地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System或 Geo－Information system）有時又稱為“地學信息系統(tǒng)”或“資源與環(huán)境信息系統(tǒng)”。它是一種特定的十分重要的空間信息系統(tǒng)。它是在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關地理分布數(shù)據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統(tǒng)。
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三維是將采集以及經運算分析后對數(shù)據的表現(xiàn)、展示。三維數(shù)據相對二維數(shù)據更能表現(xiàn)出客觀實際。
三維GIS與二維GIS一樣，需要具備最基本的空間數(shù)據處理功能，如數(shù)據獲取、數(shù)據組織、數(shù)據操縱、數(shù)據分析和數(shù)據表現(xiàn)等。相比于二維GIS，三維GIS具有以下優(yōu)勢。
空間信息的展示更為直觀。從人們懂得通過空間信息來認識和改造世界開始，空間信息主要是以圖形化的形式存在的。然而，用二維的圖形界面展示空間信息是非常抽象的，只有專業(yè)的人士才懂得使用。相比二維GIS，三維GIS為空間信息的展示提供了更豐富、逼真的平臺，使人們將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化，人們結合自己相關的經驗就可以理解，從而做出準確而快速的判斷。毫無疑問，三維GIS在可視化方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。雖然三維GIS的動態(tài)交互可視化功能對計算機圖形技術和計算機硬件也提出了特殊的要求，但是一些先進的圖形卡、工作站以及帶觸摸功能的投影設備的陸續(xù)問世，不僅完全可以滿足三維GIS對可視化的要求，還可以帶來意想不到的展示和體驗效果。
多維度空間分析功能更加強大。空間信息的分析過程，往往是復雜、動態(tài)和抽象的，在數(shù)量繁多、關系復雜的空間信息面前，二維GIS的空間分析功能常具有一定的局限性，如淹沒分析、地質分析、日照分析、空間擴散分析、通視性分析等高級空間分析功能，二維GIS是無法實現(xiàn)的。由于三維數(shù)據本身可以降維到二維，因此三維GIS自然也能包容二維GIS的空間分析功能。三維GIS強大的多維度空間分析功能，不僅是GIS空間分析功能的一次跨越，在更大程度上也充分體現(xiàn)了GIS的特點和優(yōu)越性。
GIS在資源環(huán)境領域的應用方興未艾，從技術、地理信息、經濟社會的需求等方面分析，在該領域有以下趨勢及建議：
應用軟件數(shù)據端口應有專門化，專業(yè)化方向發(fā)展，在同類型同方向的GIS數(shù)據交流共享方向提供適當?shù)姆奖?，以解決GIS數(shù)據來源和數(shù)據質量難以保證的問題。
結合國家信息化推進工作，以電子政務相關工程為基礎，推動GIS在資源環(huán)境管理中的推廣應用。
信息化建設已成為我國各級 *** 及企業(yè)的重要任務，GIS在以資源、能源、生產、資金等空間綜合配置、優(yōu)化組合為目的的信息化建設中，可以發(fā)揮應有的作用；結合相應的應用工程，推動GIS的發(fā)展；
應用往專業(yè)化方向發(fā)展，功能由通用管理功能轉向資源評估、監(jiān)督、跟蹤分析等專業(yè)功能方向發(fā)展。
隨著經濟社會的發(fā)展，經濟社會與資源環(huán)境之間的各方面的矛盾及問題逐漸暴露出來，這些問題在時間和空間上具有諸多的關聯(lián)性，分析這些問題、提出合理的解決方案建議，需要功能更專業(yè)化的GIS軟件系統(tǒng)支持；
支持多源、多尺度、多類型集成應用的軟件平臺工具的開發(fā)應用。
信息獲取技術的快速發(fā)展和多源化趨勢，要求資源環(huán)境方面的GIS應能夠接收、處理及分析多種來源、多尺度的地理信息；
促進3S技術集成應用，推動專業(yè)技術及軟件的發(fā)展，全球定位系統(tǒng)、遙感技術與GIS的集成應用已成為GIS軟件發(fā)展的趨勢之一，而這種應用的發(fā)展是在應用推動的基礎上建立的，針對特定的應用領域的集成化的GIS將成為資源環(huán)境領域GIS的發(fā)展方向，也是系統(tǒng)與業(yè)務結合的需要；
開展專業(yè)應用系統(tǒng)開發(fā)建設，結合資源環(huán)境各領域的需求，開發(fā)多種專業(yè)化的GIS，如針對性生態(tài)保護區(qū)、生態(tài)功能區(qū)、地下水、生物資源等領域的專業(yè)性GIS軟件與管理系統(tǒng)。
國內GIS現(xiàn)狀和對策
地理信息系統(tǒng)技術是一門綜合性的技術，它的發(fā)展是與地理學、地圖學、攝影測量學、遙感技術、數(shù)學和統(tǒng)計科學、信息技術等有關學科的發(fā)展分不開的。
GIS的發(fā)展可分為四個階段：第一個階段是初始發(fā)展階段，20世紀60年代世界上第一個GIS系統(tǒng)由加拿大測量學家R.F.Tomlison提出并建立，主要用于自然資源的管理和規(guī)劃；第二個階段是發(fā)展鞏固階段，20世紀70年代由于計算機硬件和軟件技術的飛速發(fā)展，尤其是大容量存儲設備的使用，促進了GIS朝實用的方向發(fā)展，不同專題、不同規(guī)模、不同類型的各具特色的地理信息系統(tǒng)在世界各地紛紛付諸研制，如美國、英國、德國、瑞典和日本等國對GIS的研究都投入了大量的人力、物力和財力；第三個階段是推廣應用階段，20世紀80年代，GIS逐步走向成熟，并在全世界范圍內全面推廣，應用領域不斷擴大，并與衛(wèi)星遙感技術結合，開始應用于全球性的問題，這個階段涌現(xiàn)出一大批GIS軟件，如ARC/INFO，GENAMAP，SPANS，MAPINFO，ERDAS，Microstation等；第四個階段是蓬勃發(fā)展階段，20世紀90年代，隨著地理信息產品的建立和數(shù)字化信息產品在全世界的普及，GIS成為確定性的產業(yè)，并逐漸滲透到各行各業(yè)，成為人們生活、學習和工作不可缺少的工具和助手。
地理信息系統(tǒng)的研制與應用在我國起步較晚，雖然歷史較短，但發(fā)展勢頭迅猛。
我國GIS的發(fā)展可分為三個階段。
第一階段從1970年到1980年，為準備階段，主要經歷了提出倡議、組建隊伍、培訓人才、組織個別實驗研究等階段。
機械制圖和遙感應用，為GIS的研制和應用做了技術和理論上的準備。
第二階段從1981年到1985年，為起步階段，完成了技術引進、數(shù)據規(guī)范和標準的研究、空間數(shù)據庫的建立、數(shù)據處理和分析算法及應用軟件的開發(fā)等環(huán)節(jié)，對GIS進行了理論探索和區(qū)域性的實驗研究。
第三個階段從1986年到2013年，為初步發(fā)展階段，我國GIS的研究和應用進入有組織、有計劃、有目標的階段，逐步建立了不同層次、不同規(guī)模的組織機構、研究中心和實驗室。
GIS研究逐步與國民經濟建設和社會生活需求相結合，并取得了重要進展和實際應用效益。
主要表現(xiàn)在四個方面：（1）制定了國家地理信息系統(tǒng)規(guī)范，解決信息共享和系統(tǒng)兼容問題，為全國地理信息系統(tǒng)的建立做準備。
（2）應用型GIS發(fā)展迅速。
（3）在引進的基礎上擴充和研制了一批軟件。
（4）開始出版有關地理信息系統(tǒng)理論、技術和應用等方面的書籍，設立了地理信息系統(tǒng)專業(yè)，培養(yǎng)了大批人才，并積極開展國際合作，參與全球性地理信息系統(tǒng)的討論和實驗。
在科技部等國家有關部門的大力組織和支持下，國產GIS基礎軟件開發(fā)工作取得了重要進展，出現(xiàn)了一批GIS高技術企業(yè)，開發(fā)出了較為成熟的國產GIS軟件，如MapGIS、GeoStar、CityStar、SuperMap、MapEngine、GROW等，并形成了一定的產業(yè)規(guī)模。
這些國產GIS軟件以較高的性價比，打破了國外GIS軟件對我國市場的壟斷，有力促進了我國地理信息系統(tǒng)技術的發(fā)展。
這些年，GIS技術在我國得到了廣泛應用，其應用面從傳統(tǒng)的城市規(guī)劃、土地利用、測繪、環(huán)境保護、電力、電信、減災防災等領域滲透到礦產資源調查、海洋資源調查與管理等各方面，取得了豐碩的成果和巨大的經濟效益。
當前，國家有關部門正逐步將GIS嵌入到電子政務系統(tǒng)中。
隨著計算機和信息技術的快速發(fā)展，GIS技術得到了迅猛的發(fā)展。
GIS系統(tǒng)正朝著專業(yè)或大型化、社會化方向不斷發(fā)展著。
“大型化”體現(xiàn)在系統(tǒng)和數(shù)據規(guī)模兩個方面；“社會化”則要求GIS要面向整個社會，滿足社會各界對有關地理信息的需求，簡言之就是“開放數(shù)據”、“簡化操作”，“面向服務”，通過網絡實現(xiàn)從數(shù)據乃至系統(tǒng)之間的完全共享和互動。
下面我們從地理信息系統(tǒng)技術角度來討論和分析當前GIS的相關技術及其發(fā)展趨勢。
1.1 空間信息的獲取、處理與交換地理空間數(shù)據是GIS的血液，構建和維護空間數(shù)據庫是一項復雜、工作量巨大的工程，它包括：數(shù)據的獲取、校驗和規(guī)范化、結構化處理、數(shù)據維護等過程。
GIS處理的數(shù)據對象是空間對象，有很強的時空特性，獲取數(shù)據的手段及數(shù)據的形式也復雜多樣。
獲取數(shù)據的基本方式有：野外全站儀平板測量、GPS測量、室內地圖掃描數(shù)字化、數(shù)字攝影測量、從遙感影像進行目標測量和數(shù)據轉換等。
這些獲取技術已基本成熟。
同時，空間數(shù)據也具有很強的時效性，不同的空間數(shù)據必須進行周期不等的數(shù)據更新維護，空間數(shù)據庫中數(shù)據的準確、及時、完整是實現(xiàn)GIS應用系統(tǒng)價值的前提基礎。
空間數(shù)據維護往往涉及跨部門、跨行業(yè)的多種數(shù)據格式和多種數(shù)據類型的大量數(shù)據，提供有效的空間數(shù)據編輯更新手段是當前亟待解決的一個重要課題。
基于上述信息獲取技術，在過去的二十年間，國家有關部委和行業(yè)部門已經積累了大量原始數(shù)字化數(shù)據和相應資料，建立了1100多個大、中型數(shù)據庫以及大量的各類數(shù)字化地理基礎圖、專題圖、城市地籍圖等。
國家測繪局已經完成了全國l：100萬、 1：25萬基礎地理空間數(shù)據庫以及全國七大江河數(shù)字地形模型的建設，并啟動了全國l：5萬，部分省份1：1萬基礎地理空間數(shù)據庫的建設。
這些基礎數(shù)據有力促進了GIS技術的廣泛應用，進而產生了大量的GIS數(shù)據。
但由于地理信息系統(tǒng)軟件大多采用不同的空間數(shù)據模型，以及它們在地理實體上的認識差異，使得所積累的數(shù)據難以轉換和共享（即使能夠數(shù)據轉換，也會產生信息的丟失），從而形成一個個新的數(shù)據孤島。
制訂數(shù)據交換的格式標準已成為大家的共識。
一些國家和組織已經在進行這方面的工作，并定義了一些數(shù)據交換標準，如SDTS，OpenGIS聯(lián)盟制訂的GML，另外一些公認的數(shù)據格式如DXF，Shapefile和MIF文件格式等正逐漸成為數(shù)據交換的事實標準。
我國也在“九五”期間制定了地球空間數(shù)據轉換標準。
但是由于人們對空間信息認識和研究成果的制約，還沒有一個統(tǒng)一的地理數(shù)據模型，因此建立實用的數(shù)據交換格式和信息標準將是一個長期、復雜過程。
1.2 空間數(shù)據的管理空間數(shù)據的管理涉及到二個方面的內容：空間數(shù)據模型和空間數(shù)據庫。
空間數(shù)據模型刻畫了現(xiàn)實世界中空間實體及其相互間的聯(lián)系，它為空間數(shù)據的組織和空間數(shù)據庫的設計提供了基本的方法。
因此，空間數(shù)據模型的研究對設計空間數(shù)據庫和發(fā)展新一代GIS系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。
在GIS中與空間信息有關的信息模型有三個，即基于對象(要素)(Feature)的模型、場(Field)模型以及網絡(Network)模型。
GIS基礎軟件平臺的研制和應用系統(tǒng)的設計開發(fā)一直沿用這三種空間數(shù)據模型，但這些模型在空間實體間的相互關系及其時空變化的描述與表達、數(shù)據組織、空間分析等方面均有較大的局限性，難以滿足新一代GIS基礎軟件平臺和應用系統(tǒng)發(fā)展的要求。
主要表現(xiàn)為：（1） 僅能表達空間點、線、面目標間極為有限的簡單拓撲關系，且這些拓撲關系的生成與維護耗時費力；（2） 難以有效地表達現(xiàn)實三維空間實體及其相互關系；（3） 適于記錄和表達某一時刻空間實體性狀及相互間關系靜態(tài)分布，難以有效地描述和表達空間實體及其相互間關系的時空變化；（4） 沒有考慮異地、異構、異質空間數(shù)據的互操作和分布式“對象”處理等問題。
針對上述不足，時空數(shù)據模型、三維數(shù)據模型、分布式空間數(shù)據管理、GIS設計的CASE工具等研究已成為當前國際上GIS空間數(shù)據模型研究的學術前沿。
隨著三維GIS技術的應用愈加普及，在智慧城市經濟發(fā)展，市場監(jiān)管，社會治理，公共服務，環(huán)境保護等行業(yè)領域利用三維可視化技術GIS+BIM模型優(yōu)越的可視化3D空間展現(xiàn)能力，以三維模型為載體，將各種零碎、分散、割裂的信息數(shù)據，以及建筑運維階段所需的各種機電設備、物業(yè)管理、安全管理參數(shù)進行一體化整合的同時，進一步引入建筑的日常設備運維管理功能，形成基于BIM的建筑空間與設備運維、安全監(jiān)控、品質管理的能力。
廣州千越飛鴻科技有限公司 結合實際運維管理的需求，基于GIS+BIM大數(shù)據的智能化建筑運維管理系統(tǒng)應運而生。智能化建筑管理平臺借助于3DGIS、BIM、物聯(lián)網等信息技術，將智能化、機電、安全、品質、資產、物業(yè)管理、節(jié)能管理、對外展示等多角度的系統(tǒng)與建筑三維模型及管理需求進行一體化整合。最終建設目標通過對各系統(tǒng)的集成統(tǒng)一，建立建筑主題數(shù)據庫，為智慧園區(qū)提供可靠的設備運維分析、安全管理監(jiān)控、品質運管理、資產信息化管理、物業(yè)管理服務、節(jié)能管理、信息化決策等一系列專業(yè)性服務。
由于自然資源部的組建，“山、水、林、田、湖、草”作為生命共同體綜合管理是當前的迫切需求，原有的單要素的資源管理方式滿足不了當前的管理需求，需要技術上實現(xiàn)從二維到三維的轉變。
自然資源管理中技術與業(yè)務的雙轉變
隨著GIS的深入應用，人們越來越多地要求在三維的場景下還原現(xiàn)實。在技術方面，三維GIS先要將地理數(shù)據變?yōu)榭梢姷牡乩硇畔?，因此人們一方面從三維可視化領域向三維GIS系統(tǒng)擴展，這一點同早期的二維GIS來源于計算機制圖管理一樣，是從可視化角度出發(fā)的。在需求方面，由于自然資源部的組建，“山、水、林、田、湖、草”作為生命共同體綜合管理是當前的迫切需求，原有的單要素的資源管理方式滿足不了當前的管理需求，需要技術上實現(xiàn)從二維到三維的轉變。
1. 機構轉變帶來的管理提升
2018年自然資源部部長陸昊在海南調研期間提出，自然資源相關業(yè)務系統(tǒng)要由二維系統(tǒng)變成三維系統(tǒng)，解決自然資源調查、確權和國土空間用途管控等問題。城市空間作為國土空間的重要組成部分，城市發(fā)展逐漸從平面轉向了空間，三維思維的城市發(fā)展理念及實踐的不斷涌現(xiàn)，既是城市空間形態(tài)的自然演進，又是城市發(fā)展過程中解決交通擁堵、環(huán)境惡化、資源匱乏等系列問題的路徑探索。從發(fā)展的角度來看，三維技術將是承載自然資源管理的重要技術，需要建立實現(xiàn)數(shù)據管理、空間展示、空間分析、業(yè)務應用、輔助決策等功能于一體的三維管理平臺。
2. 三維技術突破帶來全新功能
隨著三維空間信息獲取技術的發(fā)展，大規(guī)模、高精度、低成本數(shù)據的獲取成為現(xiàn)實，三維應用建設成本大幅降低。除了成本之外，三維技術在以下幾點也實現(xiàn)了創(chuàng)新：利用BIM、三維實體數(shù)據模型，實現(xiàn)從物體表面與形狀的表達到內部結構的表達；新型三維數(shù)據（傾斜攝影、BIM、激光點云）與傳統(tǒng)數(shù)據（影像、矢量、地形數(shù)據、精細模型、地下管線）融合，實現(xiàn)提高了三維場景的建模成本和精度；基于WebGL技術的Web三維，為構建B/S架構的三維GIS應用提供了可行性，同時在跨平臺GIS技術的基礎上，發(fā)展出了Web端的三維空間分析能力；三維GIS標準化與數(shù)據共享降低三維Web應用的建設難度和建設成本。
3. 技術與業(yè)務融合日趨深入
在自然資源的管理中需要體現(xiàn)個體及整體的特性，而自然資源中的個體又極為復雜，這給三維技術的應用提出了挑戰(zhàn)。眾所周知，每一種三維技術都各有特長，怎么樣“集百家之長，成自然資源解決之道”呢？三維技術的融合，為三維技術在自然資源管理中的應用提供了無限可能。在自然資源應用層面，利用不同三維技術的特性，能更好地還原現(xiàn)實。比如傾斜攝影動態(tài)單體化技術，借用矢量面數(shù)據模型，不僅可以做到單體化選擇、查詢，還可以實現(xiàn)緩沖區(qū)分析、空間查詢等功能；利用點云的精度、精細模型的美觀、樓盤表的內部信息，還原真實不動產客體信息。
三維GIS技術助力生命共同體升維
自然資源在空間分布上位置不一、形態(tài)各異，自然資源的管理的不僅是各項指標，更需要模擬自然資源的真實分布情況，從實際出發(fā)、從需求出發(fā)，還原自然資源的利用情況、管制情況，更好地去規(guī)劃、保護、修復自然資源。
1. 自然資源管理
摸清家底是實現(xiàn)自然資源資產化管理的重要一步，只有把握現(xiàn)在的數(shù)據與趨勢，才能決策未來的目標與方向。通過系統(tǒng)門戶能看到資源的概括情況，包括各類自然資源的數(shù)量情況、自然資源類別的分布情況、自然資源與不動產的關聯(lián)情自然資源與空間管制的情況。
4. 三維礦體管理
自然資源是生態(tài)環(huán)境的命脈，可以用三維的方式為自然資源“把脈”。沒有了高度，山會變成平原；沒有了樹木，山也不會是金山銀山；沒有地下空間，也不會看到金礦銀礦。自然資源在空間分布上不僅僅是有廣度，還具備一定的深度。通過自然資源三維的建設，實現(xiàn)從地面到地下，從整體到個體，直觀的展示一層一層的自然資源在空間上的分布情況。
8. 隧道挖掘分析
交通是連接城市的重要紐帶，也是為城市發(fā)展運送人流、物流的重要通道。一條山路，貫通的是山，縮短的是城市之間的距離。但對于隧道挖掘占用的自然資源面積該怎么樣計算呢？由于隧道和自然資源在二維的投影上是相交的，實際上占用的面積并非等于相交的面積。以三維的方式，建立穿山隧道模型，實現(xiàn)二三維的對比分析，為自然資源的占用情況提供準確分析結果。
重慶分公司
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