数字地球之数字化中国.docx

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数字地球之数字化中国

数字地球导论之数字中国

摘要：

数字地球是当今地球科学和信息科学的高度综合，是地球科学的最新分支。

数字地球计划是继信息高速公路后的又一全球性的科技发展战略目标，它将深刻地改变未来人类社会的生产和人们的生活方式。

数字化将成为中国信息化和落实科学发展观的重要科技支撑点，目前我国的许多城市已经开始实行数字中国，将其运用到生活经济发展的方方面面。

本论文通过描述数字地球的核心内容，简述数字中国对中国经济文化发展的重要性和主要作用。

关键词：

数字地球；内涵特点；应用；个人认识；中国数字化

（一）数字地球的基本特点内涵

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。

数字地球是对真是地球及其相关现象统一性的数字化重现和认识，其核心思想是用数字化手段统一的处理地球问题和最大限度的利用信息资源。

特点分为以下几点：

（1）多源，多比例尺，多分辨率数据无缝集成的网络信息系统。

（2）面向全社会公众开放的网络信息系统。

（3）虚拟现实技术支持下的多维网络信息系统。

（4）数字地球的最大特征与技术是技术。

a.数字地球的核心思想：

一是用手段同意的处理地球问题；二是最大限度的利用资源。

b.数字地球是以分布式存储为基础；

c.数字地球的信息源是高分辩率。

（二）数字地球信息网络的技术基础

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。

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。

光谱分辨率指空间的波段范围，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。

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-AM199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（DataMining）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。

（三）数字地球的条件

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，构造所需条件数字化地球将要求存储1015字节的信息。

稍晚于今年,国家航天航空局的星球计划将每天产生大量的有关地球的信息。

幸运地是,我们继续在这个领域中制造戏剧性的改进。

1.卫星图像

早于1998年，政府已经许可提供分辨率图象处理服务的商业卫星系统开始运行。

这种服务能使地图绘制达到足够的精确的水准，而在原先绘制地图的详细资料只能通过空中摄影来获得。

这种技术最先由美国情报组织开发，具有难以置信的精确性。

当一家公司使用这种技术，它象一架威力无比的摄影机在它所摄的图片上可以清楚地看到从伦敦到巴黎象汽车前灯的宽度大小的每一个物体。

2.宽带网络

数字地球所需的数据将由成千上万不同的组织维持,并非是单一的数据库。

那意味在数字化地球中正在使用的服务器将需要与高速的网络连接。

由于Internet网上通讯量爆炸的驱动,电讯营运者已经在试验每秒10亿信息单位的网络。

1015信息单位的网络技术是Internet的下一代的技术目标之一。

不好的消息是当我们绝大多数人的家中具有这类宽带之前，为什么数字化地球建立在诸如儿童博物馆和科学博物馆的接口是必须的。

3.互操作性

Internet网和全球网之所以能够取得成功，关键在于达成统一的协议。

如Internet协议。

数字地球也同样需要互操作性。

这样，应用软件产生的地理信息就能被另一些人阅读。

GIS通过GIS协会寻找解决这些问题的途径。

Metadata:

Metadata是指"关于数据的数据"，了解信息的名称、位置、作者或来源、数据、数据形式、分辨率等有助于建立其他的地理坐标信息系统。

联邦地理数据委员会正在与产业界、州和地方政府一起开发非官方的Metadata标准。

当然,需要更进一步地进步来充分认识数字地球的潜力，尤其是在这些领域如自动解译图像、对来自不同渠道的数据的整合和能够从网上找到和连接关于地球上某个地点的信息的情报机构等虚拟立体。

（四）数字地球的应用

当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。

但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。

因此，GPS系统展现了极其广阔的应用前景。

1.GPS系统应用广泛

用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。

对于测绘领域，GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段。

用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。

2.多元化空间资源坏境的出现

目前，GPS，GLONASS，INMARSAT等系统都具备了导航定位功能，形成了多元化的空间资源环境。

这一多元化的空间资源环境，促使国际民间形成了一个共同的策略，即一方面对现有系统充分利用，一方面积极筹建民间GNSS系统，2010年前后，GNSS纯民间系统建成，全球将形成GPS/GLONASS/GNSS三足鼎立之势，才能从根本上摆脱对单一系统的依赖，形成国际共有，国际共享的安全资源环境。

世界才可进入将卫星导航作为单一导航手段的最高应用境界。

国际民间的这一策略，反过来有影响和迫使美国对其GPS使用政策做出更开放的调整。

总之，由于多元化空间资源环境的确立，给GPS的发展应用创造了一个前所未有的良好的国际环境。

3.GPS的应用将进入人们的日常生活

GPS信号接收机在人们生活中的应用，是一个难以用数字预测的广阔天地，手表式的GPS接收机，将成为旅游者的忠实导游。

尽管目前大多数人还不知道什么是GPS，但有人预言，GPS将改变我们的生活方式。

今后，所有运载器，都将依赖它，GPS就如移动电话，计算机互联网对我们生活的影响一样，人们日常生活将离不开它。

当今社会，卫星导航已成为经济发展的强大发动机，导航卫星系统已成为重要的基础设施，创造了巨大的经济效益和社会效益。

4.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。

5.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，可以将房地产信息链接到数字地球上；可以将酒店、旅游景点，包括它们的风景照片和录像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。

6.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。

7.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、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；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。

8.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。

9.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、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。

10.数字地球与现代化战争

数字地球是后冷战时期计划的继续和发展，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）对数字地球的个人认识

数字地球，首先是数字，而二十一世纪的数字，是建立在计算机科学的基础之上。

从1964年的“埃尼阿克”（ENIAC）的诞生到现在，我们的生活发生了翻天覆地的变化。

当我们早上起来，打开自己的PDA，查看备忘录，收发邮件；之后打开电脑，浏览新闻；出门购物，商家用网络管理自己的商品，确保您购物愉快；行车上路，交通部门对特殊路段进行实时监控，方便人们出行；吃饭的时候，可以上网浏览一下餐馆信息。

这些我们生活的方方面面都已经里不开计算机。

现在的人们，一顿饭不吃可以，但是一天不上网，那是不行。

当人们从计算机科学中获得便利的时候，我们更希望它能更好的服务与我们。

然而未来的发展与进步要靠我们这代人的努力合作，共创美好的中国。

（六）数字化中国

数字地球是指可以整合海量地理数据的、多分辨率的、真是地球的三维表示，并可以再其上增加与地球有关的数据，实现在不同分辨率水平上对地球进行三维浏览的虚拟地球系统。

数字地球是一个全球性的概念，它要由很多国家联合起来进行协作与共同建设才能完成，而对于任何一个具体国家来说，主要是进行“国家信息基础设施”建设和“国家空间数据基础设施”建设。

数字地球的主要目标是：

利用简单、方便的多分辨率的三维表达界面，允许公众基于地理定位访问整个地球的有关资料、环境、经济、社会等方面的信息，并建立能促进经济与社会可持续发展和构建和谐社会的技术系统。

因此，数字中国将成为中国信息化和落实科学发展观的重要科技支撑点。

过去的几十年，中国信息化进程快速发展，尽管中国的信息基础设施、信息化技术和产业相对比较薄弱，但是取得了举世瞩目的成就。

国家信息化是实施“数字中国”宏伟目标的前提和基础，因而它具有战略性、长远性、整体性的特点，涉及国民经济和社会发展的各个领域。

（七）总结

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，为人类社会的发展做出巨大贡献。