地理信息科学专业学生三维GIS实践能力培养
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作者信息
任福1,2，宋志浩1，张书亮3，江文萍1,2，任明阳1
（1. 武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079；2. 武汉大学 地理信息系统教育部重点实验室，湖北 武汉 430079；3. 南京师范大学 地理科学学院，江苏 南京 210023）
【摘要】
新型智慧城市建设进程导致三维GIS实践能力成为地理信息科学专业学生核心竞争力，这给地理信息科学专业实践教学带来新挑战。本文针对地理信息科学专业学生三维GIS实践能力培养新要求，探讨相应教学内容和实践途径：从三维数据表达视角看，包括三维场景认知和三维模型构建；从三维空间分析视角看，包括空间坐标系、三维空间算法和空间分析应用等；从三维GIS系统开发视角看，包括三维数据服务、三维场景构建和三维系统开发等，可为国内地理信息科学专业建设提供有益探索和参考。
【关键词】地理信息科学；GIS实践能力；三维GIS
【中图分类号】G4 【文献标识码】A【文章编号】 1672-1586（2021）03-0001-04
”引文格式：任 福，宋志浩，张书亮，等. 地理信息科学专业学生三维GIS实践能力培养[J].地理信息世界,2021,28(3):1-4.
正文
0 引 言
目前，随着新型智慧城市建设的全面推进，被隐喻为智慧城市“操作系统”的GIS也和BIM、CIM走向集成应用。自然资源部正在推进实景三维中国建设，建设基于数字城市、物联网和云计算的实景三维智慧城市变得越来越重要。GIS作为一门研究空间地理信息的科学，将会是智慧城市建设的基础。三维GIS实践能力已成为地理信息科学专业学生的核心竞争力。学生三维GIS实践能力的培养正在成为专业实践教学亟待加强的一个点，创新性要求比较高。
在应用实践中，三维GIS与二维GIS存在着显著区别，三维GIS场景往往有数据量大、尺度跨越大、符号动态表达、计算开销大、实时性强、交互程度高等特点。因此，三维GIS实践能力培养可从三维空间数据表达、空间分析和系统开发等3方面找准着力点（图1）。
图1 三维GIS实践能力的典型组成
Fig.1 Typical compositions of 3D GIS practical ability
1 三维空间数据表达能力
三维空间数据表达能力，是将地理空间数据在三维场景中进行可视化表达的能力，是基础的三维GIS实践能力。三维空间数据表达能力与空间思维能力息息相关，是指对空间事物表象进行观察、思考、抽象。空间思维就是将人类感官获取的具体空间表象综合加工形成空间知觉,最后通过空间想象完成对空间事物认知的思维过程。在三维空间中，地理对象拥有更多维度特征，其空间形态及分布规律也更加复杂，对空间想象能力的要求也就更高。
在专业教学中，学生对空间数据表达的思维框架大多是二维平面的，如电子地图、遥感影像等，如果转换到三维空间，需要设计、建立并适应新的三维空间思维框架，包括三维场景认知和三维模型构建等内容。
1.1 三维场景认知
三维场景是以GIS、三维仿真技术为支撑，用建模以及可视化技术真实模拟出世界的各种物质形态、空间关系等信息。三维场景认知可以通过多途径模拟训练，使学生建立起基础空间感知，能够对三维实体形态和空间关系形成基本认知。
1）认知现实世界场景。通过野外地理实习，增强空间想象所需的地理表象认知记忆，针对不同地形，认识其地貌特征、高程变化和地物分布等三维地形和自然景观构成要素。亦可观察城市的公共设施、建筑物（群）、立体交通、地下空间和室内空间等，理解其空间特征、空间结构和空间关系，形成基本的空间方位感、距离感和深度感。
2）感知三维游戏场景。游戏场景通常对真实世界的仿真度较高，拥有逼真的自然以及城市景观，同时对于人物、交通等具有很强的虚拟仿真效果，如各种赛车类、求生类和虚拟城市类等大型仿真游戏。学生观察场景中的天空、太阳、大气、水体、天气、植被等自然景观，或观察场景中的交通工具模型、人体仿真模型、建筑模型、城市构造等，都利于感知三维场景的组成。
3）体验三维GIS系统场景。操作使用Google Earth、Skyline、World Wind、Cesium、SuperMap等GIS软件，体验从高空到近地表过程中三维坐标和高程系统的变化，观察不同高程下视觉景观的变化，动态叠加影像和矢量要素，头脑中和现实世界建立空间关系连接，增强认知力。
4）建立二三维映射。专业教学中通常使用大量的二维地理数据，但这些数据在三维场景往往有着不同的特征表达。通过阅读分析二维地图和遥感图像中地理实体特点，对比这些实体在三维空间中相应的表达特点，建立相互间的空间分布、特征表现、空间关联等，更加深入地理解数据特征和空间关系，实现两者在二三维表达之间映射，强化主体认知能力。
1.2 三维模型构建
三维场景中的多源数据通常结构复杂。对地理信息科学专业学生而言，了解和掌握三维模型数据采集、加工、建模和使用的全过程，才能深刻理解三维数据表达。
1）三维数据结构。对于地形、BIM、激光点云、倾斜摄影测量数据、人工几何模型等典型三维模型，了解其数据特点、原理、组织和使用，进一步学习不同三维数据的文件格式及相关技术规范。
2）三维数据采集。大多数三维模型数据采集需要专业设备和软件完成，具有一定程度的复杂性，如倾斜摄影测量数据采集，需掌握无人机的基本原理和操作方式，设计拍摄角度、拍摄路线，对于无法拍摄局部，还需进行地面补拍等，逐步训练空间思维。
3）数据加工建模。三维数据加工建模方式具有多样性，首先要统一不同数据采集方式使用的多种空间坐标系，如点云数据，学生需了解点云数据处理优化、构建网格、纹理贴图等工序。
2 三维空间分析能力
空间分析历来是GIS教学和应用的核心。早期的GIS仅能处理二维图形和属性数据，使用的空间坐标体系也是二维的。三维GIS要立足三维空间坐标体系形成新的三维空间分析体系。三维空间分析将传统空间分析三维化，也就是直接在三维空间中进行空间操作与分析，连同对空间对象进行三维表达与管理，使得三维GIS明显不同于二维GIS，同时在功能上也更加强大。三维空间分析能力决定了能否将三维数据潜在作用以三维可视化形式发挥出来，同时也是三维GIS开发的基础，包括空间坐标系、三维空间算法和空间分析应用等三方面内容。
2.1 空间坐标系
在三维空间中，往往使用基于地球表面的经纬度坐标系进行三维空间分析计算。
1）空间坐标系原理。了解空间坐标系原理是学生形成三维空间思维的关键，学生需学习三维空间坐标系与二维坐标系的关系，学习相关的测量学、数学知识；了解三维笛卡尔坐标系，柱面坐标系，球面坐标系，掌握其定义、原理，理解其坐标表示方式，能够分析对比不同坐标系的区别。
2）三维坐标转换。空间量算、空间定位、空间分析等不同类型计算需选择相应的三维空间坐标系，需要学生学习不同三维坐标系相互间的转换方法，练习相应的坐标转换算法，了解屏幕坐标与三维空间坐标的相互关系及转换方式。
2.2 三维空间算法
在地理信息科学专业教学中，对学生的培养涵盖地理、测绘和计算机科学等多个学科，GIS应用需要一定的算法能力。三维空间算法涉及大量的GIS算法以及计算机图形学的知识。
1）空间移动算法。指三维物体在三维场景中进行移动、变换、交互的算法，学生需了解三维物体旋转、平移、翻转的图形学原理及矩阵变换实现，掌握三维对象的运动方式，学习通过用户交互控制三维物体移动变换的相应算法。
2）空间量算算法。指三维场景中两点间的直线距离、高差、角度等，学生需掌握两点间距离量算、地表贴地长度的计算方法，掌握基本的三维面积、体积的量算方法。
3）GIS空间算法。指三维物体的相交、包含、相邻等空间拓扑关系计算，学生需掌握基于不规则三角网的系列算法，了解其在三维建模中的重要作用，如掌握地形特征提取、流向、水文等GIS空间算法的实现。
2.3 空间分析应用
空间数据的三维可视化能力增强，推动了三维GIS空间分析的发展。空间分析应用是使用三维空间算法对三维场景进行分析计算，其能力决定了分析决策支持的水平。
1）二维到三维的空间分析。掌握空间关系分析、空间度量分析、地形分析、水文分析等基本方法，对比二维空间，探索其在三维场景中的应用形式、方法，尝试编写相关算法，将二维空间分析拓展到三维空间，并进行优化。
2）空间查询分析。在理解三维空间关系基础之上，掌握拓扑、顺序、距离、方位等空间查询方法，能使用空间关系约束从数据库中查询相应属性特征，能实现地址匹配查询。
3）交互式空间分析。帮助挖掘地理现象分布规律，调控在地理空间上发生的事件，帮助再现历史和未来的地理现象过程。了解空间交互基本算法、距离与空间关系判断、模型操作算法等，掌握三维场景数据获取方式，能动态创建和添加地理要素，能理解量测分析、分层分户、视线分析、视域分析、剖切分析等交互式空间分析的基本原理，掌握其实现方式。
3 三维GIS开发能力
三维GIS开发能力，是将三维GIS技术形成行业应用、服务于社会大众的能力。三维GIS开发是将数据、场景、应用等构建成在线服务或系统以满足用户学习、模拟、规划、决策、预演等需求，其重要性不言而喻。三维GIS开发能力包括三维数据服务、三维场景构建和三维系统开发等三方面内容。
3.1 三维数据服务
三维数据是三维GIS的基础，也是决定三维GIS应用能力的最关键因素。三维数据服务是三维GIS系统运行基础，是将三维数据处理后发布为在线服务，进而满足交互浏览、查询和共享等需求。三维数据服务使得三维数据更易共享，同时GIS用户更易获取三维数据，实现GIS之间的地理信息共享和空间数据互操作。
1）服务种类。了解常用到的网络地图服务及其接口形式，如WMS、TMS、WMTS和WFS等，了解遥感影像的栅格数据组织、服务类型和获取数据形式，掌握地形和模型数据服务的基本原理、两者间区别以及和地图、影像服务的不同之处。
2）服务加载。掌握各主流平台加载三维数据服务的方式和操作流程，能够通过对加载方式实施优化实现精度、性能和流畅度动态平衡。
3）服务发布。了解常见三维数据格式特点及其转换方法，了解国内外主流企业级或开源（如Cesium等）的数据服务平台，掌握其环境搭建和服务发布流程方法。
3.2 三维场景构建
三维场景应用目前已涵盖资源与环境、灾害监测与防治、交通管理和规划等众多方面。
1）场景交互。通过主流平台，训练基本交互方式。通过学习三维场景相机原理，例如相机position、heading、pitch、roll等参数的意义，掌握通过鼠标操作来控制相机移动，进而通过相机控制三维场景交互。掌握路线移动、飞行跳转、第一人称与第三人称漫游等交互体验的基本原理和算法实现。
2）场景功能。体验主流平台的用户界面和操作流程，分析其操作便利性和视觉效果，形成功能认识，进而理解其原理，能够通过编码实现。
3）行业应用。了解主流平台对于行业领域海量数据和应用需求的支撑情况，如为城市管理、公众安全、轨道交通、社区服务、电子政务、应急响应、旅游等，提供更加多样化的功能和服务形式，进一步了解政府、企业和高校等的需求及发展趋势。
3.3 三维系统开发
GIS软件开发能力是地理信息科学专业主要的培养目标之一，提升学生开发能力能够更好满足GIS产业需求。基本开发技术包括各类计算机高级语言、面向对象程序设计语言、数据库技术、数据结构、计算机图形学及GIS中的开发工具。对地理信息科学专业学生而言，了解、学习和开发三维GIS系统是培养三维GIS实践能力的重要途径。
1）开发技术。掌握常用的三维平台核心层、渲染器层、场景层和动态场景层的功能，解构其底层开发方式和技术体系，掌握Direct3D与OpenGL等渲染引擎使用方式及其优缺点。
2）开源平台。与商业软件相比， 免费使用开源三维平台，可以让地理信息科学专业学生达到更高的学习目的。常见的开源三维平台有Cesium.js、Three.js、Babylon.js、WebGL Earth、OpenWebGlobe等，对比其对矢量、影像、地形、BIM、激光点云、倾斜摄影测量和人工几何模型等数据的加载支持情况，对比其浏览、查询、标注、特效、空间分析等功能点，分析在数据组织、海量数据加载、动态调度、环境特效等方面的性能优化和效果，对比其在用户界面、操作便利性、操作流程、功能操作、视觉效果等方面的体验，分析其跨平台支持情况、接口能力、可扩展性和开发适宜性等。
3）二次开发。掌握三维平台二次开发的整体框架、常用的API接口和功能实现方式，理解PostGIS等空间数据库数据组织及检索方式，理解内部三维引擎、客户端可视化和后台存储之间的交互实现方式等。
4 结束语
三维GIS实践能力在地理信息科学专业课程学习和目前行业应用发挥着重要的作用。数字经济时代，时空大数据建模与分析需求井喷式增长，促使对学生三维GIS实践能力的培养更加紧迫，也给地理信息科学专业实践教学改革带来新的挑战和机遇。
作者简介：任福（1976—），男，内蒙古包头人， 教授，博士，主要从事地理信息智能服务、智能专题地图制图、地理信息系统开发与应用研究工作
E-mail:RENFU@whu.edu.cn
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