三维GIS在数字城市建设中的应用
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摘要：当今社会中数字城市建设已成为当前城市信息化建设的主要目标。本文从数字城市概念和当前我国的数字城市建设出发，继而阐述了三维GIS在数字城市建设的作用，基本模型框架及关键技术。三维GIS是全面推进数字城市建设、城市信息资源共享、提升信息资源应用价值的有效途径之一。
关键词：三维GIS数字城市城市规划
引言：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。数字城市建设已成为测绘领域一个重点研究对象，城市三维信息系统的建设必将成为数字城市系统建设的主要内容之一，它将利用城市现有的空间地理信息、政务信息等信息资源和通讯基础设施，通过城市建模和三维景观可视化，实现城市真实三维景观再现，为电子政务、业务应用和公众服务搭建3DGIS服务平台。
1.三维GIS概述
1.1 三维GIS的定义
从不同的角度出发，GIS有三种定义：①基于工具箱的定义，认为GIS是一个从现实世界采集、存贮、转换、显示空间数据的工具集合；②数据库定义，认为GIS是一个数据库系统，在数据库里的大多数数据能被索引和操作，以回答各种各样的问题；③基于组织机构的定义，认为GIS是一个功能集合，能够存贮、检索、操作和显示地理数据，是一个集数据库、专家和持续经济支持的机构团体和组织结构，提供解决环境问题的各种决策支持。
1.2 三维GIS的特点
在三维GIS中，空间目标通过X、Y、Z三个坐标轴来定义，它与二维GIS中定义在二维平面上的目标具有完全不同的性质。三维空间数据库是三维GIS的核心，三维空间分析则是其独有的能力。与功能增强相对应的是，三维GIS的理论研究和系统建设工作比二维GIS也更加复杂。
1.3三维GIS的功能
基于二维GIS的发展状况和从空间信息集成的需求角度来讲，笔者个人认为，三维GIS除了具备二维GIS的传统功能以外，还应该具有如下独有的功能：
①包容一维、二维对象
三维GIS不仅要表达三维对象，而且要研究一维、二维对象在三维空间中的表达。将一维、二维对象置于三维立体空间中考虑，存储的是它们真实的几何位置与空间拓扑关系，这样表达的结果就能区分出一维、二维对象在垂直方向上的变化。
②可视化2.5维、三维对象
三维GIS的首要特色是要能对2.5维、三维对象进行可视化表现。三维对象的几何建模与可视表达在三维GIS建设的整个过程中都是需要的，这是三维GIS的一项基本功能。
③三维空间DBMS管理
三维GIS的核心是三维空间数据库。它可能由扩展的关系数据库系统也可能由面向对象的空间数据库系统存储管理三维空间对象。
④三维空间分析
在二维GIS中，空间分析是GIS区别于三维CAD与科学计算可视化的特有功能，在三维GIS中也同样如此。空间分析三维化，也就是在直接在三维空间中进行空间操作与分析，连同上文述及的对空间对象进行三维表达与管理，使得三维GIS明显不同于二维GIS，同时在功能上也更加强大。
⑤应能及时受益于现代数据获取方法的进展和大数据量处理技术的发展
目前，由于科技水平的限制，人类获取地学三维数据的能力的弱小是阻碍三维GIS迅速发展的一个重要原因。因此现时的三维GIS设计与开发应充分考虑未来三维地学数据获取能力的提高，以便及时受益于现代数据获取方法的进步。
2.三维GIS与数字城市建设
世界的本原是处在三维空间中的，城市三维现在已成为当前三维GIS中研究与开发的一个重要方面。信息化目前正成为社会发展的主流，城市作为信息存在与传播的主体，理所当然地也成为三维GIS表达的一个重要对象。
空间分析能力在二维GIS中就比较薄弱，目前大多数的GIS都不能做到决策层次上来，只能作为一个大的空间数据库，满足简单的编辑、管理、查询和显示要求，不能为决策者直接提供决策方案。因此，研究开发GIS的基本空间分析及将各领域的专家知识入嵌入GIS中，是三维GIS发展的一个重要方面。
2.1数字城市的基本框架
数字城市有一个基本的框架，主要由三大部分组成：
1）数字城市建设的信息支撑技术。主要有遥感技术、全球定位系统(GPS)、地理信息系统技术、城市综合功能GIS技术、数字城市的管理信息技术、虚拟技术、数据库建设技术、元数据和宽带网络等，应用这些技术可以实现城市空间数据的获取、分析、归纳与整合。
2）数字城市建设的基本内容。首先，建立由城市空间基础信息平台、城市综合信息平台和城市电信基础平台组成的核心系统，达到共享和支持。其次，建立应用系统，它们是数字城市发挥作用的根本。第三，网络与信息接入设备，它们是数字城市应用的前端，直接面向最终用户。第四，政策法规与保障体系，它数字城市建设及运行提供法律、经济、标准、组织和管理等方面的保障。
3）数字城市的服务对象。包括政府、企业、社会和公众四大类。
2.2三维GIS技术在城市总体规划中的应用
城市区域三维GIS将以GIS为核心的技术应用于城市三维海量空间数据的存储与管理，进行各类城市三维空间数据的综合显示与融合分析，并且在此基础上进行多种专业分析与相关三维信息的网络发布，从而为城市指定科学的、合理的发展规划及管理提供基础资料和决策依据。基于三维GIS的城市总体规划信息管理系统，不仅具备一般的MIS系统的报表和统计功能，而且还具有空间分析功能，用户可根据不同的要求来对城市信息进行分类统计，构建相应的土地利用专题，直观的了解城市规划的总体情况。城市总体规划中涉及到的土地的空间特征和属性特征处于不断的变化之中，三维GIS技术可以成为土地数据管理、更新、评价的有力工具，可以建立覆盖整个行政区域的数字高程（DEM）模型，通过DEM与航空摄影资料的合成建立起三维立体旋转景观模型，使得修订城市总体规划更具有现实性和科学性。
系统应能将城市地上的建筑、道路、水系、管道及地下构筑物等景观内容利用现有的资料在三维场景中展现出来，并且可针对城市地质的特性将城市地质勘查资料揭示结果在三维空间中综合起来，重现地下地质界面和地质体的空间形态和组合关系，重建三维地质构造形态模型，并将地上、地下的三维模型用三维可视化技术生动地表现出来，从而实现地上、地下复杂空间结构与位置关系的表达、分析。系统可以利用空间分析和数据挖掘技术支持复杂问题的决策研究。
三维城市规划还将在实施漫游的基础上实现对各种信息进行集成与分析的基本功能，具体来说具备以下几种主要功能：实现各种信息的二维查看、查询和测量等一系列功能；实现二维与三维的交互性查看、漫游。利用数据模型的一些特点进行相应的加工处理，要实现数据库与模型库的对应关系，同时要实现对各种信息的查询、调用、分析和处理，就必须利用GIS及相关工具建立一个高效率的数据库，并使之具备对信息进行搜集、分析、处理和更新的功能，将数据库中的信息与实施场景中的模型进行绑定，从而达到对各种信息的即查即用，实现丰富的查询和分析、决策功能。
3 结束语
三维GIS是物质城市在数字网络空间的再现和反映，是以空间信息为核心的城市信息系统体系。它将地理信息技术、数字化技术和网络技术渗透到城市经济和社会生活的各个方面，为政府部门、企业、社区、公众提供多层次、高质量、高效率的信息服务及决策支持，以提高城市和社区建设与管理的现代化水平和效率，提高人们的生活质量。目前，我国以“数字城市”为目标，面向城市可持续发展的全数字化信息系统建设正在探索中，全国已有100多个城市陆续展开各自的数字城市建设计划。
三维GIS是数字城市的重要基础空间信息。三维城市的建立能够全方位地、直观地给人们提供有关城市的各种具有真实感的场景信息，构建出一个真实、直观的虚拟城市环境，为城市管理者面对复杂的城市，实施科学的、人文的、生态的规划，提供有力的决策手段。由于城市规划的关联性和前瞻性要求较高，城市规划一直是三维可视化技术应用的主要领域，建立基于影像的城市三维系统，构建真实、准确的虚拟城市场景，实时互动地评估与分析规划方案，为城市规划的决策提供更加直观与科学的依据，这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的，是当今城市规划信息化发展的重要方向。
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