3D GIS地理信息系统解决方案范本模板.docx

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3DGIS地理信息系统解决方案范本模板

3DGIS地理信息系统解决方案

一、立项的背景和意义

（一）背景

地理信息系统（GeographyInformationSystem）是整个地球或部分区域的资源、环境在计算机中的缩影，反映了人们赖以生存的现实世界，是在计算机软件和硬件支持下，以一定的格式输入、存储、检索、显示和综合分析应用的技术系统。

GIS作为计算机和空间数据分析方法作用于许多相关学科后发展起来的一门边缘学科，由于能及时地抓住当今世界计算机技术飞速发展，各国政府对地理、资源和环境信息日益重视这一时代特点，加上许多相关技术（如GPS、DPS、RS等）为它提供了强有力的地理空间信息获取手段,使得GIS己经成为各国政府部门、商业公司、科研机构和高等院校极为关注的热点领域。

特别是进入20世纪90年代以来，GIS己在全球范围内形成产业规模,并将进一步深入到各行业乃至人们的日常生活之中.

二维地理信息系统始于二十世纪六十年代的机助制图，今天己深入到社会的各行各业中，但二维地理信息系统存在着自身难以克服的缺限,它本质上是基于抽象符号的系统,不能给人以自然界的三维真实感受。

三维地理信息系统是在二维平面的基础上模拟并处理现实世界上所遇到的三维现象和问题.地理信息三维可视化系统是对具有三维地理参考坐标的空间信息进行输入、存储、编辑、查询、空间分析和模拟的计算机系统.二维地理信息系统与三维地理信息系统的本质区别在于数据的分布范围，在于高程是被看成空间数据还是属性数据。

三维GIS的根本目标是多维时空现象的三维表示。

相对于二维GIS而言，三维GIS具有三个显著的特点:

1、直观性：

直观性是三维GIS的最显著的特点，通过三维可视化技术，用户将得到更好的人机交互接口，更少的训练时间，以及更多的空间信息。

2、巨大的数据量：

三维GIS应用通常具有海量数据（可达数百G），这种巨大的数据量使得三维GIS需要得到数据库的有效管理，具有高效的数据存取性能。

3、复杂的数据结构:

三维GIS不是对二维GIS的简单扩展,三维空间中增加了许多新的数据类型，空间关系变得更加复杂.

三维可视化一直以来是虚拟现实、地理信息系统、数字摄影测量等领域的研究重点。

早在八十年代末期，随着GIS研究与应用的不断深入，许多研究者开始了三维GIS的研究。

早期的研究主要面向地质、矿山等特殊应用领域，建立栅格化的数据模型和进行一些特殊的空间分析，功能较为单一。

K和Masry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，这个系统可能是最早的三维GIS系统，具有一些简单的空间分析能力，如最近点分析等。

随着计算机技术的发展，人们己不满足于一些简单的三维显示、查询等功能，他们要求二维GIS的功能在三维空间得到更好的实现。

于是,许多模拟系统开始集成传统的GIS技术和三维可视化技术（包括虚拟现实技术）,以数据库为基础，研究海量数据的存取和可视化。

三维GIS经过十余年的发展,在许多方面取得了丰富的成果，在一些领域逐渐开始得到应用。

在军事训练中，它可以用于飞行员模拟驾驶训练;在作战指挥方面，它可以用于模拟真实战场环境，进行虚拟作战演习;在外交方面，对于有争议地区的边界划分，三维虚拟地形则可以消除双方认识上的分歧;三维城市虚拟景观则可以为城市规划与设计提供最直观的表现形式，以帮助我们建设更美好的家园；利用地理信息三维可视化系统还可以真实再现人类尚未到达或难以到达的区域.由此可见，地理信息三维可视化系统的研究有着十分重要的意义。

在地理信息技术研究中，从平面纸质地图到电子地图，从二维到三维，从简单模拟到虚拟现实，可视化都在其中扮演着非常重要的角色。

目前，国内外几个主要的GIS产品中，包含三维模块的主要有以下几个：

（1）ESRI公司推出的ArcGIS不断扩展了它的三维显示与分析组件ArcGIS3DAnalyst。

该组件提供用户的功能可以实现基于TIN格式的DEM三维显示和立体分析，数字城市的三维显示、分析与管理，并提供三维建模工具。

（2）ERDAS公司推出的ERDASIMAGINE系列产品是一个包括制图和可视化核心功能在内的影像工具软件。

其扩充的VirtualGIS模块可以实现实时三维飞行模拟和GIS分析等功能.

（3）VRMap是一个三维可视化平台，可以在多种编程语言平台下进行二次开发.

（4）IMAGIS是一套以数字正射影像（DOM），数字地面模型（DEM）、数字线划图（DLG）和数字栅格图（DRG）作为综合处理对象的虚拟现实管理的GIS系统。

提供了三维显示、数据库查询以及三维分析等模块。

（5）CyberCity是专为数码城市建设开发而成的。

该软件的主要特点是基于数字摄影测量工作站DPW采集的城市三维编码数据、GIS数据、CAD数据等自动建立三维模型，并具有大范围海量数据三库一体化管理和无缝三维实时漫游功能，并包含和拓展了常规GIS的空间信息查询、表示、分析和决策功能。

但是三维GIS也面临着一些技术挑战，许多关键技术没有得到很好的解决。

例如，如何自动重构三维GIS数据源，如何实现海量数据的可视化等.地理信息三维可视化系统的研究对象是三维空间，必须能对与三维对象相关的信息进行建模、表示、管理、操作、分析和决策。

因此，对地理信息三维可视化系统进行研究，不是对二维地理信息系统的简单扩展，而是从空间模型分析到空间数据库的结构直至三维数据的可视化，都必须进行系统的研究。

由于专业空间分析种类繁多复杂且与具体的问题相关，有很大的针对性，同时专业空间分析的理论方法体系也没有统一。

因此,目前还没有实现三维GIS软件与专业空间分析模型的完全集成。

三维GIS与专业空间分析模型的集成方式主要有以下３种途径:

（1）三维GIS与专业空间分析模型的松耦合集成模式。

松耦合集成模式也称外挂式集成，是通过在两个相对独立的三维GIS软件和专业空间分析模型之间增加数据交换接口实现的。

其特点是三维GIS与专业空间分析模型能够独立运行,模型可直接从三维GIS数据库中获取数据，并将分析结果存储在三维GIS数据库中;同时专业空间分析的相关数据和结果可在三维GIS中可视化表达出来。

优点是开发费用低、风险小、易实现；缺点是执行效率低，只适用于周期较短的情况。

（2）三维GIS与专业空间分析模型的紧耦合集成模式.紧耦合集成模式也称内嵌式集成,是将一系统的主要功能添加到另一系统中。

有两种实现途径：

一是将专业空间分析模块作为一个应用模块嵌入三维GIS软件包中，三维GIS在为专业空间分析提供数据的同时还提供图形显示功能；二是在专业空间分析模型中添加三维GIS的一些功能.其特点是功能模块必须借助于主系统才能运行。

优点是功能齐全、系统效率高且稳定、界面友好；缺点是周期长、造价高。

（3）三维GIS与专业空间分析模型的一体化集成。

一体化集成是三维GIS与专业空间分析模型集成的最高层次。

其实现需要建立在专业应用模型的理论与实践、三维GIS软件环境较为成熟的前提下,将某一专业空间分析应用模型作为专门的专业空间分析工具纳入三维GIS环境,有共同的操作界面和数据基础，从功能上集成了两者共同的优势.优点是集成性和效率较高,缺点就是跨越的方面较多，需要多方人员的密切配合，系统开发难度大。

在三维GIS与专业空间分析模型集成中，无论是紧耦合模式还是松耦合模式都没有解决模型的重用性及其与系统的高效集成，且都有一定局限性,需要寻求一种更好的集成途径解决上述问题。

随着计算机及相关技术的飞速发展，地理信息系统也由单机的系统发展到网络、分布式地理信息系统，软件开发和系统集成也面临新的挑战。

在复杂分布式环境、广泛的包容性、多源异构条件的驱使下,传统的系统集成模式开始向构件式软件开发模式迈进。

作为构件技术存在的基础，中间件成为了三维GIS软件发展的一个新亮点。

一般说来，中间件有两层含义。

从狭义的角度，中间件意指Middleware，它是表示网络环境下处于操作系统等系统软件和应用软件之间的一种起连接作用的分布式软件，通过API的形式提供一组软件服务，可使得网络环境下的若干进程、程序或应用可以方便的交流信息和有效的进行交互与协同。

简言之，中间件主要解决异构网络环境下分布式应用软件的通信、互操作和协同问题，它可屏蔽并发控制、事务管理和网络通信等各种实现细节，提高应用系统的易移植性、适应性和可靠性.从广义的角度，中间件在某种意义上可以理解为中间层软件，通常是指处于系统软件和应用软件之间的中间层次的软件，其主要目的是对应用软件的开发提供更为直接和有效的支撑。

中间件是处于系统软件和应用程序之间的软件层，属于基础软件的范畴。

按照国内对软件的分类方法,中间件应该归入支撑软件。

支撑软件总的作用就是为处于自己上层的应用软件提供运行和开发环境。

目前,中间件已经与操作系统、数据库管理系统成为基础软件的３个主要组成部分。

ＩＤＣ将中间件定义为：

中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源，中间件位于客户机服务器的操作系统之上，管理计算机资源和网络通信。

中间件可以屏蔽底层的异构环境向用户提供一组接口,用户之间相互独立并通过接口与中间件进行通信.当底层信息发生改变时只需要对中间件进行相应的更新，客户系统便可以继续应用.中间件的特点是具有标准的接口和协议，适用于分布式计算，提供网络、硬件和操作系统的透明性,能满足大量应用的需要，能应用于多种硬件和操作系统平台.

通过融入中间件技术能够实现三维GIS软件与专业空间分析模型的高效集成，提高模型重用率，使有限的专业空间分析模型和无限的三维GIS应用软件达到一个灵活的结合,同时也能解决分布式异构环境下软件开发的问题。

（二）意义

科学研究表明，人类所接触的信息中80％以上是与地理位置相关的,基于真实数据的三维虚拟环境的建立有助于人们更好的接受、理解和分析信息。

特别是将虚拟现实技术运用到地理信息系统中以后,二维的、符号化的地理信息系统所面临的抽象、难以理解、表现方式单一等致命问题将迎刃而解。

三维虚拟环境凭借自然的交互方式、丰富的表现手法、真实的三维场景，在军事、交通、三维游戏、城市规划等领域具有广阔的市场应用前景.可见，研究GIS数据的三维可视化，具有较大的学术价值和应用价值.具体的讲,主要有以下几个方面的应用：

1、三维虚拟战场环境

三维虚拟战场环境就是利用虚拟现实技术生成的虚拟作战自然场景。

为了能够“真实地”再现战场环境，准确的反映作战区域的战场态势和各种环境特征，虚拟战场环境除了基本的地形、地貌之外,还需要集成各种地理要素和实体（如:

道路、桥梁、建筑等）以构建更加符合真实情况的战场环境，为建立三维数字化战场提供基础平台。

2、仿真训练和模拟

许多仿真训练和模拟，如驾驶模拟、飞行仿真、对抗模拟等,由于建造真实训练环境费用高、难度大，而且真实训练危险性很高。

利用虚拟现实技术在计算机上构建训练环境具有费用低廉、控制灵活、安全性高等特点。

大范围室外虚拟环境的构建可以为仿真训练和模拟提供基础平台。

3、三维城市数字规划

城市的规划往往需要考虑功能、布局、交通、外观、与周围环境的配合等诸多方面的因素。

利用三维可视化技术可以将规划方案直观的展示出来，并能进行局部修改、实时交互，既能缩短城市规划的时间,又能对各个方案的价值作出比较准确的评估，达到辅助决策的目的。

4、三维游戏和数字娱乐

自虚拟现实技术产生以来,三维游戏和数字娱乐就是其重要的应用领域之一。

包含丰富细节信息的逼真虚拟游戏场景,是吸引广大游戏开发人员和游戏爱好者的重要原因。

因此，三维虚拟环境快速构建技术在三维游戏和数字娱乐中有着广阔的应用前景.

可以预见，三维虚拟环境的建立和各种实体的嵌入可为其他应用提供良好的交互、展示和决策支持平台。

三维虚拟环境应用系统的性能和质量与基础平台的绘制效率、交互性、真实感等有密切关系，因此该项技术有广泛的应用前景。

专业空间分析与三维GIS是空间信息处理的两个主要分支,两者有区别也有联系。

专业空间分析方法与模型虽已有了很大的发展，但仍没有形成统一体系；三维GIS也进入了应用型、智能型时代，专业空间分析功能与三维GIS的高效集成是完善三维GIS在多源异构环境中分析决策功能的关键。

从专业空间分析模型与三维GIS集成模式的角度出发,分析了目前结合方式的特点,提出了将新的构件化软件开发模式应用于两者的集成，即中间件技术在三维GIS中应用的研究。

通过将各个专业空间分析模型作为相互独立的COM组件，不同的三维GIS应用软件能够通过接口直接调用相应的模型，提高了模块重用率和系统的开发、运行效率。

使用中间件技术意义如下:

（1）缩短投放市场所需时间

时间因素绝对是所有项目的首要问题。

自行建立软件基础结构耗时长，使用现成的基础结构软件则可以将软件开发时间缩短25％-50%。

如果应用系统每月可带来100万美元的利润或节省100万美元的开销，那么软件开发时间缩短的每一个月就相当于在银行存入100万美元.

（2）节省应用开发费用

只有少于30%的代码与应用/业务有关,而其余部分均归属于基础结构！

如果使用现成的基础结构，费用可节省25％-60％。

对于一个200万美元的项目而言，这意味着将节省50万-120万美元.

（3）减少系统运行开销

一个不采用商用中间件产品部署的系统，其初期购买及运行费用将加倍.许多大企业由于采用中间件产品而在硬件及软件方面节省了大量的投资。

一个200万美元的项目因此将只需花费100万，而其中还包括了中间件的投资。

（4）降低失败率

虽然自行开发中间件的项目失败率高达90%以上，可见这种做法是十分危险的。

但其结果可能由100％推翻重来，以至于1000％超出预算.

（5）提高投资效率

采用中间件产品既能保护现有投资，又能提高投资效率。

通过使用中间件产品,用户可以建立专有系统以外的应用程序，不但扩展了主机应用，而且还能将主机应用与整体系统实现无缝连接。

许多企业发现其在两层客户机/服务器结构下建立的新的应用系统并不能在Internet上运行，而已被淘汰的应用程序则更适合Internet。

采用中间件技术可以恢复被Internet淘汰的应用程序的生命，该费用将大大低于应用程序重新开发的费用。

这笔费用通常会在数十万美元到数亿美元之间。

（6）简化应用集成

使用中间件产品，现有应用程序、新开发应用程序以及所有其他购买软件均能实现无缝集成。

从而能够从开发、投放市场时间两方面节约数百万美元的开支。

（7）降低软件维护费用

自行开发基础结构成本很高，维护时则更会变本加厉。

对于自行开发的基础结构，其年维护费可达开发费用的15％—25％;而应用程序的维护费则达到开发费用的10%—20％。

以一个200万美元的项目为例，其中120万用于基础结构建立，其年维护费为18万—28万美元。

而购买现成的中间件仅需项目总成本的15%—20%，依购买规模和供应商的不同还有可能大大低于该价格。

（8）高质量

在自行建立中间件的应用系统中，每次将新的应用组件加入系统时,相应的新的中间件模块被加入到当前的中间件之上。

在一个实际的应用系统中,Standish集团发现其使用了17000个应用接口。

而商用中间件产品则具有清晰的接口层次，从而大大降低新系统及原有系统的维护成本.此外，由于商用中间件支持数百万的交易吞吐量，其质量远远高于用户自行开发的中间件产品。

（9）保证技术革新

除了需对自行建立的中间件进行维护，还需对其进行技术革新，而这似乎不太现实。

而从第三方购买的中间件产品则会随着其所属公司对其进一步的投资不端得到增强。

采用具有层次接口设计的中间件产品,将能节省时间和费用。

（10）增强应用程序吸引力

由于中间件提供了一个灵活的平台，许多新功能、新特性均可以在应用系统中得以建立。

综上所诉，将中间件技术应用到三维GIS的集成技术框架主要研究将专业空间分析模型以中间件的方式集成到各个专题应用的三维GIS系统中，称为三维GIS专业空间分析中间件。

整个系统遵循3层体系结构，在分布式系统中，中间层通过采用中间件技术，屏蔽底层的系统平台异构和数据多源异构。

当客户端进行某项应用操作时，通过接口代理向系统发出请求，根据对用户请求的分析，由中间件管理引擎调用相应的实现部分在这种开发模式下，可以提高专业空间分析模型的重用率,模块与软件组合更加灵活且不必考虑平台的异构性,将大大降低开发成本和难度。

二、国内外研究现状和发展趋势

（一）国内外研究现状

三维GIS将地理学、几何学、计算机科学、CAD技术、遥感技术、GPS技术、互联网、多媒体技术和虚拟现实技术等融为一体,利用计算机图形学与数据库技术来采集、存储、编辑、显示、转换、分析和输出地理图形及其属性数据，并根据需要将这些信息图文并茂的输送给用户,便于分析及决策。

三维GIS已经在地质矿产、土地信息、三维仿真、管线成图与信息管理等领域大显身手。

三维GIS发展至今，研发思路主要有两条，即从三维可视化向三维GIS的扩展和从数据库角度向三维GIS过渡。

在可视化方面，主要集中在地形表面的重建、房屋建筑几何模型建立等方面。

地理信息系统技术从60年代开始以来，经历了30多年的发展.随着计算机技术、空间技术和现代信息基础设施的飞速发展,GIS作为联系三者的纽带，在国民经济信息化进程中的重要性与日俱增。

GIS软件平台不断推陈出新，处于急剧变化和发展之中.传统的2D2GIS软件通过矢量或栅格的方法完成二维陆地表面的成图和分析.矢量方法接近于传统的地质图，栅格系统则适用于各种地球物理数据及卫星遥感数据等。

多年来,地质学家一直采用二维地图产品表示三维地物,地质图、横断面图、示意图以及专门的几何结构图如立体网等。

但在某些领域，人们需要分析具有三维坐标的地表面以下的状况，这种空间关系时常为确定和评价矿产资源、石油资源或污染状况提供重要的信息。

当前国内仅有少量的GIS商品化软件能进行真三维的分析和显示，原因在于原来的大多数软件都是基于二维的数据结构，而要在这些原有软件的基础上修改数据结构决不是一件容易的事，因此我们可以说，找到一种合适的三维数据结构是开发三维GIS平台的技术关键。

近20年来，计算机技术的飞速发展使生成、显示和操纵描述3D几何特征和属性特征的数据结构成为可能，这些3D技术大致可分为两类：

基于面表示和基于体表示.面表示可以分为栅格结构（grid）、三角形不规则网络（TIN）、边界表示（BR）和参数函数。

它的优点在于容易为地层及其构造提供精确的空间描述，特别是构造复杂地带或岩石断裂处，便于显示和更新，不足之处是空间分析较难。

体表示将整体细分为大量的体元（voxels）。

定义一个大的模型需要大量的体元,因此在数据压缩和检索上需进行大量的工作。

它可以分为3D栅格（array）、八叉树（octree）、实体结构几何法（CSG）和四面体格网（TEN）.其优点是便于空间操作和分析，便于表示异质特征的整个3D分布状况，但占用存储空间大,计算速度较慢。

（1）八叉树结构

在八叉树结构中,根结点表示一个包含整个目标的立方体，如果目标充满整个立方体，

则不再分割；反之要分成8个大小相同的立方体,对于每一个这样的立方体，如果目标充满它或它与目标无关，则不再分割，否则继续将其分成8个更小的立方体，按此规则一直分割到不再需要分割或达到规定的层次为止.在八叉树结构中常用的编码方法是线性八叉数编码（LO），在此编码中只存储实叶结点的地址码和属性值，常用的地址码是Morton码，其中隐含了叶结点的位置和大小.

（2）四面体格网

四面体格网（TetrahedralNetwork—TEN）是将目标空间用紧密排列但不重叠的不规则四面体形成的格网来表示,其实质是2DTIN结构的3D扩展。

在概念上首先将2DVoronoi格网扩展到3D，形成3DVoronoi多面体,然后将TIN结构扩展到3D形成四面体格网。

四面体格网由点、线、面和体4类基本元素组合而成。

整个格网的几何变换可以变为每个四面体变换后的组合，这一特性便于许多复杂的空间数据分析。

同时四面体格网既具有体结构的优点,如快速几何变换、快速显示，又可以看成一种特殊的边界表示，具有一些边界表示的特点，如拓扑关系的快速处理。

在实际应用中一个关键问题是四面体格网的自动生成。

目前研究较多的是栅格算法。

基本思想是:

将3D空间用3D栅格表示，空间点可以通过矢量用距离变换生成3DVoronoi多面体，再由3DVoronoi多面体转换到四面体格网。

（3）混合数据结构

从以上讨论不难发现，对于八叉树结构随着分辨率的提高将成倍增加数据量，而且八叉树结构始终是一种近似表示,但八叉树结构具有结构简单、操作方便等显著优点;而四面体格网能够保存原始观测数据,具有精确表示较为复杂的空间拓扑关系的能力，但结构比八叉树复杂，在某些场合数据量较大。

许多学者对八叉树和体元进行了大量的研究，希望能解决地质矿体、地下水分布等问题。

后来人们发现与基于栅格的GIS无法解决一切问题的情况类似，基于体元或八叉树结构,也无法解决三维现象的所有问题。

对于一个开采的矿山，除了矿体之外，还有许多矿井设施,有通风管道，有运输线路、有开采井道等等。

用体元来表达精度是远远不够的,而且用体元表达还无法进行各种巷道之间的拓扑关系分析，所以最近人们开始了三维矢量数据模型的研究.最终结果可能是设计一种体元与三维矢量并存的系统,这样就产生了混合数据结构。

我们可以预测，随着计算机软、硬件技术的飞速发展,人们必然能够找到一种适合三维GIS的三维数据结构。

2、国外著名的三维GIS软件概述

在地理信息系统的建设过程中，地理信息系统软件的发展具有举足轻重的作用，一些发达国家如美国,投入大量资金发展地理信息系统软件产业。

目前我国外来的GIS软件主要有：

ARCöINFO、ERDAS、GRASS、GIST、MGE、EPPL7、IDRISI、PCI和MAPöINFO等.

（1）GRASS　

地理资源分析支持系统（GeographicalResourceAnalysisSupportSystem，简称GRASS），是美国军用工程公司建筑工程研究所与美国土壤保持部、土壤管理局、环境保护局等11个部门联合，为满足资源与环境等领域中多方面需要而研制的一套基于微机的多功能地理信息系统软件工具.GRASS采用矢量结构、栅格结构、点结构、影像像元结构和属性数据库5种数据结构。

矢量、栅格及点结构可以相互转换，属性数据库与图形数据紧密相联,多种数据结构用于存储管理不同类型的数据，使管理方便灵活，支持系统多种功能的高效实现。

GRASS的主要功能有：

显示功能。

包括二维与三维显示、纵剖面、直方图、饼状图表、统计曲线、屏幕内容的硬拷贝；

基于栅格的分析功能。

包括叠置、筛选、完整的数学计算功能、邻域分析、测算、聚类分析、输入ö输出、视线分析、成本分析、旋转、矢量化转换、掩膜分析、再分类、网络流分析、压缩格网、高程变换；

基于矢量的分析功能。

包括数字化、编辑、标注、测算、输入ö输出、显示、完整的拓扑相关分析、栅格化数据、栅格生成、等高线标注；

图像数据与处理功能.主要用于处理Landsat的MSS、TM多光谱图像、SPOT及高纬NHAP图像。

目前GRASS的技术人员正着手新的开发研究，包括：

多重属性的生成、存取,高效的子图区域查询,空间与DBMS的混合查询，三维数据库，X界面，浮点数据，神经网络,数字的自动化实现.未来的GRASS还渴望在并行处理、数据存取的网络服务、实时三维图像显示、全球数据库、栅格数据的编辑、完整的矢量运算、基本的DBMS与GRASS连接等功能方面有所突破.

（2）MGE　

模块化地理信息系统（MGE）是一个兼有矢量和栅格数据结构以及矢量、栅格分析运算功能，及具有面向对象分析操作功能的地理信息系统。

同时它也是一个遥感图像运算处理、地图制图系统。

它是美国INTEGRAPH公司开发的。

MGE建立在著名的CAD软件平台MICROSTATION上，由20多个模块组成，MGE可根据用户应用需要任意选择各种模块组合。

用户可通过多种开发工具进行二次开发。

MGE的主要功能有：

GIS