二三维一体化 彰显GIS应急管理核心价值

原文地址：二三维一体化彰显GIS应急管理核心价值作者：超图软件产品中心

真空间GIS突破二三维瓶颈
真空间(Realspace) GIS 是相对于纸空间(Paperspace) GIS 而言的。所谓纸空间，是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。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。真空间 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。
1、三维与二维GIS的对比
三维GIS在展示效果和分析决策方面有着二维GIS无法比拟的优势。三维GIS无需投影即可描述真实世界面貌，可表达二维GIS无法表达的地物和自然现象，且更加形象、直观，有利于将GIS推向大众化；在空间分析上，三维GIS不仅能完全集成二维的空间分析功能，还能突破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。
但是，从20世纪60年代就发展起来的二维GIS在功能、性能、数据、应用等方面无疑是新老GIS客户难以割舍的部分。二维GIS具有简单的数据模型、宝贵的大量空间数据、丰富的地图制图功能、多种多样的查询、分析决策方法、成熟的业务应用流程，这些都注定了在相当一段时间内，以可视化为主的三维GIS难以完全取代二维GIS。
另外，与二维GIS相比，三维空间数据的获取成本更为昂贵，尤其是大规模的三维场景建模；其次，三维数据模型相对与二维更为复杂，导致基于三维的空间查询和分析功能的算法效率较低；最后，由于网络传输、海量数据管理的限制，三维GIS尚未达到“实时”的要求。
2、二三维一体化的RealspaceGIS
基于二维和三维GIS各自的优势，人们常常希望在一个系统中同时包含二维和三维的功能。然而，就现在大部分的三维系统而言，即使包含了三维和二维的展示部分，但两者本质上是相互独立的，在数据、表现方法和分析功能等方面都不相同，这无疑为GIS应用带来了巨大的成本和困难。造成这一问题的主要原因，是当前大部分三维系统与主流大型二维GIS平台割裂。而要解决这些问题必须从GIS平台底层技术着手，实现二三维的一体化。
SuperMap UGC在进行架构设计时新增了二维三维一体化的Realspace技术，并致力于新一代与二维一体化的、面向海量数据管理和强劲分析能力的真空间GIS软件的研发工作，这种更加“GIS”的架构设计必将真正解决三维GIS软件的深度应用问题。相对于二维GIS将真实空间投影到二维平面进行表达、分析等，SuperMap推出的Realspace技术无需投影，直接将经纬度数据加载到三维球面上显示，是真正的三维地理空间的显示。
SuperMap Realspace GIS产品由SuperMap的桌面产品（SuperMapDeskpro.Net 6R）、组件产品（SuperMap Object.Net 6R）、服务器产品（SuperMap iServer Java 6R）中的Realspace模块和客户端 SuperMapiClient 6R for Realspace共同组成。对于SuperMap iServer Realspace来说，桌面Realspace和组件Realspace是数据准备的基础，本文提到的数据导入、加载、缓存等操作，由桌面和组件均可完成，用户可根据需要进行选择。另外，客户端Realspace与服务器端Realspace本来就是密不可分的，二者互为支持，服务器端的功能需要客户端来体现，而客户端的操作则需要服务器端的支持。
SuperMap Realspace GIS着眼于二三维一体化的思想，从设计和具体实现上充分考虑到了两者的有机结合，具体表现在二维三维数据一体化、显示一体化、分析一体化、服务发布一体化等方面。
1）数据存储管理的一体化
Realspace GIS采用了SuperMap SDX+空间数据库技术来高效地、一体化地存储和管理二维三维空间数据，使二维数据与三维数据在数据模型和数据结构上保持了一体化。不仅三维GIS数据能够兼容二维数据结构，而且二维数据也做了适当调整，可以在无需任何转换处理的情况下，直接高性能地在三维场景中可视化，使得数据更新和维护更为容易。
2）显示的一体化
在数据一体化的基础上，Realspace GIS支持将海量二维数据不经任何转换地、高效地加载到三维场景中显示，同时也支持将三维模型以快照的形式呈现到二维窗口中。
在制图方面，Realspace GIS集成了二维专题图的功能，支持在三维场景中制作二维的大部分专题图，例如点密度专题图、分段专题图、标签专题图等，同时还支持制作具有立体感的柱状图、饼图等专题图效果。
3）分析一体化
空间查询和分析是GIS的基本特征，传统的二维GIS系统在缓冲区分析、叠加分析、表面分析、交通网络分析等方面已经非常成熟。而当前的大多数三维系统由于没有GIS引擎的支持，尚不具备强大的查询和分析功能。另一方面，基于真三维的许多分析功能由于算法复杂、效率低下，尚处于研究阶段。在这种情况下，在三维场景中使用基于二维算法的缓冲区分析、叠加分析、网络分析、统计分析等功能仍然具有很大的实用价值。
由于Realspace GIS采用了与二维一体化的空间分析和算法引擎，所以二维的大部分查询（包括属性查询、空间查询）、分析功能都可以在三维系统中使用，同时它还会提供通视分析、淹没分析、三维量算等一些真三维空间的分析功能。
4）服务一体化
现在SuperMap iServer已经提供了完整的二三维一体化的服务发布方案，即二维服务与三维服务采用同样的方法发布，采用统一的设计方法和界面进行配置管理。同时，三维场景中可以直接加载二维数据集、二维地图及其二三维缓存数据，二维数据集、地图与加载在三维场景中的数据可保存在同一工作空间中并进行三维发布。

透视应急管理中的一体化GIS价值
二三维一体化GIS并非简单的二、三维视图切换，它实现了从数据结构、数据存储、数据管理、可视化和分析功能等多层次整合，形成了完整二维与三维一体化的解决方案，从而为三维GIS技术的深度应用提供了技术基础。在这种情况下，二维建库成果可以直接在三维里进行应用，而通过二维数据和三维模型的组合，还可实现二维功能和三维效果的完美搭配应用。

图1 二三维一体化应用

在我国以往的应急管理平台建设中，由于传统二、三维GIS都是独立应用，积累了大量二、三维数据（包括二维、三维矢量数据、各种影像数据、3D模型数据等），随着应急管理平台不断的推广应用以及GIS与应急管理平台的深入结合，由此导致的海量数据处理问题在我国各种的应急管理平台建设中日益突出，并成为我们当前应急管理平台建设的关键。而同时，由于二维GIS与三维GIS各具优势，比如二维GIS具有直观、抽象表达方式，而三维GIS则具有视觉逼真的效果，但因为历史环境的问题导致了二、三维数据结构不一、冗余性高等现象的存在，如何充分利用已有二、三维数据及功能已成为我们最需要考虑的问题。
按传统办法我们需要花费大量的人力、物力去进行数据处理、转换与融合以及系统软件的升级、维护等。但在应急指挥中，所拥有的人力（如信息获取人员、救援人员，指挥力量、专家等）、物力资源（救援物资、设施等）原本就相对匮乏，上述办法必然将对应急管理资源的合理利用与分配带来一定的困难。而通过二三维一体化即，数据一体化（获取、处理、存储、管理、展示）、功能一体化、服务一体化，不但能够节省资源、减轻系统对接的难度，还将为应急管理等行业领域创造一些新的应用需求及市场机会。
1、节省资源
◆ 数据存储空间节省
在我国基础地理信息建设过程中，海量基础数据管理以及数据处理速度的瓶颈一直是我们关注的焦点。当前，随着我国地理信息技术的进步及计算机性能不断提升，GIS在各个领域的应用日益广泛。一方面，二维GIS的应用已相当成熟，三维GIS的应用也正不断走向深入；另一方面，传统GIS应用建设中二、三维空间数据冗余严重，不但导致了存储介质和硬件存储设备的几何级数增长，形成一个庞大的硬件存储管理体系，同时也带来了二、三维海量异构数据的处理以及转化利用难题，严重影响了当前的应急平台化建设。
二三维一体化存储的实现将有效改观上述局面，它可以将二维数据直接转换为三维数据加载应用，而无需重新构建对应的三维数据，不但直接改变了二三维数据物理空间冗余构成方式，同时也直接降低了对海量数据硬件载体的存储空间要求。
◆ 数据处理资源节省
在数据一体化的基础上，Realspace GIS支持将海量二维数据不经任何转换地、高效地加载到三维场景中显示，同时也支持将三维模型以快照的形式显示到二维窗口中。系统维护人员无需再为进行海量二维、三维数据采集更新、转换及处理的繁琐任务而烦恼。
◆ 系统运维资源合理利用
通过二三维服务一体化，能够极大地节省计算机运行资源，有效解决以往二维、三维独立运行耗费巨大计算机CPU占用的问题，同时也从性能上突破了以往GIS应用对高硬件配置、高内存使用等的依赖性问题。
同时，通过二三维服务一体化可以实现系统运维工作的合理化。在此基础上，系统运行维护人员无需担心在不同二维、三维系统之间进行复杂的数据同步更新、系统升级维护等工作。系统开发人员也无需再为单独定制维护二维、三维应用系统及其在不同开发环境中切换而担心，统一的定制开发不仅简化了开发人员系统维护、开发的难度，也使得软件开发及软件运行过程加高效、稳定。
◆ 时间资源的有效利用
通过二三维一体化服务，能够使业务人员操作、信息获取更加方便快捷。由于业务人员无需进行多窗口间的任务切换和信息的反复获取，这样使得信息获取更方便、快捷、内容也更丰富。另外，因为一体化窗口同时具有二维、三维综合优势，可尽展二维宏观抽象性及三维场景的逼真模拟等新特性信息优势，所以系统具备了良好的可操作性、快捷而更具价值性的信息获取方式，直接缩短了业务操作人员响应以及信息获取有效判断的时间。
同时，二三维一体化的实现还有助于指挥人员进行快速的辅助决策。指挥人员在应急指挥中，通过一体化的平台标绘制图功能、实现了综合一体化的态势场景等，能够帮助指挥人员快速准确地表达指挥信息，显著提高了应急指挥人员的指挥效率以及信息的传递速率，缩短了应急指挥响应时间，为应急指挥平台提供更好的辅助支撑工具。
◆ 快速的三维场景构建及科学决策
通过二三维一体化，有助于节省指挥救援力量，帮助辅助指挥人员获取更加全面的形势，并准确迅速地做出科学判断与宏观决策。结合二三维一体化的综合优势特征，可以使指挥信息同时具备宏观抽象性与微观真实性，其丰富的信息承载量，将为综合决策者提供更直接、有力的辅助信息。
在应急指挥过程中，通过二三维一体化，还能提供实时全面、真实有效的信息。例如通过快速小场景建模（矢量、三维模型快速构建），为应急人员提供快速可视化引导，为执勤任务人员提供快速熟悉任务的环境，方便指挥人员快速制定作战方案，并可辅助分析犯罪现场可能位置及设施情况。另外，通过对北斗、GPS实时定位引入，还能够更加精确获取位置信息等，方便现场指挥人员准确判断复杂应急形势，使作战指挥调度更具有可控性。同时，借助二三维一体化也能更好地通过二三维场景模拟一个行动过程，推演行动方案，进行完善布局设卡等分析。
信息全面共享，有效解决以往由于空间有限、人员有限、信息有限等问题带来的问题。二三维一体化其丰富的信息量、一张图的共享模式、远程协同会商模式的支撑等可尽显现代化指挥应急科技优势，使应急管理从应急指挥力量、应急救援资源、应急时效性等各方面都能得到显著提升。
2、减轻对接难度
通过二三维一体化，能够有效解决长期以来由二维、三维两个系统并存而带来的数据资源整合对接难、应用服务多样化集成、二三维显示的融合、高性能二维分析功能与三维新技术的结合等各种问题。正是由于实现了二三维数据任意对接、功能分析对接、展示一体化融合、分析服务无缝集成等，从而有效减轻了系统对接难度。
◆ 二三维数据任意对接
Realspace GIS在二三维数据的数据模型和数据结构上保持了一体化。不仅三维GIS数据能够兼容二维数据结构，而且二维数据也做了适当调整，所有的二维数据无需任何转换处理即可直接高性能地在三维场景中可视化，使得其空间数据更易于更新和维护。另一方面，快速的三维场景构建，直接支持原有二维数据加载与抽象性表达方式，以及二维数据高效的索引、目录管理、地图动态切图缓存等，则有效地提高了数据转换效率及可用性。
在目前的应急管理信息平台建设中，我国已经积累了大量二维基础影像数据、矢量数据、地名地址、专题空间地理信息数据以及部分重点三维矢量数据、模型数据等。而RealspaceGIS能够直接支持二维、三维数据融合加载、显示以及存储管理，且无需特别转换处理，真正实现了包括统一数据建设、数据存储管理、数据展示、数据服务与数据发布方式在内的二三维数据直接任意对接，将在我国未来的应急平台建设中发挥重要作用。
◆ 二三维功能分析对接
二维GIS经过多年的发展已经形成了大量成熟的空间分析、计算的模型，而这是三维GIS在短时间内难以达到的。从某种程度上看，我们可以把二维数据模型、二维查询分析算法以及二维可视化都看作是三维GIS的一种特定情形，是针对三维GIS在特定应用场景下的简化。
目前，在应急管理辅助决策指挥应用中，诸如应急救援生命线缓冲区分析、救援力量资源等叠加分析、损毁表面分析、交通网络中断分析等基本的GIS空间查询与分析功能应用已经非常成熟。而当前的大多数三维系统由于没有GIS引擎的支持，尚不具备强大的查询和分析功能。另一方面，基于真三维的许多分析功能由于算法复杂、效率低下，也尚处于研究阶段。在这种情况下，在三维场景中使用基于二维算法分析统计功能则能够带来很大的实用价值。
正是由于Realspace GIS采用了二三维一体化的空间分析和算法引擎，二维的大部分查询（包括属性查询、空间查询）、分析功能都可以在三维系统中使用，同时RealspaceGIS也具备了通视分析、淹没分析、三维量算等一些真三维空间的分析功能，不仅为应急指挥辅助决策直接提供了二维与三维分析功能叠加，同时还融合了各种功能组合的新特性。
◆ 二三维服务发布一致性
SuperMap iServer提供了完整的二三维一体化服务发布方案，二维服务与三维服务采用了统一的发布方法和界面配置管理。在三维场景中可以直接加载二维数据集、二维地图及其二三维缓存数据，而二维数据集、地图与加载在三维场景中的数据也可保存在同一工作空间中并进行三维发布。
◆ 二三维软件统一定制模式
应急管理拥有庞大的软件体系，应用软件的无缝集成、接口对接、软件升级维护无不影响着软件稳定运行及安全可靠性。由于二三维一体化的统一定制对接具有统一的开发支撑环境、开发标准及应用接口，大大简化了技术与应用体系上的系统对接难度，减轻了软件开发人员技术转换的难度，提升了系统转换的效率，从而使系统开发更为方便快捷，有助于开发人员将主要精力放在充分满足业务需求的应用开发方向。
◆ 无缝的应用集成
当前各种应急指挥平台正在朝着应用集成一体化，信息一体化、信息更新维护、信息综合分析等新方向发展，原有二、三维简单应用模式已无法满足其应用需求。而二三维一体化应用集成彻底摆脱了庞大而复杂的GIS专业支撑体系，利用其统一提供的应用服务接口，即可直接实现性能和质量更高的专业GIS应用服务，极大地消除了以往跨平台所需解决的专业支撑、异构环境整合、接口转换等综合性难题。
随着应急指挥信息化平台逐步推广和应用，二三维一体化应用的无缝集成与可扩展性都直接为应急指挥平台提供了各种有效的辅助支撑工具，实现了应急指挥应用一体化，无论从宏观指挥决策上，还是微观三维真实场景逼真视觉模式上，都带来了重大的应用价值。
3、创造新的信息化需求和市场机会
由于三维GIS更接近于人的视觉习惯，能提供更多信息且更加真实而广受欢迎，同时由于二维具有比三维更宏观、更抽象、更综合的优点，人们希望能够在二者间各取所长。二三维信息一体化直接保留了二者原有优点，综合呈现了新的信息特性，可展现从三维的真实可见至二维抽象连续、多层次的综合信息，以及更加丰富的地理信息承载量，创造了地震、卫生、安监、军事等应急指挥领域新的信息需求及市场。
◆ 平滑过渡的二三维一体化显示是我国应急指挥的理想应用模式

图2 二三维一体化应急指挥标绘图

由于二维地图具有较强的抽象能力，在小比例尺下能够更加醒目地显示地理空间要素（以表达指挥标绘等宏观层次信息），在较大比例尺下其高分辨率影像直观真实的特点则比矢量地图更具优势；而在城市街道、广场等局部地区，三维场景可多角度、全方位地对作战环境进行观察，比二维地图更具优势。所以，这三种显示模式在使用中的平滑切换，可以更好地贴近指挥员的实际需求，成为了地理信息技术在我国应急指挥应用中必然的趋势，同时这也就要求地理信息系统在技术上具备实现二三维一体化的地理空间信息显示的能力。
◆ 二三维一体化为应急管理提供重要技术服务
二三维一体化GIS为应急管理提供了更好的科学管理和综合分析能力，为应急救援、资源调度、灾后重建等重要工作提供了重要技术服务。在汶川地震、南方旱灾以及玉树地震等巨灾应急救援中，GIS都做出了重要贡献。早在2008年汶川大地震期间，基于SuperMapGIS构建的抗震救灾辅助分析系统就为四川省抗震救灾指挥中心制定科学的搜救计划、有效防止次生灾害的发生提供了辅助决策支持。目前，基于SuperMap GIS的三维地理信息可视化推演系统通过二三维一体的Realspace GIS技术及其与北斗、GPS的集成，形成对了各种应急预案的管理，实现了应急管理在三维数字地球上的实时态势观察、图形标绘，从而构建了应急管理需要的辅助决策信息平台和虚拟态势演练平台，为应急辅助决策提供了更有力的支持工具。

图3 二三维一体化应急指挥态势图

Realspace GIS是突破三维GIS技术无法满足深度应用瓶颈的解决之道，未来几年GIS应用都会受到这一技术的影响。该技术不仅可广泛应用于应急指挥方面，在城市规划、房产管理、国土、安监、交通、通信等诸多领域均拥有广阔的应用前景。目前，二三维一体化GIS在我国东部较发达地区已经实现比较成熟的应用，而对正在加快城市化和应急管理建设进程的中部、西部地区而言，由于不同的应用领域GIS应用深度各不相同，多样性的二三维一体化GIS应用需求也大量存在，这种需求在未来还会有很大的成长空间。