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宋关福:三维GIS的困境与出路
2010年1月5日    评论:    分享:

来源:宋关福地理信息系统(GIS)博客
1.   前言
    自Google Earth发布以来,三维GIS得到业界广泛关注,一时间成为研究和应用的热点,加上有美国宇航局(NASA)的World Wind等开源项目代码可供参考,各厂商纷纷推出三维可视化软件,在国内,命名为某某Globe或某某Earth的三维可视化软件就达数十个(我们自己也做了一个),并建立了不少应用系统,可视化效果比二维更加真实的三维应用系统很快得到应用单位的青睐。然而短短几年后,大家发现花费昂贵代价建成的三维可视化应用系统似乎没有更多实际用途,除看一看和查一查以外,很快就束之高阁,应用单位开始不满足于“面子工程”或“花架子”的三维可视化效果,并对三维GIS的实用性产生怀疑。那么,究竟还要解决哪些问题才能让三维GIS最终走向成熟应用?

2.   新技术光环曲线
    三维GIS作为高新技术,要厘清其技术和应用发展规律不是件易事。GIS作为IT的一份子,借助IT领域常用的分析技术手段是十分有意义的。

    国际著名的IT研究与顾问咨询公司Gartner,从1995年开始运用光环曲线(Hype Cycle)来表示各项新技术发展的生命周期。光环曲线又称“炒作周期”,是对某一特定高新技术在成熟度(Maturity)和显现度(Visibility)两个维度进行分析并进行图形表示的一种方法。在光环曲线中,以技术应用成熟度为横轴,显现度为纵轴,新技术的发展分为五个阶段,即:萌芽期、过热期、低谷期、复苏期和成熟期(图1)。


图1、Gartner光环曲线(炒作周期)

    萌芽期位于曲线的最底部和最左端,是新技术发展的开始,早期不为人所知,显现度低;随后显现度迅速提升,该技术成为业内耳熟能详的概念,达到过热期,实际上这是炒概念阶段;由于期望过高,加之技术本身的局限,失败的案例逐步增加,大家对该技术开始失望,显现度开始下降,新技术的价值受到质疑,逐步达到低谷期;此时该新技术不再时髦,但由于某些企业或某些业务持续的努力,新技术逐步成熟,可贵的实践经验提升了新技术的适用性,使得新技术逐步走向成熟应用的道路,这是复苏期,又称“顿悟的斜坡”;继续发展就到了成熟期,新技术已经趋于成熟,并被广泛应用,成为一种广为熟悉的普通技术,其应用价值被普遍接受。

    Gartner提出,要警惕新技术发展的光环曲线,根据新技术发展的阶段,选择适当的时机进入,可以用较小的代价获得较大的成功几率。在大家热炒概念的过热期,别因“时髦”而加入(Don’t join in just because it’s “ in”);相反,在低谷期,别因“过时”而错过(Don’t miss out just because it’s “out”)。

3.   主要GIS平台软件技术光环曲线

    Gartner定期发布主要信息技术的光环曲线,为业内相关从业者提供决策参考(图2)。


图2、Gartner于2009年8月发布的新兴技术的光环曲线

    作为IT的一部分,GIS技术近年来也取得长足发展,但还没有机构给出各种GIS技术在光环曲线中的不同位置。笔者抛砖引玉,于2009年9月给出几种GIS技术的光环曲线(图3)。GIS相关技术很多,本文仅给出主要的GIS平台软件技术的光环曲线。由于和服务式GIS、三维GIS和云GIS有关联,图中也标示了2009年8月Gartner发布的SOA、Public Virtual Worlds和Cloud Computing三种信息技术的位置。


图3、2009年9月主要GIS平台软件技术的光环曲线

    组件式GIS、空间数据库技术、服务式GIS和云GIS都是GIS结合信息技术的产物,他们处于光环曲线的不同位置。组件式GIS和空间数据库已经进入成熟期,经历了近十年的发展,这两种技术的显现度或概念的热度已远不如2000年前后,当前已被大范围应用,成为一种普通的但成熟的GIS技术。随着SOA进入复苏期,基于该思想的服务式GIS(Service GIS)也由于越来越多应用实践的成功,逐步进入复苏期的早期阶段,在未来十年内,基于服务式GIS的应用开发将成为主流的GIS应用开发方式,基于服务式GIS的面向地理信息共享模式也将大行其道。随着云计算概念的热炒,云GIS概念已经萌芽,随后也将进入概念炒作阶段。

    二维GIS和三维GIS则是从计算机对真实世界表达方式的角度划分的两种GIS技术,也处于光环曲线中相去甚远的位置。历经了四十余年的发展,二维GIS技术早已进入了成熟期。由于二维GIS的成熟应用,以至于GIS已经突破最初的测绘和地学的行业范畴,发展成为跨行业通用的平台软件技术,广泛应用于政府信息化和企业信息化,并越来越多地涉足面向个人的信息服务领域。

    而三维GIS则逐渐迈入低谷期。2004年10月27日Google宣布收购了Keyhole公司,并于2005年6月推出了Google Earth软件,此后,全球范围内掀起一股前所未有的三维热潮,尽管Google Earth主要面向个人市场和跨行业的简单的水平应用市场(该领域被Gartner称为Public Virtual Worlds),但在它的带动下,面向垂直行业应用开发的三维GIS也达到光环曲线的过热期顶点。而四年以后的今天,尽管大量三维GIS应用案例不断涌现,但部分应用单位开始对三维GIS的价值质疑,三维GIS的显现度有所下降,开始进入低谷期。

4.   三维GIS必须突破的问题

    按照正常的光环曲线,部分新技术会经过若干发展阶段,最终走向成熟应用;也有一些技术因为无法完善,最终被其他替代技术所淘汰,永远没有机会达到成熟应用阶段。即使未来能够成熟应用的技术,需要花多少时间从低谷期进入复苏期?又需要花多少时间从复苏期进入成熟期?这将取决于需求旺盛程度、技术完善速度和技术成本降低的速度。

    与二维GIS相比,三维GIS有其独特的优势。三维GIS因更接近于人的视觉习惯而更加真实,同时三维能提供更多信息,能表现更多的空间关系。无论单位用户还是个人用户,都对三维有迫切的需求。若技术完善和成本方面能得到突破,三维GIS必将走向成熟应用。

    那么,当前的三维GIS解决哪些问题,才能突破低谷期,加快其进入复苏期,并最终进入成熟应用阶段呢?笔者认为,要加快三维GIS应用发展,需进一步降低三维数据获取成本和突破三维GIS软件技术。

    可接受的数据获取成本是三维GIS大范围推广应用的重要前提条件之一。三维数据采集的经济代价和时间代价一度很高,但近年来随着各种三维数据采集手段的快速发展,三维数据获取成本已经开始降低,周期也越来越短。在未来几年内,还要在保证一定的数据精细度前提下,继续降低三维数据获取成本。

    GIS软件技术是影响三维GIS能否大范围深度应用的另一重要的因素。当前的三维软件还不能充分发挥GIS软件应有的价值。在IT领域,GIS因其独特的技术价值而受到业界重视,并快速发展。GIS的第一层价值是更加直观的信息表达,如在地图上展现不同区域的各种经济指标,展现各种资源的分布等,这是GIS最基本的价值;GIS的第二层价值是能表达空间关系并利用空间关系进行空间分析,为业务管理提供决策分析服务。GIS不仅仅是模拟世界的工具,更是管理世界的工具,其第二层价值是更高层次的价值。只能提供第一层价值的三维可视化软件尽管有其广泛用途,但还不能算真正的三维GIS。

    在Google Earth激起业界三维GIS研究和应用热潮后,NASA的World Wind和其他开源的三维软件大幅度降低了三维GIS研发的门槛,一时间基于这些开源代码的各种各样的三维软件大量涌现,让三维应用热潮快速崛起,经过一段时间发展,三维软件在可视化方面已经取得了较大进步,第一层价值已经得到体现,也逐渐得到用户认可。但三维GIS面向业务管理和分析的功能还远远达不到二维GIS的水平,无法实现作为GIS的更高层次价值。

    GIS应用开发商已经注意到这个问题,在三维GIS基础软件功能还不够完善的情况下,采用二维GIS基础软件和三维GIS基础软件相结合的方式开发应用系统。二维GIS提供管理能力,是“实力派”,三维可视化软件具有良好的可视化效果,是“偶像派”,二者结合开发应用系统的方式在一定程度上实现了“实力派”与“偶像派”的整合。但是,拥有优秀可视化效果的三维软件的厂商往往缺乏强大、成熟的二维GIS软件,而主流的二维GIS平台厂商的三维软件却差强人意。应用开发商不得不整合分别来自不同厂商的二维GIS软件和三维软件,二者在数据模型、数据结构和系统架构上都不一致,以至于应用系统的二维和三维部分貌合神离,甚至同样的数据要在两种软件中分别存储一份,不仅增加了数据冗余,而且增加了数据更新维护的代价。

    一些主流的二维GIS平台厂商也基于一些开源软件或第三方的三维渲染内核开发了三维软件,并与其二维软件实现了一定程度的整合,但这些三维软件的内核毕竟是第三方开发的,距离真正的二维与三维一体化还有相当的距离,仍然缺乏长远的发展价值。那么,三维GIS到底该走向何方呢?
 
5.从纸空间GIS到Realspace GIS

    单独的二维GIS无法满足未来发展的需要,同样,目前单独的三维GIS也不能满足应用要求。尽管三维GIS有二维GIS不可比拟的优势,但在相当长时间内还无法完全替代二维GIS。此外,二维也有比三维更宏观、更抽象、更综合的优点,在部分应用中也需要忽略真实细节呈现关键信息,此时二维就可能比三维更合适,二维GIS有长时间存在的价值,一时难以割舍。因此,发展二三维一体化的GIS软件,而不仅仅是独立的三维GIS,才是GIS软件未来的发展方向。这样的GIS软件,无论称它为二维GIS软件或三维GIS软件都是不全面的,这就需要引入一个新的GIS概念——Realspace GIS。

    真空间(Real Space) GIS是相对于纸空间(Paper Space) GIS而言的。所谓纸空间指投影以后的纸图坐标空间。相应地,纸空间GIS,指的是以投影后的纸图坐标空间为基础的GIS软件。地球不是平面的,在GIS出现之前,要在纸图上表达地图,就必须把球面或椭球面投影到平面上,因此纸图都采用了投影后的坐标空间。早期的地理信息数据来源于纸图数字化,因而二维GIS软件一开始就设计为基于纸图空间的,这个基础一直保持至今。

    由于投影之后的地图存在变形,影响地图上的各种量算的结果,为了适应不同的应用目的,产生了各种各样的投影,如在等距投影后的地图上量算距离是较为准确的,在等积投影后的地图上量算面积是较准确的,在等角投影的地图上量算角度是相对准确的。但一种投影很难兼顾多种应用目的,如等距投影在面积和方向上变形较大,等积投影在距离和方向上变形较大,等角投影在面积和距离上变形较大。针对多种应用目的,地图学家们发展了多种多样的投影,这些投影无疑增加了集成各种数据的难度,也增加了GIS软件的复杂程度。尽管GIS已经发展为IT中一种通用的技术,但不少非地学或测绘出身的使用者,对GIS软件中的投影感到十分困惑和难以掌握,投影的复杂性一度也影响了GIS在IT中的推广应用。

    纸空间GIS是为兼容纸图而设计的,而今大量的数据采集已经不是来自纸图数字化了,然而十分遗憾的是,发展了四十多年的GIS软件仍然在延续着纸空间的习惯。既然麦哲伦在500年前就证实了地球是圆的,既然新产生的地理信息数据多数不再来源于纸图数字化,既然计算机软件的表达方式已经远远超越纸图的表达能力,那么二维GIS为何还要继续局限于纸空间的呢?

    所谓真空间是指三维地理空间和基于地理球面或椭球面的二维地图空间。Realspace GIS指的是以三维地理空间和基于地理球面或椭球面二维地图空间为基础的GIS。Realspace GIS有以下几个特点:

    1)Realspace GIS不仅仅是三维的,而是二三维一体化的。Realspace GIS二三维一体化体现在:a)二维与三维在数据模型和数据结构上保持一体化,所有的二维数据无需任何转换处理,可直接高性能地在三维场景中可视化,保证二三维场景里使用的数据同步,这不仅需要三维GIS兼容二维的数据结构,同时在GIS基础软件研发时,二维GIS软件底层数据结构也要做适当的调整以实现海量二维数据在三维场景中的高性能可视化;b)所有的二维GIS分析和处理功能,均可以在三维场景中直接操作和使用。

    2)Realspace GIS还要对已有的二维GIS进行必要的改造,而不仅仅是实现二维与三维软件的对接。如Realspace GIS可支持三维量算,也同时支持用于多种目的的更精准的二维GIS量算,如无需投影变换,同时精准量算距离、面积和方位角度;当GIS应用不涉及图纸输出时,复杂的投影不再重要,也不再是必须的。

    3)Realspace GIS支持用关系数据库一体化存储二维与三维数据,即二维空间数据库和三维空间数据库的一体化。

    4)Realspace GIS还应该提供逐步完善的高端三维分析功能。如三维体对象的布尔运算、三维的拓扑处理、三维空间关系查询、三维缓冲体分析、三维网络分析等等。

    5)未来的Realspace GIS还应实现地下、地表和地球上空(大气层)的三维一体化。

    6)Realspace GIS基于真空间,但要兼容纸空间。而此前的纸空间GIS是以纸空间为基础,以三维可视化作补充,本末倒置,不利于进一步发展。

    另外,关于Realspace GIS还要避免几个误区:

    1)“Realspace GIS是一个单独的产品”。Realspace GIS不是一个单独的产品,而是一个技术体系,是一种在桌面GIS、组件式GIS和服务式GIS等多种产品形态中都存在的技术体系,这一点如同空间数据库技术一样,设计成独立的产品是不合适的。

    2)“Realspace GIS的空间是绝对真实的空间”。Realspace GIS中的真空间是相对的,并非绝对真实的空间,无论是基于球还是椭球,都是接近于真实空间的一种模拟空间,但比纸空间更接近于真实的空间。

    3)“Realspace GIS一诞生便可解决所有问题”。Realspace GIS技术的发展和完善还需要几年时间,因此,尽管新一代的Realspace GIS能够解决以前GIS平台不能解决的很多问题,但仍然不宜一开始就对Realspace GIS抱有完美表现的过度期望,否则也很容易跌入Realspace GIS的低谷期。为了考虑更灵活的管理需求,早期的Realspace GIS产品或许在可视化效果方面不能立即赶上现有的虚拟现实软件或三维软件,三维分析功能也不完备,但由于拥有Realspace GIS的技术架构,可实现三维GIS面向管理服务的深入应用。同时随着技术不断进步,三维可视化效果也会不断完善,高端三维分析功能不断完善,并最终成熟应用。

    Realspace GIS可促进突破当前三维仅仅满足于以可视化为主的浅层应用需求的困境,实现三维GIS技术的深度广泛应用,推动三维GIS技术快速进入光环曲线复苏期,并最终走向成熟。

6.超图的Realspace GIS实践

    几年前,超图也曾基于某开源软件项目研发了一套三维可视化软件,由于有开源代码的基础,很快可投入应用,还基于此开发了多个行业应用系统,深受用户欢迎。

    2006年,当该产品渐入佳境之际,超图决定终止对该软件的研发投入。尽管基于开源项目,可以很快开发出可视化效果还不错的三维软件,甚至经过扩展,还可在一定程度上实现与现有SuperMap GIS二维软件的功能整合,但这样的架构无法实现真正的二三维一体化,缺乏长远的发展潜力。砍掉该项目,可能会让超图在各厂商纷纷推出全球三维软件时存在相当长一段时间的产品缺位(事实上以前就有人在网上批评超图在三维方面无所作为),但从长远发展考虑,超图还是决定停止继续发展该三维可视化软件。

    同年,超图启动了新一代具有自主创新内核的、与二维一体化的、面向管理的三维GIS平台软件研发,并计划将该技术集成到SuperMap GIS 6中发布。在规划产品时,我们认为不应该研发独立的三维软件,三维技术应该是一种在多种类型GIS软件形态中都存在的重要组成部分,只有这样才能实现“实力派”与“偶像派”的真正统一,才能满足二维与三维一体化的应用需求。

    我们曾经把这种技术架构称为“与二维一体化、面向业务管理的三维GIS”。一方面这个名称太长,不便交流和传播;另一方面,该名称仍然落脚点在三维GIS,事实上,这样一体化的软件称其为二维GIS或三维GIS都是不全面的,于是针对纸空间提出了真空间,进而提出Realspace GIS概念。随后,SuperMap GIS 6也被正式命名为SuperMap GIS 6R,其中R意为Real Space ,即Realspace GIS技术。

    SuperMap GIS 6R基于超图跨平台GIS类库(Universal GIS Classes, UGC)扩展研发,形成完全自主知识产权的二三维一体化GIS内核——SuperMap UGC 6R;在UGC 6R基础上封装二三维一体化的组件式GIS开发平台——SuperMap Objects Java 6R和SuperMap Objects .NET 6R;基于该组件式GIS,开发新一代二三维一体化桌面GIS软件系列——SuperMap Viewer 6R、SuperMap Express 6R和SuperMap Deskpro 6R,真正体现二三维一体化;基于该组件式GIS,开发二三维一体化的服务式GIS——SuperMap iServer 6R(图4)。

图4、SuperMap GIS 6R产品体系

    在SuperMap GIS 6R中,没有独立的三维GIS软件,但无论服务式GIS、组件式GIS还是桌面GIS都具备三维功能。在桌面GIS软件系列中,无论免费版的SuperMap Viewer、中级版的SuperMap Express还是高级版的SuperMap Deskpro都包含不同级别的三维功能。

    SuperMap GIS 6R基于二三维一体化的跨平台GIS内核,在二维和三维方面都做出了重大的改变,将二三维有机地结合起来,实现二维与三维数据管理的一体化,解决了以往两套系统、两套数据的缺陷,降低了系统的成本和复杂度;采用同样的符号库、填充库、线型库,实现了符号的一体化,丰富了系统的表现手段,降低了符号管理的复杂度;采用同一套编辑体系,实现了联动编辑和编辑的一体化;采用统一的空间查询和分析模块,实现查询和分析的一体化,除提供了通视分析、淹没分析、三维量算等三维分析方法外,还在三维场景中直接集成二维分析功能,如缓冲区分析、叠加分析、网络分析和专题图分析等;采用统一的工作空间、图层、图例管理、专题图构建方式,实现表现方式的一体化,使得三维系统内容更丰富,组织更清晰;采用Real Space技术,将二维和三维统一到真实的地理空间中去,解决了以往平面GIS的众多缺陷,正真做到了二三维空间信息的一体化。


图5、在三维场景中集成原二维系统的应急指挥符号标绘功能

    SuperMap GIS 6R的Realspace GIS技术已经在部分项目中得到应用实践。由国土资源部第二次全国土地调查办负责组织实施、由北京中天博地科技有限公司基于SuperMap GIS和大型关系数据库建成的全国“一张图”本底数据库中,空间数据达到45TB,其二维版系统于2009年01月21日通过专家验收。在后续三维版本应用系统开发试验时,无需重新处理原有建成的45TB海量二维空间数据库,直接将基于SuperMap SDX+空间数据库技术管理的海量影像和矢量数据在三维场景中可视化。若没有二三维一体化技术,在已建成二维空间数据库后还要经过处理重新制作一份用于三维可视化的二维数据,需要多占用庞大的冗余存储空间和几个月的数据处理时间,几乎不可能在短时间内完成开发工作。

    上述应用案例仅体现了Realspace GIS的一部分价值,随着SuperMap GIS 6R的发布和应用推广,更多的应用价值会逐步体现出来。当然SuperMap GIS 6R是第一个基于Realspace GIS技术的软件版本,还需要进一步发展。随着产品新版本的不断推出,将提供在三维场景中使用所有二维分析功能,并逐步研发高端三维分析功能,最终形成完善的Realspace GIS产品体系。

7. 结语

    总的来说,Realspace GIS是解决三维GIS技术无法满足深度应用的瓶颈之道。随着该软件技术的日趋成熟,以及三维数据采集成本不断下降,三维GIS技术将在未来2~3年内进入复苏期,最终发展为可成熟应用的技术,届时,三维GIS概念将不再炙手可热。另外,可以预见,接下来云计算将在GIS业界快速升温,进入热炒阶段。

标签:宋关福GIS
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