中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1001-8107(2002)04-0019-06 1 地理信息系统的发展历史 随着科技的进步，以遥感(RS)、卫星定位系统(GPS)、对地观测系统(EOS)等为代表的一系列高新技术的发展使人们获取大量的地理空间数据成为可能，面对大量、复杂的地理空间数据，地理学家们采用传统的手工处理方式显然是不行的，需要借助计算机处理、分析空间数据，最后通过计算机输出一系列结果，作为决策过程的有用信息，这就产生了最早的地理信息系统的基本框架[1]。 地理信息系统(Geographic Information System,GIS)，简言之就是处理地理信息的系统，是在计算机软硬件的支持下，具有获取、存贮、管理、传输、分析地理空间数据的空间信息系统，是计算机和信息系统技术在地理科学中运用发展的产物。20世纪60年代末世界上第一个地理信息系统——加拿大地理信息系统(CGIS)诞生了，该系统主要用于自然资源的管理和规划；随后，美国哈佛大学研制出SYMAP系统。地理信息系统日益引起各国政府和科学家的高度重视而迅速发展，根据Coppock和Rhind的分析，GIS的发展经历了1973-1982年的大量试验开发阶段，20世纪80年代的商业开发和运作阶段以及90年代以用户为主导的阶段。在GIS发展初期，只有地理研究人员、地质调查局、土地森林管理部门、人口调查等专业部门和研究人员对其感兴趣，而目前GIS已深入到政府管理、城市规划、科学研究、资源开发利用、测绘、军事等广大的领域。21世纪，地理信息系统已远远不是地理学界或测绘学领域的概念，而将成为人们采集、管理、分析空间数据，共享全球信息资源，为政府管理提供决策，科学研究和实施可持续发展战略的工具和手段[2]。其内涵从狭义的地理信息系统（管理地理信息的计算机系统）到更广泛的空间信息系统(Spatial Information System,SIS)，并逐渐形成地球信息科学(GeoInformatics)这门新兴的边缘学科（GoodChild 1992，陈述彭1993）。 2 地理信息系统的发展方向 1998年，时任美国副总统的Al Gore在《“数字地球”——理解21世纪我们这颗星球》的演讲中首次提出了“数字地球”(The Digital Earth,DE)的概念，引起了世界各国政府和科学家的高度关注，同样引起了从事地理信息系统人员的高度重视，在21世纪地理信息系统应该如何发展？三维地理信息系统(3DGIS)、时态地理信息系统(TGIS)、无尺度地理信息系统(NS-GIS)、网络地理信息系统(Web-GIS)、组件式地理信息系统(Com-GIS)、开放式地理信息系统(Open-GIS)可能是它的几个重要的发展方向。 2.1 三维地理信息系统(3DGIS) 传统的地理信息系统只能处理二维数据，即只考虑其平面坐标X、Y，地理信息系统的主要功能——空间分析（如空间查询、叠置分析、缓冲区分析、网络分析、空间统计分析等）也是基于二维数据进行分析，被称之为2DGIS。在2DGIS中，当描述地表起伏一类问题时，不是把高程作为独立的变量来处理，而是将高程值作为一个附属的属性变量对待，通常是将高程值Z按照投影变换原理投影到二维平面上进行处理，因此对于同一(x,y)位置的多个Z值不能表达，换句话来说也就是同一平面位置只有一个Z值。这种方法尽管也能够表达出地表起伏形态，但地表下面的信息却不具有，因此被称为2.5DGIS。它有两个明显的缺点[3]：一是它表达的对象内部是空的，不具备应有的信息；二是虽然它能表现邻近的多个表面，但对于表面交叉的情况，则难以进行交叉表达和管理。只有将这类三维实体置于真正的三维空间中考虑，才能灵活高效地处理各种三维问题，如三维内部属性和拓扑关系，三维空间索引和管理等。 对诸如地形、矿体、地质、地下工程、建筑物等三维实体进行研究时迫切需要第三维的信息，3DGIS更适合于表现这一类空间对象，只有在3DGIS下才能真实的了解这些三维实体的本质，所以3DGIS也就应运而生。3DGIS的核心问题是三维空间数据模型的建立。目前，在3DGIS中应用的数据模型大致可分为两大类[4]：一类是基于表面表示的数据模型，如栅格结构(Grid)、不规则三角形格网(Triangulation Irregular Network,TIN)、边界表示(Boundary Representation,BR)和参数函数(Parametric Function)等，这类数据模型侧重于3D空间表面表示，通过表面表示形成3D空间目标表示，其优点是便于显示和数据更新，不足之处是空间分析难以进行；另一类是基于体表示的数据模型，如3D栅格(Array)、八叉树(Octree)、结构实体几何法(Construction Solid Geometry,CSG)和四面体格网(Tetrahedral Network,TEN)等，这类数据结构侧重于3D空间体的表示，通过对体的描述实现3D空间目标表示，其优点是适于空间操作和分析，但占用存贮空间较大，计算速度较慢。 李清泉在博士论文《基于混合数据结构的三维GIS数据模型与空间分析研究》(1998)中提出了三维GIS的混合数据模型。他以八叉树和不规则四面体为基础，以栅格结构的八叉树作为对象描述的总体框架，控制对象空间的宏观分布，以矢量结构的不规则四面体描述变化剧烈的局部区域，较为精确地表达细碎部分，并将这两种模型进行有机地结合。
