數字地球

數字地球，是美國副總統戈爾於1998年1月在加利福尼亞科學中心開幕典禮上發表的題為 “數字地球：認識二十一世紀我們所居住的星球” 演説時，提出的一個與GIS、網絡、虛擬現實等高新技術密切相關的概念。在戈爾的文章內，他將數字地球看成是“對地球的三維多分辨率表示、它能夠放入大量的地理數據”。在接下來對數字地球的直觀實例解釋中可以發現，戈爾的數字地球學是關於整個地球、全方位的GIS與虛擬現實技術、網絡技術相結合的產物。 顯然，面對如此一個浩大的工程，任何一個政府組織、企業或學術機構，都是無法獨立完成的，它需要成千上萬的個人、公司、研究機構和政府組織的共同努力。數字地球要解決的技術問題，包括計算機科學、海量數據存貯、衞星遙感技術、寬帶網絡、互操作性、元數據等。可以預見，隨着地球空間信息學的發展，而建立起的數字地球，必將促進測繪事業的現代化，為測繪事業與整個國民經濟建立更加緊密的聯繫，作出更大的貢獻，在未來和知識經濟社會中產生巨大的經濟效益和社會效益。 ^[2] 

1998年江澤民總書記在接見兩院院士代表時的講話中指出："當今世界，以信息技術為主要標誌的科技進步日新月異，高科技成果向現實生產力的轉化越來越快，初見端倪的知識經濟預示人類的經濟社會生活將發生新的巨大變化"。以理解為對真實地球及其相關現象統一的數字化重現和認識。其核心思想是用數字化的手段來處理整個地球的自然和社會活動諸方面的問題，最大限度地利用資源，並使普通百姓能夠通過一定方式方便地獲得他們所想了解的有關地球的信息，其特點是嵌入海量地理數據，實現多分辨率、三維對地球的描述，即"虛擬地球"。通俗地講，就是用數字的方法將地球、地球上的活動及整個地球環境的時空變化裝入電腦中，實現在網絡上的流通，並使之最大限度地為人類的生存、可持續發展和日常的工作、學習、生活、娛樂服務。嚴格地講，數字地球是以計算機技術、多媒體技術和大規模存儲技術為基礎，以寬帶網絡為紐帶運用海量地球信息對地球進行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的三維描述，並利用它作為工具來支持和改善人類活動和生活質量。

數字地圖是紙製地圖的數字存在和數字表現形式，是在一定座標系統內具有確定座標和屬性的地面要素和現象的離散數據，在計算機可識別的可存儲介質上概括的、有序的集合。

在計算機技術和信息科學高度發展的當今，僅靠紙製的地圖和一些零散的數字地圖提供信息已無法滿足需要，取而代之的是在飛機、艦船導航、新武器制導、衞星運行測控和部隊快速反應、軍事指揮自動化以及經濟建設的各個行業中廣泛應用的，基於區域性或全國性的數字地圖及各種各樣的地圖數據庫管理系統和地理信息系統。

這些系統共同的特點是：信息豐富多樣，提供信息正確及時，修改、檢索、 傳輸信息方便快速，並可以對系統中的數據作進一步的分析操作，最後輸出人們關注的專題信息。

數據庫技術的應用和信息系統的建立使傳統紙製地圖的應用發生了質的飛躍，也為地圖產品開闢了一個新的應用天地。 ^[3] 

要在電子計算機上實現數字地球不是一個很簡單的事，它需要諸多學科，特別是信息科學技術的支撐。這其中主要包括：信息高速公路和計算機寬帶高速網絡技術、高分辨率衞星影像、空間信息技術、大容量數據處理與存貯技術、科學計算以及可視化和虛擬現實技術。

一個數字地球所需要的數據已不能通過單一的數據庫來存貯，而需要由成千上萬的不同組織來維護。這意味着參與數字地球的服務器將需要由高速網絡來連接。為此，美國克林頓總統早在1993年2月就提出實施美國國家信息基礎設施（NII），通俗形象地稱為信息高速公路，它主要由計算機服務器、網絡和計算機終端組成。美國為此計劃投入4000億美元，耗時20年。到2000年的目標是提高生產率20~40%，獲取35000億美元的效益。

在Internet流量爆發性增長的驅動下，遠程通信載體已經嘗試使用10G/S的網絡，而每秒1015byte的因特網正在研究中。相信在21世紀將會有更加優秀的寬帶高速網供人們使用。

本世紀的遙感衞星影像，在衞星遙感問世的20多年分辨率已經有了飛快的提高，這裏所説的分辨率指空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率。空間分辨率指影像上所能看到的地面最小目標尺寸，用像元在地面的大小來表示。從遙感形成之初的80米，已提高到30米，10米，5.8米，乃至2米，軍用甚至可達到10cm。到下一世紀獲取1m或優於1m的空間分辨率影像將會十分方便。光譜分辨率指成像的波段範圍，分得愈細，波段愈多，光譜分辨率就愈高，21世紀的技術可以達到5~6nm（納米）量級，400多個波段。細分光譜可以提高自動區分和識別目標性質和組成成分的能力。時間分辨率指重訪週期的長短，一般對地觀測衞星為15~25天的重訪週期。通過發射合理分佈的衞星星座可以3~5天觀測地球一次。

高分辨率衞星遙感圖像在下一世紀將可以優於1米的空間分辨率，每隔3~5天為人類提供反映地表動態變化的詳實數據，從而實現秀才不出門，能觀天下事的理想。

空間信息是指與空間和地理分佈有關的信息，經統計，世界上的事情有80%與空間分佈有關，空間信息用於地球研究即為地理信息系統。為了滿足數字地球的要求，將影像數據庫、矢量圖形庫和數字高程模型（DEM）三庫一體化管理的GIS軟件和網絡GPS，將在下一世紀十分成熟和普及。從而可實現不同層次的互操作，一個GIS應用軟件產生的地理信息將被另一個軟件讀取。

當人們在數字地球上，進行處理、發佈和查詢信息時，將會發現大量的信息都與地理空間位置有關。例如查詢兩城市之間的交通連接，查詢旅遊景點和路線，購房時選擇價廉而又環境適宜的住宅等都需要有地理空間參考。由於尚未建立空間數據參考框架，致使在萬維網上製作主頁時還不能輕易將有關的信息連接到地理空間參考上。因此，國家空間數據基礎設施是數字地球的基礎。

國家空間數據基礎設施主要包括空間數據協調管理與分發體系和機構，空間數據交換網站、空間數據交換標準及數字地球空間數據框架。這是美國克林頓總統在1994年4月以行政令下發的任務，美國將於2000年元月初步建成，我國也將在跨世紀之際，抓緊建立我國基於1:50000和1:10000比例尺的空間信息基礎設施。歐洲、俄羅斯和亞太地區也都紛紛抓空間數據基礎設施。

空間數據共享機制是使數字地球能夠運轉的關鍵之一。國際標準化組織ISO/TC211工作組正為此而努力工作。只有共享才能發展，共享推動信息化，信息化進一步推動共享。政府與民間的聯合共建是實現共享原則的基本條件，因為任何國家的政府也不可能包攬整個信息化的建設。在我國，要遵循這一規律就必然要求打破部門之間和地區之間的界限，統一標準，聯合行動，相互協調，互諒互讓，分工合作，發揮整體優勢。只有大聯合才能形成規模經濟的優勢，才能在國際信息市場的激烈競爭中爭取主動。

數字地球將需要存貯1015字節的（Quadrillions）信息。美國NASA的行星地球計劃EOS-AM1 99年上天，每天將產生1000GB（即1TB）的數據和信息，1米分辨率影像覆蓋廣東省，大約有1TB的數據，而廣東才是中國的1/53。所以要建立起中國的數字地球，僅僅影像數據就有53TB，這還只是一個時刻的，多時相的動態數據，其容量就更大了。美國的NASA和NOAA已着手建立用原型並行機管理的可存貯1800TM的數據中心，數據盤帶的查找由機器手自動而快速地完成，相信到下一世紀，還會有新的突飛猛進。

另一方面，為了在海量數據中迅速找到需要的數據，元數據（metadata）庫的建設是非常必要的，它是關於數據的數據，通過它可以瞭解有關數據的名稱、位置、屬性等信息，從而大大減少用户尋找所需數據的時間。

地球是一個複雜的巨系統，地球上發生的許多事件，變化和過程又十分複雜而呈非線性特徵，時間和空間的跨度變化大小不等，差別很大，只有利用高速計算機，我們今日和跨世紀的未來，才有能力來模擬一些不能觀測到的現象。利用數據挖掘（Data Mining）技術，我們將能夠更好地認識和分析所觀測到的海量數據，從中找出規律和知識。科學計算將使我們突破實驗和理論科學的限制，建模和模擬可以使我們能更加深入地探索所蒐集到的有關我們星球的數據。

（1）虛擬技術

可視化是實現數字地球與人交互的窗口和工具，沒有可視化技術，計算機中的一堆數字是無任何意義的。

數字地球的一個顯著的技術特點是虛擬現實技術。建立了數字地球以後，用户戴上顯示頭盔，就可以看見地球從太空中出現，使用"用户界面"的開窗放大數字圖像；隨着分辨率的不斷提高，他看見了大陸，然後是鄉村、城市，最後是私人住房、商店、樹木和其它天然和人造景觀；當他對商品感興趣時，可以進入商店內，欣賞商場內的衣服，並可根據自己的體型，構造虛擬自己試穿衣服。

虛擬現實技術為人類觀察自然，欣賞景觀，瞭解實體提供了身臨其境的感覺。最近幾年，虛擬現實技術發展很快。虛擬現實造型語言（VRML）是一種面向Web、面向對象的三維造型語言，而且它是一種解釋性語言。它不僅支持數據和過程的三維表示，而且能使用户走進視聽效果逼真的虛擬世界，從而實現數字地球的表示以及通過數字地球實現對各種地球現象的研究和人們的日常應用。實際上，人造虛擬現實技術在攝影測量中早已是成熟的技術，數字攝影測量的發展，已經能夠在計算機上建立可供量測的數字虛擬技術。當然，當前的技術是對同一實體拍攝照片，產生視差，構造立體模型，通常是當模型處理。進一步的發展是對整個地球進行無縫拼接，任意漫遊和放大，由三維數據通過人造視差的方法，構造虛擬立體。

（2）3S技術

數字地球的核心是地球空間信息科學，地球空間信息科學的技術體系中最基礎和基本的技術核心是"3S"技術及其集成。所謂"3S"是全球定位系統（GPS）、地理信息系統（GIS）和遙感（RS）的統稱。沒有"3S"技術的發展，現實變化中的地球是不可能以數字的方式進入計算機網絡系統的。

(3)定位技術

GPS作為一種全新的現代定位方法，已逐漸在越來越多的領域取代了常規光學和電子儀器。80年代以來，尤其是90年代以來，GPS衞星定位和導航技術與現代通信技術相結合，在空間定位技術方面引起了革命性的變化。用GPS同時測定三維座標的方法將測繪定位技術從陸地和近海擴展到整個海洋和外層空間，從靜態擴展到動態，從單點定位擴展到局部與廣域差分，從事後處理擴展到實時(準實時)定位與導航，絕對和相對精度擴展到米級、釐米級乃至亞毫米級，從而大大拓寬它的應用範圍和在各行各業中的作用。不久的將來，人人可以戴上GPS手錶，加上移動電話，你的活動就可以自動進入數字地球中去。

(4)遙感技術

當代遙感的發展主要表現在它的多傳感器、高分辨率和多時相特徵。

遙感信息的應用分析已從單一遙感資料向多時相、多數據源的融合與分析，從靜態分析向動態監測過渡，從對資源與環境的定性調查向計算機輔助的定量自動製圖過渡，從對各種現象的表面描述向軟件分析和計量探索過渡。由於航空遙感具有的快速機動性和高分辨率的顯著特點使之成為遙感發展的重要方面。

(5)GIS技術

隨着"數字地球"這一概念的提出和人們對它的認識的不斷加深，從二維向多維動態以及網絡方向發展是地理信息系統發展的主要方向，也是地理信息系統理論發展和諸多領域的迫切需要如資源、環境、城市等。在技術發展方面，一個發展是基於Client/Server結構，即用户可在其終端上調用在服務器上的數據和程序。另一個發展是通過互聯網絡發展Internet GIS或Web-GIS，可以實現遠程尋找所需要的各種地理空間數據，包括圖形和圖像，而且可以進行各種地理空間分析，這種發展是通過現代通訊技術使GIS進一步與信息高速公路相接軌。另一個發展方向，則是數據挖掘（Data Mining），從空間數據庫中自動發現知識，用來支持遙感解譯自動化和GIS空間分析的智能化。

(6)集成技術

"三S"集成是指將上述三種對地觀測新技術及其他相關技術有機地集成在一起。這裏所説的集成，是英文Integration的中譯文，是指一種有機的結合，在線的連接、實時的處理和系統的整體性。GPS、RS、GIS集成的方式可以在不同技術水平上實現。"三S"集成包括空基三S集成與地基三S集成。

空基"三S"集成：用空─地定位模式實現直接對地觀測，主要目的是在無地面控制點（或有少量地面控制點）的情況下，實現航空航天遙感信息的直接對地定位、偵察、制導、測量等。

地基"三S"集成：車載、艦載定位導航和對地面目標的定位、跟蹤、測量等實時作業。

在人類所接觸到的信息中有80%與地理位置和空間分佈有關，地球空間信息是信息高速公路上的貨和車。數字地球不僅包括高分辨率的地球衞星圖像，還包括數字地圖，以及經濟、社會和人口等方面的信息，它的應用正如戈爾副總統在報告中提到的有時會因為我們的想象力而受到限制，換句話説，數字地球的應用在很大程度上超出我們的想象，可以樂觀地説下一世紀中，數字地球將進入千家萬户和各行各業。這裏只能就我們的理解提出一些現實的應用。

全球變化與社會可持續發展已成為當今世界人們關注的重要問題，數字化表示的地球為我們研究這一問題提供了非常有利的條件。在計算機中利用數字地球可以對全球變化的過程、規律、影響以及對策進行各種模擬和仿真，從而提高人類應付全球變化的能力。數字地球可以廣泛地應用於對全球氣候變化，海平面變化，荒漠化，生態與環境變化，土地利用變化的監測。與此同時，利用數字地球，還可以對社會可持續發展的許多問題進行綜合分析與預測，如：自然資源與經濟發展，人口增長與社會發展，災害預測與防禦等。

我國是一個人口多，土地資源有限，自然災害頻繁的發展中國家，十幾億人口的吃飯問題一直是致關重要的。經過二十年的高速發展，資源與環境的矛盾越來越突出。九八年的洪災，黃河斷流，耕地減少，荒漠化加劇，已經引起了社會各界的廣泛關注。必須採取有效措施，從宏觀的角度加強土地資源和水資源的監測和保護，加強自然災害特別是洪澇災害的預測、監測和防禦，避免第三世界國家和一些發達國家發展過程中走過的彎路。數字地球在這方面可以發揮更大的作用。

數字地球將容納大量行業部門、企業和私人添加的信息，進行大量數據在空間和時間分佈上的研究和分析。例如國家基礎設施建設的規劃，全國鐵路、交通運輸的規劃，城市發展的規劃，海岸帶開發，西部開發。從貼近人們的生活看，房地產公司可以將房地產信息鏈接到數字地球上；旅遊公司可以將酒店、旅遊景點，包括它們的風景照片和錄象放入這個公用的數字地球上；世界著名的博物館和圖書館可以將其收藏以圖像、聲音、文字形式放入數字地球中；甚至商店也可以將貨架上的商店製作成多媒體或虛擬產品放入數字地球中，讓用户任意挑選。另外在相關技術研究和基礎設施方面也將會起推動作用。因此，數字地球進程的推進必將對社會經濟發展與人民生活產生巨大的影響。

下一世紀農業要走節約化的道路，實現節水農業、優質高產無污染農業。這就要依託數字地球，每隔3~5天給農民送去他們的莊稼地的高分辨率衞星影像，農民在計算機網絡終端上可以從影像圖獲得他的農田裏莊稼的長勢徵兆，通過GIS作分析，制定出行動計劃，然後在車載GPS和電子地圖指引下，實施農田作業，及時地預防病蟲害，把殺蟲劑、化肥和水用到必須用的地方，而不致使化學殘留物污染土地、糧食和種子，實現真正的綠色農業。這樣一來，農民也成了電腦的重要用户，數字地球就這樣飛入了農民家。到那時農民也需要有組織，有文化，掌握高科技。

智能交通系統是基於數字地球建立國家和省市、自治區的路面管理系統、橋樑管理系統、交通阻塞、交通安全以及高速公路監控系統，並將先進的信息技術、數據通訊傳輸技術、電子傳感技術、電子控制技術以及計算機處理技術等有效地集成運用於整個地面運輸管理體系，而建立起的一種在大範圍內、全方位發揮作用的，實時、準確、高效的綜合運輸和管理系統，實現運輸工具在道路上的運行功能智能化。從而，使公眾能夠高效地使用公路交通設施和能源。具體地説，該系統將採集到的各種道路交通及服務信息經交通管理中心集中處理後，傳輸到公路運輸系統的各個用户（駕駛員、居民、警察局、停車場、運輸公司、醫院、救護排障等部門），出行者可實時選擇交通方式和交通路線；交通管理部門可自動進行合理的交通疏導、控制和事故處理；運輸部門可隨時掌握車輛的運行情況，進行合理調度。從而，使路網上的交通流運行處於最佳狀態，改善交通擁擠和阻塞，最大限度地提高路網的通行能力，提高整個公路運輸系統的機動性、安全性和生產效率。

對於公路交通而言，ITS將產生的效果主要包括以下幾個方面：

-提高公路交通的安全性。

-降低能源消耗，減少汽車運輸對環境的影響。

-提高公路網絡的通行能力。

-提高汽車運輸生產率和經濟效益，並對社會經濟發展的各方面都將產生積極的影響。

-通過系統的研究、開發和普及，創造出新的市場。

美國國會1991年頒佈"冰茶法案"(ISTEA- Intermodel Surface Transportation Efficiency Act)，1998年頒佈"續茶法案"(NEXTEA-National Economic Crossroad Transportation Efficiency Act)，目標是實現高效、安全和利於環境的現代交通體系。

基於高分辨率正射影像、城市地理信息系統、建築CAD，建立虛擬城市和數字化城市，實現真三維和多時相的城市漫遊、查詢分析和可視化。數字地球服務於城市規劃、市政管理、城市環境、城市通訊與交通、公安消防、保險與銀行、旅遊與娛樂等，為城市的可持續發展和提高市民的生活質量等。

顧名思義，數字地球是用數字方式為研究地球及其環境的科學家尤其是地學家服務的重要手段。地殼運動、地質現象、地震預報、氣象預報、土地動態監測、資源調查、災害預測和防治、環境保護等等無不需要利用數字地球。而且數據的不斷積累，最終將有可能使人類能夠更好地認識和了解我們生存和生活的這個星球，運用海量地球信息對地球進行多分辨率、多時空和多種類的三維描述將不再是幻想。

數字地球是後冷戰時期"星球大戰"計劃的繼續和發展，在美國眼裏數字地球的另一種提法是星球大戰,是美國全球戰略的繼續和發展。顯然，在現代化戰爭和國防建設中，數字地球具有十分重大意義。建立服務於戰略、戰術和戰役的各種軍事地理信息系統，並運用虛擬現實技術建立數字化戰場，這是數字地球在國防建設中的應用。這其中包括了地形地貌偵察、軍事目標跟蹤監視、飛行器定位、導航、武器制導、打擊效果偵察、戰場仿真、作戰指揮等等方面，對空間信息的採集、處理、更新提出了極高的要求。在戰爭開始之前需要建立戰區及其周圍地區的軍事地理信息系統；戰時利用GPS、RS和GIS進行戰場偵察，信息的更新，軍事指揮與調度，武器精確制導；戰時與戰後的軍事打擊效果評估等等。而且，數字地球是一個典型的平戰結合，軍民結合的系統工程，建設中國的數字地球工程符合我國國防建設的發展方向。

總之，隨着"三S"技術及相關技術的發展，數字地球將對社會生活的各個方面產生巨大的影響。其中有些影響我們可以想象，有些影響也許我們今日還無法想象。

數字地球的提出是全球信息化的必然產物，它的一項長期的戰略目標，需要經過全人類的共同努力才能實現。同時，數字地球的建設與發展將加快全球信息化的步伐，在很大程度上改變人們的生活方式，並創造出巨大的社會財富，為人類社會的發展作出巨大貢獻。

"3S"作為數字地球的技術基礎和核心將得到迅速發展，一方面數字地球的研究和建設為"3S"技術的發展創造了條件，另一方面"3S"技術的發展為數字地球的建設提供了技術支持。

我國在地球空間信息科學領域的研究工作經過不懈努力取得了許多優秀成果，培養了一些國際知名的學者和一大批具有較高素質的中青年學術骨幹，為學科的發展作出了自己的貢獻。但是，我們必須清醒地認識到，由於在傳感器，計算機，通訊以及綜合國力等方面與先進國家存在較大差距，使得在相當長的一段時間在地球空間信息科學的若干方面將落後於國際先進水平。因此，只有發揮自己的優勢，不斷努力，努力建設數字中國和數字地球，才能逐步縮小與國際先進水平的差距，為我國的經濟建設和社會發展做出自己的貢獻。

市場需求是很大的，而供應方面卻略顯不足，尤其是擁有核心知識產權，技術過硬的企業並不多，行業整體缺乏品牌效應。傲唯刃道呼籲業內企業共同努力，尤其發揮吹毛求疵的研發精神，進一步提高研發能力，降低成本，真正解決客户的實際困難，嚴把質量關，提供最可靠的產品和技術。 ^[3] 

2019年11月18日，由國際數字地球學會和中國科學院主辦的首屆中國數字地球大會在北京開幕 ^[4]  。本屆大會以“地球大數據促進可持續發展”為主題，旨在聚焦數字地球應用和技術，為科學家與決策者搭建地球大數據背景下的交流新平台，共同探討梳理大數據時代數字地球發展脈絡，理清數字地球的科學和技術瓶頸問題，促進數字地球與社會經濟接軌，探討如何基於數字地球技術服務國家戰略及人類社會可持續發展。