地理空間數(shù)據(jù)是三維的。然而，它通常是被以2D，3D甚至4D來呈現(xiàn)。在過去的10年里，用來收集3D數(shù)據(jù)的儀器和軟件發(fā)生了顯著的改變。從空中和地面進(jìn)行激光掃描是最大的發(fā)展，配合數(shù)碼相機(jī)和軟件的同時(shí)發(fā)展，通過其與前者進(jìn)行了立體匹配，使得圖像與激光掃描相互匹配，產(chǎn)生了激光掃描和圖像相結(jié)合的移動(dòng)測繪系統(tǒng)。此外，3D數(shù)據(jù)的收集數(shù)據(jù)庫更新，通常覆蓋區(qū)域小，大大增強(qiáng)了GNSS的使用，從而可以在平板電腦上準(zhǔn)確、快速地收集數(shù)據(jù)。今天，3D動(dòng)態(tài)信息可以被形象地表現(xiàn)在大型計(jì)算機(jī)屏幕上，但是用戶也希望在平板電腦和手機(jī)上看到同樣的信息，這可是不容易的。

　　在建筑業(yè)中引入建筑信息模型(BIM)，將會(huì)是個(gè)可持續(xù)發(fā)展的專業(yè)應(yīng)用程序。3D可視化引導(dǎo)導(dǎo)航進(jìn)入一個(gè)新領(lǐng)域，其重點(diǎn)是在厘米級上的精確導(dǎo)航。更專業(yè)的應(yīng)用程序體現(xiàn)在測量公共設(shè)施的庫存和管理上。今天，使用3D數(shù)據(jù)的場景并不局限于大型應(yīng)用程序。越來越多的令人感興趣的是“數(shù)字地球”和“全球自然和人為的信息顯示功能”。在這種情況下，可視化通常在動(dòng)態(tài)和可伸縮性的問題上變得重要起來;讓我們繼續(xù)探索和共同展望3D數(shù)據(jù)在使用和收集方面的趨勢和方向。

　　數(shù)據(jù)采集

　　地理空間數(shù)據(jù)的收集已經(jīng)有幾個(gè)世紀(jì)的歷史，最初只體現(xiàn)在兩個(gè)維度。但自從18世紀(jì)以來，主要以法國和印度為主，主要以高程數(shù)據(jù)收集等各種方式。海拔已經(jīng)顯示為等高線，通過各種形式類似織紋狀的曲線呈現(xiàn)出一個(gè)近似精準(zhǔn)的地形模型。這些2D地圖的數(shù)據(jù)已經(jīng)由傳統(tǒng)的調(diào)查和收集方法，如平板儀測圖、視距測量，變成了現(xiàn)在的航空攝影測量。隨著電腦的出現(xiàn)，數(shù)字高程模型(DEM)的概念被引入。這使得計(jì)算土方工程成為可能而且初步可以達(dá)到可視化。到了二十世紀(jì)60年代，DEM已經(jīng)成為一種普遍的和優(yōu)秀的可視化展現(xiàn)手段。高程數(shù)據(jù)的主要來源是航空攝影測量，輪廓最初是手工繪制、或手動(dòng)點(diǎn)高度測量，但在二十世紀(jì)80年代立體匹配軟件的開發(fā)使得這個(gè)過程可以自動(dòng)完成。最初，DEM會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤和漏洞，但如今他們更可靠，不過仍然需要手工編輯。影像來自空中攝像機(jī)和衛(wèi)星傳感器。幾個(gè)可用的全球DEM如表1所示：

　　在過去的十年里，激光掃描已成為從空中和地面收集3D數(shù)據(jù)的替代技術(shù)。圖像拍攝與激光數(shù)據(jù)可以從空中生成逼真的圖像，地面的移動(dòng)測繪系統(tǒng)利用激光掃描把圖像拼合起來。激光數(shù)據(jù)和DEM從影像中可以分別收集到或是共同生成。

　　完全自動(dòng)化的新一代立體航拍得到的非常密集的3D點(diǎn)云和數(shù)字表面模型(DSM)正在迅速取得進(jìn)展。最有效的方法是使用半全局立體匹配(SGM)算法。有許多軟件包可以處理精確的點(diǎn)云用來3D分析，以及在飛機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī)、衛(wèi)星圖像或是地面移動(dòng)測繪設(shè)備中影像來填充DMS(表2)。

　　在移動(dòng)測繪系統(tǒng)中的一項(xiàng)新發(fā)展是TIMMS(天寶室內(nèi)移動(dòng)測繪系統(tǒng))。這是一個(gè)人力小推車，旨在沒有GPS信號的室內(nèi)進(jìn)行精確建模。它包括三個(gè)核心元素：激光雷達(dá)，可用于室內(nèi)移動(dòng)模式下工作的攝像頭系統(tǒng)，以及電腦和電子產(chǎn)品來完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理工作流程生產(chǎn)最后的2D / 3D地圖和模型。這些模型是地理定位的，也就是說，每個(gè)區(qū)域的實(shí)際位置是已知的。在2012年4月版的《Geospatial World》中更詳細(xì)地解釋了移動(dòng)測繪系統(tǒng)和機(jī)載激光雷達(dá)。

　　3D數(shù)據(jù)的表示

　　最早的三維實(shí)體模型可以追溯到18世紀(jì)，是位于盧塞恩冰川遺址公園中的世界上最早的大規(guī)模是山體浮雕，由Franz Ludwig Pfyffer von Wyher創(chuàng)建于約1762年到1786年之間。這些模型是昂貴的，只用于特殊目的，但本質(zhì)上都是為了顯示，而不是提供準(zhǔn)確的尺寸。原始數(shù)據(jù)是可以由用戶處理的工具。在今天這些正在改善，但過了很長時(shí)間，處理可能仍有其局限性，與激光掃描數(shù)據(jù)比較出現(xiàn)偏差。3D數(shù)據(jù)的表示是受制于可用媒體的：原來的媒介是紙，直到十九世紀(jì)70年代，電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使得3D顯示的數(shù)據(jù)有了巨大突破，最大的突破是DTM的概念或DEM，誕生于1956年馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院。DEM現(xiàn)在的進(jìn)展已經(jīng)表現(xiàn)為由最初開發(fā)的地形，從油畫般的表面到地球和其他行星的表面。不僅規(guī)模范圍在擴(kuò)大，而且細(xì)節(jié)也在逐漸清晰。3D可視化目前廣泛用于顯示廣泛的設(shè)備。這些范圍從3D街道視圖，比如可以從谷歌和必應(yīng)，查看手機(jī)、平板電腦或大型電腦屏幕通過大規(guī)模的科學(xué)模型，如使用的日本超級計(jì)算機(jī)中心環(huán)境建模。

　　為了模擬一個(gè)準(zhǔn)確的現(xiàn)實(shí)世界，所使用的地理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是非常重要的。此外，它應(yīng)該基于最新可用的圖像。城市和地形三維模型模擬的基礎(chǔ)在大量的應(yīng)用程序和工業(yè)上。

　　今天可用的三維城市模型。比如法國的ComputaMaps，最近推出了DxM數(shù)字高程產(chǎn)品線，涵蓋全球275多個(gè)大城市。DEM作為基本層的映射以服務(wù)于一個(gè)廣泛的應(yīng)用，如城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測、國防和安全。LandSIM3D允許創(chuàng)建3D虛擬模型，整個(gè)城市和景觀結(jié)合地理空間數(shù)據(jù)與3D或CAD對象顯示實(shí)時(shí)三維地理環(huán)境。這有助于在相關(guān)規(guī)劃、網(wǎng)站和地區(qū)的管理和發(fā)展等方面提供決策支持。

　　Esri公司的CityEngine是一個(gè)獨(dú)立的軟件，提供專業(yè)用戶在城市規(guī)劃、建筑、GIS、娛樂和一般3D內(nèi)容制作與概念設(shè)計(jì)和建模解決方案創(chuàng)造3D城市、建筑和街景。

　　Bentley地圖V8i版提供了智能可視化3D模型;創(chuàng)建專題地圖;智能捕獲建筑物的三維特性，道路和其他基礎(chǔ)設(shè)施;集成來自不同數(shù)據(jù)源的三維數(shù)據(jù);因此創(chuàng)造逼真的效果圖和動(dòng)畫。

　　CityGML是一種常見的信息模型，存儲(chǔ)和交換3D對象和城市景觀模型。這是一個(gè)OGC標(biāo)準(zhǔn)，在3D模型中以不同級別的細(xì)節(jié)來展示真實(shí)世界。它提供了一種機(jī)制，用于描述3D對象的幾何、拓?fù)洹⒄Z義和外觀。這在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，可以使用虛擬三維城市模型模擬等先進(jìn)的分析任務(wù)，例如城市數(shù)據(jù)挖掘、設(shè)施管理、專題調(diào)查得以應(yīng)用。

　　眾多的應(yīng)用程序

　　數(shù)字3D數(shù)據(jù)用于建筑信息模型(BIM)。BIM是一個(gè)創(chuàng)新的建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)和歸納文檔的方法。BIM模型在建模和管理方面的能力不僅僅是圖形，還有信息，從而允許圖紙和報(bào)告的自動(dòng)生成，模擬設(shè)計(jì)分析、計(jì)劃和設(shè)施管理。這一切讓建筑團(tuán)隊(duì)有能力作出更明智的決定。此外，BIM支持跨部門的信息共享，在整個(gè)建筑生命周期內(nèi)可以共享信息，并且消除任何可能的數(shù)據(jù)冗余、數(shù)據(jù)返回、數(shù)據(jù)丟失、誤解和翻譯錯(cuò)誤。例如，英國倫敦地鐵新干線使用BIM(《Geospatial World》2011年3月刊討論過)。馬斯達(dá)爾城(《Geospatial World》2011年7月刊)，3D模型被用來估計(jì)當(dāng)?shù)靥柲芗訜嵘郎睾徒Y(jié)構(gòu)形狀，并且通過觀測城市和郊區(qū)的實(shí)時(shí)情況來散熱。由此看來和大眾的居民區(qū)相比，高層建筑和城市峽谷實(shí)際上是冷卻器。使用3D模型來看聲音是如何傳播的則是另一個(gè)計(jì)劃中的應(yīng)用。

　　國防和國土安全

　　世界各國政府現(xiàn)在面臨著巨大的挑戰(zhàn)就是應(yīng)對國家安全的威脅。技術(shù)的突破提供了低成本的優(yōu)勢，易于使用的和現(xiàn)實(shí)的可視化能力使規(guī)劃、培訓(xùn)和決策變得簡易。3D技術(shù)可用于不同的目的，在國防部門包括危險(xiǎn)材料，安全培訓(xùn)、應(yīng)急訓(xùn)練，海上安全培訓(xùn)、危機(jī)管理和戰(zhàn)爭訓(xùn)練等。

　　模擬敵人領(lǐng)土的真實(shí)三維虛擬模型可以創(chuàng)建虛擬任務(wù)，使用衛(wèi)星圖像和緊急程序可以提前練習(xí)各種場景。在任何情況下有關(guān)國防和國土安全的問題時(shí)，實(shí)時(shí)三維可視化都是一個(gè)基本的重要的工具。波西米亞和澳大利亞共同開發(fā)的虛擬戰(zhàn)場就是一個(gè)軍事模擬器，它能夠使用3D游戲技術(shù)提供實(shí)時(shí)場景管理功能。軍事模擬器的功能和現(xiàn)代游戲技術(shù)的結(jié)合可用于廣泛的軍事應(yīng)用，吸引了來自世界各地的客戶群，包括了美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)(USMC)和澳大利亞國防軍(ADF)。

　　娛樂產(chǎn)業(yè)

　　今天地理空間技術(shù)已經(jīng)成為3D娛樂產(chǎn)業(yè)不可分割的一部分。使用衛(wèi)星圖像視頻游戲已經(jīng)得到普及。可用的高分辨率立體衛(wèi)星圖像允許用戶在一個(gè)現(xiàn)實(shí)的3D模擬世界中體驗(yàn)電子游戲。

　　高分辨率立體衛(wèi)星圖像和地形高程模型，幫助游戲開發(fā)者創(chuàng)建仿真模型和三維可視化的景觀。創(chuàng)建三維地形模型用于更新地圖和三維城市模型，這是生成虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的先決條件。

　　雖然早些時(shí)候這些是用于簡單的建筑環(huán)境的可視化，但他們現(xiàn)在使用3D界面精致的仿真模型。

　　在大多數(shù)情況下，建筑物的模型、植被和地形表面的主要功能都存在著可用之處。激光雷達(dá)技術(shù)可以用來獲得DSM。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)一步可以結(jié)合衛(wèi)星圖像生成DEM，由此來創(chuàng)建一個(gè)3D虛擬世界。在微軟開發(fā)的空戰(zhàn)游戲《鷹擊長空2》中、衛(wèi)星圖像被用來呈現(xiàn)多樣化的風(fēng)景等沿海地區(qū)，沙漠和一些知名城市如開普敦，允許玩家操控的戰(zhàn)斗機(jī)作為虛擬飛行員，可以得到非常棒的體驗(yàn)。

　　諾基亞Ovi地圖賽車是一個(gè)基于地理位置的賽車游戲，這個(gè)游戲利用真實(shí)地點(diǎn)的影像來構(gòu)建真實(shí)世界中城市的三維模型;利用Ovi地圖，通過NAVTEQ的數(shù)據(jù)和GPS游戲設(shè)備讓玩家體驗(yàn)在真實(shí)世界的城市賽道上競速的真實(shí)感和興奮感。

　　以圖片來進(jìn)行3D可視化被用于電影工業(yè)來制作電影，以《黑客帝國》和《蜘蛛俠》為代表的電影廣泛利用攝影測量來構(gòu)建動(dòng)作場面。另一個(gè)3D應(yīng)用程序是在網(wǎng)球和板球項(xiàng)目中用來確定球的路徑軌跡的鷹眼系統(tǒng)。

　　結(jié)論

　　第三個(gè)維度是地理空間信息的一個(gè)組成部分。三維數(shù)據(jù)已收集和應(yīng)用了100多年。不斷改變的是能夠收集大量的3D數(shù)據(jù)而使用的新技術(shù)，和查詢數(shù)據(jù)能力的新方法。毫無疑問，如BIM之類的工具將成為專業(yè)人士，特別是建筑行業(yè)人士的不二選擇。大到全球小到本地，用3D模型來表現(xiàn)地形的工作增強(qiáng)了環(huán)境信息的表達(dá)和可視化。

　　三維城市模型和景觀模型現(xiàn)在已經(jīng)可用，但用戶有哪些呢。難道單一的滿意就能代表所有的需求?國家制圖機(jī)構(gòu)(NMAs)是如何應(yīng)對不同需求的? NMAs在三維景觀模型的利用率上存在著模糊的不確定性導(dǎo)致了他們的短板的產(chǎn)生，這點(diǎn)阻礙了他們決定采用的程度;然后是準(zhǔn)確性的問題。DTM的準(zhǔn)確度能夠足以讓3D功能去適應(yīng)它么? 如何捕獲數(shù)據(jù)以確保沒有偏差，使道路和河流適應(yīng)地形? 工作流程需要調(diào)整，以便從影像、雷達(dá)和現(xiàn)場調(diào)查中收集3D數(shù)據(jù);員工需要訓(xùn)練有素以適應(yīng)新的需求。所有這一切表明，這將是一段時(shí)間內(nèi)NMAs添加三維景觀模型的產(chǎn)品組合所要解決的問題。（文丨Ian Dowman，Vaibhav Arora 編譯丨本刊編輯張鵬英）