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数字地球与“三 S ”技术

[ 作者：Web3D在线来源：Web3D在线点击数：更新时间：2007-6-4 字体：］

人们都说农业社会是资源经济，谁拥有资源（自然资源，人力资源等）谁就主宰世界，在工业社会，谁拥有资本谁就主宰社会。到了下世纪人类将进入信息社会，谁拥有知识，谁就主宰世界，称之为知识经济。数字地球是美国副总统戈尔于 1998 年 1 月 31 日在“数字地球——认识 21 世纪我们这颗星球”的报告中提出的一个通俗易读的概念，它勾绘出了信息时代人类在地球上生存、工作、学习和生活的时代特征。

　　一、什么是数字地球？

　　1998 年****总书记在接见两院院士代表时的讲话中指出：“当今世界，以信息技术为主要标志的科技进步日新月异，高科技成果向现实生产力的转化越来越快，初见端倪的知识经济预示人类的经济社会生活将发生新的巨大变化”。

　　什么是“数字地球”呢？所谓“数字地球”，可以理解为对真实地球及其相关现象统一的数字化重现和认识。其核心思想是用数字化的手段来处理整个地球的自然和社会活动诸方面的问题，最大限度地利用资源，并使普通百姓能够通过一定方式方便地获得他们所想了解的有关地球的信息，其特点是嵌入海量地理数据，实现多分辨率、三维对地球的描述，即“虚拟地球”。通俗地讲，就是用数字的方法将地球、地球上的活动及整个地球环境的时空变化装入电脑中，实现在网络上的流通，并使之最大限度地为人类的生存、可持续发展和日常的工作、学习、生活、娱乐服务。

　　严格地讲，数字地球是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，并利用它作为工具来支持和改善人类活动和生活质量。

　　二、数字地球的技术基础

　　要在电子计算机上实现数字地球不是一个很简单的事，它需要诸多学科，特别是信息科学技术的支撑。这其中主要包括：信息高速公路和计算机宽带高速网络技术、高分辨率卫星影像、空间信息技术、大容量数据处理与存贮技术、科学计算以及可视化和虚拟现实技术。

　　1 、信息高速公路和计算机宽带高速网

　　一个数字地球所需要的数据已不能通过单一的数据库来存贮，而需要由成千上万的不同组织来维护。这意味着参与数字地球的服务器将需要由高速网络来连接。为此，美国克林顿总统早在 1993 年 2 月就提出实施美国国家信息基础设施（ NII ），通俗形象地称为信息高速公路，它主要由计算机服务器、网络和计算机终端组成。美国为此计划投入 4000 亿美元，耗时 20 年。到 2000 年的目标是提高生产率 20~40% ，获取 35000 亿美元的效益。

　　在 Internet 流量爆发性增长的驱动下，远程通信载体已经尝试使用 10G /S 的网络，而每秒 1015byte 的因特网正在研究中。相信在 21 世纪将会有更加优秀的宽带高速网供人们使用。

　 2 、高分辨率卫星影像

　　本世纪的遥感卫星影像，在卫星遥感问世的 20 多年分辨率已经有了飞快的提高，这里所说的分辨率指空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率。空间分辨率指影像上所能看到的地面最小目标尺寸，用像元在地面的大小来表示。从遥感形成之初的 80 米，已提高到 30 米， 10 米， 5.8 米，乃至 2 米，军用甚至可达到 10cm 。到下一世纪获取 1m 或优于 1m 的空间分辨率影像将会十分方便。光谱分辨率指成像的波段范围，分得愈细，波段愈多，光谱分辨率就愈高，现在的技术可以达到 5~6nm （纳米）量级， 400 多个波段。细分光谱可以提高自动区分和识别目标性质和组成成分的能力。时间分辨率指重访周期的长短，目前一般对地观测卫星为 15~25 天的重访周期。通过发射合理分布的卫星星座可以 3~5 天观测地球一次。

　　高分辨率卫星遥感图像在下一世纪将可以优于 1 米的空间分辨率，每隔 3~5 天为人类提供反映地表动态变化的详实数据，从而实现秀才不出门，能观天下事的理想。

　　3 、空间信息技术与空间数据基础设施

　　空间信息是指与空间和地理分布有关的信息，经统计，世界上的事情有 80% 与空间分布有关，空间信息用于地球研究即为地理信息系统。为了满足数字地球的要求，将影像数据库、矢量图形库和数字高程模型（ DEM ）三库一体化管理的 GIS 软件和网络 GPS ，将在下一世纪十分成熟和普及。从而可实现不同层次的互操作，一个 GIS 应用软件产生的地理信息将被另一个软件读取。

　　当人们在数字地球上，进行处理、发布和查询信息时，将会发现大量的信息都与地理空间位置有关。例如查询两城市之间的交通连接，查询旅游景点和路线，购房时选择价廉而又环境适宜的住宅等都需要有地理空间参考。由于尚未建立空间数据参考框架，致使目前在万维网上制作主页时还不能轻易将有关的信息连接到地理空间参考上。因此，国家空间数据基础设施是数字地球的基础。

　　国家空间数据基础设施主要包括空间数据协调管理与分发体系和机构，空间数据交换网站、空间数据交换标准及数字地球空间数据框架。这是美国克林顿总统在 1994 年 4 月以行政令下发的任务，美国将于 2000 年元月初步建成，我国也将在跨世纪之际，抓紧建立我国基于 1:50000 和 1:10000 比例尺的空间信息基础设施。欧洲、俄罗斯和亚太地区也都纷纷抓空间数据基础设施。

　　空间数据共享机制是使数字地球能够运转的关键之一。国际标准化组织 ISO/TC211 工作组正为此而努力工作。只有共享才能发展，共享推动信息化，信息化进一步推动共享。政府与民间的联合共建是实现共享原则的基本条件，因为任何国家的政府也不可能包揽整个信息化的建设。在我国，要遵循这一规律就必然要求打破部门之间和地区之间的界限，统一标准，联合行动，相互协调，互谅互让，分工合作，发挥整体优势。只有大联合才能形成规模经济的优势，才能在国际信息市场的激烈竞争中争取主动。

　　4 、大容量数据存贮及元数据

　　数字地球将需要存贮 1015 字节的（ Quadrillions ）信息。美国 NASA 的行星地球计划 EOS — AM1 99 年上天，每天将产生 1000GB （即 1TB ）的数据和信息， 1 米分辨率影像覆盖广东省，大约有 1TB 的数据，而广东才是中国的 1/53 。所以要建立起中国的数字地球，仅仅影像数据就有 53TB ，这还只是一个时刻的，多时相的动态数据，其容量就更大了。目前美国的 NASA 和 NOAA 已着手建立用原型并行机管理的可存贮 1800TM 的数据中心，数据盘带的查找由机器手自动而快速地完成，相信到下一世纪，还会有新的突飞猛进。

　　另一方面，为了在海量数据中迅速找到需要的数据，元数据（ metadata ）库的建设是非常必要的，它是关于数据的数据，通过它可以了解有关数据的名称、位置、属性等信息，从而大大减少用户寻找所需数据的时间。

　　5 、科学计算

　　地球是一个复杂的巨系统，地球上发生的许多事件，变化和过程又十分复杂而呈非线性特征，时间和空间的跨度变化大小不等，差别很大，只有利用高速计算机，我们今日和跨世纪的未来，才有能力来模拟一些不能观测到的现象。利用数据挖掘（ Data Mining ）技术，我们将能够更好地认识和分析所观测到的海量数据，从中找出规律和知识。科学计算将使我们突破实验和理论科学的限制，建模和模拟可以使我们能更加深入地探索所搜集到的有关我们星球的数据。

　　6 、可视化和虚拟现实技术

　　可视化是实现数字地球与人交互的窗口和工具，没有可视化技术，计算机中的一堆数字是无任何意义的。数字地球的一个显著的技术特点是虚拟现实技术。建立了数字地球以后，用户戴上显示头盔，就可以看见地球从太空中出现，使用“用户界面”的开窗放大数字图像；随着分辨率的不断提高，他看见了大陆，然后是乡村、城市，最后是私人住房、商店、树木和其它天然和人造景观；当他对商品感兴趣时，可以进入商店内，欣赏商场内的衣服，并可根据自己的体型，构造虚拟自己试穿衣服。虚拟现实技术为人类观察自然，欣赏景观，了解实体提供了身临其境的感觉。最近几年，虚拟现实技术发展很快。虚拟现实造型语言（ VRML ）是一种面向 Web 、面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。它不仅支持数据和过程的三维表示，而且能使用户走进视听效果逼真的虚拟世界，从而实现数字地球的表示以及通过数字地球实现对各种地球现象的研究和人们的日常应用。实际上，人造虚拟现实技术在摄影测量中早已是成熟的技术，近几年的数字摄影测量的发展，已经能够在计算机上建立可供量测的数字虚拟技术。当然，当前的技术是对同一实体拍摄照片，产生视差，构造立体模型，通常是当模型处理。进一步的发展是对整个地球进行无缝拼接，任意漫游和放大，由三维数据通过人造视差的方法，构造虚拟立体。

　　三、数字地球中的“三 S ”技术

　　数字地球的核心是地球空间信息科学，地球空间信息科学的技术体系中最基础和基本的技术核心是“三 S ”技术及其集成。所谓“三 S ”是全球定位系统（ GPS ）、地理信息系统（ GIS ）和遥感（ RS ）的统称。没有“三 S ”技术的发展，现实变化中的地球是不可能以数字的方式进入计算机网络系统的。

　　1 、空间定位 (GPS) 技术

　　GPS 作为一种全新的现代定位方法，已逐渐在越来越多的领域取代了常规光学和电子仪器。 80 年代以来，尤其是 90 年代以来， GPS 卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变化。用 GPS 同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分，从事后处理扩展到实时 ( 准实时 ) 定位与导航，绝对和相对精度扩展到米级、厘米级乃至亚毫米级，从而大大拓宽它的应用范围和在各行各业中的作用。不久的将来，人人可以戴上 GPS 手表，加上移动电话，你的活动就可以自动进入数字地球中去。

　　2 、航空航天遥感 (RS) 技术

　　当代遥感的发展主要表现在它的多传感器、高分辨率和多时相特征。

　　1) 多传感器技术。当代遥感技术已能全面覆盖大气窗口的所有部分。光学遥感可包含可见光、近红外和短波红外区域。热红外遥感的波长可从 8~ 14mm ，微波遥感观测目标物电磁波的辐射和散射，分被动微波遥感和主动微波遥感，波长范围为 1mm~ 100cm ，。

　　2) 遥感的高分辨率特点。全面体现在空间分辨率、光谱分辨率和温度分辨率三个方面，长线阵 CCD 成像扫描仪可以达到 1~ 2m 的空间分辨率，成像光谱仪的光谱细分可以达到 5~6nm 的水平。热红外辐射计的温度分辨率可从 0.5K 提高到 0.3K 乃至 0.1K 。

　　3) 遥感的多时相特征。随着小卫星群计划的推行，可以用多颗小卫星，实现每 2~3 天对地表重复一次采样，获得高分辨率成像光谱仪数据，多波段、多极化方式的雷达卫星，将能解决阴雨多雾情况下的全天候和全天时对地观测，通过卫星遥感与机载和车载遥感技术的有机结合，是实现多时相遥感数据获取的有力保证。

　　遥感信息的应用分析已从单一遥感资料向多时相、多数据源的融合与分析，从静态分析向动态监测过渡，从对资源与环境的定性调查向计算机辅助的定量自动制图过渡，从对各种现象的表面描述向软件分析和计量探索过渡。近年来，由于航空遥感具有的快速机动性和高分辨率的显著特点使之成为遥感发展的重要方面。

　　3 、地理信息系统 (GIS) 技术

　　随着“数字地球”这一概念的提出和人们对它的认识的不断加深，从二维向多维动态以及网络方向发展是地理信息系统发展的主要方向，也是地理信息系统理论发展和诸多领域的迫切需要如资源、环境、城市等。在技术发展方面，一个发展是基于Client/Server 结构，即用户可在其终端上调用在服务器上的数据和程序。另一个发展是通过互联网络发展 Internet GIS 或 Web-GIS ，可以实现远程寻找所需要的各种地理空间数据，包括图形和图像，而且可以进行各种地理空间分析，这种发展是通过现代通讯技术使 GIS 进一步与信息高速公路相接轨。另一个发展方向，则是数据挖掘（ Data Mining ），从空间数据库中自动发现知识，用来支持遥感解译自动化和 GIS 空间分析的智能化。

　　4 、“三 S ”集成技术

　　“三 S ”集成是指将上述三种对地观测新技术及其他相关技术有机地集成在一起。这里所说的集成，是英文 Integration 的中译文，是指一种有机的结合，在线的连接、实时的处理和系统的整体性。 GPS 、 RS 、 GIS 集成的方式可以在不同技术水平上实现。“三 S ”集成包括空基三 S 集成与地基三 S 集成。

　　空基“三 S ”集成：用空─地定位模式实现直接对地观测，主要目的是在无地面控制点（或有少量地面控制点）的情况下，实现航空航天遥感信息的直接对地定位、侦察、制导、测量等。

　　地基“三 S ”集成：车载、舰载定位导航和对地面目标的定位、跟踪、测量等实时作业。

　　四、数字地球的应用

　　在人类所接触到的信息中有 80% 与地理位置和空间分布有关，地球空间信息是信息高速公路上的货和车。数字地球不仅包括高分辨率的地球卫星图像，还包括数字地图，以及经济、社会和人口等方面的信息，它的应用正如戈尔副总统在报告中提到的有时会因为我们的想象力而受到限制，换句话说，数字地球的应用在很大程度上超出我们的想象，可以乐观地说下一世纪中，数字地球将进入千家万户和各行各业。这里只能就我们的理解提出一些现实的应用。

　　1 、数字地球对全球变化与社会可持续发展的作用

　　全球变化与社会可持续发展已成为当今世界人们关注的重要问题，数字化表示的地球为我们研究这一问题提供了非常有利的条件。在计算机中利用数字地球可以对全球变化的过程、规律、影响以及对策进行各种模拟和仿真，从而提高人类应付全球变化的能力。数字地球可以广泛地应用于对全球气候变化，海平面变化，荒漠化，生态与环境变化，土地利用变化的监测。与此同时，利用数字地球，还可以对社会可持续发展的许多问题进行综合分析与预测，如：自然资源与经济发展，人口增长与社会发展，灾害预测与防御等。

　　我国是一个人口多，土地资源有限，自然灾害频繁的发展中国家，十几亿人口的吃饭问题一直是致关重要的。经过二十年的高速发展，资源与环境的矛盾越来越突出。九八年的洪灾，黄河断流，耕地减少，荒漠化加剧，已经引起了社会各界的广泛关注。必须采取有效措施，从宏观的角度加强土地资源和水资源的监测和保护，加强自然灾害特别是洪涝灾害的预测、监测和防御，避免第三世界国家和一些发达国家发展过程中走过的弯路。数字地球在这方面可以发挥更大的作用。

　　2 、数字地球对社会经济和生活的影响

　　数字地球将容纳大量行业部门、企业和私人添加的信息，进行大量数据在空间和时间分布上的研究和分析。例如国家基础设施建设的规划，全国铁路、交通运输的规划，城市发展的规划，海岸带开发，西部开发。从贴近人们的生活看，房地产公司可以将房地产信息链接到数字地球上；旅游公司可以将酒店、旅游景点，包括它们的风景照片和录象放入这个公用的数字地球上；世界著名的博物馆和图书馆可以将其收藏以图像、声音、文字形式放入数字地球中；甚至商店也可以将货架上的商店制作成多媒体或虚拟产品放入数字地球中，让用户任意挑选。另外在相关技术研究和基础设施方面也将会起推动作用。因此，数字地球进程的推进必将对社会经济发展与人民生活产生巨大的影响。

　　3 、数字地球与精细农业

　　下一世纪农业要走节约化的道路，实现节水农业、优质高产无污染农业。这就要依托数字地球，每隔 3~5 天给农民送去他们的庄稼地的高分辨率卫星影像，农民在计算机网络终端上可以从影像图中获得他的农田的长势征兆，通过 GIS 作分析，制定出行动计划，然后在车载 GPS 和电子地图指引下，实施农田作业，及时地预防病虫害，把杀虫剂、化肥和水用到必须用的地方，而不致使化学残留物污染土地、粮食和种子，实现真正的绿色农业。这样一来，农民也成了电脑的重要用户，数字地球就这样飞入了农民家。到那时农民也需要有组织，有文化，掌握高科技。

　　4 、数字地球与智能化交通

　　智能运输系统是基于数字地球建立国家和省市、自治区的路面管理系统、桥梁管理系统、交通阻塞、交通安全以及高速公路监控系统，并将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地集成运用于整个地面运输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合运输和管理系统，实现运输工具在道路上的运行功能智能化。从而，使公众能够高效地使用公路交通设施和能源。具体地说，该系统将采集到的各种道路交通及服务信息经交通管理中心集中处理后，传输到公路运输系统的各个用户（驾驶员、居民、警察局、停车场、运输公司、医院、救护排障等部门），出行者可实时选择交通方式和交通路线；交通管理部门可自动进行合理的交通疏导、控制和事故处理；运输部门可随时掌握车辆的运行情况，进行合理调度。从而，使路网上的交通流运行处于最佳状态，改善交通拥挤和阻塞，最大限度地提高路网的通行能力，提高整个公路运输系统的机动性、安全性和生产效率。对于公路交通而言， ITS 将产生的效果主要包括以下几个方面：

　　—　提高公路交通的安全性。
　　—　降低能源消耗，减少汽车运输对环境的影响。
　　—　提高公路网络的通行能力。
　　—　提高汽车运输生产率和经济效益，并对社会经济发展的各方面都将产生积极的影响。
　　—　通过系统的研究、开发和普及，创造出新的市场。

　　美国国会 1991 年颁布“冰茶法案” (ISTEA — Intermodel Surface Transportation Efficiency Act) ， 1998 年颁布“续茶法案” (NEXTEA — National Economic Crossroad Transportation Efficiency Act) ，目标是实现高效、安全和利于环境的现代交通体系。

　　5 、数字地球与 Cybercity

　　基于高分辨率正射影像、城市地理信息系统、建筑 CAD ，建立虚拟城市和数字化城市，实现真三维和多时相的城市漫游、查询分析和可视化。数字地球服务于城市规划、市政管理、城市环境、城市通讯与交通、公安消防、保险与银行、旅游与娱乐等，为城市的可持续发展和提高市民的生活质量等。

　　6 、数字地球为专家服务

　　顾名思义，数字地球是用数字方式为研究地球及其环境的科学家尤其是地学家服务的重要手段。地壳运动、地质现象、地震预报、气象预报、土地动态监测、资源调查、灾害预测和防治、环境保护等等无不需要利用数字地球。而且数据的不断积累，最终将有可能使人类能够更好地认识和了解我们生存和生活的这个星球，运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多时空和多种类的三维描述将不再是幻想。

　　7 、数字地球与现代化战争

　　数字地球是后冷战时期“星球大战”计划的继续和发展，在美国眼里数字地球的另一种提法是星球大战 , 是美国全球战略的继续和发展。显然，在现代化战争和国防建设中，数字地球具有十分重大意义。建立服务于战略、战术和战役的各种军事地理信息系统，并运用虚拟现实技术建立数字化战场，这是数字地球在国防建设中的应用。这其中包括了地形地貌侦察、军事目标跟踪监视、飞行器定位、导航、武器制导、打击效果侦察、战场仿真、作战指挥等等方面，对空间信息的采集、处理、更新提出了极高的要求。在战争开始之前需要建立战区及其周围地区的军事地理信息系统；战时利用 GPS 、 RS 和 GIS 进行战场侦察，信息的更新，军事指挥与调度，武器精确制导；战时与战后的军事打击效果评估等等。而且，数字地球是一个典型的平战结合，军民结合的系统工程，建设中国的数字地球工程符合我国国防建设的发展方向。

　　总之，随着“三 S ”技术及相关技术的发展，数字地球将对社会生活的各个方面产生巨大的影响。其中有些影响我们可以想象，有些影响也许我们今日还无法想象。

　　五、结语

　　数字地球的提出是全球信息化的必然产物，它的一项长期的战略目标，需要经过全人类的共同努力才能实现。同时，数字地球的建设与发展将加快全球信息化的步伐，在很大程度上改变人们的生活方式，并创造出巨大的社会财富，为人类社会的发展作出巨大贡献。

　　“三 S ”作为数字地球的技术基础和核心将得到迅速发展，一方面数字地球的研究和建设为“三 S ”技术的发展创造了条件，另一方面“三 S ”技术的发展为数字地球的建设提供了技术支持。

　　我国在地球空间信息科学领域的研究工作经过不懈努力取得了许多优秀成果，培养了一些国际知名的学者和一大批具有较高素质的中青年学术骨干，为学科的发展作出了自己的贡献。但是，我们必须清醒地认识到，由于在传感器，计算机，通讯以及综合国力等方面与先进国家存在较大差距，使得在相当长的一段时间在地球空间信息科学的若干方面将落后于国际先进水平。因此，只有发挥自己的优势，不断努力，努力建设数字中国和数字地球，才能逐步缩小与国际先进水平的差距，为我国的经济建设和社会发展做出自己的贡献。

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