摘要
三维测绘技术是数字地球时代的核心技术之一，对于建立数字城市、数字地球和数字经济具有重要意义，众多国家也开展了各种三维测绘项目以支持自然资源管理、城市规划、应急响应和可持续发展，同时这些项目也进一步推动了三维测绘技术的发展。本文根据三维测绘的基本定义和内涵，针对全球各国对三维测绘研究及应用，围绕“需求导向”“主要任务”“主题技术”“赋能应用”4个方面展开分析，通过对国外典型三维测绘工程、产品、技术、规范及应用进行总结归纳，探讨了对实景三维中国建设的启示，为国内实景三维建设提供了参考和借鉴。
关键词
基金项目
国家自然科学基金(42271424;42171397;42201446); 智能平行技术国家级重点实验室开放基金(SHJJ2024013)
作者简介
第一作者：朱军（1976—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为三维地理信息系统与虚拟地理环境。 E-mail：
本文引用格式
朱军, 吴鉴霖, 李志林, 郭煜坤, 游继钢, 谢亚坤, 李维炼.
ZHU Jun, WU Jianlin, LI Zhilin, GUO Yukun, YOU Jigang, XIE Yakun, LI Weilian.
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http://xb.chinasmp.com/article/2025/1001-1595/1001-1595-2025-04-0661.shtml
20世纪90年代以来，中国大力构建数字化测绘技术体系，全面开展基础测绘工作。为了更好地支撑数字中国发展和全社会数字化转型，2022年2月24日，自然资源部办公厅印发《关于全面推进实景三维中国建设的通知》，明确了实景三维中国建设的目标、任务及分工等[1]。2023年中共中央、国务院印发的《数字中国建设整体布局规划》提出要推进实景三维中国建设。为进一步加强实景三维中国建设战略研究，提升创新驱动能力，更好服务社会经济发展和生态文明建设，2022年5月，自然资源部成立了实景三维中国建设专家组，围绕实景三维城市建设从行政逻辑、技术逻辑及实践应用等方面进行了深入探讨。讨论明确指出为切实做好实景三维中国建设与应用，应充分借鉴国内外的先进经验与做法，加强需求分析，厘清实景三维的服务对象与赋能对象。
实景三维（3D real scene，3DRS）是一种以逼真、立体、时序的方式反映和表达人类生产、生活和生态空间的数字空间，是一种新型基础测绘产品，也是一种新型的国家基础设施[2-3]。实景三维将为社会经济发展的各个行业提供通用的空间基础。实景三维中国是对我国国土空间进行实体化、立体化、真实化动态描述和表达的新型时空信息基础设施，是新一代国家基础地理信息系统。实景三维中国建设是新时代测绘地理信息事业的发展方向，是新型基础测绘建设的重点任务。“实景三维中国”不仅仅是指“中国的实景三维模型”，也指相关建设的项目或工程。
事实上，全球各国都进行了全国性的实景三维建设，然而，由于各国定义了不同的术语，设定了不同的目标，采用了不同的方法，导致在建设方面的进展存在差异。一个比较常用的术语是“3D mapping”，即“三维测绘”。三维测绘是指对自然地理要素或者地表人工设施的形状、大小、空间位置及其属性等，进行三维空间数据获取、处理、建模、存储、查询、分析并发布服务，侧重利用真三维空间来处理现实地理空间问题。国家级三维测绘建设是指在全国范围内利用先进技术构建三维数字地图、三维城市模型等地理信息系统[4-8]。
本文根据三维测绘的基本定义和内涵，针对当前各国对三维测绘研究及应用，深入系统地讨论了“需求导向”“主要任务”“主题技术”“赋能应用”这几个基本问题，最后探讨了国外三维测绘研究现状对中国实景三维发展的启示。
1 需求导向
三维测绘发展在全球各国方兴未艾，当前世界各国大力推动数字化发展，推进数字经济、数字城市、数字社会、数字政府建设，驱动生产、生活和治理方式的全面深入变革，对基础测绘产品与服务提出了新的更高要求[9]。在三维空间研判，支撑数字化转型布局，赋能高质量可持续发展，为社会科学研究发展提供基础底座，三维测绘已成为必不可少的核心关键技术支撑。
世界各国针对本国国情相继开展数字化转型战略布局（图1）。美国先后发布一系列数字化转型战略措施，提出依托新一代信息技术等创新，有效促进了数字化转型的发展进程；欧盟委员会发布的《数字化欧洲战略》提出，到2030年，所有欧盟成员国都应达到特定的数字化标准；英国政府于2017年发布《英国数字战略》、2018年出台《产业战略：人工智能领域行动》，为数字化转型做出全面部署；2018年12月，德国政府颁布“数字战略2025”，侧重于增强数字基础设施，支持数字创新和教育体系的优化；法国的“新工业法国”（NFI）计划，重点发展数字经济，并促进数字技术在传统产业中的应用；以瑞典和芬兰为例的北欧国家，强调开放数据政策和公民数字化能力的培养，使其成为信息社会的先行者。三维时空信息技术迅猛发展不仅为国家数字化转型战略提供了强大的数据支持，而且通过其高级的数据处理能力和广泛的应用场景，成为推动社会经济智能化和精准化管理的关键技术之一，有效支撑数字化、赋能高质量发展，已成为各国主流需求。
图1 全球主要国家数字化转型时间轴
Fig. 1 Timeline of digital transformation in major countries around the world
早在20世纪90年代，许多国家就已经清楚地认识到80%的政治、经济和私人决策都是基于空间信息，而决策的质量取决于良好且可靠的地理信息[10]，三维测绘在人们的生产和生活中的潜在价值也逐渐被重视。据统计，全球3D市场预计将从2020年的38亿美元增长到2025年的76亿美元。三维测绘技术通过提供高质量的空间数据和强大的视觉化工具，极大地丰富了社会科学的研究方法，提高了研究的精度和深度。它的应用不仅限于传统的地理空间研究，更扩展到了社会行为、政策模拟、灾害预测等多个领域，成为社会科学研究发展的一个重要基础工具[11-13]。以三维测绘数据为基础，整合多源泛在数据，实现自然资源、地理环境、社会经济等多维信息的融合，支撑耕地保护、资源监管、生态修复、国土规划等各类自然资源监管应用场景需要。并且，面向数字经济、数字社会、数字政府活动建设需求，在三维数字空间观察、量测、分析、研判，是数字化发展的必然趋势。
三维测绘技术在赋能高质量和可持续发展的领域中起到了关键作用。2015年，联合国通过了《2030年可持续发展议程》，强调开放的地理空间数据是数据革命的核心，被视为实现可持续发展的关键驱动力[14]。三维测绘可以帮助监测和评估自然资源的可持续利用。如，森林、水域和土地利用情况，以及预测不同管理方案对生物多样性、水资源和土地健康的影响[15-17]。这有助于保护自然生态系统、合理利用自然资源，并促进生态恢复。在地质灾害模拟分析、气候变化影响分析中，多维空间信息可以帮助预测潜在风险区域和评估防灾措施的有效性。这有助于提高应急响应能力和灾后重建的可持续性，在灾害预防和管理方面发挥重要作用[18-19]。在数字城市建造方面，虚拟城市模型的构建都是在三维空间上展开的，数字城市计划目前已在全球广泛开展，三维可视化可以为决策者评估城市发展方案的可行性和影响。它可以模拟不同发展方案对环境、交通、能源利用和社会公平性的影响，从而帮助制定更具可持续性的城市规划策略[20-21]。总而言之，三维测绘技术能够有效推动环境可持续性发展和协助城市规划建设，帮助人们更好地理解和解决可持续发展领域的复杂问题[22]。
20世纪90年代以来，国际学术界开始探索多维地理信息建模与应用，国际摄影测量与遥感学会（International Society for Photogrammetry and Remote Sensing，ISPRS）将三维建模与处理、多维动态GIS等作为鼓励研究领域[23-28]。最近，ISPRS发布了2022—2026年度鼓励研究领域，强调要加强对多维和语义化数据建模、空间分析与先进可视化等相关方向的探索[29]。对近20年ISPRS大会及三维地理信息国际会议的主旨及目标战略进行整理归纳，如图2所示。由图2可以看出GIS从二维到三维，从静态向动态发展是必然趋势，对于开展三维动态地理信息建模与应用的研究得到国际性统一共识，同时提供高质量的时空信息、先进的地理空间计算能力和协同决策支持，是当前和今后一段时间的主体技术需求。
图2 三维建模主题国际研讨会
Fig. 2 International symposium on 3D modeling themes
2 主要任务
许多国家早就认识到三维测绘在人们的生产和生活中的潜在价值，并积极开展相关项目任务。所开展项目大致可分为两类：①地形场景计划，旨在提供更高质量、更高精度、覆盖更全面的地形数据，以支持自然资源管理、城市规划、土地利用规划、应急响应等方面的应用和决策；②城市场景计划，旨在呈现出高度真实的城市场景，包括基础设施、建构筑物、道路、景观等，为城市规划、设计、管理和可持续发展提供重要的支持和帮助。
2.1 三维测绘地形场景项目及产品
三维测绘地理场景项目旨在建立完善的高精度三维地理信息数据库，为国家地理信息产业发展提供更好的基础数据支撑。实景数据产品主要由宏观、中观基础地理实体数据产品与地形场景数据产品复合组成，并动态接入生态空间物联感知数据，侧重于对大范围地理环境和地理对象的感知与认知，重点实现对生态空间的数字映射，是城市场景和复合实景数据产品的承载基础[30-31]。空间分辨率在10 m及以下的DEM通常由各国自行采集生产，欧美等国家为生产全国范围内三维高程数据而开展了相关项目计划，从时间上来看，欧洲的德国与荷兰最先开展三维测绘地形场景项目，美国的地形场景项目在欧洲之后才开展，如图3所示。
图3 地形场景数据采集项目时间线
Fig. 3 Timeline of terrain scene data collection project
根据覆盖全球及全国的地形实景数据项目，产出了大量的数字地形实景产品，产品详细信息整理见表1。全球的地形产品主要为空间分辨率为30 m或90 m的DEM，而对于全国性的高程数据而言，空间分辨率都在5 m及以下。
表1 三维测绘高程产品
Tab. 1
2.2 三维测绘城市场景项目及产品
三维城市场景项目旨在创建包含基础设施、建构筑物、道路、景观等内容的城市级三维模型，以提供更丰富的时空信息、更直观的数据呈现以及更真实的视觉体验。城市级实景数据产品主要由微观基础地理实体数据产品与城市场景数据产品复合组成，并动态接入城市物联感知数据，侧重于对城市空间地理环境和地理对象的感知与认知，重点实现对生产和生活空间的数字映射[32-36]。在城市数字化建设方面，欧洲国家的发展相对领先，尤其是英国和德国。早在2010年之前，这两国就已针对部分城市展开大规模的三维城市建模与管理。相关项目时间线整理如图4所示。
图4 城市场景三维项目时间线
Fig. 4 Timeline of 3D urban scene project
在项目开展的过程中，产生了大量城市级实景模型，模型详细信息整理如表2所示。这些建筑物模型精度大为CityGML LOD1或是LOD2。且大多数城市模型都提供数据下载服务，支持人们免费获取该城市的部分三维模型数据。
表2 城市三维建筑物体模型
Tab. 2
3 主题技术
为支撑项目中地形场景产品及城市场景产品精确快速更迭，实现虚拟空间对现实世界更精准的映射，数据获取、模型构建与三维可视化的技术也向着标准化、智能化、自动化、真实化的方向发展。三维数据标准规范及建模服务，确保数据一致性与兼容性、提高数据处理效率及管理能力。这些标准和服务提升了视觉效果的质量，支持了定制化解决方案，并辅助复杂的决策制定，从而提高项目的精确性和可视化水平，增强公众参与和沟通，同时驱动行业的创新和发展。
3.1 三维测绘标准规范
在三维测绘中，数据采集流程以及数据来源的多样性与复杂性，增加了高质量数据的获取难度，制约了数据的共享与交流，降低了数据的利用效益。因此国际化组织以及一些国家编制了相关规范，用于提高数据采集和处理的效率和准确性，促进技术发展和应用，提高数据共享和交流效益。
3.1.1 三维测绘数据获取标准
国际化组织以及一些国家编制了相关标准规范与指南，用于促进三维地理信息数据共享和交流。虽然美国在三维测绘方面相较于欧洲各国发展较晚，但在项目进行过程中形成了许多规范及指南，帮助其更好更快地完成各种项目，三维数据生产与建库标准规范概况见表3。
表3 三维测绘数据获取标准概况
Tab. 3
3.1.2 三维测绘数据模型标准
三维数据产品标准规范旨在为三维数据产品的组成结构、表达形式、元数据及成果要求等进行规定，同时制定开放、标准、统一的基础地理实体和地理场景数据交换格式，以确保实景三维数据在不同终端平台的共享、可视化与互操作。许多三维数据模型标准也被广泛地提出，见表4。
表4 三维测绘数据模型标准概况
Tab. 4
3.1.3 应用与服务标准规范
为了实现各种数据格式和基于不同浏览器之间的互操作可视化，并集成分布式数据，服务器端的标准化接口对于3D地理空间数据的描绘是必要的[37]。3D Portrayal Service是OGC于2017年9月发布的三维地理信息表达服务规范，以实现可互操作的3D表达[38]。该标准同时支持客户端和服务器端渲染，指定从三维地理空间数据服务器查询数据并将其传递到客户端的接口。
3.2 三维建模与服务技术
三维建模与服务技术可以概括为地形场景三维数据获取技术、城市场景三维模型构建技术及服务制作与发布技术。
3.2.1 地形场景数据获取技术
全球尺度的地形场景数据获取通常采用光学立体影像或雷达干涉测量的方式，主要的地形场景产品所采用的技术见表5。
表5 地形场景数据获取技术
Tab. 5
3.2.2 城市场景三维模型构建技术
城市场景三维建模技术的一些典型实例见表6，包括逆向建模和正向建模两种思路。逆向建模是指根据现有物体的实际形状和外观数据，通过扫描、摄影等手段获取相关信息，并通过计算机软件处理和重建生成相应的三维模型。正向建模是指根据设计构思或要求，通过计算机软件进行三维模型创作、添加材质贴图、光照渲染等步骤，以呈现出具有真实感或者虚构性的三维模型。
表6 城市场景三维建模技术概况
Tab. 6
3.2.3 三维服务制作与发布技术
一些流行的三维服务平台使用的关键技术见表7。三维地理信息可视化服务已经随着计算机技术以及各种展示方式（如全息、全景、扩展现实）的不断创新取得前所未有的进步。
表7 三维服务平台使用的关键技术
Tab. 7
4 赋能应用
随着三维技术的进一步发展，三维测绘助力数字化转型与应用进入新时代，三维测绘为数字化赋能转型提供了强有力的技术支持。三维测绘助力数字化赋能不只是简化了数据收集过程，通过对三维空间数据整合和分析，详细地映射和模拟现实世界，提升政府和企业的分析研判能力，加强了对各种社会经济活动的控制和预测能力，实现数字化转型升级与赋能。
4.1 数字政府
三维时空信息技术通过提供时空关联与融合、时空计算与分析、时空推理与服务等功能，有效整合线上线下的治理资源，打破层级、地域、部门和业态的界限，实现条块结合和部门联动的治理协同，助力资源的精准分配与时空契合。该技术在城市管理、灾害应对、水利、交通、能源、土地和电力等领域的政府治理中发挥了重要作用。此外，三维时空技术为政府管理者、企业科研人员和公众用户提供了统一的数据基础，推动多源异构数据的高效关联、深度融合、智能处理与云端共享，实现政务动态监管的全覆盖与可追溯，提升了管理的效率、智能化和精细化水平。各国数字政府赋能应用的典型案例如表8、图5所示。
表8 数字政府赋能应用
Tab. 8
图5 数字政府赋能应用示例
Fig. 5 Examples of digital government empowerment applications
4.2 数字经济
在大数据与互联网时代，经济活动的内涵与外延突破了地域与时空的限制。在三维测绘与时空信息技术的支持下，通过整合经济资源与文化遗产，打造出体验丰富、互动性强的多元化新型经济文化服务模式，有助于打破沟通与协作的时空约束，重组生产要素，重构发展模式，重塑发展格局，从而实现跨地域、高效率的供应、生产和服务。这不仅拓展了经济活动的有效时空范围，改变了行为模式和经济效率，还推动了数字经济的快速发展，助力文化传播与内容升级，促进文旅融合和文物资源的活化利用。未来，更多的应用厂商、社交平台、文旅企业等将加入进来，共同打造经济文化深度融合的数字经济应用新场景。这一趋势将有助于缩小城乡与区域间的数字文化差距，使数字经济的成果惠及全社会。各国数字经济赋能应用的典型案例如表9、图6所示。
表9 数字经济赋能应用
Tab. 9
图6 数字经济赋能应用示例
Fig. 6 Examples of digital economy empowerment applications
4.3 数字社会
当前，全球经济社会发展正进入加速绿色化、低碳化的高质量发展阶段，建设数字生态文明、推动绿色低碳发展已成为必然趋势。随着时空泛在感知和高效传输能力的不断提升，通过实景三维信息强化空间信息高质量、可持续发展的系统研究，为治理信息化、管理网格化、服务精细化提供了先进手段。同时，将实景三维数字空间与便民生活资源深度融合，不仅能实现室内外环境及各类物件的精细化管理与分析模拟，还可建立多样的时空型社会生活服务信息平台，为政府管理者、师生、游客、消费者等提供更加精准、个性化的服务。这将助力人居环境的优化与空间功能结构的重塑，促进民生和公共服务资源在分配与评估上的均衡性、公平性和优质性。各国数字社会赋能应用的典型案例如表10、图7所示。
表10 数字社会赋能应用
Tab. 10
图7 数字社会赋能应用示例
Fig. 7 Examples of digital society empowerment applications
5 启示
通过对国外三维测绘技术及应用研究的调查分析可知，各国在三维测绘领域的研究和应用仍在持续发展，但核心关注点和技术路径存在差异，概念模型与标准仍尚待统一，同时也存在科研及产业的经验和不足。实景三维数据体系方面，尽管地形级实景三维技术在多个国家已有丰富成果，但原始数据的生产成本和模型空间精度仍需改进，在未来大尺度精准地形级实景三维产品将成为国际市场的需求重点；城市级立体重构方面，通过卫星影像的立体匹配可实现大范围快速建模，但其精度往往难以满足应用需求。新兴技术，如AI生成式建模和大语言模型，结合航空影像和激光点云数据，能提高三维几何坐标和纹理信息的精度，并加快模型构建，这将成为今后城市化单体建模的研究热点；数字孪生作为当前研究的热点，对部件级实景三维产品的建设至关重要。然而，现有数字孪生模型功能单一，难以实现多用途应用，部件级实景三维建设需继续深化，提升精准表达和定制化服务；真实化描述是实景三维建设的核心优势，目前大多数研究利用航空、无人机影像和街景图片获取纹理信息，但常造成感知信息缺失，因此亟须解决感知信息的融合问题。随着物联网的发展，地理信息领域广泛应用众源数据，未来真实化实体描述的研究方向应集中于网络数据挖掘和地理数据分析。中国当前在实景三维技术领域同样成果显著，但在未来还需要突破关键技术，面向新型智慧城市和数字经济等国家战略对可持续发展的实景三维建设的重大需求，做好实景三维中国建设与应用，应充分借鉴国内外的先进经验与做法，加强需求分析，厘清实景三维的服务对象与赋能对象。基于对国际三维测绘研究现状的分析，对中国实景三维未来发展具有以下启示。
（1）时空数据高效供给与动态整合。国外的三维测绘项目，通过多个部门协力合作，并借助众包的力量得以成功。如美国3DEP项目，由USGS牵头联合了34个联邦机构、所有50个州机构以及部分私营公司和地方政府开展工作，实现其全国89.5%的地区拥有可用的高程数据。美国TNMCorps项目通过志愿者已成功编辑和更新了50个州、波多黎各和美属维尔京群岛的10类建筑物。
目前国内运营商诸如百度地图、萝卜快跑、高德地图，通过数据众包平台、分布式数据传输和AI空间智能分析等技术为实景三维建设提供了一定的时空数据供给支持。然而，就整体而言，时空信息数据的赋能作用尚未充分发挥，与实体经济融合的深度不足，仍然存在高品质时空数据供给不足、共享能力弱和流通不畅的问题。因此，需要整合全国资源，建立跨部门、跨行业的协作模式，引入地方政府、高校、研究机构及私营企业，发挥各方优势，推动协同发展。同时，媒体信息、视频图像和用户数据等泛在时空数据在反映人类活动方面具有独特优势，未来应研究如何将这些数据与实景三维建设系统有效连接，以增强数据的语义，逐步实现人、物、事、地等信息的动态汇聚与时空整合。
（2）三维数据开放共享与推广应用。国外的三维测绘服务平台发展至今，已开放了大量的模型数据。全球范围30 m与90 m空间分辨率的数字高程模型已完全公开。荷兰更是公开了全国范围5 m精度的数字高程模型。在城市三维模型方面，多数建筑物模型都以CityGML的标准形式进行公开并支持下载。这些公开的数据提供了丰富的资源供研究者和企业进行个性化定制，推动数据的深化应用。
目前中国提出了高标准的建设任务，要求在国家层面完成全国陆地及主要岛屿的10 m和5 m格网数字高程模型及数字表面模型，以及2 m和优于1 m分辨率的数字正射影像制作。为实现数据的高效利用，形成国家和省市县之间的资源整合，打造经济高效的服务体系，我国测绘行业需借鉴并采纳更开放的策略。一方面，在确保国家的地理信息安全的前提下，积极实行数据分部门、分领域由部门内部到公众逐级开放；另一方面，应在统一的三维时空基础上，实现各行各业多源异构数据的有效关联。基于这些数据产品，需开展实景三维信息产品与服务体系的研究与设计，推动优秀产品的推广，并持续推进实用型实景三维产品的应用，赋能政府、社会和产业机构。
（3）三维测绘标准制定与规范统一。国外对三维测绘标准开展了深度研究，通过多部门协作，合力完成三维标准的制定、维护、使用。如，OGC以美国为中心，来自259个不同国家地区的成员组成，OGC制定了CityGML、CityJSON、3DTiles、KML、LandInfra等三维数据模型标准，其中CityGML标准规范定义了5个LODs等级，目前已经更新到CityGML3.0标准，拓展到11个主题板块，已被各国广泛使用。
目前中国在实现由BIM到CIM模型标准制定及推广应用已取得了显著进展，并发布了《城市信息模型应用统一标准》和《城市信息模型数据加工技术标准》。然而，与国际标准相比，国内在基础地理实体的概念、特征、分级分类、编码、建模和应用方面尚未形成统一共识。因此，针对实景三维中国建设中的基础地理实体生产及相关数字产品的应用，需加强国内标准与国际标准的衔接与融合，在现有标准的基础上，应发展具有我国特色的标准规范。另一方面，制定涵盖多部门、多行业的通用三维规范标准，强化试点城市的经验总结，根据实际需求增加技术文件，并提炼相关标准，加强地理实体与社会经济的融合应用研究。
朱军, 吴鉴霖, 李志林, 郭煜坤, 游继钢, 谢亚坤, 李维炼西南交通大学地球科学与工程学院，四川 成都 611756
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