Realspace GIS(真空间GIS)是一个全新的GIS技术体系。该技术体系突破了二维GIS平台与三维GIS平台割裂的局面,构建了二维与三维一体化的GIS平台。真空间(Realspace)GIS是相对于以投影后的纸图坐标空间为基础的纸空间(Paper Space) GIS而言的。所谓真空间(Realspace)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,而真空间GIS则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。2009年9月,超图软件发布SuperMap GIS 6R产品系列,该系列产品全部融合了Realspace GIS技术。

    相关背景:2009年9月4日,由×××地理信息产业发展中心主办、北京超图软件股份有限公司承办的“2009’×××地理信息技术自主创新论坛暨SuperMap GIS技术大会”在北京国际会议中心隆重召开。会议上, 北京超图软件股份有限公司宋关福总裁作了题为《走向Realspace的地理信息系统》的报告,报告中介绍了超图最新的Realspace技术体系。
 
GIS平台软件技术关怀曲线:
   云计算->三维GIS->服务式GIS->空间数据库->组件式GIS->二维GIS 
 
 
三维GIS
       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。在应用要求较为强烈的部门如采矿、地质、石油等领域已率先发展专用的具有部分功能的三维GIS,如加拿大LYNX Geosystems公司的LYNX软件,但由于它们一般是针对自己的领域开发的,没有从理论上加以系统完整的研究,没有面向通用平台进行设计,因此具有较强的局限性。这是由当时的应用要求、数据获取手段及相关的计算机技术发展条件决定的。
      由于二维GIS数据模型与数据结构理论和技术的成熟,图形学理论、数据库理论技术及其它相关计算机技术的进一步发展,加上应用需求的强烈推动,三维GIS的大力研究和加速发展现已成为可能。
      当前研究和开发三维GIS的思路可归纳为两种:
    ● 由于三维GIS首先要将地理数据变为可见的地理信息,因此人们一方面从三维可视化领域向三维GIS系统扩展,这一点同早期的二维GIS来源于计算机制图管理一样,是从可视化角度出发的。
    ● 另一方面,GIS需要存储和管理大量的空间信息和属性信息,因此另一部分人从数据库的角度出发向三维GIS发展,从商用数据库向非标准应用领域扩展,将三维空间信息的管理融入RDBMS中,或是从底层开发全新的面向空间的OODBMS, 如GODO,GeoO2,GEO++,SmallWorld GIS。一个新的发展方向是将三维可视化与三维空间对象管理藕合起来,形成集成系统。
  三维GIS相关软件发展概况
  但是迄今为止,目前国际国内还没有一个成熟完整的三维GIS系统,与三维GIS相关的系统大多集中在三维可视化方面,如EVS,Vis5D,Voxel,医学可视化及各种CAD软件等,也有一些三维系统部分实现三维GIS的功能,比较有名的软件有:LYNX, IVM(Interactive Volume Modeling), GOCAD,I/EMS,SGM等。
    迄今为止,目前国际国内还没有一个成熟完整的三维GIS系统,与三维GIS相关的系统大多集中在三维可视化方面,如EVS,Vis5D,Voxel,医学可视化及各种CAD软件等,也有一些三维系统部分实现三维GIS的功能,比较有名的软件有:LYNX, IVM(Interactive Volume Modeling), GOCAD, I/EMS,SGM等。 

空间数据库

空间数据库的概念

  空间数据库指的是地理信息系统在计算机物理存储介质上存储的与应用相关的地理空间数据的总和,一般是以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质之上的。空间数据库的研究始于20 世纪 70年代的地图制图与遥感图像处理领域,其目的是为了有效地利用卫星遥感资源迅速绘制出各种经济专题地图。由于传统的关系数据库在空间数据的表示、存储、管理、检索上存在许多缺陷,从而形成了空间数据库这一数据库研究领域。而传统数据库系统只针对简单对象,无法有效的支持复杂对象(如图形、图像)。

空间数据库的特点

  1、数据量庞大。
  空间数据库面向的是地学及其相关对象,而在客观世界中它们所涉及的往往都是地球表面信息、地质信息、大气信息等及其复杂的现象和信息,所以描述这些信息的数据容量很大,容量通常达到 GB级。
  2、具有高可访问性 。
  空间信息系统要求具有强大的信息检索和分析能力, 这是建立在空间数据库基础上的,需要高效访问大量数据。
  3、空间数据模型复杂
  空间数据库存储的不是单一性质的数据,而是涵盖了几乎所有与地理相关的数据类型,这些数据类型主要可以分为 3 类:
  (1)属性数据:与通用数据库基本一致,主要用来描述地学现象的各种属性,一般包括数字、文本、日期类型。
  (2)图形图像数据:与通用数据库不同,空间数据库系统中大量的数据借助于图形图像来描述。
  (3)空间关系数据:存储拓扑关系的数据,通常与图形数据是合二为一的。
 

组件式GIS

  组件式软件技术已经成为当今软件技术的潮流之一,为了适应这种技术潮流,GIS软件象其他软件一样,已经或正在发生着革命性的变化,即由过去厂家提供了全部系统或者具有二次开发功能的软件,过渡到提供组件由用户自己再开发的方向上来。无疑,组件式GIS技术将给整个GIS技术体系和应用模式带来巨大影响。
  GIS技术的发展,在软件模式上经历了功能模块、包式软件、核心式软件,从而发展到组件式GIS和WebGIS的过程。传统GIS虽然在功能上已经比较成熟,但是由于这些系统多是基于十多年前的软件技术开发的,属于独立封闭的系统。同时,GIS软件变得日益庞大,用户难以掌握,费用昂贵,阻碍了GIS的普及和应用。组件式GIS的出现为传统GIS面临的多种问题提供了全新的解决思路。
  组件式GIS的基本思想是把GIS的各大功能模块划分为几个控件,每个控件完成不同的功能。各个GIS控件之间,以及GIS控件与其它非GIS控件之间,可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来,形成最终的GIS应用。控件如同一堆各式各样的积木,他们分别实现不同的功能(包括GIS和非GIS功能),根据需要把实现各种功能的 “积木”搭建起来,就构成应用系统。
  1、组件式GIS系统的特点
  把GIS的功能适当抽象,以组件形式供开发者使用,将会带来许多传统GIS工具无法比拟的优点。
  (1)、 小巧灵活、价格便宜
  由于传统GIS结构的封闭性,往往使得软件本身变得越来越庞大,不同系统的交互性差,系统的开发难度大。在组件模型下,各组件都集中地实现与自己最紧密相关的系统功能,用户可以根据实际需要选择所需控件,最大限度地降低了用户的经济负担。。组件化的GIS平台集中提供空间数据管理能力,并且能以灵活的方式与数据库系统连接。在保证功能的前提下,系统表现得小巧灵活,而其价格仅是传统GIS开发工具的十分之一,甚至更少。这样,用户便能以较好的性能价格比获得或开发GIS应用系统。
  (2)、 无须专门GIS开发语言,直接嵌入MIS开发工具
  传统GIS往往具有独立的二次开发语言,对用户和应用开发者而言存在学习上的负担。而且使用系统所提供的二次开发语言,开发往往受到限制,难以处理复杂问题。而组件式GIS建立在严格的标准之上,不需要额外的GIS二次开发语言,只需实现GIS的基本功能函数,按照Microsoft的ActiveX控件标准开发接口。这有利于减轻GIS软件开发者的负担,而且增强了GIS软件的可扩展性。GIS应用开发者,不必掌握额外的GIS开发语言,只需熟悉基于Windows平台的通用集成开发环境,以及GIS各个控件的属性、方法和事件,就可以完成应用系统的开发和集成。目前,可供选择的开发环境很多,如Visual C++、Visual Basic、Visual FoxPro、Borland C++、Delphi、C++ Builder以及Power Builder等都可直接成为GIS或GMIS的优秀开发工具,它们各自的优点都能够得到充分发挥。这与传统GIS专门性开发环境相比,是一种质的飞跃。
  (3)、 强大的GIS功能
  新的GIS组件都是基于32位系统平台的,采用InProc直接调用形式,所以无论是管理大数据的能力还是处理速度方面均不比传统GIS软件逊色。小小的GIS组件完全能提供拼接、裁剪、叠合、缓冲区等空间处理能力和丰富的空间查询与分析能力。
  (4)、 开发简捷
  由于GIS组件可以直接嵌入MIS开发工具中,对于广大开发人员来讲,就可以自由选用他们熟悉的开发工具。而且,GIS组件提供的API形式非常接近MIS工具的模式,开发人员可以像管理数据库表一样熟练地管理地图等空间数据,无须对开发人员进行特殊的培训。在GIS或GMIS的开发过程中,开发人员的素质与熟练程度是十分重要的因素。这将使大量的MIS开发人员能够较快地过渡到GIS或GMIS的开发工作中,从而大大加速GIS的发展。
  (5)、 更加大众化
  组件式技术已经成为业界标准,用户可以象使用其他ActiveX控件一样使用GIS控件,使非专业的普通用户也能够开发和集成GIS应用系统,推动了GIS大众化进程。组件式GIS 的出现使GIS不仅是专家们的专业分析工具,同时也成为普通用户对地理相关数据进行管理的的可视化工具。
  2、组件式GIS开发平台的结构
  组件式GIS开发平台通常可设计为三级结构:
  (1) 基础组件
  面向空间数据管理,提供基本的交互过程,并能以灵活的方式与数据库系统连接;
  (2)高级通用组件
  由基础组件构造而成,面向通用功能,简化用户开发过程,如显示工具组件、选择工具组件、编辑工具组件、属性浏览器组件等等。它们之间的协同控制消息都被封装起来。这级组件经过封装后,使二次开发更为简单。如一个编辑查询系统,若用基础平台开发,需要编写大量的代码,而利用高级通用组件,只需几句程序就够了。面向通用功能;
  (3)行业性组件
  抽象出行业应用的特定算法,固化到组件中,进一步加速开发过程。以GPS监控为例。对于GPS应用,除了需要地图显示、信息查询等一般的GIS功能外,还需要特定的应用功能,如动态目标显示、目标锁定、轨迹显示等。这些GPS行业性应用功能组件被封装起来后,开发者的工作就可简化为设置显示目标的图例、轨迹显示的颜色、锁定的目标,以及调用、接受数据的方法等。
  3、组件式GIS的构成
  GIS软件的模型包含若干功能单元,诸如空间数据获取、坐标转换、图形编辑、数据存储、数据查询、数据分析、制图表示等。可以想象要把这些所有的功能放在一个控件中几乎是不可能的,即使实现也会带来系统效率上的低下。一般可以认为GIS构件的设计主要遵循应用领域地需求。
  4、GIS组件与组件式GIS产品
  GIS组件和组件式GIS是有区别的两个概念,GIS组件指实现GIS某部分功能的软件组件,而组件式GIS是指由一些列各自完成不同功能的GIS组件群构成的一个整体,这些组件既可以集成在一起使用,更能拆开使用。
  有时我们也把初级的只有一个控件的组件式GIS成为GIS组件,如MapObjects和MapX就是20世纪九十年到中后期推出的最著名的GIS组件产品,其中MapObjects由ESRI推出,MapX由MapInfo公司推出。这两个产品的共同特点都是只包含GIS的基本功能,属于入门级组件式GIS产品。
  2000年前后,ESRI推出的ArcObjects和超图推出的SuperMap Objects把组件式GIS平台发展到一个新的阶段,庞大的GIS组件群包含了从数据管理、格式转换、地图编辑、排版制图、网络分析、叠加分析、缓冲区分析、栅格分析、二维可视化、三维可视化等GIS的几乎全部功能,并引领了此后将近十年的GIS二次开发方式。
 
GIS从二维到三维有多远?
三维GIS是GIS的重要发展趋势
  GIS的优势在于能够直观直接地展示复杂的地理信息,同时具有强大的空间分析功能。随着社会的发展,人们对地理信息的关注程度越来越高,因此对地理信息的获取和使用也有了更高的要求。
  近年来,随着E都市、都市圈、城市猎人等三维仿真电子地图的涌现,三维地图逐渐走进大众的视野。Google Earth的横空出世,更是令三维GIS备受关注。三维GIS不仅突破了空间信息在二维平面中单调展示的束缚,为信息判读和空间分析提供了更好的途径,也可为各行业提供更直观的辅助决策支持。因此,空间信息的社会化应用服务迫切需要三维GIS的支持,三维GIS已日益成为GIS发展的重要方向之一。
  三维GIS与二维GIS
  三维GIS与二维GIS一样,需要具备最基本的空间数据处理功能,如数据获取、数据组织、数据操纵、数据分析和数据表现等。相比于二维GIS,三维GIS具有以下优势。
  空间信息的展示更为直观。从人们懂得通过空间信息来认识和改造世界开始,空间信息主要是以图形化的形式存在的。然而,用二维的图形界面展示空间信息是非常抽象的,只有专业的人士才懂得使用。相比二维GIS,三维GIS为空间信息的展示提供了更丰富、逼真的平台,使人们将抽象难懂的空间信息可视化和直观化,人们结合自己相关的经验就可以理解,从而做出准确而快速的判断。毫无疑问,三维GIS在可视化方面有着得天独厚的优势。虽然三维GIS的动态交互可视化功能对计算机图形技术和计算机硬件也提出了特殊的要求,但是一些先进的图形卡、工作站以及带触摸功能的投影设备的陆续问世,不仅完全可以满足三维GIS对可视化的要求,还可以带来意想不到的展示和体验效果。
  多维度空间分析功能更加强大。空间信息的分析过程,往往是复杂、动态和抽象的,在数量繁多、关系复杂的空间信息面前,二维GIS的空间分析功能常具有一定的局限性,如淹没分析、地质分析、日照分析、空间扩散分析、通视性分析等高级空间分析功能,二维GIS是无法实现的。由于三维数据本身可以降维到二维,因此三维GIS自然也能包容二维GIS的空间分析功能。三维GIS强大的多维度空间分析功能,不仅是GIS空间分析功能的一次跨越,在更大程度上也充分体现了GIS的特点和优越性。
  当然,三维GIS并不能完全取代二维GIS,三维GIS仍面临一些问题和技术瓶颈。
  昂贵的数据投入。对于GIS来说,数据为王是最恰当不过的。再好的系统,缺乏实时、全面的空间数据时只能是个摆设。显然,数据的获取对GIS来说至关重要。与二维空间数据相比,三维空间数据的获取成本更为昂贵,尤其是大面积的三维场景建模。长期以来,三维空间数据获取的效率低下和高成本都成为阻碍三维GIS技术发展的重要因素。
  海量数据处理的技术瓶颈。海量信息管理,空间分析,以及空间数据组织是GIS的核心和关键问题,是对现实世界的抽象和表达。随着遥感影像、DEM以及大量的三维模型等空间数据的集成应用,数据量急剧增加,处理海量数据便成为三维GIS所必须面对的技术难题。目前,几乎所有的三维GIS平台都在致力于突破这一技术瓶颈。
  除了在数据获取和处理方面的技术瓶颈,三维GIS还要跨越一些技术难点,如海量存储、网络传输、数据发布、数据共享等,究其根源在于三维GIS缺乏三维空间分析的理论支撑。
 
突破技术瓶颈是GIS走向三维时代的关键
  每一项新兴的技术,都是在曲折中前进的,三维GIS技术也是如此。虽然三维GIS还面临一些问题,但这些问题正逐步被解决。
  近年来三维数据获取技术有了重大进步,特别是航空与近景摄影测量、机载与地面激光扫描、地面移动测量与GPS等传感器的精度与速度都有了明显的提高。技术的提高使得获取数据的成本也大大降低,为三维GIS技术的普及提供了重要的基础条件。
  计算机软硬件的飞速发展,使得海量地理信息为大众服务不再可望而不可及。目前主流的三维GIS平台通过采用图像绘制加速技术,多层次模型以及动态加载技术,实现了对大范围、多尺度的多源海量三维数据的快速浏览和处理,使得人们在普通PC机上就能轻松实现对海量三维模型和影像的各项漫游操作。
  尽管我们无法知道GIS从二维到三维的跨越何时能够完成,然而三维空间分析处理技术正在逐日拉近GIS与普通大众之间的距离。如何突破技术瓶颈是GIS走向三维时代的关键。
  GIS的三维时代已经来临
  鉴于三维GIS的诸多优点,三维GIS目前已经在城市规划、军事仿真、通信基站选址、综合应急等许多行业和领域得到了广泛应用。同时,越来越多的GIS厂商都看到了三维GIS市场的发展潜力。除了国外的三维GIS平台Skyline、开放源代码的World Wind以及Google公司的Google Earth以外,国内也涌现了一批优秀的三维GIS平台,如北京国遥新天地信息技术有限公司开发的EV-Globe、适普软件有限公司的IMAGIS,灵图软件技术有限公司的VRMap、武汉地大信息科技发展有限公司的InfoEarth TelluroMap等。总体说来,各大三维GIS厂商在技术上各有所长。
  Skyline具有强大空间信息展示功能,支持交互式绘图工具,提供三维测量及地形分析工具,提供数据库接口支持如Oracle,ArcSDE,拥有强大数据处理能力。Skyline在专业的空间分析尚有不足,如缺少淹没分析。由于Skyline是外国三维平台,最新版本都无汉化版本,本地化的速度也比较慢。
  EV-Globe的地图服务器不但兼容了二维GIS绝大部分的功能,如点选查询、框选查询、圆选查询等基本功能,而且可以提供一般三维GIS平台不具备的缓冲区分析、最优路径分析等强大功能,同时,还提供距离测量、线段剖面、折线剖面、区域淹没、通视分析等三维GIS特色的空间分析功能。此外,用户还可以在EV-Globe中看到烟雾、尘暴、火焰以及下雨、下雪等特殊效果。EV-Globe在空间分析上的优势,可以说是集二维GIS与三维GIS之长,受到国内市场的青睐。
  IMAGIS具有真实表面纹理的三维空间场景的快速重建与虚拟建模的完美无缝结合、基于真实三维场景的各种空间分析和属性管理功能、与数据量无关的海量影像数据显示管理功能等。它所具有的ODBC数据库接口和开放式的数据库结构能使其真正实现海量数据管理、分析、显示和漫游等功能,并可实现与ArcInfo、MapInfo的无缝链接。
  VRMap采用J2EE体系架构,可快速、灵活构建基于Web的三维业务应用系统;同时VRMap提供城市级别的基于网络的海量精细场景,可以快速建立三维应用。
  InfoEarth TelluroMap基于主流技术平台.NET开发,产品开放性好、架构灵活、三维功能和GIS功能强大、支持TB级海量空间和三维模型数据发布和应用。
  虽然三维GIS是未来GIS的重要发展趋势之一,但是三维GIS在一定程度上更是对二维GIS的扩展与增强,因为只有同时提供多维空间信息才能满足GIS日益强烈的社会化需求。技术的进步和用户需求的拉动在GIS从二维向三维的发展中起到了决定性的作用。毫无疑问,GIS的三维时代,已经悄然来临。