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[J]. 测绘学报, 2025, 54(4): 650-660 doi:10.11947/j.AGCS.2025.20240422
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http://xb.chinasmp.com/article/2025/1001-1595/1001-1595-2025-04-0650.shtml
实景三维作为真实、立体、时序化地反映和表达人类生产、生活、生态空间的时空信息，是数字政府、数字经济重要的战略性数据资源和生产要素，已成为国家新型基础设施的重要组成部分，将为数字中国建设提供统一的时空基底和数据融合平台。实景三维通过“人机兼容、物联感知、泛在服务”，实现数字空间与现实空间的实时关联互通，可为数字孪生、城市信息模型等应用提供统一的数字空间底座，并广泛应用于自然资源、应急管理、国防、旅游、交通、水利等社会方方面面，对于建立智慧城市、数字地球和发展数字经济具有重要意义
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。
随着实景三维中国建设的快速推进，地理实体已成为实景三维的主要内容和重要数据成果，可真实表达地形地貌、地表覆盖、建（构）筑物等物理世界，具有直观、精度高、可量测、信息丰富、沉浸感强等特点
[3]
。文献[4]讨论了实景三维中国建设的基本定位和总体技术逻辑，指出地理实体数据采集是实景三维中国建设的一个技术难点。文献[5]强调不完备数据条件下复杂场景的三维实体化精细建模仍然面临着巨大挑战。目前相关研究主要围绕实景三维中国的顶层设计、总体框架、主体技术等方面展开，较少聚焦于实景三维地理实体建模研究，特别是深入剖析其发展脉络、概念内涵和技术架构。
本文在实景三维中国建设背景下对地理实体建模技术进行了分析和总结。首先，梳理了地理实体建模的发展演进过程；其次，阐述了实景三维地理实体建模的内涵与特征，并回顾了地理实体建模的研究进展；然后，介绍了基于地理实体建模的应用实例；最后，对数字化时代实景三维地理实体建模进行展望与总结。
1 地理实体建模的发展演进
地理实体建模的发展与地理信息系统（geographic information system，GIS）本身的发展历程密切相关，根据建模对象的维度、粒度的变化过程，地理实体建模的演进过程大致可以分为3个阶段：二维平面建模阶段、三维表面建模阶段和实景三维建模阶段，如图1所示。
图1
图1
实景三维地理实体建模的发展演进
Fig. 1
The development and evolution of 3D realistic geospatial scene geographic entity modeling
1.1 二维平面建模阶段
在GIS发展的早期，主要是地理空间数据的数字化和地图制图技术的发展。地理空间数据主要通过矢量模型、栅格模型来存储、组织和管理。矢量数据以点、线、面等几何对象来描述地理要素，并将时间维度的信息包含在对象的属性字段内，支持对象之间的拓扑关系存储、查询与分析；栅格数据则将地理空间划分为规则的像元网格来表示地理现象，通过多时相栅格实现地理对象的变化监测，支持简单的邻接关系存储与分析
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。以点、线、面3种基本对象为基础的地理空间数据通过不同图层的管理与可视化来强调对几何对象的简化与抽象，以二维平面的表达形式呈现，具有简化、直观性、离散性、层次性等显著特征。地理空间数据管理是采用文件管理系统，后来尝试将点、线、面要素分别存储和管理，点要素可以进行结构化管理，线和面要素用相邻两点进行结构化管理，但效率十分低下，不利于数据管理和共享。到了20世纪80年代，基于地学关系模型的矢量GIS数据库系统已经起步，图形数据采用文件或图库的形式进行管理，图形文件存储点、线、面图形要素，主要采用拓扑结构编码存储。
1.2 三维表面建模阶段
随着GIS研究与应用的不断深入，许多学者面向地质、矿山等特殊领域应用开始了三维GIS的研究，文献[7]于1987年开发了用于矿产资源评估和开采的三维GIS原型系统，这个系统是最早的三维GIS，将二维的点、线、面要素延伸到三维的体要素。1992年文献[8]首次提出了地理实体的概念，明确了点、线、面、体4类实体的内涵。1998年1月美国副总统戈尔提出了数字地球的构想，要求能够统一管理图形数据、属性数据、影像数据、数字高程模型数据、三维模型数据等，基于矢量-栅格一体化模型实现了点、线、面、体等实体的一体化建模与统一组织管理
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，开启了以三维表面表达现实世界的模式。相较于二维平面建模，三维表面建模引入空间关系、属性特征等来表达地理实体的高度、纹理、阴影等多种信息，能够真实地反映实体对象的几何形态特征，并可将多时相的三维表面模型数据进行集成，在时间轴上跟踪地理实体的变化，以实现模型预测，如地表形变演变、自然灾害态势演化等。为支持复杂三维实体对象及其关系的存储管理，出现了Oracle Spatial、ArcSDE、Microsoft SQL Server Spatial等空间数据库，将空间数据连同属性信息一并存入关系数据库，实现数据库一体化存储和管理。
1.3 实景三维建模阶段
早在2002年文献[10]就提出了实景三维的模型，并未引起学界重视，直到2019年公布的《自然资源部信息化建设总体方案》提出“推进三维实景数据库建设”，2020年全国国土测绘工作会议明确要求大力推动新型基础测绘体系建设，构建实景三维中国，实景三维建模成为测绘地理信息行业重点工作内容。实景三维建模更加注重真实世界的地理实体对象与数字模型对象之间的高度一致性，主要以单体化、语义化、参数化等实体类型进行建模，通过三维实景对真实世界进行画像，具有直观、精度高、可量测、信息丰富、沉浸感强等特点。实景三维地理实体数据属于典型的时空大数据，不仅包含空间位置和属性信息，还通过时空关联、时空融合等技术融入语义关系、时序变化等信息，多采用基于层次结构的三维数据组织方式（如3D Tiles）进行精细化的数据组织，通过分布式时空数据库（如Hbase）、时序时空数据库等进行数据存储管理，以提供更高的可用性和扩展性
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。
2 实景三维地理实体建模的内涵与外延
随着云计算、大数据、人工智能、物联网、虚拟现实等技术的快速发展，实景三维数据的获取、计算、分析、展示方面能力得到巨大的提升，理解、挖掘和表达地理实体建模的内涵与外延可为面向实景三维中国建设的地理信息多维描述与计算分析提供理论支撑。
2.1 地理要素与实景三维地理实体
地理要素是理解地理现象和解决实际问题的关键，也是地理学的关键。“地”是代表一个地理范围，地球表层或特定区域，“理”是指事物的存在规律，或者事物间存在的联系
[13]
，地理是地球表面的自然现象和事物具有的空间、时间和相互联系的规律。地理要素是一切地理的基础，是存在于地球表面的岩石、大气、水、生物和人类圈的基本要素，可以分为自然地理要素和人文地理要素，具有综合性、交叉性和区域性的特点
[14]
。
地理实体的概念最早由文献[8]提出，指出可以根据地理现象的性质，将GIS数据模型在GIS中表示为离散实体或连续对象。美国科学院院士Goodchild
[15]
将地理实体定义为嵌入连续空间中的离散对象，强调了实体的独立性。地理实体是能够独立存在的，能够唯一性标识的目标和对象，是为了描述和表达地理世界中具有特定空间范围、形态、过程、关系、相关属性地理现象的实体化抽象
[16]
。随着相关研究的不断深入，地理实体的概念得到了更加明确的描述。实景三维地理实体是多种地理要素相互作用的结果，是现实世界中占据一定且连续空间位置和范围、单独具有同一属性或完整功能的单体化、具有唯一标识的地理对象，包括基础地理实体、部件三维模型及其他实体。
