1引言
随着当前社会的进步，经济的发展，城市人口急速增加，人们对地下空间的开发利用水平也在不断提升，但是由于地下空间具有难恢复，难开发的特点，需要对其地质环境，岩石构造等地质信息情况进行详细的分析了解，再现三维地质信息，以直观有效的对工程进行规划，设计，规避风险等。因此传统的二维GIS对地下空间探索的应用已经无法满足人们的需求，人们在二维GIS的基础上发展三维GIS以此进行三维地质建模。通常情况下，能够为地质建模提供的资料主要是钻孔数据，地质剖面图，等高线数据等。随着计算机的发展进步，三维GIS在地下工程的应用技术和方法理论也是越来越成熟，为地下空间的可持续发展提供新的技术及理论支持。然而三维GIS技术远远比二维GIS复杂，因此三维GIS在目前仍处于探索发展阶段[1]。
2三维GIS的研究进展
上世纪60年代，第一个地理信息系统（GIS）在加拿大被开发，随后，大批专家、学者对其进行了研讨，GIS得到了快速的发展并且被应用于各个领域行业，到如今二维GIS的应用已经成熟。随着计算机与数据库理论技术的不断发展及二维GIS应用领域的不断深入，以往的二维GIS管理系统会因为平面显示范围而受到局限，无法表达三维实体的内部属性，为了打破这种局限，使GIS能够更好的为人类服务，人们在二维GIS技术的基础上发展了三维GIS，三维GIS有自己特有的优势，它能够有效地描述和模拟三维现实世界，进行一些三维空间分析计算，并融合虚拟现实等技术进一步提升地理信息表达。中地数码的MapGIS－TDE等等[2]。通过对各个三维GIS软件的功能及应用的分析，得出目前三维GIS研究的技术问题在于三维空间数据、三维模型及空间分析、三维可视化的表达等方面[3]。
3三维空间数据模型
为了对关于地球的各个地理要素进行科学管理、分析、模拟、预测，GIS必须将地理实体和现象的位置、形态、分布特征及属性等记录下来，并储存到计算机上。但空间对象的形态大都是极不规则的，信息量很大。GIS需要将空间对象抽象成点、线、面、体及其相关组合等多种数据类型。通过这些能让计算机接受和处理的数据形式建立空间数据模型来反映空间实体的一些结构特点及行为功能[4]。三维空间数据模型是三维地理信息系统的基础，也是决定三维GIS系统能力的最基本因素。当前，国内外专家、学者，提出了多种数据模型。主要是从几何特征和数据描述格式两个方面分类。根据几何特征可以将空间数据模型分为基于面模型，体模型，混合模型三大类[5]。根据数据描述格式可分为矢量数据模型、栅格数据模型、矢栅混合数据模型。面模型包括：边界表示模型、线框模型、序列断面模型、多层ＤＥＭ模型等，体模型可以分为两类，一是规则体元模型：如体素模型，针体模型、八叉树模型、规则块体模型、结构实体几何模型等，另一类是非规则体元模型：如四面体模型、金字塔模型、三棱柱体模型、地质细胞模型、不规则块体模型、广义三棱柱模型等。混合三维模型包括：八叉树－四面体混合模型、线框－块体混合模型、断面－三角网混合模型、三角网－八叉树混合模型等。
4三维GIS的空间分析及可视化
4.１三维GIS的空间分析
GIS的主要功能之一就是空间分析，即对地理空间数据的定量研究，通过对地理空间数据的处理分析，提取其中所蕴含的潜在信息价值。空间分析的应用主要体现在：定量描述和认识地理空间数据的分布特征、解释空间现象和空间模式的形成机理、辅助规划决策、预测和预报。空间分析主要有：空间信息的查询量算、缓冲区分析、视流域分析、叠置分析、网络分析、路径分析等等，目前已经成功应用到了不同领域不同行业，如矿产资源的规划，医院、学校、车站、大型游乐园等地的选址，空气质量、水土流失、生态环境的分析，流感等病情分析，灾害监测等等。这也表明这空间分析功能由最初的数据量算查询，逐渐向更高级转变，并且应用范围更广。随着GIS技术的研发及计算机软硬件水平的提升，使得三维空间分析的功能也逐渐成熟，已经变为GIS空间分析的重点内容，在这一方面的典型代表软件国外的主要是ARCGIS重点功能是在表面分析和三维要素分析，国内的主要有MapGIS，SuperMap。MapGIS具有出色的三维空间分析功能和二三维一体化的数据处理分析等能力。superMap在目前已初步实现二、三维一体化的趋势，其三维GIS实现了与二维GIS在数据模型，符号可视化和空间分析上的一体化。虽然GIS的空间分析能力在不断取得进展，但是近年来急剧增长的空间数据，给GIS带来了挑战。尤其是如今的大数据时代，在这种情况下的空间分析，GIS要对大规模数据进行高效的管理尤其是对数据实时处理分析方面，还要对历史数据高效查询，这就对计算机软硬件的要求更上了一个层次，其次由于数据源不同，数据形态多样及数据由于噪音，缺失等问题导致难辨真伪，在面对如此大的并且多样的数据量时，这给GIS如何挖掘其隐藏价值也带来了困难，现如今GIS所形成的模型和科学理论方法在面对大数据时仍然需要改进。
4.2三维GIS的可视化
三维可视化存在于建立、维护及使用三维GIS系统的每一阶段，不管是输入、编辑、储存、管理三维对象还是对它们操作分析或结果输出，都需要三维对象几何建模和进行三维可视化的表达。二维GIS的可视化主要是通过图形和符号的方式来表现，难以直观清晰地表示出所在位置的地理环境，很难给人以立体逼真的感受，而三维GIS精细的几何特征和细节纹理给人带来了真实感，同时人机交互，同步漫游等功能也使三维GIS广受欢迎。虽然三维GIS的可视化取得了一定的成果，但是面向大量数据时，实时性、漫游速度、精细程度以及真实感都有待进一步的提高，尤其是在动态显示方面。
5结论与展望
随着科技的进步，计算机软硬件技术的逐步发展，三维GIS的运用已非常广泛。在三维空间数据模型方面，如今已存在丰富多样的数据模型，但是面对不同领域、不同情形，如何选择合适的数据模型，建立完整的三维数据模型，减少冗余数据量是一大研究方向。并且现在的工程对于数据在获取和处理方面的实时性都有一定的要求，因此怎样实时获取海量的三维数据，怎样对大量三维数据进行存储、实时处理仍然存在着挑战。在空间分析方面，大数据时代需要通过分析挖掘海量信息的隐藏价值，这就要求能够处理实时数据以及历史数据，进行高效的三维空间分析，实现真正自动化。在可视化方面，二三维GIS可视化的一体化已经成熟。但是现如今为了提高其漫游速度，精细程度及动态可视化分析等需要基于API或者是开源图形库，有时需要进行数据转换，可见对于达到高效且令人满意的可视化水平依然有待突破。
参考文献：
[1] 刘治平, 伍岳庆, 等．GIS二三维一体化空间信息管理与应用[J]．计算机应用，2014(A01)：186－188．
[2] 朱庆. 三维GIS及其在智慧城市中的应用[J]．地球信息科学学报，2014，16(2):151－157．
[3] 张新长，辛秦川，郭泰圣，等．地理信息系统概论[Ｍ]．北京：高等教育出版社．
[4] 贺怀建，白世伟，赵新华，等．三维地层模型中地层划分的探讨[J]．岩土力学，2002(5):108－110．
[5] 王纯祥，白世伟，贺怀建．三维地层可视化中地质建模研究[J]．岩石力学与工程学报,2003，22(10):1722－1722．
