數(shù)字地球與數(shù)字水利

數(shù)字地球與數(shù)字水利簡介：“數(shù)字地球”是人類認(rèn)識地球的第三次飛躍，是重大技術(shù)的突破口，是國家可持續(xù)發(fā)展的要求，是宏偉的國家戰(zhàn)略目標(biāo)。水利工作者要敏銳地抓住這一機(jī)遇，迎接這一挑戰(zhàn)，抓應(yīng)用、促發(fā)展，引導(dǎo)水利科學(xué)、信息科學(xué)和水利產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。關(guān)鍵字：數(shù)字地球數(shù)字水利1998年1月31日，美國副總統(tǒng)戈?duì)栐陬}為“數(shù)字地球：對21世紀(jì)人類星球的認(rèn)識”的講演中提出了“數(shù)字地球”的概念。由政治家而不是科學(xué)家提出的這一概念，是帶有整體性和導(dǎo)向性的國家戰(zhàn)略目標(biāo)，是為了刺激經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保持美國在高新技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。它與美國以前提出的星球大戰(zhàn)計(jì)劃和信息高速公路一樣，都是為美國的戰(zhàn)略目標(biāo)服務(wù)的，因此受到世界各國普遍的關(guān)注，在以美國為首的北約對南聯(lián)盟狂轟濫炸之后尤為如此。中國國家主席江澤民有一次在接見兩院院士時(shí)提到了“數(shù)字地球”，很早就注意到了它的戰(zhàn)略意義。我國科學(xué)界對此也高度重視，舉辦了許多專題討論會(huì)和座談會(huì)，準(zhǔn)備抓住機(jī)遇，迎接“數(shù)字地球”的挑戰(zhàn)。數(shù)字地球“數(shù)字地球”是指信息化的地球，或者說是地球的虛擬對照體?！皵?shù)字地球”包括信息的獲取、處理和應(yīng)用。即采用空間、高空、低空、地面，遙感、測繪，地球化學(xué)或地球物理等各種手段獲得海量的地球數(shù)據(jù)，并用計(jì)算機(jī)將它們和與之相關(guān)的其他數(shù)據(jù)以及應(yīng)用模型結(jié)合起來，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中重現(xiàn)真實(shí)的地球。它的核心思想是用數(shù)字化手段統(tǒng)一處理地球問題，同時(shí)又最大限度地利用信息資源?！皵?shù)字地球”是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求緊密結(jié)合的必然結(jié)果?！皵?shù)字地球”涉及許多新的相關(guān)理論和技術(shù)，例如：獲取地球表面(或淺層)數(shù)據(jù)的技術(shù)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式空間數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)挖掘、互操作技術(shù)、分布式對象技術(shù)、虛擬技術(shù)知識和分布式智能技術(shù)、開放式地理信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)，以及適用于各個(gè)生產(chǎn)部門的各類應(yīng)用模型。在知識經(jīng)濟(jì)社會(huì)中，信息資源的重要性要比在工業(yè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)中的自然資源更加重要?！皵?shù)字地球”則是未來信息資源的主體。因?yàn)槿祟愋畔①Y源的80％與空間位置有關(guān)，可以納入數(shù)字地球之中。信息時(shí)代的來臨，改變了人類的生存和發(fā)展方式，未來利益的分配和沖突（包括經(jīng)濟(jì)和軍事沖突）將會(huì)在很大程度上依賴對“數(shù)字地球”的控制?！皵?shù)字地球”可以在自然災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)測、發(fā)展精細(xì)農(nóng)業(yè)、水資源和土地資源的監(jiān)測與保護(hù)、城市規(guī)劃和建設(shè)、環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)、全球變化、海洋資源開發(fā)和保護(hù)、遠(yuǎn)程教育和軍事等領(lǐng)域發(fā)揮重大的作用。數(shù)字地球的基礎(chǔ)棗信息的獲取、處理和應(yīng)用衛(wèi)星、航天飛機(jī)、宇宙飛船、飛機(jī)、熱氣球攜帶的各種波段的各類傳感器構(gòu)成了對地觀測的主體，提供了全球連續(xù)和重復(fù)的表面數(shù)據(jù)，使之有條件將地球系統(tǒng)作為一個(gè)整體來認(rèn)識。近年來，星載對地觀測發(fā)展十分迅速。許多國家，包括一些第三世界國家和小國家都研制和發(fā)射了衛(wèi)星。分辨率高達(dá)1～3m的商用系統(tǒng)相繼上天，100～500kg重的小衛(wèi)星打破了空間技術(shù)的神秘感。因此目前對地觀測是獲取地球表面信息的主要手段。某些原來必須通過地面觀測才能獲取的信息，現(xiàn)在也可以通過對地觀測獲取。對地觀測與“數(shù)字地球”有十分密切的關(guān)系，在目前和在將來都是最基本的技術(shù)手段。隨著數(shù)據(jù)獲取手段的不斷增強(qiáng)，對數(shù)據(jù)處理、傳輸、分辨和壓縮技術(shù)的要求也越來越高?！皵?shù)字地球”主要的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是“信息高速公路”和“國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施”。信息高速公路就是高速信息電子網(wǎng)絡(luò)。由通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫等組成的網(wǎng)絡(luò)體系，能隨時(shí)給用戶提供大量信息。寬帶通信業(yè)務(wù)的通信速率高于2Mbps,寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（簡稱寬帶網(wǎng)）是一種全數(shù)字化、高速、寬帶、具有綜合業(yè)務(wù)能力的智能化通信網(wǎng)。它可集當(dāng)今世界上所有的通信業(yè)務(wù)于一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中，傳輸速度也比現(xiàn)在的因特網(wǎng)快得多。帶寬是實(shí)現(xiàn)高速傳輸?shù)年P(guān)鍵。為了在信息高速公路上表示和查詢與地理有關(guān)的空間信息。美國在1994年又提出建立國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施（NSDI）。它主要包括地球空間數(shù)據(jù)框架，空間數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)、管理與分發(fā)體系，空間數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)，以及空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。我國也正在加快“國家地理空間信息基礎(chǔ)設(shè)施”的建設(shè)。地理信息系統(tǒng)（GIS）是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)，對各種與地理位置有關(guān)的信息進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、檢索、顯示和分析。通過任何途徑（遙感、測繪、調(diào)查、測量、統(tǒng)計(jì)等）得到的信息都可以通過GIS建成一個(gè)數(shù)據(jù)庫。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟，同一地區(qū)的不同信息系統(tǒng)之間以及不同地區(qū)的同類信息系統(tǒng)之間開始連通和兼容。近五年來，地理信息系統(tǒng)和萬維網(wǎng)結(jié)合，發(fā)展成了基于網(wǎng)絡(luò)的地理信息系統(tǒng)，即WebGIS。隨著信息量的飛速增長，信息技術(shù)的迅速發(fā)展和用戶需求的增加，傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫已不能滿足需求，信息系統(tǒng)要從管理向決策處理發(fā)展。要滿足這種新需求，空間數(shù)據(jù)倉庫這種空間信息的集成方案就應(yīng)運(yùn)而生了。它在較高層次上對數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合、歸類，并加以抽象地分析和利用，是面向主題組織的。為了消除源數(shù)據(jù)中的不一致性和能對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算，所有入庫數(shù)據(jù)須先經(jīng)過統(tǒng)一和綜合。數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)可隨時(shí)間變化，去舊迎新，但其特點(diǎn)是對數(shù)據(jù)按時(shí)段進(jìn)行綜合，隨時(shí)更新的數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，而不是經(jīng)集成輸入到空間數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)。投入極大的力量建設(shè)“數(shù)字地球”，解決了數(shù)據(jù)采集，海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、傳輸，其目的就是要讓更多的人充分應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，也就是要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，減少重復(fù)勞動(dòng)和投資，讓更多的專業(yè)技術(shù)人員把精力集中于數(shù)據(jù)應(yīng)用上。要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，必須建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和交換標(biāo)準(zhǔn)。除了技術(shù)問題外，還要在管理上制定相應(yīng)的法規(guī)，規(guī)定使用權(quán)限和費(fèi)用，保護(hù)數(shù)據(jù)版權(quán)。共建共享，規(guī)定使用權(quán)限的層次，簽訂數(shù)據(jù)使用協(xié)議等都是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享中可以考慮的方式。在取得各種來源的數(shù)據(jù)后，要充分應(yīng)用它們，必然會(huì)遇到多源信息的融合問題，這是各種數(shù)據(jù)在一定準(zhǔn)則下進(jìn)行分析、綜合，從而完成決策或評估等而進(jìn)行的自動(dòng)信息處理過程。這種過程往往在表示不同級別的幾個(gè)層次上完成對多源信息的處理，其結(jié)果也有層次的高低之分。處理方式有相關(guān)、互聯(lián)、估計(jì)以及組合等等。信息的應(yīng)用是建設(shè)“數(shù)字地球”的最根本的目的。各個(gè)部門和地區(qū)應(yīng)用信息的能力和積極性是建設(shè)“數(shù)字地球”的原動(dòng)力。“數(shù)字地球”是國家目標(biāo)，決定了必然是政府行為，也必定要有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。發(fā)展數(shù)字水利絕大多數(shù)的水利工程都是在地球表面及表層修建的。水利包括的水資源、水環(huán)境、防洪抗旱、水土保持、農(nóng)田水利、河道整治、水利工程等無不與空間地理有密切關(guān)系。水利行業(yè)自80年代初開始應(yīng)用遙感（RS）技術(shù)，即通過對地觀測獲取信息。對GIS的使用則始于80年代后期，在經(jīng)歷了認(rèn)識了解和初步應(yīng)用這兩個(gè)階段后，現(xiàn)已步入深入應(yīng)用的階段，且很快就與生產(chǎn)實(shí)際緊密地結(jié)合起來。全球定位系統(tǒng)（GPS）在水利行業(yè)的應(yīng)用始于90年代初，但發(fā)展非常迅速，在地面及水下地形測繪中使用已很普遍。盡管作為“數(shù)字地球”技術(shù)基礎(chǔ)的3S（RS，GIS，GPS）技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮它們的潛力，但已經(jīng)發(fā)揮了重大作用。利用RS和GIS技術(shù),快速準(zhǔn)確地為決策部門提供了以下有關(guān)災(zāi)害、資源、水利規(guī)劃與管理方面的調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。a、災(zāi)情評估。洪澇災(zāi)害淹沒耕地及居民地面積、受災(zāi)人口和受淹房屋間數(shù)；旱情；大面積水體污染和赤潮的影響范圍；大面積泥石流、滑坡等山地災(zāi)害的影響范圍。b、水資源水環(huán)境調(diào)查。應(yīng)用遙感資料進(jìn)行下墊面屬性分類，計(jì)算其分類面積，選取經(jīng)驗(yàn)參數(shù)及入滲系數(shù)。根據(jù)多年平均降水量，計(jì)算出多年平均地表徑流深、入滲補(bǔ)給量。兩者之和扣去重復(fù)計(jì)算的基流量即為多年平均水量，對國內(nèi)某些流域進(jìn)行估算的相對誤差小于7％，尤其適用于無水文資料地區(qū)。此外，根據(jù)遙感資料提供的積雪分布（三維）、積雪量、雪面濕度，用融雪徑流流域模型估算融雪水資源和流域出流過程的相對誤差在10％左右。如有精度較高的數(shù)字高程模型（DEM，1∶10000以上），湖泊面積及容量調(diào)查也有較高精度。目前已可以對混濁度、pH值、含鹽度、BOD和COD等要素做定量監(jiān)測，對污染帶的位置作定性監(jiān)測。c、土地資源調(diào)查。包括：監(jiān)測水蝕、風(fēng)蝕等多種類型的土壤侵蝕區(qū)的侵蝕面積、數(shù)量和強(qiáng)度發(fā)展的動(dòng)態(tài)變化；鹽堿地、沼澤地、風(fēng)沙地、山地侵蝕地等劣質(zhì)土退化地的面積調(diào)查與動(dòng)態(tài)監(jiān)測；土地利用現(xiàn)狀調(diào)查、耕地面積和灘涂面積調(diào)查。d、工程規(guī)劃與管理。大型水庫淹沒區(qū)實(shí)物量估算，庫區(qū)移民安置環(huán)境容量調(diào)查，灌溉區(qū)實(shí)際灌溉面積和有效灌溉面積的調(diào)查，水庫淤積測量。除了提供調(diào)查、監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)外，3S技術(shù)作為一種新的技術(shù)手段，與傳統(tǒng)手段相結(jié)合，還在防災(zāi)減災(zāi)、水資源開發(fā)利用以及水利工程規(guī)劃、建設(shè)和管理等方面發(fā)揮了重要作用。a、防洪減災(zāi)及業(yè)務(wù)運(yùn)行。包括：星載和機(jī)載側(cè)視合成孔徑雷達(dá)(SAR)實(shí)時(shí)監(jiān)測特大洪水造成的災(zāi)情，將信息迅速傳送到指揮決策機(jī)構(gòu)；對易發(fā)洪災(zāi)區(qū)和重點(diǎn)防洪地區(qū)建立防洪信息系統(tǒng)；旱災(zāi)的實(shí)時(shí)監(jiān)測；在全球氣候變暖、海平面上升以及地下水超采造成地面沉降等情況下，對可能造成的海水入侵的范圍作出預(yù)估和進(jìn)行對策研究。b、水資源開發(fā)利用研究。包括：利用遙感資料和GIS建立與大氣模型耦合的大尺度水文模型，計(jì)算出在全球未來氣候變化情況下區(qū)域水資源的增減；采用細(xì)分光譜衛(wèi)星資料、主動(dòng)式微波傳感器與地球物理、地球化學(xué)等多種信息源相結(jié)合，以信息系統(tǒng)為支持，分析研究地下儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)。c、大型水利水電工程及跨流域調(diào)水工程對生態(tài)環(huán)境影響的監(jiān)測與綜合評價(jià)。包括：大型水利水電樞紐工程地質(zhì)條件的遙感調(diào)查、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)及動(dòng)態(tài)監(jiān)測，流域綜合規(guī)劃；灌區(qū)規(guī)劃；水庫上游水土流失調(diào)查及對水庫淤積的趨勢預(yù)測，河口泥沙監(jiān)測和綜合治理；河道演變監(jiān)測；河道、水庫、湖泊等水體水質(zhì)污染遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測；流域治理效益調(diào)查；海岸帶綜合治理；對施工過程中的壩址進(jìn)行1∶2000的大比例尺遙感制圖，包括壩肩多光譜近景攝影，以研究壩肩裂隙和節(jié)理的分布變化情況。目前，正在啟動(dòng)的國家防汛指揮系統(tǒng)工程將在數(shù)據(jù)傳輸方面采用通信衛(wèi)星和安全的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；用遙感技術(shù)監(jiān)測洪澇災(zāi)害；在七大江河流域建立以GIS技術(shù)為支撐的包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水體、水利工程、地形、土地利用、行政邊界、交通、通信、生命線工程等數(shù)據(jù)層的分布式防洪基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)倉庫；完善水文及災(zāi)害預(yù)報(bào)這些以空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的虛擬地球的技術(shù)；可以進(jìn)行異地會(huì)商和遠(yuǎn)程教育。在上述技術(shù)的基礎(chǔ)上，可以在災(zāi)前作洪水預(yù)報(bào)及對未來各種降雨情況下的水情進(jìn)行模擬；可以針對洪水預(yù)報(bào)作出多個(gè)調(diào)度預(yù)案，進(jìn)行后效與損失比較，為決策提供依據(jù)；可根據(jù)決策，優(yōu)化分洪區(qū)居民撤離，搶險(xiǎn)物資及救災(zāi)物資的輸運(yùn)路線；可對災(zāi)情的發(fā)展作出空間與時(shí)間上的預(yù)測；可對災(zāi)后重新進(jìn)行規(guī)劃?？偠灾瑢⒃谡嬲饬x上做到防洪減災(zāi)，把損失減少到最小。這是“數(shù)字水利”在防洪方面的一個(gè)雛形，有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)定義、格式和交換標(biāo)準(zhǔn)。從上述已有的工作基礎(chǔ)和即將進(jìn)行的工作可以看出建設(shè)“數(shù)字水利”的可行性和重要性