地球信息科学和数字地球.docx

地球信息科学和数字地球.docx

《地球信息科学和数字地球.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地球信息科学和数字地球.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

地球信息科学和数字地球

球形的地代替了平面的地，引起了大地观念的依次彻底变化。

这时人们无须扩展大地的圆盘以远远超过有人烟的地区，而认为有人烟的地区只包括地球的一小部分，更大的空余地面则可留待假说玄想去填充……

阿尔夫雷德.赫特纳

第十九章地球信息科学和数字地球

导读：

本章介绍了GIS发展的一些最新的概念，包括地球信息科学，数字地球等等，这些概念的具体含义至今仍在变化。

数字地球与其说是一门技术，不如说是一个政策，它是GIS应用发展的顶点。

最后介绍了国家空间数据基础设施，它是一个国家推广GIS应用重要的第一步。

1．地球信息科学

1．1几个相关概念

近十几年来，随着遥感，全球定位系统，地理信息系统以及计算机网络技术的发展，出现了一系列新的、意义相近的、与地理信息系统相关的名词，如地理信息科学（GeographicalInformationScience），地球测量（Geomatics，地球信息学[宫鹏]，地球空间信息学[李德仁]），地球信息学（Geo-Informatics），地球信息科学（Geo-informationScience）等等，这些概念提出的时间还都不长，其含义存在交叉，目前国内对其确切的译名有些也存在着争论，下面介绍地理信息科学，地球测量的概念以及地球信息科学的概念和内容。

1．1．1地理信息科学

地理信息科学是1992年Goodchild提出的，与地理信息系统相比，它更加侧重于将地理信息视作为一门科学，而不仅仅是一个技术实现，主要研究在应用计算机技术对地理信息进行处理、存储、提取以及管理和分析过程中提出的一系列基本问题，包括：

1）分布式计算

2）地理信息的认知

3）地理信息的互操作

4）比例尺

5）空间信息基础设施的未来

6）地理数据的不确定性和基于GIS的分析

7）GIS和社会

9）地理信息系统在环境中的空间分析

10）空间数据的获取和集成等等

地理信息科学在对于地理信息技术研究的同时，还指出了支撑地理信息技术发展的基础理论研究的重要性。

1．1．2Geomatics

Geomatics被定义为利用各种手段，通过一切途径获取和管理在空间基础信息生产管理过程中的空间参考数据部分的科学与技术[Gagnon]。

Geomatics还有其它的一些定义，这些定义有不同的表述，但是其要旨基本上是一致的：

1）定义空间参考基础

2）建立和使用对空间参照物体和现象进行定位和量测的方法、技术和工具

3）整合不同参考系统中的数据

4）提供合格数据

5）运用计算机技术改善数据的处理、存储和发行

Geomatics包括大地测量、地籍测量、摄影测量与测深等传统测绘领域以及遥感和空间信息系统等新领域，可以认为是测绘学应现代社会对空间信息有极大需求这一特点提出的一个更全面、更综合的学科体系。

1．1．3地球信息科学

随着以地理信息系统技术为核心的遥感、全球定位系统等技术的发展以及其间的相互渗透，逐渐形成了3S集成化技术系统，为解决区域范围更广，复杂性更高的现代地学问题提供了新的分析方法和技术保证。

七十年代以来，由于整个人类社会面临的人口、资源、环境和发展等各方面的问题，逐渐开始重视全球变化（GlobalChange）以及可持续发展（SustanableDevelopment）等方面的研究，这两个方面的推动，最终促成了地球信息科学的产生。

地球信息科学以信息流的手段研究地球系统内部的物质流、能量流和人流的运动状态和方式（图19-1），它由三部分组成，“地球信息学”是其理论研究的主体，“地球信息技术”是其研究手段，“全球变化和区域可持续发展”是其主要应用领域。

[陈述彭]

图19-1：

信息流和地球系统内部物质流、能量流和人流的关系

1．2地球信息科学的研究内容

地球信息科学的本质是从信息流的角度来揭示地球系统的发生、发展及其演化规律，从而实现资源、环境和社会的宏观调控，作为其理论核心的地球信息机理研究包括：

1）地球信息的结构、性质、分类和表达；

2）地球圈层间信息传输机制、物理过程及其增益和衰减以及信息流的形成机理；

3）地球信息的空间认识及其不确定性与可预见性；

4）地球信息模拟物质流、能量流和人流相互作用关系的时空转换特征；

5）地球信息的获取和处理的应用基础理论等。

作为地球信息科学的研究手段，地球信息技术包括：

1）地球数据获取技术

用以从外部世界获得记录地球性质和状态的地球数据。

遥感、全球定位系统等地球数据获取技术的发展已经形成了覆盖全球的监测运行系统，建立起多层次、立体的对地观测系统（EOS,EarthObservationSystem），是快速获取和更新地球数据的主要技术手段。

2）地球信息模拟技术

用于将地球数据转化为地球信息，包括地球空间信息的加工、再生以及获得有关某一地球空间问题解决的目的、计划和策略信息。

3）地球信息传播技术

用以实施空间数据的传递和信息的传播。

2．数字地球的产生背景以及其概念

数字地球（TheDigitalEarth,DE）的概念最早出现于1997年下半年，1998年戈尔在一次演讲中将数字地球正式提了出来。

数字地球的提出是建立在人类科学技术发展成果的基础上，有其深刻的社会、经济背景。

数字地球的科学背景，包括地理信息科学，地球信息科学等一系列学科，这些学科的发展，为数字地球的产生打下了理论基础；对地观测系统以及计算机网络的发展为数字地球提供了技术支持；全球变化和可持续发展的研究对数字地球的出现起到了推动作用。

（图19-2）

图19-2：

数字地球和其它理论以及技术的关系

数字地球的基本概念，可以归纳为以下三个方面：

1）数字地球是指数字化的三维显示的虚拟地球，或指信息化的地球，包括数字化、网络化、智能化和可视化的地球技术系统；

2）实施数字地球计划，需要有政府、企业和学术界的共同协力参加。

实施数字地球计划是社会的行为，需要全社会的关心和支持；

3）数字地球是一次新的技术革命，将改变人类的生产和生活方式，进一步促进科学技术的发展和推动社会经济的进步。

与地球信息科学、地理信息科学、Geomatics等一系列学科概念以及遥感、GPS、因特网等技术名词相比，数字地球更象是一项技术政策，在一定程度上涵盖了上述的领域，“更加通俗易懂，是一个面向社会的号召，实质地说，数字地球就是要求地球上的信息全部实现数字化”[陈述彭]。

数字地球的基础技术，由遥感、遥测、地理信息系统、因特网等组成，遥感、遥测等提供获取数据的手段，地理信息系统进行数据的管理、存储、分析和表现，通过因特网实现数据的传输发布，这样构成了数字地球技术系统的基本框架（图19-3）。

图3：

数字地球技术的基本框架示意图

数字地球:

展望21世纪我们这颗行星，1998年1月31日发表于加利福尼亚科学中心（艾尔。

戈尔）

技术创新的新浪潮使我们能够大量地获得、存储、处理和显示关于我们行星的各种环境和文化现象信息。

如此大量的信息构成了“地理坐标系”，它涉及地球表面每一个特定的地方。

利用卫星对地面遥感形成“地球空间”（轨道）信息流，并将其中未经加工有用部分的数据转变成为可供使用的信息。

今天，我们经常发现我们能够得到比我们知道要做些什么更多的信息。

地球资源技术卫星能够帮助我们更好地了解全球的环境就是一个典型的例子。

地球资源技术卫星能够每两星期对地表进行一次完整的成像，而且它已持续收集了20多年。

尽管对这类信息有着巨大的需求，但大多数图像还不能被人们使用。

因此，它们只能被存储在电子数据库中。

我们过去曾有过这样的农业政策，当成千上万的人们正面临饥饿死亡的时候，在中西部地窖里却存储着大量正在霉变的粮食。

我们现在一方面表现出对知识的那种贪得无厌的饥饿，另一方面是大量数据目前仍然根本未被使用过。

问题之一是用什么方法把信息显示出来。

有人曾经说我们是否能试用计算机术语来描述人脑，然而，人脑看起来比特率比计算机低，但却具有极高的分辨率。

例如，研究表明由于人脑比特率低，因此，很难在短时间记住七条以上的数据。

但是，如果这些信息被排列在一个相互可以被识别的模型内如人类的脸或银河星系，人脑则能够同时吸收成千上万条信息。

过去我们通常利用Macintosh和Windows操作系统提供的桌面图形来进行（实现）人机对话的，事实上，这些工具现在已经不适合新的挑战。

我相信我们需要一个“数字地球”，一个多种分辩率，一个三维的表述方式，使我们能嵌入巨大数量的地理坐标系数据。

例如，设想一位年轻孩子去本地的博物馆参观数字地球展览。

在戴上显示头盔后，她看见地球从太空中出现，使用数据手套放大电子图像；使用越来越高的分辨率，看见大陆，然后是乡村、城市，最后是私人住房、树木和其他天然和人工的物质。

她采用类似“魔毯骑乘”通过地形的3D视图，眼前被发现的行星区域引起她探究的兴趣。

当然，地形仅仅是她能与之相互作用的多种数据之一。

利用声音识别能力系统，她能够请求关于陆地覆盖、植物和动物的物种分布、实时天气、道路、政治范围以及人口的信息。

她也能使她和其它学生收集的作为全球环境的一部分信息具体化。

这些信息能被天衣无缝的融入数字地图或者地形数据。

通过使用数据手套单击一个连接按钮，她能够获得她所看见的事物的更详细的信息。

例如，为全家去黄石国家公园渡假作准备，她计划徒步去看天然喷泉，她刚刚阅读到关于野牛和洛矶山羊的知识。

事实上，在她离开故乡的博物馆之前她能够进行虚拟旅行。

她可以不受限制穿越空间，同样也能穿越时间。

在进行虚拟地去巴黎参观卢浮宫的场景旅游之后，她通过对时间地反向移动，学习法国的历史、细读被数字地球表面覆盖的数字化地图、新闻短片、口述历史、报纸等主要的原始资料。

她向自己的电子邮件信箱发送一些有用的信息，以便今后学习。

时间序列，从这里延伸到遥远的过去，能以天、年、世纪、甚至是地质学的纪元，因为那些场合有利于她对恐龙的了解。

显然，没有一个政府、企业或学术界能单独从事这项工作。

像全球性网络，它需要成千上万的私人、公司、大学研究者以及政府组织的共同努力。

虽然，作为数字地球的一些数据是公共信息。

但数字地球也可以成为公司销售大量商用图像和有偿信息服务的数字化市场。

它也可以变为一个“没有墙壁的实验室”，科学家可以在这里通过研究寻求理解人类和环境之间复杂的、相互依存的关系。

创建数字地球需要的技术

虽然这些情节似乎有些像科幻学小说，但大多数建造数字化地球需要的技术和能力已在这里或正在开发。

当然，数字地球的能力将追随时间不断地进化。

我们将有能力在2005年对2020年的数字化地球进行一次原始的比较。

下面一些技术是需要的：

●计算科学

直到计算机的出现，实验和理论两种创造知识的方法长期以来被限制，实验科学家对所要进行研究的现象的观察太艰难，这些现象不是太小就是太大；不是太快就是太慢。

它们存在要么不到10亿分之一秒要么超过10亿年。

另一方面，纯粹的理论不能预报像雷雨或飞机上的空气流动那样复杂的自然现象。

随着高速计算机作为新工具开始被使用，我们才能模拟那些不容易观察到的现象，并且同时能更好地理解已经观察到的数据。

按这种方法，计算的科学允许我们突破实验和理论科学的局限性。

模拟和仿真将给我们对我们正在收集关于我们的行星的数据以新的洞察力。

●大规模存储

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。

●卫星图像

早于1998年，政府已经许可提供分辨率图像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象机，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。

●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10Gbps的网络。

10Gbps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那样的公共场所的接口是必须的。

●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产业界正在通过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，需要更进一步的技术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以及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。

潜在的应用

全球地理信息系统的应用有时会被我们的想象力所限制。

我们可以通过目前使用的GIS和数据传感器来感受一下这些应用：

●虚拟外交

为了支持波斯尼亚的和平谈判；五角大楼开发出一种虚拟现实场景，它能使谈判代表作一次虚拟的边界旅游。

在谈判中，当塞尔维亚总统通过虚拟边界旅游看到原来的那条狭窄走廊是不切实际的之后，同意在萨拉热窝和伊斯兰教戈拉日德被占领土之间提供一条宽阔的走廊。

●打击罪犯

加利福尼亚莎利纳市的警方已通过使用GIS跟踪犯罪模型和团伙活动来减少青少年持枪暴力犯罪。

通过收集关于犯罪活动的频率和分布的信息，使城市能够迅速重新部署警力。

●保护生态多样性

在CampPendelton的规划机构称：

加利福尼亚地区预测人口将由1990年的110万增加至2010年的160万。

这个地区被联邦或州政府立为被危害、威胁、或珍稀的而受保护的植物和动物超过200种。

通过收集关于地形、土壤类型、年度的降雨量、植物、陆地使用以及所有权的信息，科学家模拟不同的地区增长计划对生态多样性产生影响。

●预报气候变化

模拟气候变化最显著的未知因素之一是全球森林的递减率。

新罕布什尔大学的研究者与巴西的同事一起工作，通过卫星图像分析，能够监控亚马孙河流域的地形变化、这样他们就能确定该流域森林递减率。

这项技术现在正在被世界上其它森林地区采用。

●增加农业的生产力

农民已经开始利用卫星图像和全球定位系统及时预防病虫害，并且把杀虫剂、化肥和水用到最需要它门的那里去。

这被称为精耕细作，或称“按英寸渐进的耕作”。

●未来方向

我们有一个空前的机遇，来把有关我们社会和地球的大量原始数据转变为可理解的信息。

这些数据除了高分辨率的卫星图像、数字化地图，也包括经济、社会和人口方面的信息。

如果我们做得成功，将带来广阔的社会和商业效益，特别是在教育、可持续发展的决策支持、土地利用规划、农业以及危机管理等方面。

数字地球计划将给予我们机会去对付人为的或是自然界的种种灾害，——或者说能帮助我们在人类面临的长期的环境挑战面前通力合作。

数字地球提供一种机制，引导用户寻找地理信息，也可供生产者出版它。

它的整个结构包括以下几个方面，一个供浏览的用户界面，一个不同分辨率的三维地球；一个可以迅速充实的联网的地理数据库以及多种可以融合并显示多源数据的机制。

把数字地球同万维网作一下比较是有建设性意义的（事实上它可能依据万维网和因特网的几个关键标准来建立）。

数字地球也会象万维网一样，随着技术的进步以及可提供的信息的增加而不断改进。

它不是由一个单独的机构来掌握，而是由公共信息查询、商业产品和成千上万不同机构提供的服务组成。

就象万维网的关键是互操作一样，对于数字地球，至关重要的能力是找出并显示不同格式下的各种数据。

我相信数字地球的开发，首先需要建立一个由政府、企业和学术界共同参与的“试验田”。

这块“试验田”将成为一些应用诸如教育、环境、解决与互操作性相关的技术问题、协作能力的联合以及解决一些政策问题如隐私权问题等的汇聚之地。

当“试验田”获得成功并推广时，在更广泛的范围内可以通过接入高速网络与数字地球进行相互作用。

而进入Internet将会感受到更多的限制。

可以肯定，数字地球不是一夜之间产生的。

在第一阶段，我们应该把重点放在整合我们已有的、来自不同渠道的数据。

我们同样应该把引导儿童的博物馆和科学博物馆连接到高速网络上如新一代的Internet网，这样我们的孩子就能够探索我们的星球。

其次，我们应该努力去开发一张一米分辨率的数字世界地图。

最终，我们应该使有关我们行星与我们历史的大量信息集聚到我们手指尖。

在数月前，我曾计划鼓励政府、企业、学术界和非赢利组织的专家们，制定一种实现这种前景的策略。

共同努力，就能有助于我们解决社会所面临的许多最紧迫的问题；鼓励我们的孩子更多地了解他们身边的世界，并促进几十亿美元的工业经济增长。

3．数字地球核心技术综述

为了解决数字地球中的数字化、信息化以及应用问题，需要研究以下关键技术：

科学计算、海量存储、宽带网、卫星数据获取、元数据、互操作等等[戈尔]。

下面对这些相关关键技术进行简单的描述。

1）高分辨率卫星遥感数据的快速获取技术

卫星遥感是数字地球获取数据的主要手段，包括不同高度、不同分辨率的陆地卫星系列、海洋卫星系列、气象卫星系列以及小卫星系列，其分辨率从1米到4000米。

遥感数据的处理包括辐射纠正、几何纠正、增强、特征提取、自动分类、自动成图、数据压缩等等，高分辨率卫星每天都要产生大量的数据，对这些数据的自动的、快速的处理以实时、准确地提取信息是实现数字地球信息获取的关键。

2）地球空间数据的存储和处理

为了能够将地球上的信息进行数字化，除了要存储和处理大量的遥感数据之外，还包括图形数据，属性数据等等。

实现对这些数据的查询检索，需要海量数据存储管理以及快速处理技术。

目前分布式数据存储是海量数据管理的趋势，可以避免集中式系统带来的管理困难以及网络拥塞；而通常采用超大型计算机或者并行计算以实现快速处理。

3）超媒体空间信息系统

数字地球的主要任务之一是通过因特网实现信息的共享和发布，主要通过WebGIS技术实现。

此外，数字地球应用中包含大量多媒体数据，也需要在因特网上发布，形成超媒体空间信息系统。

大量的数据在网络上传输，造成网络拥塞，这需要高带宽网络解决该问题。

4）地理信息的分布式计算

地理信息的特征是分布的，并且具有基础性、共享性和综合性，分布式计算可以使得地理信息应用于社会各个领域。

遵循OpenGIS规范，基于CORBA（或COM）体系结构，实现地理信息信息的分布计算，是其解决方案之一。

地理信息的分布计算服务包括：

（4．1）地理信息的共享领域服务

为社会各个领域的应用提供地理信息服务，提供共享和集成的基础。

（4．2）空间查询服务

包括通过元数据实现信息检索，属性、几何、空间关系等各个方面的查询。

（4．3）空间分析服务

实现空间信息提取，地理特征分析，图像理解，图像开发等服务。

（4．4）空间制图服务

包括空间坐标转换服务，地理注记服务，图像处理服务，特征综合服务，创建影象地图服务等等，其目的是为了直观的表现空间信息。

（4．5）地理信息的特定任务服务

为地理信息领域特定用户提供有针对性的服务，主要为地理信息的获取、地理信息的建立和维护服务，称为地理数据的管理服务。

包括地理信息生产，地理信息生产管理，地图符号管理，信息开发利用和分析，订购和跟踪，信息存储和检索系统，信息交付，信息再现和复制，用户支持。

5）无比例尺数据库

无比例尺数据库是指以一个大比例尺数据库为基础数据源，在一定区域内空间对象的信息量随比例尺变化自动增减，即可以由大比例尺空间数据自动生成较小比例尺的数据。

无比例尺数据库的技术关键是自动制图综合，在该领域目前已有许多研究，但是都难以达到令人满意效果。

6）空间数据仓库

空间数据仓库是指支持管理和决策过程的、面向主题的、集成的和随时间变化的、持久的和具有空间坐标的地理数据的集合。

数据仓库的主要任务是将来源、结构、格式不同的原始数据，首先对其进行标准化、过滤与匹配、精化、标明时间戳和确认数据质量的处理，即求精过程；然后再根据任务的需要，进行数据的集成与分割、概括与聚集、预测与推导、翻译与格式化、转换与再映象处理；最后进行数据仓库的建模、概括、聚集、调整与确认及建立结构化查询等等。

空间数据仓库的目的，是为了处理积累的海量空间数据，抽取有用信息，并提供决策支持。

其结构框架包括：

数据源，Metadata数据源，Metadata互操作协议，数据抽取求精，Metadata创建与浏览数据仓库，存取与检索，Metadata管理及查询与分析等。

7）空间数据融合（Fusion）

空间数据融合是指多种数据合成后，不再保存原来的数据，而产生了一种新的综合数据，如假彩色合成影象。

数字地球的多种数据融合，包括多种分辨率数据，多维数据以及不同类型数据的融合，并且需要将融合得到的数据进行可视化表现，通常是将数据叠加在数字高程模型上，形成三维立体景观影象。

实现数字地球中的空间数据融合，需要地理数据互操作以及高速网络的支持。

8）虚拟现实（VR,VirtualReality）技术

虚拟现实技术，是指运用计算机技术生成一个逼真的，具有视觉、听觉、触觉等效果的可交互、动态的“世界”，人们可以对该虚拟世界中的虚拟实体进行操纵和考察，用户与虚拟现实系统的交互利用数据手套、数据头盔、数据衣等进行，而VR系统通过视觉描绘器，听觉描绘器，触觉描绘器使用户产生身临其境的感觉。

在数字地球中采用虚拟现实技术，可以非常真实地表达现实地理区域，而用户可以在所选择的地理带内和外自由移动。

目前，GIS、虚拟现实以及Web技术相结合的方式之一是VRML（VirtualRealityModelingLanguage，虚拟现实造型语言），通过用VRML描述GIS信息，可以在因特网上发布空间三维数据供用户浏览。

9）元数据（Metadata）

在创建数字地球的过程中，全球范围内对数字地理信息的需求越来越大，许多单位和个人开始生产、处理和修改地理数据；另外，在计算机信息系统中，在采用模型对地理实体进行研究时，为了保证信息不被误用，需要通过Metadata对数据进行详细的描述，这样不仅数据生产者能够充分描述数据集，用户也可以估计数据集对其应用目的的适用性。

所以，随着地理空间数据生产者和使用者的增加，使用Metadata来描述数据，将成为一个必然的趋势。

综上所述，数字地球技术的关键是实现海量数据获取、存储管理、处理和信息提取、信息共享以及信息表达，下面给出了它们与上述具体技术的关系（表19-1）。

表19-1：

数字地球技术概括

海量数据

获取

存储管理

处理和

信息提取

信息共享

信息表达

高分辨率卫星遥感

地球空间数据的存储和处理

超媒体空间信息系统

地理信息的分布式计算

无比例尺数据库

空间数据仓库

空间数据融合

虚拟现实技术

元数据

说明：

“”表示该具体技术支持相应的实现目的。

4．国家信息基础设施和国家空间数据基础设施

正如前面所描述的，数字地球作为一项技术政策，其建立必须要有政府的参与，除了组织和支持相关技术领域的研究之外，最重要的方面就是建设国家信息基础设施（NII,NationalInformationInfrastructure）以及国家空间数据基础设施（NSDI,Nat