地理空间数据是三维的。然而，它通常是被以2D，3D甚至4D来呈现。在过去的10年里，用来收集3D数据的仪器和软件发生了显著的改变。从空中和地面进行激光扫描是最大的发展，配合数码相机和软件的同时发展，通过其与前者进行了立体匹配，使得图像与激光扫描相互匹配，产生了激光扫描和图像相结合的移动测绘系统。此外，3D数据的收集数据库更新，通常覆盖区域小，大大增强了GNSS的使用，从而可以在平板电脑上准确、快速地收集数据。今天，3D动态信息可以被形象地表现在大型计算机屏幕上，但是用户也希望在平板电脑和手机上看到同样的信息，这可是不容易的。
在建筑业中引入建筑信息模型(BIM)，将会是个可持续发展的专业应用程序。3D可视化引导导航进入一个新领域，其重点是在厘米级上的精确导航。更专业的应用程序体现在测量公共设施的库存和管理上。今天，使用3D数据的场景并不局限于大型应用程序。越来越多的令人感兴趣的是“数字地球”和“全球自然和人为的信息显示功能”。在这种情况下，可视化通常在动态和可伸缩性的问题上变得重要起来;让我们继续探索和共同展望3D数据在使用和收集方面的趋势和方向。
数据采集
地理空间数据的收集已经有几个世纪的历史，最初只体现在两个维度。但自从18世纪以来，主要以法国和印度为主，主要以高程数据收集等各种方式。海拔已经显示为等高线，通过各种形式类似织纹状的曲线呈现出一个近似精准的地形模型。这些2D地图的数据已经由传统的调查和收集方法，如平板仪测图、视距测量，变成了现在的航空摄影测量。随着电脑的出现，数字高程模型(DEM)的概念被引入。这使得计算土方工程成为可能而且初步可以达到可视化。到了二十世纪60年代，DEM已经成为一种普遍的和优秀的可视化展现手段。高程数据的主要来源是航空摄影测量，轮廓最初是手工绘制、或手动点高度测量，但在二十世纪80年代立体匹配软件的开发使得这个过程可以自动完成。最初，DEM会产生错误和漏洞，但如今他们更可靠，不过仍然需要手工编辑。影像来自空中摄像机和卫星传感器。几个可用的全球DEM如表1所示：
在过去的十年里，激光扫描已成为从空中和地面收集3D数据的替代技术。图像拍摄与激光数据可以从空中生成逼真的图像，地面的移动测绘系统利用激光扫描把图像拼合起来。激光数据和DEM从影像中可以分别收集到或是共同生成。
完全自动化的新一代立体航拍得到的非常密集的3D点云和数字表面模型(DSM)正在迅速取得进展。最有效的方法是使用半全局立体匹配(SGM)算法。有许多软件包可以处理精确的点云用来3D分析，以及在飞机、直升机、无人机、卫星图像或是地面移动测绘设备中影像来填充DMS(表2)。
在移动测绘系统中的一项新发展是TIMMS(天宝室内移动测绘系统)。这是一个人力小推车，旨在没有GPS信号的室内进行精确建模。它包括三个核心元素：激光雷达，可用于室内移动模式下工作的摄像头系统，以及电脑和电子产品来完成数据采集和数据处理工作流程生产最后的2D / 3D地图和模型。这些模型是地理定位的，也就是说，每个区域的实际位置是已知的。在2012年4月版的《Geospatial World》中更详细地解释了移动测绘系统和机载激光雷达。
3D数据的表示
最早的三维实体模型可以追溯到18世纪，是位于卢塞恩冰川遗址公园中的世界上最早的大规模是山体浮雕，由Franz Ludwig Pfyffer von Wyher创建于约1762年到1786年之间。这些模型是昂贵的，只用于特殊目的，但本质上都是为了显示，而不是提供准确的尺寸。原始数据是可以由用户处理的工具。在今天这些正在改善，但过了很长时间，处理可能仍有其局限性，与激光扫描数据比较出现偏差。3D数据的表示是受制于可用媒体的：原来的媒介是纸，直到十九世纪70年代，电子计算机的出现使得3D显示的数据有了巨大突破，最大的突破是DTM的概念或DEM，诞生于1956年马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院。DEM现在的进展已经表现为由最初开发的地形，从油画般的表面到地球和其他行星的表面。不仅规模范围在扩大，而且细节也在逐渐清晰。3D可视化目前广泛用于显示广泛的设备。这些范围从3D街道视图，比如可以从谷歌和必应，查看手机、平板电脑或大型电脑屏幕通过大规模的科学模型，如使用的日本超级计算机中心环境建模。
为了模拟一个准确的现实世界，所使用的地理数据的准确性是非常重要的。此外，它应该基于最新可用的图像。城市和地形三维模型模拟的基础在大量的应用程序和工业上。
今天可用的三维城市模型。比如法国的ComputaMaps，最近推出了DxM数字高程产品线，涵盖全球275多个大城市。DEM作为基本层的映射以服务于一个广泛的应用，如城市规划、环境监测、国防和安全。LandSIM3D允许创建3D虚拟模型，整个城市和景观结合地理空间数据与3D或CAD对象显示实时三维地理环境。这有助于在相关规划、网站和地区的管理和发展等方面提供决策支持。
Esri公司的CityEngine是一个独立的软件，提供专业用户在城市规划、建筑、GIS、娱乐和一般3D内容制作与概念设计和建模解决方案创造3D城市、建筑和街景。
Bentley地图V8i版提供了智能可视化3D模型;创建专题地图;智能捕获建筑物的三维特性，道路和其他基础设施;集成来自不同数据源的三维数据;因此创造逼真的效果图和动画。
CityGML是一种常见的信息模型，存储和交换3D对象和城市景观模型。这是一个OGC标准，在3D模型中以不同级别的细节来展示真实世界。它提供了一种机制，用于描述3D对象的几何、拓扑、语义和外观。这在不同的应用领域中，可以使用虚拟三维城市模型模拟等先进的分析任务，例如城市数据挖掘、设施管理、专题调查得以应用。
众多的应用程序
数字3D数据用于建筑信息模型(BIM)。BIM是一个创新的建筑项目设计和归纳文档的方法。BIM模型在建模和管理方面的能力不仅仅是图形，还有信息，从而允许图纸和报告的自动生成，模拟设计分析、计划和设施管理。这一切让建筑团队有能力作出更明智的决定。此外，BIM支持跨部门的信息共享，在整个建筑生命周期内可以共享信息，并且消除任何可能的数据冗余、数据返回、数据丢失、误解和翻译错误。例如，英国伦敦地铁新干线使用BIM(《Geospatial World》2011年3月刊讨论过)。马斯达尔城(《Geospatial World》2011年7月刊)，3D模型被用来估计当地太阳能加热升温和结构形状，并且通过观测城市和郊区的实时情况来散热。由此看来和大众的居民区相比，高层建筑和城市峡谷实际上是冷却器。使用3D模型来看声音是如何传播的则是另一个计划中的应用。
国防和国土安全
世界各国政府现在面临着巨大的挑战就是应对国家安全的威胁。技术的突破提供了低成本的优势，易于使用的和现实的可视化能力使规划、培训和决策变得简易。3D技术可用于不同的目的，在国防部门包括危险材料，安全培训、应急训练，海上安全培训、危机管理和战争训练等。
模拟敌人领土的真实三维虚拟模型可以创建虚拟任务，使用卫星图像和紧急程序可以提前练习各种场景。在任何情况下有关国防和国土安全的问题时，实时三维可视化都是一个基本的重要的工具。波西米亚和澳大利亚共同开发的虚拟战场就是一个军事模拟器，它能够使用3D游戏技术提供实时场景管理功能。军事模拟器的功能和现代游戏技术的结合可用于广泛的军事应用，吸引了来自世界各地的客户群，包括了美国海军陆战队(USMC)和澳大利亚国防军(ADF)。
娱乐产业
今天地理空间技术已经成为3D娱乐产业不可分割的一部分。使用卫星图像视频游戏已经得到普及。可用的高分辨率立体卫星图像允许用户在一个现实的3D模拟世界中体验电子游戏。
高分辨率立体卫星图像和地形高程模型，帮助游戏开发者创建仿真模型和三维可视化的景观。创建三维地形模型用于更新地图和三维城市模型，这是生成虚拟现实环境的先决条件。
虽然早些时候这些是用于简单的建筑环境的可视化，但他们现在使用3D界面精致的仿真模型。
在大多数情况下，建筑物的模型、植被和地形表面的主要功能都存在着可用之处。激光雷达技术可以用来获得DSM。激光雷达数据进一步可以结合卫星图像生成DEM，由此来创建一个3D虚拟世界。在微软开发的空战游戏《鹰击长空2》中、卫星图像被用来呈现多样化的风景等沿海地区，沙漠和一些知名城市如开普敦，允许玩家操控的战斗机作为虚拟飞行员，可以得到非常棒的体验。
诺基亚Ovi地图赛车是一个基于地理位置的赛车游戏，这个游戏利用真实地点的影像来构建真实世界中城市的三维模型;利用Ovi地图，通过NAVTEQ的数据和GPS游戏设备让玩家体验在真实世界的城市赛道上竞速的真实感和兴奋感。
以图片来进行3D可视化被用于电影工业来制作电影，以《黑客帝国》和《蜘蛛侠》为代表的电影广泛利用摄影测量来构建动作场面。另一个3D应用程序是在网球和板球项目中用来确定球的路径轨迹的鹰眼系统。
结论
第三个维度是地理空间信息的一个组成部分。三维数据已收集和应用了100多年。不断改变的是能够收集大量的3D数据而使用的新技术，和查询数据能力的新方法。毫无疑问，如BIM之类的工具将成为专业人士，特别是建筑行业人士的不二选择。大到全球小到本地，用3D模型来表现地形的工作增强了环境信息的表达和可视化。
三维城市模型和景观模型现在已经可用，但用户有哪些呢。难道单一的满意就能代表所有的需求?国家制图机构(NMAs)是如何应对不同需求的? NMAs在三维景观模型的利用率上存在着模糊的不确定性导致了他们的短板的产生，这点阻碍了他们决定采用的程度;然后是准确性的问题。DTM的准确度能够足以让3D功能去适应它么? 如何捕获数据以确保没有偏差，使道路和河流适应地形? 工作流程需要调整，以便从影像、雷达和现场调查中收集3D数据;员工需要训练有素以适应新的需求。所有这一切表明，这将是一段时间内NMAs添加三维景观模型的产品组合所要解决的问题。（文丨Ian Dowman，Vaibhav Arora 编译丨本刊编辑张鹏英）
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