《地理信息系統(tǒng)及3S空間信息技術(shù)》課件第7章

第7章3S空間信息技術(shù)及GIS新技術(shù)7.1

3S技術(shù)7.2數(shù)字地球簡介7.3

GIS新技術(shù)復(fù)習(xí)與思考題

7.13S技術(shù)

7.1.1遙感簡介

遙感(RemoteSensing)，通常是指通過某種傳感器裝置，在不與研究對象直接接觸的情況下，獲得其特征信息，并對這些信息進(jìn)行提取、加工、表達(dá)和應(yīng)用的一門科學(xué)技術(shù)。遙感技術(shù)的基礎(chǔ)是通過觀測電磁波，從而判讀和分析地表目標(biāo)及現(xiàn)象，其中利用了地物的電磁波特性，即“一切物體由于其種類及環(huán)境條件不同，因而具有反射或輻射不同波長電磁波的特性”，如圖7-1所示，所以遙感也可以說是一種利用物體反射或輻射電磁波的固有特性，通過觀測電磁波，識別物體及物體存在環(huán)境條件的技術(shù)。圖7-1幾種常見地物（水、綠色植被、裸旱地）的電磁波反射曲線在遙感技術(shù)中，接收從目標(biāo)反射或輻射電磁波的裝置叫做遙感器（RemoteSensor），而搭載這些遙感器的移動體叫做遙感平臺（Platform），包括飛機(jī)、人造衛(wèi)星等，甚至地面觀測車也屬于遙感平臺。通常用機(jī)載平臺的稱為航空遙感（AerialRemoteSensing），而用星載平臺的則稱為航天遙感。按照遙感器的工作原理，可以將遙感分為被動式遙感（PassiveRemoteSensing）和主動式遙感（ActiveRemoteSensing）兩種，而每種方式又分為掃描方式和非掃描方式，其中陸地衛(wèi)星使用的MSS（MultispectralScanner，多光譜掃描儀）和TM（ThematicMapper，專題成像儀）屬于被動式、掃描方式的遙感器，如圖7-2所示。而合成孔徑雷達(dá)(SyntheticApertureRadar,SAR)屬于主動式、掃描方式的遙感器。圖7-2多光譜掃描儀示意圖［Curran］從遙感的定義中可以看出，首先，遙感器不與研究對象直接接觸，也就是說，這里的“遙”并非指“遙遠(yuǎn)”；其次，遙感的目的是為了得到研究對象的特征信息；最后，通過傳感器裝置得到的數(shù)據(jù)，在被使用之前，還要經(jīng)過一個處理過程。圖7-3描述了從獲取遙感數(shù)據(jù)到應(yīng)用的過程。圖7-3遙感數(shù)據(jù)處理過程

1.圖像糾正

圖像糾正是消除圖像畸變的過程，包括輻射糾正和幾何糾正。輻射畸變通常由于太陽位置，大氣的吸收、散射引起；而幾何畸變的原因則包括遙感平臺的速度、姿態(tài)變化，傳感器，地形起伏等，如圖7-4所示。幾何糾正包括粗糾正和精糾正兩種，前者根據(jù)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行糾正；而后者通過采集地面控制點（GroundControlPoints,GCPs），建立糾正多項式，進(jìn)行糾正。圖7-4遙感圖像幾何畸變的各種情形［LillesandandKiefer］

2.增強(qiáng)

增強(qiáng)的目的是為了改善圖像的視覺效果，并沒有增加信息量，包括亮度、對比度變化以及直方圖變換等。

3.濾波

濾波分為低通濾波、高通濾波和帶通濾波等，低通濾波可以去除圖像中的噪聲，而高通濾波則用于提取一些線性信息，如道路、區(qū)域邊界等。濾波可以在空域上采用濾波模板操作，也可以在頻域中進(jìn)行直接運算。

4.變換

變換包括主成分分析(PrincipalComponentAnalyst)、色度變換和傅立葉變換等，還包括一些針對遙感圖像的特定變換，如纓帽變換(纓帽變換是多光譜波段的一種線性變換，且該變換能消除多光譜圖像的相對光譜響應(yīng)相關(guān)性，并對全色圖像可視化和自動特征提取都非常有用)。

5.分類

利用遙感圖像的主要目的是為了提取各種信息，一些特定的變換可以用于提取信息，但是最主要的手段則是通過遙感圖像分類(Classification)。計算機(jī)分類的基本原理是針對計算圖像上每個像元的灰度特征，根據(jù)不同的準(zhǔn)則進(jìn)行分類。遙感圖像分類有兩類方法，即監(jiān)督分類(SupervisedClassification)和非監(jiān)督分類(UnsupervisedClassification)，前者需要事先確定各個類別及其訓(xùn)練區(qū)(TrainingArea)，并計算訓(xùn)練區(qū)像元灰度統(tǒng)計特征，然后將其他像元歸并到不同類別；后者則直接根據(jù)像元灰度特征之間的相似和相異程度進(jìn)行合并和區(qū)分，形成不同的類別。遙感技術(shù)具有以下優(yōu)點：

(1)增大了觀測范圍。

(2)能夠提供大范圍的瞬間靜態(tài)圖像，用于監(jiān)測動態(tài)變化現(xiàn)象。

(3)能夠進(jìn)行大面積重復(fù)觀測，即使是人類難以到達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)。

(4)大大“加寬”了人眼所能觀察的光譜范圍，遙感使用的電磁波波段從X光到微波，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了可見光范圍；而雷達(dá)遙感由于使用微波，可以不受制于晝夜、天氣變化，進(jìn)行全天候的觀測。

(5)空間詳細(xì)程度高，航空相片的空間分辨率可以高達(dá)厘米級甚至毫米級。

幾種常用的遙感衛(wèi)星及其遙感器參數(shù)見表7-1。7.1.2GIS與遙感的集成

簡而言之，地理信息系統(tǒng)是用于分析和顯示空間數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，而遙感影像是空間數(shù)據(jù)的一種形式，類似于GIS中的柵格數(shù)據(jù)，很容易在數(shù)據(jù)層次上實現(xiàn)地理信息系統(tǒng)與遙感的集成。但是，實際上遙感圖像的處理和GIS中柵格數(shù)據(jù)的分析具有較大的差異。遙感圖像處理的目的是為了提取各種專題信息，其中的一些處理功能，如圖像增強(qiáng)、濾波、分類以及一些特定的變換處理（如陸地衛(wèi)星影像的KT變換）等，并不適用于GIS中的柵格空間分析。在軟件實現(xiàn)上，GIS與遙感的集成可以有以下三個不同的層次［Ehlers］：

(1)分離的數(shù)據(jù)庫，通過文件轉(zhuǎn)換工具在不同系統(tǒng)之間傳輸文件；

(2)兩個軟件模塊具有一致的用戶界面和同步的顯示；(3)集成的最高目的是實現(xiàn)單一的、提供圖像處理功能的GIS軟件系統(tǒng)。１）GIS作為圖像處理工具

將GIS作為遙感圖像的處理工具，可以在以下幾個方面增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的圖像處理功能：

·幾何糾正和輻射糾正

通常幾何糾正的方法是利用采集地面控制點建立多項式擬合公式，它們可以從GIS的矢量數(shù)據(jù)庫中抽取出來，然后確定每個點在圖像上對應(yīng)的坐標(biāo)，并建立糾正公式。在糾正完成后，可以將矢量點疊加在圖像上，以判斷糾正的效果。一些遙感影像會因為地形的影響而產(chǎn)生幾何畸變，如側(cè)視雷達(dá)（Didewayslookingradar）圖像的疊掩（Layover）、陰影（Shadow）、前向壓縮（Foreshortening）等，進(jìn)行糾正、解譯時需要使用DEM數(shù)據(jù)以消除畸變。此外，由于地形起伏引起光照的變化，也會在遙感圖像上表現(xiàn)出來，如陰坡和陽坡的亮度差別，可以利用DEM進(jìn)行輻射糾正，提高圖像分類的精度。

·圖像分類

對于遙感圖像分類，遙感與GIS集成最明顯的好處是訓(xùn)練區(qū)的選擇，通過矢量/柵格的綜合查詢，可以計算多邊形區(qū)域的圖像統(tǒng)計特征，評判分類效果，進(jìn)而改善分類方法。此外，在圖像分類中，可以將矢量數(shù)據(jù)柵格化，并作為“遙感影像”參與分類，可以提高分類精度。例如，考慮到植被的垂直分帶特性，在進(jìn)行山區(qū)的植被分類時，可以結(jié)合DEM，將其作為一個分類變量。

·感興趣區(qū)域的選取

在一些遙感圖像處理中，常常需要只對某一區(qū)域進(jìn)行運算，以提取某些特征，這需要柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)之間的相交運算。

2）遙感數(shù)據(jù)作為GIS的信息來源

數(shù)據(jù)是GIS中最為重要的成分，包括以下幾個方面的

內(nèi)容：

·線及其他地物要素的提取

在圖像處理中，有許多邊緣檢測（EdgeDetection）濾波算子，可以用于提取區(qū)域的邊界（如水陸邊界）和線形地物（如道路、斷層等），其結(jié)果可以用于更新現(xiàn)有的GIS數(shù)據(jù)庫，該過程類似于掃描圖像的矢量化。

·DEM數(shù)據(jù)的生成

利用航空立體像對(StereoImages)和雷達(dá)影像，可以生成較高精度的DEM數(shù)據(jù)。

·土地利用變化以及地圖更新

利用遙感數(shù)據(jù)更新空間數(shù)據(jù)庫，最直接的方式就是將糾正后的遙感圖像作為背景底圖，并根據(jù)其進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)的編輯修改。而對遙感圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分類得到的結(jié)果可以添加到GIS數(shù)據(jù)庫中。因為遙感圖像可以視為一種特殊的柵格數(shù)據(jù)，所以不難實現(xiàn)遙感和GIS的集成工具軟件——關(guān)鍵是提供非常方便的柵格/矢量數(shù)據(jù)相互操作和相互轉(zhuǎn)換功能。由于各種因素的影響，使得從遙感數(shù)據(jù)中提取的信息不是絕對準(zhǔn)確的，在通常的土地利用分類中，90%的分類精度就是相當(dāng)可觀的結(jié)果，因而需要野外實際的考察驗證——在這個過程中可以使用GPS進(jìn)行定位。此外，還要考慮尺度問題，即遙感影像空間分辨率和GIS數(shù)據(jù)比例尺的對應(yīng)關(guān)。例如，在實踐中，一個常見的問題是：地面分辨率為30米的TM數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何糾正時，需要多大比例尺的地形圖以采集地面控制點坐標(biāo)，而其分類結(jié)果可以用來更新多大比例尺的土地利用數(shù)據(jù)。根據(jù)經(jīng)驗，合適的比例尺為1∶50000到1∶100000，太大則遙感數(shù)據(jù)精度不夠，過小則是對遙感數(shù)據(jù)的“浪費”。7.1.3GIS與全球定位系統(tǒng)的集成

1）定位

如果不與GIS集成，利用GPS接收機(jī)和紙質(zhì)地形圖，也可以實現(xiàn)空間定位；但是通過將GPS接收機(jī)連接在安裝GIS軟件和該地區(qū)空間數(shù)據(jù)的便攜式計算機(jī)上，可以方便地顯示GPS接收機(jī)所在位置,并實時顯示其運動軌跡，進(jìn)而可以利用GIS提供的空間檢索功能，得到定位點周圍的信息，從而實現(xiàn)決策支持。

2）測量

在土地管理、城市規(guī)劃等領(lǐng)域，利用GPS和GIS的集成，可以測量區(qū)域的面積或者路徑的長度。該過程類似于利用數(shù)字化儀進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入，需要跟蹤多邊形邊界或路徑，采集抽樣后的頂點坐標(biāo)，并將坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過GIS記錄，然后計算相關(guān)的面積或長度數(shù)據(jù)。在進(jìn)行GPS測量時，要注意以下一些問題，首先，要確定GPS的定位精度是否滿足測量的精度要求，如對宅基地的測量，精度需要達(dá)到厘米級，而要在野外測量一個較大區(qū)域的面積，米級甚至幾十米級的精度就可以滿足要求；其次，對不規(guī)則區(qū)域或者路徑的測量，需要確定采樣原則，采樣點選取的不同會影響到最后的測量結(jié)果。

3）導(dǎo)航和交通管理

三維導(dǎo)航是GPS的首要功能，飛機(jī)、輪船、地面車輛以及步行者都可以利用GPS導(dǎo)航器進(jìn)行導(dǎo)航。汽車導(dǎo)航系統(tǒng)是在全球定位系統(tǒng)GPS基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新型技術(shù)。汽車導(dǎo)航系統(tǒng)由GPS導(dǎo)航、自律導(dǎo)航、微處理機(jī)、車速傳感器、陀螺傳感器、CD-ROM驅(qū)動器、LCD顯示器組成。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)與GIS、無線電通信網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)車輛管理信息系統(tǒng)相結(jié)合，可以實現(xiàn)車輛跟蹤和交通管理等許多功能。圖7-5描述了GIS與GPS集成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，為了實現(xiàn)與GPS的集成，GIS系統(tǒng)必須能夠接收GPS接收機(jī)發(fā)送的GPS數(shù)據(jù)（一般是通過串口通信），然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如通過投影變換將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為GIS數(shù)據(jù)所采用的參照系中的坐標(biāo)，最后進(jìn)行各種分析運算，其中坐標(biāo)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示以及數(shù)據(jù)存儲是其基本功能。圖7-5GIS與GPS集成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)航系統(tǒng)對于交通管理有以下功能：

·車輛跟蹤

利用GPS和電子地圖可以實時顯示出車輛的實際位置，并可任意放大、縮小、還原、換圖；可以隨目標(biāo)移動，使目標(biāo)始終保持在屏幕上；還可實現(xiàn)多窗口、多車輛、多屏幕同時跟蹤。利用該功能可對重要車輛和貨物進(jìn)行跟蹤運輸。

·提供出行路線規(guī)劃和導(dǎo)航

提供出行路線規(guī)劃是汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的一項重要的輔助功能，它包括自動線路規(guī)劃和人工線路設(shè)計。自動線路規(guī)劃是由駕駛者確定起點和目的地，由計算機(jī)軟件按要求自動設(shè)計最佳行駛路線，包括最快的路線、最簡單的路線、通過高速公路路段次數(shù)最少的路線的計算。人工線路設(shè)計是由駕駛員根據(jù)自己的目的地設(shè)計起點、終點和途經(jīng)點等，自動建立路線庫。線路規(guī)劃完畢后，顯示器能夠在電子地圖上顯示設(shè)計路線，并同時顯示汽車運行路徑和運行方法。

·信息查詢

為用戶提供主要物標(biāo)(如旅游景點、賓館、醫(yī)院等)數(shù)據(jù)庫，能夠在電子地圖上顯示用戶的位置。同時，監(jiān)測中心可以利用監(jiān)測控制臺對區(qū)域內(nèi)的任意目標(biāo)所在位置進(jìn)行查詢，車輛信息將以數(shù)字形式在控制中心的電子地圖上顯示出來。

·話務(wù)指揮

指揮中心可以監(jiān)測區(qū)域內(nèi)車輛運行狀況，對被監(jiān)控車輛進(jìn)行合理調(diào)度。指揮中心也可隨時與被跟蹤目標(biāo)通話，實行管理。

·緊急援助

通過GPS定位和監(jiān)控管理系統(tǒng)可以對遇有險情或發(fā)生事故的車輛進(jìn)行緊急援助。監(jiān)控臺的電子地圖顯示求助信息和報警目標(biāo)，規(guī)劃最優(yōu)援助方案，并以報警聲光提醒值班人員進(jìn)行應(yīng)急處理。7.1.43S集成

3S技術(shù)為科學(xué)研究、政府管理、社會生產(chǎn)提供了新一代的觀測手段、描述語言和思維工具。3S的結(jié)合應(yīng)用，取長補短，是一個自然的發(fā)展趨勢，三者之間的相互作用形成了“一個大腦、兩只眼睛”的框架，即RS和GPS向GIS提供或更新區(qū)域信息及空間定位，GIS進(jìn)行相應(yīng)的空間分析，如圖7-6所示，以從RS和GPS提供的浩如煙海的數(shù)據(jù)中提取有用信息，并進(jìn)行綜合集成，使之成為決策的科學(xué)依據(jù)。圖7-63S的相互作用與集成

GIS、RS和GPS三者集成利用，構(gòu)成一個整體的、實時的、動態(tài)的對地觀測、分析和應(yīng)用的運行系統(tǒng)，提高了GIS的應(yīng)用效率。在實際的應(yīng)用中，較為常見的是3S兩兩之間的集成，如GIS/RS集成，GIS/GPS集成或者RS/GPS集成等，同時集成并使用3S技術(shù)的應(yīng)用實例則較少。美國Ohio大學(xué)與公路管理部門合作研制的測繪車是一個典型的3S集成應(yīng)用，它將GPS接收機(jī)結(jié)合一臺立體視覺系統(tǒng)載于車上，在公路上行駛以取得公路及兩旁的環(huán)境數(shù)據(jù)，并立即自動整理存儲于GIS數(shù)據(jù)庫中。測繪車上安裝的立體視覺系統(tǒng)包括有兩個CCD攝像機(jī)，在行進(jìn)時，每秒曝光一次，獲取并存儲一對影像，并作實時自動處理。

RS、GIS、GPS集成的方式可以在不同的技術(shù)水平上實現(xiàn)，最簡單的辦法是三種系統(tǒng)分開而由用戶綜合使用，進(jìn)一步是三者有共同的界面，做到表面上無縫的集成，數(shù)據(jù)傳輸則在內(nèi)部通過特征碼相結(jié)合，最好的辦法是整體的集成，成為統(tǒng)一的系統(tǒng)。單純從軟件實現(xiàn)的角度來看，開發(fā)3S集成的系統(tǒng)在技術(shù)上并沒有多大的障礙。目前一般工具軟件的實現(xiàn)技術(shù)方案是：通過支持柵格數(shù)據(jù)類型及相關(guān)的處理分析操作以實現(xiàn)與遙感的集成，而通過增加一個動態(tài)矢量圖層以與GPS集成。對于3S集成技術(shù)而言，最重要的是在應(yīng)用中綜合使用遙感以及全球定位系統(tǒng)，利用其實時、準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)的能力，降低應(yīng)用成本或者實現(xiàn)一些新的應(yīng)用。

3S集成技術(shù)的發(fā)展形成了綜合的、完整的對地觀測系統(tǒng)，提高了人類認(rèn)識地球的能力，拓展了傳統(tǒng)測繪科學(xué)的研究領(lǐng)域。作為地理學(xué)的一個分支學(xué)科，Geomatics（地理信息學(xué)）主要針對包括遙感、全球定位系統(tǒng)在內(nèi)的現(xiàn)代測繪技術(shù)的綜合應(yīng)用進(jìn)行探討和研究。同時，它也推動了其他一些相聯(lián)系的學(xué)科的發(fā)展，如地球信息科學(xué)、地理信息科學(xué)等，并成為“數(shù)字地球”這一概念提出的理論基礎(chǔ)。

7.2數(shù)字地球簡介

7.2.1數(shù)字地球的基本概念

“數(shù)字地球”（TheDigitalEarth）最早提出于1997年下半年。1998年1月31日，美國副總統(tǒng)戈爾在美國加利福尼亞科學(xué)中心發(fā)表了題為“數(shù)字地球：21世紀(jì)認(rèn)識地球的方式（TheDigitalEarth:Understandingourplanetinthe21stCentury）”的講演。正式提出數(shù)字地球的概念。數(shù)字地球的概念目前尚未有一致的定義。在戈爾的演講中，將數(shù)字地球描述為一個可以嵌入海量地理數(shù)據(jù)的、多分辨率的、真實地球的三維表示，可以在其上添加許多與我們所處的星球有關(guān)的數(shù)據(jù)；數(shù)字地球為科學(xué)家研究和理解人與環(huán)境復(fù)雜的相互作用關(guān)系提供了一個沒有圍墻的聯(lián)合實驗室，也是一個快速增長的網(wǎng)絡(luò)地球空間信息體，并具備集成和顯示多源信息的機(jī)制，使人們可以根據(jù)自己的需要從遙感、制圖、地理模型和其他資源中獲取和使用地理參考數(shù)據(jù)。美國宇航局（NASA）認(rèn)為：數(shù)字地球是關(guān)于地球的數(shù)字化表達(dá)，它使得人們能夠體驗和利用大量的、集中的、有關(guān)地球的自然、文化、歷史等數(shù)據(jù)；數(shù)字地球是組織信息的一個比喻，是關(guān)于所有地球數(shù)據(jù)的分布式收集，是所有數(shù)據(jù)庫之母；由于大多數(shù)GIS數(shù)據(jù)只是有代表性的時間碎片，用于提供事實，而理解地球則必須集中考慮過程；因此，數(shù)字地球必須是動態(tài)的，是關(guān)于地球動力學(xué)知識的集成，它應(yīng)包括模型仿真庫，具有對地球過去與未來的模擬能力，從而具有巨大的教育價值。美國“數(shù)字地球跨部門協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)”對數(shù)字地球的解釋是：數(shù)字地球是對于地球的虛擬表達(dá)，它使人們可以發(fā)掘和交互使用有關(guān)地球的自然和人文信息；數(shù)字地球是為全人類服務(wù)的，是現(xiàn)在和將來的全球化商業(yè)和政府活動自然演變的結(jié)果，需要通過政府和商業(yè)組織進(jìn)行有選擇性的培植，以賦予其滿足整個人類需要的屬性。美國國家科學(xué)基金會（NSF）認(rèn)為：數(shù)字地球是我們這個星球的虛擬展示，它能夠使我們對所采集的關(guān)于地球的自然與文化信息進(jìn)行探索和互操作；它包括觀測（衛(wèi)星、GPS、天文臺）、通訊（因特網(wǎng)、萬維網(wǎng)）、計算（硬件、軟件、建模）、科學(xué)（地球系統(tǒng)科學(xué)等多學(xué)科），是技術(shù)與科學(xué)的聚合點；它有益于人類更好地理解環(huán)境和環(huán)境進(jìn)程，改善對自然資源的管理。在數(shù)字地球概念問題上，熱心參與者基本是從各自的業(yè)務(wù)、技術(shù)、數(shù)據(jù)、權(quán)力角度詮釋戈爾的原始概念，或者立足已有規(guī)劃項目，針對數(shù)字地球概念做出調(diào)整。例如，1998年10月，世界電信聯(lián)盟在經(jīng)合組織加拿大會議上發(fā)表了《數(shù)字地球報告》，從網(wǎng)絡(luò)與通信角度提出見解。美國的網(wǎng)絡(luò)制圖實驗（WMT）、數(shù)字圖書館（DL）、國家大地圖集（NationalAtlas）、數(shù)字政府倡議（DigitalGovernmentInitiative）、EPA環(huán)境制圖等項目的情況，都可能成為數(shù)字地球框架中的原材料。我國多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，數(shù)字地球不是一個孤立的科技項目或技術(shù)目標(biāo)，而是一個具有整體性、導(dǎo)向性和挑戰(zhàn)性的戰(zhàn)略目標(biāo)，要以其來引導(dǎo)地球科學(xué)、信息科學(xué)技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。數(shù)字地球也不是某個部門、某個領(lǐng)域局部發(fā)展的思想和目標(biāo)，是帶有全局性的國家發(fā)展戰(zhàn)略，在中國提出數(shù)字地球概念要符合我國國情。數(shù)字地球?qū)?shù)據(jù)的采集、存儲、處理、傳輸、通信等一體化，通過一個系統(tǒng)平臺，可最大限度地利用地球信息，分析和處理地球科學(xué)問題。數(shù)字地球是新技術(shù)革命的一個自然發(fā)展，是地球科學(xué)和信息技術(shù)發(fā)展的一個重要趨勢，也是21世紀(jì)知識經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略制高點，應(yīng)作為國家發(fā)展戰(zhàn)略予以重視。數(shù)字地球的實現(xiàn)將極大地影響人們的生存和生活方式。中國對數(shù)字地球的響應(yīng)是比較積極的，從1998年開始，陸續(xù)有科技部、北京大學(xué)、中國科學(xué)院、高技術(shù)計劃308主題等機(jī)構(gòu)牽頭組織研討會、部門交流會及報告會等。1998年北京大學(xué)成立“數(shù)字地球工作室”，1999年2月中國科學(xué)院地學(xué)部成立“數(shù)字地球軟課題組”，1999年4月由科技部和科學(xué)院組織“數(shù)字地球戰(zhàn)略軟課題組”，階段性成果尚未公開。

1999年11月，首屆數(shù)字地球國際會議在北京召開，發(fā)表了“數(shù)字地球北京宣言”，將數(shù)字地球推上一個高潮。國家計委主持的地理空間信息協(xié)調(diào)委員會自2000年進(jìn)入實際運行階段，但專職于數(shù)字地球的組織尚未見報道。在媒體宣傳方面，人民日報、科技日報、中國科學(xué)報、科學(xué)新聞、中國計算機(jī)報、互聯(lián)網(wǎng)周刊、網(wǎng)絡(luò)世界、文匯報等均對數(shù)字地球進(jìn)行了大量報道。中央電視臺錄制了“數(shù)字地球”專題節(jié)目共5集。此外，1998年10月，第一個數(shù)字地球中文網(wǎng)站（）開通，同時，電子版“數(shù)字地球論壇”開通。從媒體報道來看，數(shù)字地球已引起全社會的關(guān)注。形象地說，數(shù)字地球是指整個地球經(jīng)數(shù)字化之后由計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來管理的技術(shù)系統(tǒng)?！皵?shù)字地球”的核心思想有兩點：一是用數(shù)字化手段統(tǒng)一性地處理地球問題，另一點是最大限度地利用信息資源。

“數(shù)字地球”主要是由空間數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)、操作平臺、應(yīng)用模型組成的。這些數(shù)據(jù)不僅包括全球性的中、小比例尺的空間數(shù)據(jù)，還包括大比例尺的空間數(shù)據(jù)（比如大比例尺的城市空間數(shù)據(jù)）；不僅包括地球的各類多光譜、多時相、高分辨率的遙感衛(wèi)星影像、航空影像、不同比例尺的各類數(shù)字專題圖，還包括相應(yīng)的以文本形式表現(xiàn)的有關(guān)可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)業(yè)、資源、環(huán)境、災(zāi)害、人口、全球變化、氣候、生物、地理、生態(tài)系統(tǒng)、水文循環(huán)系統(tǒng)、教育、軍事等不同類別的數(shù)據(jù)。操作平臺是一種開放、分布式的基于Internet這樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的各類數(shù)據(jù)更新、查詢、處理、分析的軟件系統(tǒng)。應(yīng)用模型包括在可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)業(yè)、資源、環(huán)境、災(zāi)害（水災(zāi)、旱災(zāi)、火災(zāi)）、人口、氣候、生物、地理、全球變化、生態(tài)系統(tǒng)、水文循環(huán)系統(tǒng)等方面的應(yīng)用模型。數(shù)字地球計劃是繼信息高速公路之后又一全球性的科技發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，是國家主要的信息基礎(chǔ)設(shè)施，是信息社會的主要組成部分，是遙感、遙測、全球定位系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(Internet)—萬維網(wǎng)(Web)、仿真與虛擬技術(shù)等現(xiàn)代科技的高度綜合和升華，是當(dāng)今科技發(fā)展的制高點。數(shù)字地球是地球科學(xué)與信息科學(xué)的高度綜合。它為地球科學(xué)的知識創(chuàng)新與理論深化研究創(chuàng)造了實驗條件，為信息科學(xué)技術(shù)的研究和開發(fā)提供了試驗基地(TestBed)或沒有“圍墻”的開放實驗室。數(shù)字地球?qū)⒊蔀闆]有校園的、最開放的、面向社會的、最大的學(xué)校，也是沒有圍墻的開放

的實驗室。數(shù)字地球建設(shè)將是一場具有更深遠(yuǎn)意義的技術(shù)革命。“數(shù)字地球”的特點具體表現(xiàn)在以下方面：

(1）“數(shù)字地球”的數(shù)據(jù)具有無邊無縫的分布式數(shù)據(jù)層結(jié)構(gòu)，包括多源、多比例尺、多分辨率的、歷史和現(xiàn)時的、矢量和柵格格式的數(shù)據(jù)。

(2）“數(shù)字地球”具有一種可以迅速充實的、聯(lián)網(wǎng)的地理數(shù)據(jù)庫，以及多種可以融合并顯示多源數(shù)據(jù)的機(jī)制。

(3）“數(shù)字地球”以圖像、圖形、圖表、文本報告這幾種形式分別提供免費或收費的全球范圍的數(shù)據(jù)、信息、知識方面的服務(wù)。

(4）“數(shù)字地球”中的數(shù)據(jù)和信息同時也按普通、限制、保密等不同保密等級組織起來。不同的用戶對不同的數(shù)據(jù)和信息具有不同的使用權(quán)限。

(5）用戶可以以多種方式從“數(shù)字地球”中獲取信息。任何一個用戶都可以實時調(diào)用，無論生產(chǎn)者是誰，也無論數(shù)據(jù)在什么地方。國際互聯(lián)網(wǎng)上的用戶可以根據(jù)自己的權(quán)限查詢“數(shù)字地球”中的信息，運用具有傳感器功能的特制數(shù)據(jù)手套，還可以對“數(shù)字地球”進(jìn)行各類可視化操作。7.2.2數(shù)字地球的基本框架

1.數(shù)字地球的特征和性質(zhì)

數(shù)字地球不僅是科技發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，而且還是全新的學(xué)科領(lǐng)域。

數(shù)字地球的學(xué)科性質(zhì)：是由地球系統(tǒng)科學(xué)與信息科學(xué)技術(shù)高度綜合的學(xué)科，是位于兩者之間的邊緣學(xué)科。

數(shù)字地球的研究對象：與地球有關(guān)的信息理論、信息技術(shù)及信息應(yīng)用模型。數(shù)字地球的研究方法：側(cè)重運用現(xiàn)代信息技術(shù)，包括遙感、遙測、數(shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)、寬帶網(wǎng)及仿真與虛擬技術(shù)的綜合，包括信息化的全部過程。

數(shù)字地球的特色：為地球科學(xué)的知識創(chuàng)新與理論深化研究開創(chuàng)了實踐條件，為信息技術(shù)的研究和開發(fā)提供了科學(xué)試驗基地。

數(shù)字地球的服務(wù)對象：為全球、全國、城市、區(qū)域、資源、環(huán)境、社會、經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、科技與教育、行政及管理等開展全面性的服務(wù)。

2.數(shù)字地球的基本框架

數(shù)字地球作為一門新的學(xué)科分支，它由三部分組成：基礎(chǔ)理論、技術(shù)體系和應(yīng)用領(lǐng)域。前面所提到的數(shù)字地球基礎(chǔ)設(shè)施，屬于技術(shù)體系(或技術(shù)系統(tǒng))，它們?nèi)咧g的關(guān)系可以用圖7-7表示。圖7-7數(shù)字地球的框架結(jié)構(gòu)(據(jù)承繼成等)7.2.3數(shù)字地球的技術(shù)基礎(chǔ)

1.數(shù)字地球的主要技術(shù)

要在電子計算機(jī)上實現(xiàn)數(shù)字地球不是一件簡單的事，它需要諸多學(xué)科，特別是信息科學(xué)技術(shù)的支撐。這其中主要包括：信息高速公路和計算機(jī)寬帶高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、高分辨率衛(wèi)星影像、空間信息技術(shù)、大容量數(shù)據(jù)處理與存儲技術(shù)、科學(xué)計算以及可視化和虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

1)信息高速公路和計算機(jī)寬帶高速網(wǎng)

一個數(shù)字地球所需要的數(shù)據(jù)已不能通過單一的數(shù)據(jù)庫來存儲，而需要由成千上萬的不同組織來維護(hù)。這意味著參與數(shù)字地球的服務(wù)器將需要由高速網(wǎng)絡(luò)來連接。

在Internet流量爆發(fā)性增長的驅(qū)動下，遠(yuǎn)程通信載體已經(jīng)嘗試使用10G／s的網(wǎng)絡(luò)，而每秒1015byte的因特網(wǎng)正在研究中。

2)高分辨率衛(wèi)星影像

遙感衛(wèi)星影像在衛(wèi)星遙感問世的30多年分辨率已經(jīng)有了飛快的提高，這里所說的分辨率是指空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率?？臻g分辨率是指影像上所能看到的地面最小目標(biāo)尺寸，用像元在地面的大小來表示。從遙感形成之初的80m，已提高到30m、10m、5.8m，乃至2m，軍用甚至可達(dá)到10cm。將來獲取1m或優(yōu)于1m的空間分辨率影像將會十分方便。光譜分辨率是指成像的波段范圍，分得愈細(xì)，波段愈多，光譜分辨率就愈高，現(xiàn)在的技術(shù)可以達(dá)到5~6nm(納米)量級，400多個波段。細(xì)分光譜可以提高自動區(qū)分和識別目標(biāo)性質(zhì)及組成成分的能力。時間分辨率是指重訪周期的長短。目前，一般對地觀測衛(wèi)星為15~25天的重訪周期。通過發(fā)射合理分布的衛(wèi)星星座可以實現(xiàn)3~5天觀測地球一次。

3)空間信息技術(shù)與空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施

空間信息是指與空間和地理分布有關(guān)的信息。經(jīng)統(tǒng)計，世界上的事情有80％與空間分布有關(guān)，空間信息用于地球研究即為地理信息系統(tǒng)。為了滿足數(shù)字地球的要求，將影像數(shù)據(jù)庫、矢量圖形庫和數(shù)字高程模型(DEM)三庫一體化管理的GIS軟件和網(wǎng)絡(luò)GPS將會十分成熟和普及，從而可實現(xiàn)不同層次的互操作，一個GIS應(yīng)用軟件產(chǎn)生的地理信息將被另一個軟件讀取。當(dāng)人們在數(shù)字地球上進(jìn)行處理、發(fā)布和查詢信息時，將會發(fā)現(xiàn)大量的信息都與地理空間位置有關(guān)。例如，查詢兩城市之間的交通連接，查詢旅游景點和路線，購房時選擇價廉而又環(huán)境適宜的住宅等都需要有地理空間參考。由于尚未建立空間數(shù)據(jù)參考框架，致使目前在萬維網(wǎng)上制作主頁時還不能輕易將有關(guān)的信息連接到地理空間參考上。因此，國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施是數(shù)字地球的基礎(chǔ)。國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施主要包括空間數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)、管理與分發(fā)體系和機(jī)構(gòu)，空間數(shù)據(jù)交換網(wǎng)站、空間數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)字地球空間數(shù)據(jù)框架。這是美國克林頓總統(tǒng)在1994年4月以行政令下發(fā)的任務(wù)，美國于2000年元月初步建成，我國也將在本世紀(jì)初期抓緊建立我國基于1∶50000和1∶10000比例尺的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。歐洲、俄羅斯和亞太地區(qū)也都紛紛進(jìn)行空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)?？臻g數(shù)據(jù)共享機(jī)制是使數(shù)字地球能夠運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵之一。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO／TC211工作組正為此而努力工作。只有共享才能發(fā)展，共享推動信息化，信息化又進(jìn)一步推動共享。政府與民間的聯(lián)合共建是實現(xiàn)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(shè)。在我國，要遵循這一規(guī)律就必然要求打破部門之間和地區(qū)之間的界限，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)合行動，相互協(xié)調(diào)，互諒互讓，分工合作，發(fā)揮整體優(yōu)勢。

4)大容量數(shù)據(jù)存儲及元數(shù)據(jù)

數(shù)字地球?qū)⑿枰鎯?015字節(jié)的(Quadrillions)信息。美國NASA(NationalAeronauticsandSpaceAdministration)的行星地球計劃EOS-AM11999年上天，每天將產(chǎn)生1000GB(即1TB)的數(shù)據(jù)和信息，1米分辨率影像覆蓋廣東省大約有1TB的數(shù)據(jù)，而廣東只是中國的l／53，所以要建立起中國的數(shù)字地球，僅僅影像數(shù)據(jù)就有53TB。這僅僅是一個時刻的，若是多時相的動態(tài)數(shù)據(jù)，其容量就更大了。目前美國的NASA和NOAA（NationalOceanicandAtmosphericAdministration）已著手建立用原型并行機(jī)管理的可存儲1800TB的數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)盤帶的查找由機(jī)器手自動而快速地完成。相信隨著科技的發(fā)展，還會有新的技術(shù)發(fā)展。另一方面，為了在海量數(shù)據(jù)中迅速找到需要的數(shù)據(jù)，元數(shù)據(jù)(metadata)庫的建設(shè)是非常必要的，它是關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，通過它可以了解有關(guān)數(shù)據(jù)的名稱、位置、屬性等信息，從而大大減少用戶尋找所需數(shù)據(jù)的時間。

5)科學(xué)計算

地球是一個復(fù)雜的巨系統(tǒng)，地球上發(fā)生的許多事件，變化和過程十分復(fù)雜且呈非線性特征，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(jī)，我們今日和跨世紀(jì)的未來才有能力來模擬一些不能觀測到的現(xiàn)象。利用數(shù)據(jù)挖掘(DataMining)技術(shù)，我們將能夠更好地認(rèn)識和分析所觀測到的海量數(shù)據(jù)，從中找出規(guī)律和知識。科學(xué)計算將使我們突破實驗和理論科學(xué)的限制，建模和模擬可以使我們更加深入地探索所搜集到的有關(guān)我們星球的數(shù)據(jù)。

6)可視化和虛擬現(xiàn)實技術(shù)

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

數(shù)字地球的一個顯著的技術(shù)特點是虛擬現(xiàn)實技術(shù)。建立了數(shù)字地球以后，用戶戴上顯示頭盔，就可以看見地球從太空中出現(xiàn)，使用“用戶界面”的開窗放大數(shù)字圖像；隨著分辨率的不斷提高，用戶看見了大陸，然后是鄉(xiāng)村、城市，最后是私人住房、商店、樹木和其他天然景觀和人造景觀；當(dāng)用戶對商品感興趣時，可以進(jìn)入商店內(nèi)，欣賞商場內(nèi)的衣服，并可根據(jù)自己的體型，構(gòu)造虛擬自己試穿衣服。虛擬現(xiàn)實技術(shù)為人類觀察自然、欣賞景觀、了解實體提供了身臨其境的感覺。最近幾年，虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展很快。虛擬現(xiàn)實造型語言(VRML)是一種面向Web、面向?qū)ο蟮娜S造型語言，而且它是一種解釋性語言。它不僅支持?jǐn)?shù)據(jù)和過程的三維表示，而且能使用戶走進(jìn)視聽效果逼真的虛擬世界，從而實現(xiàn)數(shù)字地球的表示以及通過數(shù)字地球?qū)崿F(xiàn)對各種地球現(xiàn)象的研究和人們的日常應(yīng)用。

2.數(shù)字地球中的“3S”技術(shù)

數(shù)字地球的核心是地球空間信息科學(xué)，地球空間信息科學(xué)的技術(shù)體系中最基礎(chǔ)和最基本的技術(shù)核心是“3S”技術(shù)及其集成。沒有“3S”技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)實變化中的地球是不可能以數(shù)字的方式進(jìn)入計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的。

“3S”集成包括空基3S集成與地基3S集成。

(1)空基“3S”集成：發(fā)展多種衛(wèi)星定位系統(tǒng)及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)綜合定位技術(shù)實現(xiàn)高精度、高動態(tài)（實時、準(zhǔn)實時）空間定位；發(fā)展多分辨率、多（超）光譜及智能傳感器系統(tǒng)，實現(xiàn)遙感圖像信息快速獲?。话l(fā)展模式識別和人工智能方法進(jìn)行空間信息自動提取，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)處理的智能化；利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行動態(tài)三維景觀的虛擬再現(xiàn)，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的可視化。

GPS、RS、GIS、INS、INSAR、激光成像雷達(dá)、攝影測量以及計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的集成化，從而實現(xiàn)全天候、一體化的空間數(shù)據(jù)快速或?qū)崟r采集、處理；研制網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)字化測繪生產(chǎn)與管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對海量空間數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化處理、管理和生產(chǎn)指揮調(diào)度，大大提高測繪生產(chǎn)的數(shù)字化、自動化和網(wǎng)絡(luò)化水平，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)動態(tài)更新和建庫。

(2)地基“3S”集成：車載、艦載定位導(dǎo)航和對地面目標(biāo)的定位、跟蹤、測量等實時作業(yè)。7.2.4數(shù)字地球的應(yīng)用

“數(shù)字地球”對社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的意義主要體現(xiàn)在兩大方面：

第一，“數(shù)字地球”是國家可持續(xù)發(fā)展和自主創(chuàng)新的必然依托，國家和民族安全的保障，國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的新的增長點。第二，在未來以知識經(jīng)濟(jì)為主體的經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有重大的作用。地球是一個有限體，地球上人類賴以生存的、可利用的自然資源無疑也是有限的。由于自然資源的有限，而以計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為特征的信息革命的深入，世界經(jīng)濟(jì)模式必然會從現(xiàn)行的以自然資源為主的工業(yè)經(jīng)濟(jì)模式逐步轉(zhuǎn)換為以信息資源為主的知識經(jīng)濟(jì)模式。在以知識經(jīng)濟(jì)為特征的信息社會中，信息是知識經(jīng)濟(jì)社會的主要經(jīng)濟(jì)資源，數(shù)字化信息是知識經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)形式?！皵?shù)字地球”可以包容80%以上的人類信息資源，因此，以數(shù)字形式處理一切與空間位置相關(guān)的空間數(shù)據(jù)和與此相關(guān)的所有文本數(shù)據(jù)的“數(shù)字地球”則是信息資源的主體核心，知識經(jīng)濟(jì)社會的基礎(chǔ)建設(shè)之一就是信息高速公路。

1.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)字化表示的地球為我們研究這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)對全球變化的能力。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。我國是一個人口多、土地資源有限、自然災(zāi)害頻繁的發(fā)展中國家，十幾億人口的吃飯問題一直是至關(guān)重要的，資源與環(huán)境的矛盾越來越突出。1998年的洪災(zāi)以及黃河斷流、耕地減少、荒漠化加劇，已經(jīng)引起了社會各界的廣泛關(guān)注。必須采取有效措施，從宏觀的角度加強(qiáng)土地資源和水資源的監(jiān)測和保護(hù)，加強(qiáng)自然災(zāi)害特別是洪澇災(zāi)害的預(yù)測、監(jiān)測和防御，避免第三世界國家和一些發(fā)達(dá)國家發(fā)展過程中走過的彎路。

2.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，包括它們的風(fēng)景照片和錄像放入這個公用的數(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品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)施方面也將會起到推動作用。

3.數(shù)字地球與精細(xì)農(nóng)業(yè)

農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢是要走節(jié)約化的道路，實現(xiàn)節(jié)水農(nóng)業(yè)、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)無污染農(nóng)業(yè)。這就要依托數(shù)字地球，每隔3~5天給農(nóng)民送去他們的莊稼地的高分辨率衛(wèi)星影像，農(nóng)民在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端上可以從影像圖中獲得他的農(nóng)田的長勢征兆，用GIS作分析，制定出行動計劃，然后在車載GPS和電子地圖指引下，實施農(nóng)田作業(yè)，及時地預(yù)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(xué)殘留物污染土地、糧食和種子，實現(xiàn)真正的綠色農(nóng)業(yè)。

4.數(shù)字地球與智能化交通

智能運輸系統(tǒng)（ITS）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)通信傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)、電子控制技術(shù)以及計算機(jī)處理技術(shù)等有效地集成運用于整個地面運輸管理體系，而建立起的一種在大范圍內(nèi)全方位發(fā)揮作用的、實時、準(zhǔn)確、高效的綜合運輸和管理系統(tǒng)，實現(xiàn)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(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\輸系統(tǒng)的各個用戶(駕駛員、居民、警察局、停車場、運輸公司、醫(yī)院、救護(hù)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(jìn)行合理的交通疏導(dǎo)、控制和事故處理；運輸部門可隨時掌握車輛的運行情況，進(jìn)行合理調(diào)度。對于公路交通而言，ITS將產(chǎn)生的效果主要包括以下幾個方面：

(1)提高公路交通的安全性。

(2)降低能源消耗，減少汽車運輸對環(huán)境的影響。

(3)提高公路網(wǎng)絡(luò)的通行能力。

(4)提高汽車運輸生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益，并對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各方面都將產(chǎn)生積極的影響。

(5)通過系統(tǒng)的研究、開發(fā)和普及，創(chuàng)造出新的市場。

美國國會1991年頒布“冰茶法案”(IntermodelSurfaceTransportationEfficiencyAct,ISTEA)，1998年頒布“續(xù)茶法案”(NationalEconomicCrossroadTransportationEfficiencyAct,NECTEA)，目標(biāo)是實現(xiàn)高效、安全和利于環(huán)境的現(xiàn)代交通體系。

5.數(shù)字地球與Cybercity

基于高分辨率正射影像、城市地理信息系統(tǒng)、建筑CAD，建立虛擬城市和數(shù)字化城市，實現(xiàn)真三維和多時相的城市漫游、查詢分析和可視化。數(shù)字地球服務(wù)于城市規(guī)劃、市政管理、城市環(huán)境、城市通信與交通、公安消防、保險與銀行、旅游與娛樂等，為城市的可持續(xù)發(fā)展和提高市民的生活質(zhì)量提供依據(jù)和保證。

6.數(shù)字地球為專家服務(wù)

數(shù)字地球是用數(shù)字方式為研究地球及其環(huán)境的科學(xué)家尤其是地學(xué)家服務(wù)的重要手段。地殼運動、地質(zhì)現(xiàn)象、地震預(yù)報、氣象預(yù)報、土地動態(tài)監(jiān)測、資源調(diào)查、災(zāi)害預(yù)測和防治、環(huán)境保護(hù)等等無不需要利用數(shù)字地球。而且數(shù)據(jù)的不斷積累，最終將有可能使人類更好地認(rèn)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(jìn)行多分辨率、多時空和多種類的三維描述將不再是幻想。

7.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的意義。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)，并運用虛擬現(xiàn)實技術(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、戰(zhàn)場仿真、作戰(zhàn)指揮等方面，對空間信息的采集、處理、更新提出了極高的要求。在戰(zhàn)爭開始之前需要建立戰(zhàn)區(qū)及其周圍地區(qū)的軍事地理信息系統(tǒng)；戰(zhàn)時利用GPS、RS和GIS進(jìn)行戰(zhàn)場偵察，信息的更新，軍事指揮與調(diào)度，武器精確制導(dǎo)；戰(zhàn)時與戰(zhàn)后進(jìn)行軍事打擊效果評估等等。7.2.5國家信息基礎(chǔ)設(shè)施和國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施

1.國家信息基礎(chǔ)設(shè)施

國家信息基礎(chǔ)設(shè)施是一個能夠給用戶隨時提供大容量信息的由通信網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)、數(shù)據(jù)庫及日用電子產(chǎn)品組成的完備的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目前全球被廣泛采用的信息基礎(chǔ)設(shè)施就是因特網(wǎng)，而Web服務(wù)無疑是因特網(wǎng)上最重要的應(yīng)用。國家信息基礎(chǔ)設(shè)施將促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其預(yù)期效益如下：

(1）推動新技術(shù)發(fā)展，如半導(dǎo)體、高速網(wǎng)絡(luò)及其軟件；(2）形成大型產(chǎn)業(yè)，加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展；

(3）促進(jìn)電子商務(wù)的發(fā)展；

(4）協(xié)助解決醫(yī)療保健問題，降低醫(yī)療費用；

(5）促進(jìn)科技研究；

(6）促進(jìn)教育事業(yè)；

(7）為全國公民服務(wù)。

2.國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施

國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(NSDI)是國家信息基礎(chǔ)設(shè)施之后的又一個國家級信息基礎(chǔ)設(shè)施，其目的是為了協(xié)調(diào)基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)集的收集、管理、分發(fā)和共享?？臻g數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施主要由四個部分組成：數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡(luò)體系、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集、法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)構(gòu)體系。從技術(shù)的角度來看，其內(nèi)容主要有：空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)空間框架數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)及元數(shù)據(jù)等。根據(jù)計算，目前全世界的數(shù)據(jù)中有80%的數(shù)據(jù)包括空間參考數(shù)據(jù)內(nèi)容。也就是說，地理信息已經(jīng)滲透到各個部門和學(xué)科。許多組織和單位都需要利用空間數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)生產(chǎn)或科學(xué)研究。這樣，確立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)相應(yīng)的制度和法規(guī)，指導(dǎo)空間數(shù)據(jù)的錄入和管理，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，可以進(jìn)一步推動地理信息的使用，使地理信息應(yīng)用單位不需要重復(fù)錄入空間數(shù)據(jù)，減少其工作成本，能為建設(shè)國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施帶來最大的收益。另一方面，數(shù)字地球的建設(shè)屬于高新技術(shù)，難度大，需要大量資金投入，而國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施可以視為一個國家數(shù)字地球工程重要的第一步，因為它構(gòu)造了空間數(shù)據(jù)庫，確立了相應(yīng)的政策、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，這也是數(shù)字地球的實現(xiàn)框架中所必需的。

3.我國空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

全球空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施第三次大會于1998年11月在澳大利亞的堪培拉舉行。大會的主題是“全球空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的政策和組織框架”，大會的主要結(jié)論之一是：認(rèn)識到國家制圖機(jī)構(gòu)(組織)在保證國家準(zhǔn)確、實時地獲取和更新地理空間框架數(shù)據(jù)中扮演著重要的角色。這些數(shù)據(jù)對于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，改善環(huán)境質(zhì)量和資源管理，提高公眾健康和安全，提高政府、區(qū)域、民族和國家的現(xiàn)代化，加快對自然災(zāi)害和其他災(zāi)害的反應(yīng)等至關(guān)重要。因此，這樣的組織在發(fā)展全球空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施中有決定性的作用。目前，我國在空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施方面由多個部門建立了地理信息資源數(shù)據(jù)庫，如測繪部門的國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng),國土資源部門的國土資源、地質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫,國家環(huán)保部門的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫,中國科學(xué)院的國家1/250000、1/100000土地資源數(shù)據(jù)庫,國家信息中心的國家資源環(huán)境與區(qū)域經(jīng)濟(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫等，其中國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)1/1000000、1/250000、1/50000及1/10000基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫是國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，并在國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中起著基礎(chǔ)和重要的作用。加快國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)主要包括：

(1)加快建設(shè)地理空間數(shù)據(jù)框架。經(jīng)過多年的努力，測繪部門已經(jīng)自主建設(shè)了1／1000000、1／250000]基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫，組建了國家基礎(chǔ)地理信息中心，已在國家地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中占得先機(jī)，盡快建立1／50000、1／10000地理空間數(shù)據(jù)庫，并且在東部重點城市區(qū)域建設(shè)更大比例尺現(xiàn)勢數(shù)據(jù)庫，將使測繪業(yè)在市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境中掌握更為豐富的數(shù)據(jù)資源、技術(shù)優(yōu)勢和組織優(yōu)勢。

(2)加強(qiáng)地理空間數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、使用的協(xié)調(diào)和管理。例如，地理空間數(shù)據(jù)采集的分工、協(xié)調(diào)；國家對基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)采集的政策保障和投入機(jī)制；共享數(shù)據(jù)的分類、分級和共享的權(quán)利與義務(wù)等。要重點研究建立符合中國國情的地理空間數(shù)據(jù)社會化共享機(jī)制，制定一系列政策和法規(guī)。一方面確立國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)的權(quán)威地位，另一方面促進(jìn)地理空間數(shù)據(jù)的全社會共享。

(3)制定和完善空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。本世紀(jì)將是空間數(shù)據(jù)得到全社會廣泛應(yīng)用的時期，人們對空間數(shù)據(jù)的依賴將大大加強(qiáng)，但是這些共享的空間數(shù)據(jù)必然是符合一定標(biāo)準(zhǔn)的。而誰制定標(biāo)準(zhǔn)，誰將擁有空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)和管理的主動權(quán)。因此，測繪部門必須加快制定、發(fā)布和推廣空間數(shù)據(jù)的國家標(biāo)準(zhǔn)。

7.3GIS新技術(shù)

7.3.1WebGIS

1.因特網(wǎng)和GIS

(1)GIS研究者利用新聞組或者電子郵件進(jìn)行GIS技術(shù)問題的探討。

(2）網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教育，即教師將教案以HTML文檔形式放在網(wǎng)上，供學(xué)生下載使用，并且可以利用電子郵件進(jìn)行提問，這樣就形成了“虛擬大學(xué)（VirtualUniversity）”。

(3）GIS軟件的下載。GIS軟件公司可以定期將其開發(fā)軟件的最新版本放在其站點上，以供用戶下載試用。

(4）空間數(shù)據(jù)發(fā)布和下載。數(shù)據(jù)是GIS系統(tǒng)中最為重要的部分，數(shù)據(jù)的錄入和預(yù)處理也是GIS應(yīng)用開發(fā)過程中耗費時間、資金最多的一個環(huán)節(jié)，而通過因特網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，可以降低GIS工程的開發(fā)成本。由于因特網(wǎng)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了電子商務(wù)的興起，空間數(shù)據(jù)當(dāng)然也可以作為一種特殊的商品在因特網(wǎng)上發(fā)售。

(5）此外，由于因特網(wǎng)的發(fā)展，打破了傳統(tǒng)的時間—空間聯(lián)系方式，形成了空間事物的新的組織形式，稱為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息空間(CyberSpace)，是目前人文地理學(xué)研究中的熱點，也將是GIS探討的重要課題。

2.WebGIS簡介

Web技術(shù)和GIS技術(shù)相結(jié)合，最為激動人心的產(chǎn)物就是WebGIS(萬維網(wǎng)地理信息系統(tǒng))。WebGIS就是利用Web技術(shù)來擴(kuò)展和完善地理信息系統(tǒng)的一項新技術(shù)。由于HTTP協(xié)議采用基于C/S的請求/應(yīng)答機(jī)制，具有較強(qiáng)的用戶交互能力，可以傳輸并在瀏覽器上顯示多媒體數(shù)據(jù)，而GIS中的信息主要是需要以圖形、圖像方式表現(xiàn)的空間數(shù)據(jù)，用戶通過交互操作，對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢分析。

1）空間數(shù)據(jù)發(fā)布

由于能夠以圖形方式顯示空間數(shù)據(jù)，較之于單純的FTP方式，WebGIS使用戶更容易找到需要的數(shù)據(jù)。

2）空間查詢檢索

利用瀏覽器提供的交互能力，進(jìn)行圖形及屬性數(shù)據(jù)庫的查詢檢索。

3）空間模型服務(wù)

在服務(wù)器端提供各種空間模型的實現(xiàn)方法，接收用戶通過瀏覽器輸入的模型參數(shù)后，將計算結(jié)果返回。

4）Web資源的組織

在Web上，存在著大量的信息，這些信息多數(shù)具有空間分布特征，如分銷商數(shù)據(jù)往往有其所在位置屬性，利用地圖對這些信息進(jìn)行組織和管理，并為用戶提供基于空間的檢索服務(wù)，無疑也可以通過WebGIS實現(xiàn)。

與傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)相比，WebGIS有其特殊之處，主要表現(xiàn)在：

(1）它必須是基于網(wǎng)絡(luò)的客戶機(jī)/服務(wù)器系統(tǒng)，而傳統(tǒng)的GIS大多數(shù)為獨立的單機(jī)系統(tǒng)；

(2）它利用因特網(wǎng)來進(jìn)行客戶端和服務(wù)器之間的信息交換，這就意味著信息的傳遞是全球性的；

(3）它是一個分布式系統(tǒng)，用戶和服務(wù)器可以分布在不同地點和不同的計算機(jī)平臺上。

3.WebGIS的特點

1)傳統(tǒng)的GIS的特點及其存在的問題

傳統(tǒng)GIS上的數(shù)據(jù)共享都是基于文件共享的低級分布式結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)集中存放于服務(wù)器，由空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，在客戶端采用GIS桌面系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程文件調(diào)用。其存在的主要問題是：

（1)文件服務(wù)器結(jié)構(gòu)的處理能力完全依賴于客戶端，其效率低下。（2)客戶端的任何操作都要將服務(wù)器文件遠(yuǎn)程復(fù)制到本地進(jìn)行。當(dāng)多用戶并發(fā)操作時，網(wǎng)上存在多個備份，因此，數(shù)據(jù)的完整性難以控制；大量數(shù)據(jù)頻繁傳輸，易造成網(wǎng)絡(luò)瓶頸，降低系統(tǒng)性能。

（3)成本高。企業(yè)用戶使用GIS僅限于一般功能，而每個客戶端都要配備昂貴的專業(yè)GIS軟件，這無疑是巨大的浪費。

（4)GIS桌面系統(tǒng)操作復(fù)雜，操作人員需要有專業(yè)基礎(chǔ)和經(jīng)過專門培訓(xùn)，不適合企業(yè)級以及大眾化應(yīng)用。

2)WebGIS的特點

同傳統(tǒng)的GIS相比較，WebGIS具有以下特點：

（1)更廣泛的訪問范圍?？蛻艨梢酝瑫r訪問多個位于不同地方的服務(wù)器上的最新數(shù)據(jù)，而這一Internet／Intranet所特有的優(yōu)勢大大方便了GIS的數(shù)據(jù)管理，使分布式的多數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)管理與合成更易于實現(xiàn)。

(2)平臺獨立性。無論服務(wù)器／客戶機(jī)是何種機(jī)型，無論WebGIS服務(wù)器端使用何種GIS軟件，由于使用了通用的Web瀏覽器，用戶就可以透明地訪問WebGIS數(shù)據(jù)，在本機(jī)或某個服務(wù)器上進(jìn)行分布式部件的動態(tài)組合和空間數(shù)據(jù)的協(xié)同處理與分析，實現(xiàn)遠(yuǎn)程異構(gòu)數(shù)據(jù)的共享。

(3)可以大規(guī)模降低系統(tǒng)成本和減少重復(fù)勞動。普通GIS在每個客戶端都要配備昂貴的專業(yè)GIS軟件，而用戶使用的經(jīng)常只是一些最基本的功能，這實際上造成了極大的浪費。WebGIS在客戶端通常只需使用Web瀏覽器(有時還要加一些插件)，其軟件成本與全套專業(yè)GIS相比明顯要節(jié)省得多，同時也可減少不同部門因數(shù)據(jù)的重復(fù)采集而帶來的重復(fù)勞動。

4.WebGIS的實現(xiàn)技術(shù)

WebGIS是網(wǎng)絡(luò)GIS的一個重要組成部分，網(wǎng)絡(luò)GIS的一些概念，如客戶機(jī)/服務(wù)器模式、分布式數(shù)據(jù)管理等，也可以應(yīng)用于WebGIS，但是在WebGIS實現(xiàn)時，還要著重考慮兩個問題，即控制網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量以及必須通過瀏覽器與用戶進(jìn)行交互。

1)CGI方法

CGI是一個用于Web服務(wù)器和客戶端瀏覽器之間的特定標(biāo)準(zhǔn)，它允許網(wǎng)頁用戶通過網(wǎng)頁的命令來啟動一個存在于網(wǎng)頁服務(wù)器主機(jī)的程序（稱為CGI程序），并且接收到這個程序的輸出結(jié)果。CGI是最早實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁的技術(shù)，它使用戶可以通過瀏覽器進(jìn)行交互操作，并得到相應(yīng)的操作

結(jié)果。利用CGI可以生成圖像，然后傳遞到客戶端瀏覽器（目前大多數(shù)主頁的訪問者計數(shù)器就是采用CGI程序?qū)崿F(xiàn)的）。這樣從理論上講，任何一個GIS軟件都可以通過CGI連接到Web上去，遠(yuǎn)程用戶通過瀏覽器發(fā)出請求，服務(wù)器將請求傳遞給后端的GIS軟件，GIS軟件按照要求產(chǎn)生一幅數(shù)字圖像，傳回遠(yuǎn)程用戶。

實際上，由于設(shè)計的原因，大多數(shù)GIS軟件不能直接作為CGI程序連接到Web上，但是有兩種技術(shù)比較成功。

(1）用CGI啟動后端的批處理制圖軟件，這種軟件的特點是用戶可以直接在計算機(jī)終端逐行地輸入指令來制圖。其特點是用戶的每一個要求都要啟動相應(yīng)的GIS軟件，如果軟件較大，啟動時間就會很長。

(2）CGI啟動后端視窗(Windows)GIS軟件，CGI和后端GIS軟件的信息交換是通過“進(jìn)程間通信協(xié)議（InterProcessCommunication,IPC）”來完成，常用的IPC有RPC(RemoteProcedureCall)和DDE(DynamicDataExchange)。由于GIS軟件是消息驅(qū)動的，其優(yōu)點在于CGI只要通過發(fā)送消息，驅(qū)動GIS軟件執(zhí)行特定操作即可，不需要每次重新啟動。

2)ServerAPI方法

ServerAPI類似于CGI，兩者的不同之處在于CGI程序是單獨可以運行的程序，而ServerAPI往往依附于特定的Web服務(wù)器，如MicrosoftISAPI依附于IIS(InternetInformationServer)，只能在Windows平臺上運行，其可移植性較差。但是ServerAPI啟動后會一直處于運行狀態(tài)，其速度較CGI快。

3)插件方法

利用CGI或者ServerAPI，雖然增強(qiáng)了客戶端的交互性，但是用戶得到的信息依然是靜態(tài)的。用戶不能操作單個地理實體以及快速縮放地圖，因為在客戶端，整個地圖是一個實體，任何GIS操作(如放大、縮小、漫游等)都需要服務(wù)器完成并將結(jié)果返回。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量較高時，系統(tǒng)反應(yīng)變慢。解決該問題的一個辦法是利用插件技術(shù)，瀏覽器插件是指能夠同瀏覽器交換信息的軟件，第三方軟件開發(fā)商可以開發(fā)插件以使瀏覽器支持其特定格式的數(shù)據(jù)文件。利用瀏覽器插件，可以將一部分服務(wù)器的功能轉(zhuǎn)移到客戶端。此外對于WebGIS而言，插件處理和傳輸?shù)氖鞘噶扛袷娇臻g數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量較小，這樣就加快了用戶操作的反應(yīng)速度，減少了網(wǎng)絡(luò)流量和服務(wù)器負(fù)載。插件的不足之處在于，像傳統(tǒng)應(yīng)用軟件一樣，它需要先安裝，然后才能使用，給使用造成了不方便。

4)JavaApplet（Java小應(yīng)用）方法

WebGIS插件可以和瀏覽器一起有效地處理空間數(shù)據(jù)，但是其明顯的不足之處在于計算集中于客戶端，稱為“胖客戶端”，而對于CGI方法和ServerAPI方法，數(shù)據(jù)處理在服務(wù)器端進(jìn)行，形成“瘦客戶端”。利用Java語言可以彌補許多傳統(tǒng)方法的不足。

Java語言是一種面向?qū)ο蟮恼Z言，它的最大的優(yōu)點就是SUN公司提出的一個口號“寫一次，任何地方都可以運行(Writeonce,runanywhere.)”，即指其跨平臺特性，此外Java語言本身支持例外處理、網(wǎng)絡(luò)、多線程等特性，其可靠性和安全性使其成為因特網(wǎng)上重要的編程語言。

Java語言經(jīng)過編譯后，生成與平臺無關(guān)的字節(jié)代碼(Bytecode)，可以被不同平臺的Java虛擬機(jī)(JavaVirtualMachine，JVM)解釋執(zhí)行。Java程序有兩種：一種可以獨立運行；另一種稱為JavaApplet，只能嵌入HTML文件中，被瀏覽器解釋執(zhí)行。用JavaApplet實現(xiàn)WebGIS，優(yōu)于插件方法之處有：

(1）運行時，Applet從服務(wù)器下載不需要進(jìn)行軟件

安裝；

(2）由于Java語言本身支持網(wǎng)絡(luò)功能，可以實現(xiàn)Applet與服務(wù)器程序的直接連接，從而使數(shù)據(jù)處理操作既可以在服務(wù)器上實現(xiàn)，又可以在客戶端實現(xiàn)，以實現(xiàn)兩端負(fù)載的平衡。圖7-8是利用JavaApplet實現(xiàn)的WebGIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖7-8利用JavaApplet實現(xiàn)的WebGIS系統(tǒng)框架5)ActiveX方法

另一項可以實現(xiàn)WebGIS的技術(shù)是ActiveX，它是在微軟公司OLE(ObjectLinkingandEmbedding)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的因特網(wǎng)新技術(shù)，其基礎(chǔ)是DCOM(DistributedComponentObjectModel)。它不是計算機(jī)語言，而是一個技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?；谶@種標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)出來的構(gòu)件稱為ActiveX控件，可以像JavaApplet一樣嵌入到HTML文件中，在因特網(wǎng)上運行。

目前，在WWW領(lǐng)域，可擴(kuò)展標(biāo)記語言（ExtensibleMarkupLanguage，XML）得到了越來越多的重視，它可以成為一種“元語言”，用于定義特定領(lǐng)域的標(biāo)記語言，同樣在空間信息的Internet發(fā)布中，也可以采用XML來定義地理信息的特定語言標(biāo)記，以容易且一致的方式格式化和傳送數(shù)據(jù)。

5.WebGIS應(yīng)用前景

WebGIS使GIS應(yīng)用走向公眾，通過網(wǎng)絡(luò)可以將空間信息傳至千家萬戶，如美國紐約州某縣通過電視有線網(wǎng)向公眾發(fā)布城市和土地等信息。香港旅游局也正在著手建立香港旅游信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)直接來源于香港地政署的大型空間數(shù)據(jù)庫，旅游信息則由旅游協(xié)會(TA)提供。計劃首先在尖沙嘴等旅游熱點安裝觸摸屏，游客可以通過它直接了解香港地理環(huán)境和查詢旅游信息。

WebGIS的數(shù)據(jù)傳輸量很大，目前Internet的速度還不能完全滿足需求。MapGuide的插件大約為1MB，使用28.8kb/s的調(diào)制解調(diào)器(MODEM)也至少需要6分鐘才能從服務(wù)器上下載過來。不過，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異。1997年2月，美國總統(tǒng)克林頓提出“建立快1000倍的第二代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，讓12歲以上的青少年人人都上互聯(lián)網(wǎng)”。微軟正在實施的一項計劃中準(zhǔn)備發(fā)射840多顆人造地球衛(wèi)星，這些衛(wèi)星將用于取代光纖進(jìn)行Internet數(shù)據(jù)傳輸?？梢灶A(yù)見，隨著Internet技術(shù)的發(fā)展，WebGIS應(yīng)用終將走上普通人的辦公桌、走進(jìn)千家萬戶的家用電腦，與Internet本身一樣成為人們?nèi)粘Ｉ畋夭豢缮俚膶嵱霉ぞ摺?/p>

WebGIS還可以應(yīng)用于Intranet建立企業(yè)/部門內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)GIS，可以在科研機(jī)構(gòu)、政府職能部門、企事業(yè)單位得到廣泛應(yīng)用。WebGIS提供了一種易于維護(hù)的分布式GIS解決方案。盡管目前的WebGIS軟件提供的空間分析功能很難滿足專業(yè)應(yīng)用的需要，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，WebGIS終將取代傳統(tǒng)的GIS。7.3.2組件式GIS

1.組件式GIS（ComGIS）的概念

目前，在軟件開發(fā)領(lǐng)域，一場新的革命正在悄悄興起，這是由日趨成熟的組件技術(shù)引發(fā)的。幾年以前，當(dāng)微軟公司首先使用OLE的時候，其初衷是為了增強(qiáng)軟件的互操作性。然而在使用過程中，人們逐漸認(rèn)識到這一技術(shù)背后的實質(zhì)性內(nèi)容和它在軟件開發(fā)中所扮演的重要角色。組件技術(shù)使近幾十年興起的面向?qū)ο蠹夹g(shù)進(jìn)入到成熟的實用化階段。在組件技術(shù)的概念模式下，軟件系統(tǒng)可以被視為相互協(xié)同工作的對象集合，其中每個對象都會提供特定的服務(wù)，發(fā)出特定的消息，并且以標(biāo)準(zhǔn)形式公布出來，以便其他對象了解和調(diào)用。組件間的接口通過一種與平臺無關(guān)的語言IDL（InterfaceDefineLanguage）來定義，而且是二進(jìn)制兼容的，使用者可以直接調(diào)用執(zhí)行模塊來獲得對象提供的服務(wù)。由于組件技術(shù)的出現(xiàn)，軟件產(chǎn)業(yè)的形式也將會有所改變。大量組件生產(chǎn)商會涌現(xiàn)出來，并推出各具特色的組件產(chǎn)品；軟件集成商則利用適當(dāng)?shù)慕M件快速生產(chǎn)出用戶需要的某些應(yīng)用系統(tǒng)；大而全的通用產(chǎn)品將逐步減少；很多相對較為專業(yè)但用途廣泛的軟件，如GIS、語音識別系統(tǒng)等，都將以組件的形式組裝和擴(kuò)散到一般的軟件產(chǎn)品中。

GIS技術(shù)的發(fā)展在軟件模式上經(jīng)歷了功能模塊、包式軟件、核心式軟件，從而發(fā)展到ComGIS和WebGIS的過程。傳統(tǒng)GIS雖然在功能上已經(jīng)比較成熟，但是由于這些系統(tǒng)多是基于十多年前的軟件技術(shù)開發(fā)的，屬于獨立封閉的系統(tǒng)。同時，GIS軟件變得日益龐大，用戶難以掌握，費用昂貴，阻礙了GIS的普及和應(yīng)用。組件式軟件是新一代GIS的重要基礎(chǔ),ComGIS的出現(xiàn)為傳統(tǒng)GIS面臨的多種問題提供了全新的解決思路。

ComGIS是面向?qū)ο蠹夹g(shù)和組件式軟件在GIS軟件開發(fā)中的應(yīng)用。認(rèn)識ComGIS，首先需要了解其所依賴的技術(shù)基礎(chǔ)——組件式對象模型和ActiveX控件。

COM是組件式對象模型(ComponentObjectModel)的英文縮寫，是OLE和ActiveX共同的基礎(chǔ)。

COM不是一種面向?qū)ο蟮恼Z言，而是一種二進(jìn)制標(biāo)準(zhǔn)。COM所建立的是一個軟件模塊與另一個軟件模塊之間的鏈接，當(dāng)這種鏈接建立之后，模塊之間就可以通過稱之為“接口”的機(jī)制來進(jìn)行通信。COM標(biāo)準(zhǔn)增加了保障系統(tǒng)和組件完整的安全機(jī)制，COM可擴(kuò)展到分布式環(huán)境。這種基于分布式環(huán)境下的COM被稱作DCOM(DistributeCOM)。DCOM實現(xiàn)了COM對象與遠(yuǎn)程計算機(jī)上的另一個對象之間直接進(jìn)行交互。

ActiveX是一套基于COM的可以使軟件組件在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行互操作而不管該組件是用何種語言創(chuàng)建的技術(shù)。作為ActiveX技術(shù)的重要內(nèi)容，ActiveX控件是一種可編程、可重用的基于COM的對象。ActiveX控件通過屬性、事件、方法等接口與應(yīng)用程序進(jìn)行交互。一些軟件公司專門生產(chǎn)各種用途的ActiveX控件，如數(shù)據(jù)庫訪問、數(shù)據(jù)監(jiān)視、數(shù)據(jù)顯示、圖形顯示、圖像處理及三維動畫等等。幾個著名的GIS軟件公司把COM技術(shù)應(yīng)用于GIS開發(fā)，紛紛推出由一系列ActiveX控件組成的ComGIS軟件，如Intergraph公司的GeoMedia、ESRI的MapObjects、MapInfo公司的MapX等。

ComGIS的基本思想是把GIS的各大功能模塊劃分為幾個控件，每個控件完成不同的功能。各個GIS控件之間，以及GIS控件與其他非GIS控件之間，可以方便地通過可視化的軟件開發(fā)工具集成起來，形成最終的GIS應(yīng)用?？丶缤欢迅魇礁鳂拥姆e木，它們分別實現(xiàn)不同的功能(包括GIS和非GIS功能)，根據(jù)需要把實現(xiàn)各種功能的“積木”搭建起來，即可構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)。許多WebGIS軟件包均采用HTML標(biāo)準(zhǔn)，活動內(nèi)容采用Javaapplets(SUN標(biāo)準(zhǔn))或者ActiveX(Microsoft標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行傳遞。新型的分布式面向?qū)ο骔ebGIS可以采用CORBA/Java或者DCOM/ActiveX技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。ActiveX控件不僅可以用于一般的ActiveX容器程序(如VisualBasic、Delphi等)，而且能嵌入Web頁面中。任何ActiveX控件都可以設(shè)計成Internet控件，作為Web頁面的一部分，Web頁面中的控件通過腳本(Script)互相通信。

2.ComGIS的特點

1)高效無縫的系統(tǒng)集成

一個系統(tǒng)的建立往往需要對GIS數(shù)據(jù)、基本空間處理功能與各種應(yīng)用模型進(jìn)行集成。而系統(tǒng)集成方案在很大程度上決定了系統(tǒng)的適用性和效率，不同的應(yīng)用領(lǐng)域、不同的應(yīng)用開發(fā)者所采用的系統(tǒng)集成方案往往不同。

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