數(shù)字地球及其應(yīng)用前景

1、數(shù)字地球及其應(yīng)用前景、數(shù)字地球的概念1998年1月，美國副總統(tǒng)戈爾在加利福尼亞科學(xué)中心開幕典禮上發(fā)表演說“數(shù)字地球新世紀(jì)人類星球之認(rèn)識”時，提出了“數(shù)字地球”的概念，為信息時代人類的生活與工作方式描繪了一個清晰的輪廓。什么是數(shù)字地球呢？通俗點(diǎn)講，就是用數(shù)字的方法將地球、地球上的活動即整個地球環(huán)境的時空變化記入計算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上的流通，并使之最大限度地為人類的生存、可持續(xù)發(fā)展和日常工作、學(xué)習(xí)、生活、娛樂服務(wù)1。數(shù)字地球是以計算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規(guī)模存儲技術(shù)為基礎(chǔ)，以寬帶網(wǎng)絡(luò)為樞紐，運(yùn)用海量地球信息對地球進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的三維描述。二、數(shù)字地球的技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字地球的核心是

2、地球空間信息科學(xué)，地球空間信息科學(xué)的技術(shù)體系中最基礎(chǔ)和基本的技術(shù)核心是三S技術(shù)及其集成。所謂三S是全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感（RS）的統(tǒng)稱。GPS空間定位技術(shù)GPS是美國國防部自70年代開始研制的一種衛(wèi)星定位與導(dǎo)航系統(tǒng)，主要有空間部分、控制部分和用戶部分構(gòu)成。作為一種全新的現(xiàn)代定位方法，GPS已逐漸在越來越多的領(lǐng)域取代了常規(guī)光學(xué)和電子儀器。尤其是90年代以來，GPS衛(wèi)星定位和導(dǎo)航技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合，在空間定位技術(shù)方面引起了革命性的變化。用GPS同時測定三維坐標(biāo)的方法將測繪定位技術(shù)從陸地和近海擴(kuò)展到整個海洋和外層空間，從靜態(tài)擴(kuò)展到動態(tài)，從單點(diǎn)定位擴(kuò)展到局部與廣域差

3、分，從事后處理擴(kuò)展到實(shí)時（準(zhǔn)實(shí)時）定位與導(dǎo)航，絕對和相對精度擴(kuò)展到米級、厘米級乃至亞毫米級，從而大大拓寬它的應(yīng)用范圍和在各行各業(yè)中的作用。RS遙感技術(shù)遙感技術(shù)是空間對地觀測的重要組成部分，發(fā)展主要表現(xiàn)在它的多傳感器、高分辨率和多時相特征。（1）多傳感器技術(shù)。當(dāng)代遙感技術(shù)已能全面覆蓋大氣窗口的所有部分。光學(xué)遙感可包含可見光、近紅外和短波紅外區(qū)域。熱紅外遙感的波長可從814mm，微波遙感觀測目標(biāo)物電磁波的輻射和散射，分被動微波遙感和主動微波遙感，波長范圍為1mm100cm。（2）遙感的高分辨率特點(diǎn)，體現(xiàn)在空間分辨率、光譜分辨率和溫度分辨率三個方面。長線陣CCD成像掃描儀可以達(dá)到12m的空間分辨率，

4、成像光譜儀的光譜細(xì)分可以達(dá)到56nm的水平。熱紅外輻射計的溫度分辨率可從0.5K提高到0.3K乃至0.1K。（3）遙感的多時相特征。隨著小衛(wèi)星群計劃的推行，可以用多顆小衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)每23天對地表重復(fù)一次采樣，獲得高分辨率成像光譜儀數(shù)據(jù)，多波段、多極化方式的雷達(dá)衛(wèi)星，將能解決陰雨多霧情況下的全天候和全天時對地觀測，通過衛(wèi)星遙感與機(jī)載和車載遙感技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)多時相遙感數(shù)據(jù)獲取的有力保證。遙感信息的應(yīng)用分析已從單一遙感資料向多時相、多數(shù)據(jù)源的融合與分析，從靜態(tài)分析向動態(tài)監(jiān)測過渡，從對資源與環(huán)境的定性調(diào)查向計算機(jī)輔助的定量自動制圖過渡，從對各種現(xiàn)象的表面描述向軟件分析和計量探索過渡。近年來，由于

5、航空遙感具有的快速機(jī)動性和高分辨率的顯著特點(diǎn)使之成為遙感發(fā)展的重要方面。3、GIS地理信息系統(tǒng)技術(shù)GIS是一種特定而十分重要的空間信息系統(tǒng)。其主要功能室采集、存貯、管理、分析和描述整個或部分地球表面（包括大氣層）與空間分布有關(guān)的數(shù)據(jù)?？臻g信息是數(shù)字地球的基本信息，也是數(shù)字地球的定位基礎(chǔ)。因此，GIS將是未來數(shù)字地球的信息平臺。許多學(xué)者認(rèn)為，數(shù)字地球是GIS在經(jīng)歷了項(xiàng)目級、單部門級、多部門級向社會級發(fā)展的自然延伸、擴(kuò)展與綜合，是GIS與Internet技術(shù)相結(jié)合的必然結(jié)果。4、三S集成技術(shù)三S”集成是指將上述三種對地觀測新技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)有機(jī)地集成在一起。這里所說的集成，是英文Integrat

6、ion的中譯文，指有機(jī)的結(jié)合，在線的連接、實(shí)時的處理和系統(tǒng)的整體性。GPS、RS、GIS集成的方式可以在不同技術(shù)水平上實(shí)現(xiàn)。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：用空一地定位模式實(shí)現(xiàn)直接對地觀測，主要目的是在無地面控制點(diǎn)（或有少量地面控制點(diǎn)）的情況下，實(shí)現(xiàn)航空航天遙感信息的直接對地定位、偵察、制導(dǎo)、測量等。地基三S”集成：車載、艦載定位導(dǎo)航和對地面目標(biāo)的定位、跟蹤、測量等實(shí)時作業(yè)。三、數(shù)字地球的應(yīng)用前景數(shù)字地球不僅包括高分辨率的地球衛(wèi)星圖像，還包括數(shù)字地圖，以及經(jīng)濟(jì)、社會和人口等方面的信息，其應(yīng)用如戈爾在報告中所提到的，“有時會因?yàn)槲覀兊南胂罅Χ艿较拗啤薄＿@里提出一些現(xiàn)實(shí)

7、的應(yīng)用。數(shù)字地球?qū)θ蜃兓c社會可持續(xù)發(fā)展的作用全球變化與社會可持續(xù)發(fā)展已成為當(dāng)今世界人們關(guān)注的重要問題，數(shù)字化表示的地球?yàn)槲覀冄芯窟@一問題提供了非常有利的條件。在計算機(jī)中利用數(shù)字地球可以對全球變化的過程、規(guī)律、影響以及對策進(jìn)行各種模擬和仿真，從而提高人類應(yīng)付全球變化的能力。數(shù)字地球可以廣泛地應(yīng)用于對全球氣候變化，海平面變化，荒漠化，生態(tài)與環(huán)境變化，土地利用變化的監(jiān)測。與此同時，利用數(shù)字地球，還可以對社會可持續(xù)發(fā)展的許多問題進(jìn)行綜合分析與預(yù)測，如：自然資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人口增長與社會發(fā)展，災(zāi)害預(yù)測與防御等。數(shù)字地球在地學(xué)工作中的應(yīng)用GIS對多種空間數(shù)據(jù)的分析處理能力，為地質(zhì)學(xué)家對地質(zhì)、地理、物探

8、、化探、水文以及遙感等多源地學(xué)信息提供了進(jìn)行綜合分析與解釋的工具，使他們能以一種新的綜合方法研究地學(xué)領(lǐng)域中的各種問題。數(shù)字地球中豐富的信息和先進(jìn)的分析處理技術(shù)與手段，為地學(xué)信息的采集、地質(zhì)填圖、地質(zhì)事件的模擬與仿真、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、巖石與礦體邊界的圈定、礦量的分析與預(yù)測等，提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。數(shù)字地球在土地管理中的應(yīng)用土地管理是電子政務(wù)的基本組成部分，總目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)耕地總量動態(tài)平衡，提高土地管理的科學(xué)性、精確性和時效性。利用數(shù)字地球，人們可以十分詳細(xì)地掌握包括土地利用類型、數(shù)量、面積、質(zhì)量等在內(nèi)的土地的空間分布信息，從而為土地的日常管理打下基礎(chǔ)。利用數(shù)字地球還可以完成與土地利用有關(guān)的動態(tài)監(jiān)測，如

9、:土地利用類型的互相轉(zhuǎn)化、面積變化、質(zhì)量變化、權(quán)屬變化以及農(nóng)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整等，從而為快速、實(shí)時地反映土地利用現(xiàn)狀、實(shí)現(xiàn)土地的變更管理提供了可靠的保障。數(shù)字地球在防災(zāi)減災(zāi)中的應(yīng)用災(zāi)害是當(dāng)今社會的一大問題，而我國又是世界上少數(shù)幾個多災(zāi)國家之一。在國民經(jīng)濟(jì)取得快速發(fā)展的今天，各種災(zāi)害問題也日趨嚴(yán)重，特別是進(jìn)入90年代，我國年均災(zāi)害的直接經(jīng)濟(jì)損失已達(dá)1000億元以上，災(zāi)害已成為制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。數(shù)字地球戰(zhàn)略的實(shí)施和實(shí)現(xiàn)，對于防災(zāi)減災(zāi)能力的提高，具有多方面的重要作用。它可以應(yīng)用于災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報、損失評估、抗災(zāi)救災(zāi)、災(zāi)后重建等防災(zāi)減災(zāi)的各個環(huán)節(jié)。首先，數(shù)字地球?yàn)槲覀兲峁┝艘粋€內(nèi)容豐富的地球表面的

10、自然與社會經(jīng)濟(jì)狀況的數(shù)據(jù)平臺，以及對地球表面系統(tǒng)物理、化學(xué)、生物和社會運(yùn)動分析和模擬的技術(shù)體系。利用這個數(shù)據(jù)平臺和技術(shù)體系，可以使我們有能力在計算機(jī)環(huán)境中盡可能真實(shí)地虛擬災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展過程，以及自然災(zāi)變現(xiàn)象和人類社會的相互作用規(guī)律，使我們能夠更好地認(rèn)知災(zāi)害系統(tǒng)的一些本質(zhì)規(guī)律（如自然災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理等），為災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報提供依據(jù)。其次，數(shù)字地球?yàn)槲覀兲峁┝藶?zāi)區(qū)大量的定位、定量的自然環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)，利用地理信息系統(tǒng)和計算機(jī)模擬技術(shù)，通過對災(zāi)害發(fā)生時獲得的遙感和地面監(jiān)測數(shù)據(jù)以及各種基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，就可以對災(zāi)害造成的損失、災(zāi)害發(fā)展的態(tài)勢以及災(zāi)害對生態(tài)環(huán)境和社會發(fā)展造成的影響進(jìn)行評估

11、。第三，當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時，利用數(shù)字地球?yàn)槲覀兲峁┑臄?shù)據(jù)平臺和技術(shù)系統(tǒng)，可以幫助災(zāi)害管理部門的決策者迅速獲知險情發(fā)生的地點(diǎn)和程度，制定科學(xué)合理的搶險措施和人員物資撒離方案，最大可能地避免人員傷亡和社會財富的損失。第四，在災(zāi)害事件結(jié)束以后，數(shù)字地球又可以幫助我們針對災(zāi)區(qū)的區(qū)域自然環(huán)境特點(diǎn)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，制定和實(shí)施科學(xué)合理的災(zāi)后重建方案，以及長遠(yuǎn)的減災(zāi)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。數(shù)字地球?qū)ι鐣?jīng)濟(jì)和生活的影響數(shù)字地球?qū)⑷菁{大量行業(yè)部門、企業(yè)和私人添加的信息，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)在空間和時間分布上的研究和分析。例如國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)劃，全國鐵路、交通運(yùn)輸?shù)囊?guī)劃，城市發(fā)展的規(guī)劃，海岸帶開發(fā)，西部開發(fā)。從貼近人們

12、的生活看，房地產(chǎn)公司可以將房地產(chǎn)信息鏈接到數(shù)字地球上；旅游公司可以將酒店、旅游景點(diǎn)，包括它們的風(fēng)景照片和錄象放入這個公用的數(shù)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(shù)字地球中；甚至商店也可以將貨架上的商店制作成多媒體或虛擬產(chǎn)品放入數(shù)字地球中，讓用戶任意挑選。另外在相關(guān)技術(shù)研究和基礎(chǔ)設(shè)施方面也將會起推動作用。因此，數(shù)字地球進(jìn)程的推進(jìn)必將對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人民生活產(chǎn)生巨大的影響。數(shù)字地球與智能化交通智能運(yùn)輸系統(tǒng)是基于數(shù)字地球建立國家和省市、自治區(qū)的路面管理系統(tǒng)、橋梁管理系統(tǒng)、交通阻塞、交通安全以及高速公路監(jiān)控系統(tǒng)，并將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)、電

13、子控制技術(shù)以及計算機(jī)處理技術(shù)等有效地集成運(yùn)用于整個地面運(yùn)輸管理體系，而建立起的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時、準(zhǔn)確、高效的綜合運(yùn)輸和管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸工具在道路上的運(yùn)行功能智能化。從而，使公眾能夠高效地使用公路交通設(shè)施和能源。具體地說，該系統(tǒng)將采集到的各種道路交通及服務(wù)信息經(jīng)交通管理中心集中處理后，傳輸?shù)焦愤\(yùn)輸系統(tǒng)的各個用戶（駕駛員、居民、警察局、停車場、運(yùn)輸公司、醫(yī)院、救護(hù)排障等部門），出行者可實(shí)時選擇交通方式和交通路線；交通管理部門可自動進(jìn)行合理的交通疏導(dǎo)、控制和事故處理；運(yùn)輸部門可隨時掌握車輛的運(yùn)行情況，進(jìn)行合理調(diào)度。從而，使路網(wǎng)上的交通流運(yùn)行處于最佳狀態(tài)，改善交通擁擠和阻塞，

14、最大限度地提高路網(wǎng)的通行能力，提高整個公路運(yùn)輸系統(tǒng)的機(jī)動性、安全性和生產(chǎn)效率。數(shù)字地球在城市管理中的應(yīng)用城市作為區(qū)域的政治、經(jīng)濟(jì)和文化的中心，必將成為數(shù)字地球的焦點(diǎn)，也將是數(shù)字地球中最復(fù)雜的部分。數(shù)字地球可促進(jìn)城市信息服務(wù)在方式、內(nèi)容、手段、速度、效果等方面進(jìn)入新時代。首先，就政府而言，數(shù)字地球?qū)⒂兄诔鞘姓粘＾k公效率的提高，提升政府管理水平。特別是國土資源、城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、公共安全等，政府職能部門可以充分利用數(shù)字地球?qū)崿F(xiàn)辦公自動化和決策科學(xué)化。數(shù)字地球的海量數(shù)據(jù)是政府信息庫最重要的組成部分之一。其次，就教育等社會公益事業(yè)部門來說，數(shù)字地球也將推動其發(fā)展。對于人口、資源、環(huán)境與發(fā)展的矛

15、盾日益緊張的人類來說，對這些問題最為關(guān)注的社會公益部門可以充分利用數(shù)字地球開展工作。例如，教育部門可以將數(shù)字地球作為教學(xué)工具，用更為方便、直觀、具體的方式開展地理、環(huán)保、生態(tài)等方面的教育工作，引導(dǎo)學(xué)生更深入地認(rèn)識我們這個星球。第三，對于企業(yè)來說，數(shù)字地球可以幫助企業(yè)管理者更好地開拓市場。諸如企業(yè)選址、區(qū)域市場戰(zhàn)略等，都可以利用數(shù)字地球進(jìn)行輔助決策。世界著名的可口可樂公司就成功地利用數(shù)字地球技術(shù)進(jìn)行市場管理。第四，個人也是數(shù)字地球最重要的需求者。個人的工作、居住、交通、休閑，均可通過數(shù)字地球進(jìn)行。個人通過互連網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)字地球可找到滿意的工作地點(diǎn)、理想的住所、感興趣的休閑地等。甚至可以帶上頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套，足不出戶漫游全球，飽覽各地風(fēng)光。總之，數(shù)字地球?yàn)槌鞘行畔⒎?wù)開拓了一個前所未有的新天地。數(shù)字地球與現(xiàn)代化戰(zhàn)爭數(shù)字地球是后冷戰(zhàn)時期星球大戰(zhàn)計劃的繼續(xù)和發(fā)展，在美國眼里數(shù)字地球的另一種提法是星球大戰(zhàn),是美國全球戰(zhàn)略的繼續(xù)和發(fā)展。顯然，在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭和國防建設(shè)中，數(shù)字地球具有十分重大意義。建立服務(wù)于戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)役的各種軍事地理信息系統(tǒng)，并運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立數(shù)字化戰(zhàn)場，這是數(shù)字地球在國防建設(shè)中的應(yīng)用。這其中包括了地形地貌偵察、軍事目標(biāo)跟蹤監(jiān)視、飛行器定位、導(dǎo)航、武器制導(dǎo)、打擊效果偵察