 軟件未來的發展方向,也是三維GIS技術發展的出路。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 數據來源于紙圖數字化,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展了多種多樣的投影,這些投影無疑增 加了集成各種數據的難度,也增加了 GIS軟件的復雜程度。盡管GI S已經發展為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,而今大量的數據采集已經不 是來自紙圖數字化了,然而十分遺憾的是,發展了四十多年的GIS 軟件仍然在延續著紙空間的習慣。既然新產生的地理信息數據多數不 再來源于紙圖數字化,既然計算機軟件的表達方式已經遠遠超越紙圖 的表達
16、能力,那么二維GIS為何還要繼續局限于紙空間的呢?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二三維一體化體現在:a)二維與三維在數據模型和數據 結構上保持一致,所有的二維數據無須任何轉換處理,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據同步,不僅需要三維 GIS兼容二維的數據結構,同時在GIS基礎軟件研發時,二維GIS
17、 軟件底層數據結構也要做適當的調整以實現海量二維數據在三維場 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支持用關系數據庫一體化存儲二維與三維數據, 即空間數據庫的一體化。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、三維網絡分析等等。未來的Realspace GIS還應實現地下、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, 不利于進一步發展。另外,關于Realspace GIS還要避免幾個誤區:“Realspace GIS是一個單獨的產品”。Realspace GIS不是單 獨的產品,而是一個技術體系,是一種在桌面GIS、組件式GIS和 服務式GIS等多種產品形態中都存在的
19、技術體系,設計成獨立的產 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產品或許在可視化效果方面不 能立即趕上現有的虛擬現實軟件或三
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新內核的、與二維一體化 的、面向管理的三維GIS平臺軟件研發,并計劃將該技術集成到Su perMap GIS 6R中發布。在規劃產品時,我們認為不應該研發獨立 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軟件形態中都存在,只有這 樣才能實現“實力派”與“偶像派”的真正統一,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,實現二維與三維 數據管理的一體化,解決了以往兩套系統、兩套數據的缺陷,降低了 系統的成本和復雜度;采用同樣的符號庫、填充庫、線型庫,實現了 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 現了聯動編輯和編輯的一體化;采用統一的空間査詢和分析模塊,實 現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 分析、疊加分析、網絡分析和專題圖分析等;采用統一的工作空間、 圖層、圖例管理、專題圖構建方式,實現表現方式的一體化。SuperMap GIS 6R的Realspace GIS技術已經在部分項目中 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和大型關系數據 庫建成的全國“一張圖”本地數據庫中,空間數據達到45TB,其二維 版系統于200
23、9年1月通過專家驗收。在后續三維版本應用系統開發 試驗時,無須重新處理原有建成的45TB海量二維空間數據庫,直接 將基于SuperMap SDX+空間數據庫技術管理的海量影像和矢量數 據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 間數據庫后還要經過處理重新制作一份用于三維可視化的二維數據, 需要多占用龐大的冗余存儲空間和幾個月的數據處理時間,不可能在 短時間內完成開發工作。除此以外,Realspace還在房產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了 Realspace GIS的一部分價值,隨著SuperMap GIS 6R的發布和應用推廣,更多的應用價值會逐步 體現出來。SuperMap GIS三大技術體系自此,Sup
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