《信息技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用》課件第9章

第九章數(shù)字地球與智慧地球9.1數(shù)字地球的概念 9.2數(shù)字地球的技術(shù) 9.3數(shù)字地球中的3S技術(shù)9.4數(shù)字地球的應(yīng)用9.5智慧地球數(shù)字地球是當(dāng)時(shí)的美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)栍?998年1月在加利福尼亞科學(xué)中心開(kāi)幕典禮上發(fā)表的題為《數(shù)字地球——新世紀(jì)人類(lèi)星球之認(rèn)識(shí)》演說(shuō)時(shí)，提出的一個(gè)與GIS、網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實(shí)等高新技術(shù)密切相關(guān)的概念。在戈?duì)柕奈恼轮?，他將?shù)字地球看成是“對(duì)地球的三維多分辨率表示，它能夠放入大量的地理數(shù)據(jù)”。在后來(lái)對(duì)數(shù)字地球的直觀實(shí)例解釋中發(fā)現(xiàn)，戈?duì)柕臄?shù)字地球?qū)W是關(guān)于整個(gè)地球、全方位的GIS與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。顯然，面對(duì)一個(gè)如此浩大的工程，任何一個(gè)政府組織、企業(yè)或?qū)W術(shù)機(jī)構(gòu)，都是無(wú)法獨(dú)立完成的，它需要成千上萬(wàn)的個(gè)人、公司、研究機(jī)構(gòu)和政府組織的共同努力。數(shù)字地球要解決的技術(shù)問(wèn)題，包括計(jì)算機(jī)科學(xué)、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、衛(wèi)星遙感技術(shù)、寬帶網(wǎng)絡(luò)、互操作性、元數(shù)據(jù)等?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著地球空間信息學(xué)的發(fā)展而建立起的數(shù)字地球，必將促進(jìn)測(cè)繪事業(yè)的現(xiàn)代化，為測(cè)繪事業(yè)與整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建立更加緊密的聯(lián)系作出更大的貢獻(xiàn)，在未來(lái)和知識(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)中產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

數(shù)字地球原型系統(tǒng)(DigitalEarthPrototypeSystem)從對(duì)地觀測(cè)技術(shù)切入，以地球是一個(gè)復(fù)雜的綜合性系統(tǒng)的思路來(lái)研究和構(gòu)筑“數(shù)字地球”，其目的是對(duì)整個(gè)地球系統(tǒng)進(jìn)行地球科學(xué)、信息科學(xué)、計(jì)算科學(xué)、空間探測(cè)、數(shù)字通信、計(jì)算機(jī)和人機(jī)智能等交叉學(xué)科集理論與技術(shù)為一體的綜合研究，以了解整個(gè)地球系統(tǒng)所涉及的信息過(guò)程。

數(shù)字地球是由海量、多分辨率、多時(shí)相、多類(lèi)型空間對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)和地學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)及其分析算法和模型構(gòu)建而成的虛擬地球。數(shù)字地球?qū)汛蟊姷?、單個(gè)的“意識(shí)地球”連接起來(lái)，通過(guò)對(duì)當(dāng)前現(xiàn)實(shí)地球景觀和過(guò)程的直接表達(dá)，對(duì)未來(lái)和現(xiàn)實(shí)地球場(chǎng)景的預(yù)測(cè)、預(yù)見(jiàn)，促使人類(lèi)社會(huì)對(duì)地球開(kāi)發(fā)、利用的方式更趨于合理、有效，保證人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。數(shù)字地球已服務(wù)和應(yīng)用于農(nóng)作物估產(chǎn)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、城市變化遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)字城市、數(shù)字奧運(yùn)、能源、遙感考古、虛擬旅游、軍事仿真、旅游等多個(gè)領(lǐng)域。

數(shù)字地球的提出是全球信息化的必然產(chǎn)物，它是一項(xiàng)長(zhǎng)期的戰(zhàn)略目標(biāo)，需要經(jīng)過(guò)全人類(lèi)的共同努力才能實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，數(shù)字地球的建設(shè)與發(fā)展將加快全球信息化的步伐，在很大程度上改變?nèi)藗兊纳罘绞?，并?chuàng)造出巨大的社會(huì)財(cái)富，為人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)。

數(shù)字地球是一個(gè)以地球坐標(biāo)為依據(jù)的、具有多分辨率的海量數(shù)據(jù)和多維顯示的地球虛擬系統(tǒng)。數(shù)字地球是指信息化的地球，是一個(gè)完整的信息模型，是各國(guó)數(shù)字技術(shù)十分發(fā)達(dá)之后，對(duì)世界規(guī)模的信息化的一種形象化描述。9.1數(shù)字地球的概念把地球上的信息以地球坐標(biāo)為參考點(diǎn)進(jìn)行收集、整理和存儲(chǔ)，這樣便可以通過(guò)地球坐標(biāo)的確定而得到相關(guān)地點(diǎn)的信息。而每坐標(biāo)點(diǎn)上的信息是豐富多樣的，可以是街道交通情況，也可以是關(guān)于政治、經(jīng)濟(jì)、文化、人口等的情況。

要在電子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)字地球不是一件簡(jiǎn)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(jì)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(chǔ)技術(shù)、科學(xué)計(jì)算以及可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。9.2數(shù)字地球的技術(shù)

1．信息高速公路和計(jì)算機(jī)寬帶高速網(wǎng)

一個(gè)數(shù)字地球所需要的數(shù)據(jù)已不能通過(guò)單一的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)，而需要由成千上萬(wàn)的不同組織來(lái)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(lái)連接。為此，美國(guó)克林頓總統(tǒng)早在1993年2月就提出實(shí)施美國(guó)國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施(NII)，通俗形象地稱之為“信息高速公路”，它主要由計(jì)算機(jī)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)終端組成。美國(guó)為此計(jì)劃投入4000億美元，耗時(shí)20年，到2000年的目標(biāo)是提高生產(chǎn)率20%～40%，獲取35000億美元的效益。在Internet流量爆發(fā)性增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)下，遠(yuǎn)程通信載體已經(jīng)嘗試使用10Gb/s的網(wǎng)絡(luò)，而1015b/s的因特網(wǎng)正在研究中。相信在21世紀(jì)將會(huì)有更加優(yōu)秀的寬帶高速網(wǎng)供人們使用。

2．高分辨率衛(wèi)星影像

在遙感衛(wèi)星問(wèn)世的20多年中，衛(wèi)星影像分辨率已經(jīng)有了飛快的提高，這里所說(shuō)的分辨率是指空間分辨率、光譜分辨率和時(shí)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(lái)表示，從遙感形成之初的80m，已減小到30m、10m、5.8m乃至1m，軍用甚至可達(dá)到10cm。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?，F(xiàn)在的技術(shù)可以達(dá)到5nm～6nm(納米)量級(jí)、400多個(gè)波段。細(xì)分光譜可以提高自動(dòng)區(qū)分識(shí)別目標(biāo)性質(zhì)和組成成分的能力。時(shí)間分辨率是指重訪周期的長(zhǎng)短，目前一般對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的重訪周期為15～25天。通過(guò)發(fā)射合理分布的衛(wèi)星星座可以1～3天觀測(cè)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(jì)，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，影像數(shù)據(jù)庫(kù)、矢量圖形庫(kù)和數(shù)字高程模型庫(kù)(DEM)三庫(kù)一體化管理的GIS軟件和網(wǎng)絡(luò)GPS，將在21世紀(jì)十分成熟和普及，從而可實(shí)現(xiàn)不同層次的互操作，一個(gè)GIS應(yīng)用軟件產(chǎn)生的地理信息將被另一個(gè)軟件讀取。

當(dāng)人們?cè)跀?shù)字地球上處理、發(fā)布和查詢信息時(shí)，將會(huì)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(diǎn)和路線，購(gòu)房時(shí)選擇價(jià)廉而又環(huán)境適宜的住宅等都需要有地理空間作為參考。由于尚未建立空間數(shù)據(jù)參考框架，致使目前在萬(wàn)維網(wǎng)上制作主頁(yè)時(shí)還不能輕易將有關(guān)的信息連接到地理空間參考上。國(guó)家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施是數(shù)字地球的基礎(chǔ)。國(guó)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(guó)克林頓總統(tǒng)在1994年4月以行政令下發(fā)的任務(wù)。近年來(lái)，我國(guó)也在抓緊建立我國(guó)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)也都非常重視空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)?？臻g數(shù)據(jù)共享機(jī)制是使數(shù)字地球能夠運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素之一。國(guó)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(dòng)信息化，信息化進(jìn)一步推動(dòng)共享。政府與民間的聯(lián)合共建是實(shí)現(xiàn)共享原則的基本條件，因?yàn)槿魏螄?guó)家的政府也不可能包攬整個(gè)信息化的建設(shè)。在我國(guó)，要遵循這一規(guī)律就必然要求打破部門(mén)之間和地區(qū)之間的界限，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)合行動(dòng)，相互協(xié)調(diào)，互諒互讓，分工合作，發(fā)揮整體優(yōu)勢(shì)。只有大聯(lián)合才能形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，才能在國(guó)際信息市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)中爭(zhēng)取主動(dòng)。

4．大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及元數(shù)據(jù)

數(shù)字地球?qū)⑿枰鎯?chǔ)1015字節(jié)的(Quadrillions)信息。美國(guó)NASA的行星地球計(jì)劃EOS-AM11999年上天，每天產(chǎn)生1000GB(即1TB)的數(shù)據(jù)和信息。以1m分辨率影像覆蓋廣東省，大約有1TB的數(shù)據(jù)，而廣東才是中國(guó)的1/53。所以要建立起中國(guó)的數(shù)字地球，僅僅影像數(shù)據(jù)就有53TB，這還只是一個(gè)時(shí)刻的，多時(shí)相的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，其容量就更大了。目前美國(guó)的NASA和NOAA已著手建立用原型并行機(jī)管理的可存儲(chǔ)1800TM的數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)盤(pán)帶的查找由機(jī)械手自動(dòng)而快速地完成，相信在21世紀(jì)，還會(huì)有新的突破。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(kù)的建設(shè)是非常必要的。元數(shù)據(jù)是關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，通過(guò)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(shí)間。

5．科學(xué)計(jì)算

地球本身是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，而地球上發(fā)生的許多事件，其變化和過(guò)程又十分復(fù)雜且呈非線性特征，時(shí)間和空間的跨度變化大小不等、差別很大，因此只有利用高速計(jì)算機(jī)才能模擬一些不能觀測(cè)到的現(xiàn)象。利用數(shù)據(jù)挖掘(DataMining)技術(shù)，我們能夠更好地認(rèn)識(shí)和分析所觀測(cè)到的海量數(shù)據(jù)，從中找出規(guī)律和知識(shí)?？茖W(xué)計(jì)算可以使我們突破實(shí)驗(yàn)和理論科學(xué)的限制，建模和模擬可以使我們能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(shí)技術(shù)

可視化是實(shí)現(xiàn)數(shù)字地球與人交互的窗口和工具，沒(méi)有可視化技術(shù)，計(jì)算機(jī)中的一堆數(shù)字是無(wú)任何意義的。數(shù)字地球的一個(gè)顯著的技術(shù)特點(diǎn)就是虛擬現(xiàn)實(shí)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(jiàn)地球在太空中出現(xiàn)，使用“用戶界面”的窗口放大數(shù)字圖像；隨著分辨率的不斷提高，用戶看見(jiàn)了大陸，然后是鄉(xiāng)村、城市，最后是私人住房、商店、樹(shù)木以及其他天然和人造景觀；當(dāng)用戶對(duì)商品感興趣時(shí)，可以進(jìn)入商店內(nèi)，欣賞商店內(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(shí)技術(shù)為人類(lèi)觀察自然、欣賞景觀、了解實(shí)體提供了身臨其境的感覺(jué)。最近幾年，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展很快。虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言(VRML)是一種面向Web、面向?qū)ο蟮娜S造型語(yǔ)言，同時(shí)它也是一種解釋性語(yǔ)言。它不僅支持?jǐn)?shù)據(jù)和過(guò)程的三維表示，而且能使用戶走進(jìn)視聽(tīng)效果逼真的虛擬世界，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字地球的表示以及通過(guò)數(shù)字地球?qū)崿F(xiàn)對(duì)各種地球現(xiàn)象的研究和人們的日常應(yīng)用。實(shí)際上，人造虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在攝影測(cè)量中早已是成熟的技術(shù)，近幾年的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展，已經(jīng)能夠在計(jì)算機(jī)上建立可供量測(cè)的數(shù)字虛擬技術(shù)。當(dāng)然，當(dāng)前的技術(shù)是對(duì)同一實(shí)體拍攝照片，產(chǎn)生視差，然后構(gòu)造立體模型。

數(shù)字地球的核心是地球空間信息科學(xué)，而地球空間信息科學(xué)的技術(shù)體系中最基礎(chǔ)和最基本的核心技術(shù)是3S技術(shù)及其集成。3S是全球定位(GPS)技術(shù)、地理信息(GIS)技術(shù)和航空航天遙感(RS)技術(shù)的統(tǒng)稱。沒(méi)有3S技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)實(shí)變化中的地球是不可能以數(shù)字的方式進(jìn)入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的。9.3數(shù)字地球中的3S技術(shù)

1．全球定位(GPS)技術(shù)

GPS作為一種全新的現(xiàn)代定位方法，已逐漸在越來(lái)越多的領(lǐng)域取代了常規(guī)光學(xué)定位和電子儀器定位。20世紀(jì)80年代，尤其是90年代以來(lái)，GPS衛(wèi)星定位和導(dǎo)航技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)的結(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(shí)測(cè)定三維坐標(biāo)的方法將測(cè)繪定位技術(shù)從陸地和近海擴(kuò)展到整個(gè)海洋和外層空間，從靜態(tài)擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)，從單點(diǎn)定位擴(kuò)展到局部與廣域差分定位，從事后處理擴(kuò)展到實(shí)時(shí)(準(zhǔn)實(shí)時(shí))定位與導(dǎo)航，從絕對(duì)和相對(duì)精度擴(kuò)展到米級(jí)、厘米級(jí)乃至亞毫米級(jí)，這大大拓寬了它的應(yīng)用范圍，增強(qiáng)了它在各行各業(yè)中的作用。不久的將來(lái)，人人可以戴上GPS手表，配上移動(dòng)電話，這樣你的活動(dòng)就可以自動(dòng)進(jìn)入數(shù)字地球之中。

2．航空航天遙感(RS)技術(shù)

當(dāng)代遙感技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在它的多傳感器、高分辨率和多時(shí)相特征等方面。

(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)遙感包含可見(jiàn)光、近紅外和短波紅外區(qū)域。熱紅外遙感的波長(zhǎng)范圍為8mm～14mm。微波遙感用于觀測(cè)目標(biāo)物體電磁波的輻射和散射，分被動(dòng)微波遙感和主動(dòng)微波遙感，波長(zhǎng)范圍為1mm～100cm。

(2)遙感的高分辨率特點(diǎn)。這全面體現(xiàn)在空間分辨率、光譜分辨率和溫度分辨率三個(gè)方面。長(zhǎng)線陣CCD成像掃描儀可以達(dá)到1m～2m的空間分辨率，成像光譜儀的光譜分辨率可以達(dá)到5nm～6nm的水平，熱紅外輻射計(jì)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(shí)相特征。隨著小衛(wèi)星群計(jì)劃的推行，可以用多顆小衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)每2～3天對(duì)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(shí)對(duì)地觀測(cè)。衛(wèi)星遙感與機(jī)載和車(chē)載遙感技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)多時(shí)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(shí)相、多數(shù)據(jù)源的融合與分析過(guò)渡，從靜態(tài)分析向動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)渡，從對(duì)資源與環(huán)境的定性調(diào)查向計(jì)算機(jī)輔助的定量自動(dòng)制圖過(guò)渡，從對(duì)各種現(xiàn)象的表面描述向軟件分析和計(jì)量探索過(guò)渡。近年來(lái)，由于具有快速機(jī)動(dòng)性和高分辨率的顯著特點(diǎn)，航空遙感已經(jīng)成為遙感發(fā)展的重要方面。

3．地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)

隨著數(shù)字地球這一概念的提出和人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)的不斷加深，從二維向多維動(dòng)態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)方向過(guò)渡是地理信息系統(tǒng)發(fā)展的主要方向，也是地理信息系統(tǒng)理論發(fā)展和諸多領(lǐng)域(如資源、環(huán)境、城市等)的迫切需要。在技術(shù)發(fā)展方面，一個(gè)發(fā)展方向是基于Client/Server結(jié)構(gòu)的，即用戶可在其終端上調(diào)用存儲(chǔ)在服務(wù)器上的數(shù)據(jù)和程序；另一個(gè)發(fā)展方向是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展InternetGIS或Web-GIS，通過(guò)現(xiàn)代通信技術(shù)使GIS進(jìn)一步與信息高速公路相接軌；即用戶可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程尋找所需要的各種地理空間數(shù)據(jù)(包括圖形和圖像)，也可以進(jìn)行各種地理空間分析，還有一個(gè)發(fā)展方向則是數(shù)據(jù)挖掘，從空間數(shù)據(jù)庫(kù)中自動(dòng)發(fā)現(xiàn)知識(shí)，用來(lái)支持遙感解譯的自動(dòng)化和GIS空間分析的智能化。

4．3S集成技術(shù)

3S集成是指將上述三種對(duì)地觀測(cè)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(shuō)的集成(Integration)，是指一種有機(jī)的結(jié)合、在線的連接、實(shí)時(shí)的處理和系統(tǒng)的整合。GPS、RS、GIS集成的方式可以在不同技術(shù)水平上實(shí)現(xiàn)。3S集成包括空基3S集成與地基3S集成。

(1)空基3S集成：用空—地定位模式實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)，主要目的是在無(wú)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(duì)地定位、偵察、制導(dǎo)、測(cè)量等。

(2)地基3S集成：包括車(chē)載、艦載定位導(dǎo)航和對(duì)地面目標(biāo)的定位、跟蹤、測(cè)量等實(shí)時(shí)作業(yè)。

在人類(lèi)所接觸到的信息中有80%與地理位置和空間分布有關(guān)，地球空間信息是信息高速公路上的貨和車(chē)。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(huì)和人口等方面的信息，它的應(yīng)用在很大程度上超出我們的想像，可以樂(lè)觀地說(shuō)，在21世紀(jì)，數(shù)字地球?qū)⑦M(jìn)入千家萬(wàn)戶和各行各業(yè)。這里只能就我們的理解提出一些現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用。9.4數(shù)字地球的應(yīng)用

1．?dāng)?shù)字地球?qū)θ蜃兓c社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的作用

全球變化與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展已成為當(dāng)今世界人們關(guān)注的重要問(wèn)題，數(shù)字化表示的地球?yàn)槲覀冄芯窟@一問(wèn)題提供了非常有利的條件。在計(jì)算機(jī)中利用數(shù)字地球可以對(duì)全球變化的過(guò)程、規(guī)律、影響以及對(duì)策進(jìn)行各種模擬和仿真，從而提高人類(lèi)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(duì)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(cè)。與此同時(shí)，利用數(shù)字地球，還可以對(duì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的許多問(wèn)題進(jìn)行綜合分析與預(yù)測(cè)，如自然資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人口增長(zhǎng)與社會(huì)發(fā)展，災(zāi)害預(yù)測(cè)與防御等。我國(guó)是一個(gè)人口多、土地資源有限、自然災(zāi)害頻繁的發(fā)展中國(guó)家，十幾億人口的吃飯問(wèn)題一直是至關(guān)重要的。經(jīng)過(guò)多年的高速發(fā)展，資源與環(huán)境的矛盾越來(lái)越突出。近年來(lái)全國(guó)各地的洪災(zāi)，黃河斷流，耕地減少，荒漠化加劇，已經(jīng)引起了社會(huì)各界對(duì)環(huán)境問(wèn)題的廣泛關(guān)注。我們必須采取有效措施，從宏觀的角度加強(qiáng)對(duì)土地資源和水資源的監(jiān)測(cè)和保護(hù)，加強(qiáng)對(duì)自然災(zāi)害特別是洪澇災(zāi)害的預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)和防御，由此來(lái)避免第三世界國(guó)家和一些發(fā)達(dá)國(guó)家在發(fā)展過(guò)程中曾走過(guò)的彎路。數(shù)字地球的應(yīng)用在這方面就可以發(fā)揮更大的作用。

2．?dāng)?shù)字地球?qū)ι鐣?huì)經(jīng)濟(jì)和生活的影響

數(shù)字地球?qū)⑷菁{大量行業(yè)部門(mén)、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(shí)間分布上的研究和分析。例如，國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)劃，全國(guó)鐵路、交通運(yùn)輸?shù)囊?guī)劃，城市發(fā)展的規(guī)劃，海岸帶開(kāi)發(fā)，西部開(kāi)發(fā)等。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(diǎn)，包括它們的風(fēng)景照片和錄像放入這個(gè)公用的數(shù)字地球上；世界著名的博物館和圖書(shū)館可以將其收藏并以圖像、聲音、文字等形式放入數(shù)字地球中；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，來(lái)讓用戶任意挑選。另外，數(shù)字地球在相關(guān)技術(shù)研究和基礎(chǔ)設(shè)施方面也將起到推動(dòng)作用。因此，數(shù)字地球進(jìn)程的推進(jìn)必將對(duì)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民的生活產(chǎn)生巨大的影響。

3．?dāng)?shù)字地球與精細(xì)農(nóng)業(yè)

21世紀(jì)，農(nóng)業(yè)要走節(jié)約化的道路，實(shí)現(xiàn)節(jié)水農(nóng)業(yè)、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)無(wú)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端上可以從影像圖中獲得他的農(nóng)田里莊稼的長(zhǎng)勢(shì)征兆，通過(guò)GIS作分析，制訂出行動(dòng)計(jì)劃，然后在車(chē)載GPS和電子地圖指引下，實(shí)施農(nóng)田作業(yè)，及時(shí)地預(yù)防病蟲(chóng)害，把殺蟲(chóng)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(shí)現(xiàn)真正的綠色農(nóng)業(yè)。這樣一來(lái)，農(nóng)民也成了電腦的重要用戶，數(shù)字地球也就進(jìn)入了農(nóng)民家。到那時(shí)，農(nóng)民的知識(shí)水平也得到了相應(yīng)的提高。

4．?dāng)?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(guó)家和省市、自治區(qū)之間的路面管理系統(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(jì)算機(jī)處理技術(shù)等有效地集成運(yùn)用于整個(gè)地面運(yùn)輸管理體系中，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(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合運(yùn)輸和管理系統(tǒng)。它能夠?qū)崿F(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(shuō)，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，傳輸給公路運(yùn)輸系統(tǒng)的各個(gè)用戶(如駕駛員、居民、警察局、停車(chē)場(chǎng)、運(yùn)輸公司、醫(yī)院、救護(hù)排障等部門(mén))。根據(jù)這些信息，出行者可實(shí)時(shí)選擇交通方式和交通路線；交通管理部門(mén)可自動(dòng)進(jìn)行合理的交通疏導(dǎo)、控制和事故處理；運(yùn)輸部門(mén)可隨時(shí)掌握車(chē)輛的運(yùn)行情況，以此來(lái)進(jìn)行合理調(diào)度。這樣一來(lái)，可使路網(wǎng)上的交通流運(yùn)行處于最佳狀態(tài)，可以改善交通擁擠和阻塞，并最大限度地提高路網(wǎng)的通行能力，從而提高整個(gè)公路運(yùn)輸系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性、安全性和生產(chǎn)效率。對(duì)于公路交通而言，智能交通系統(tǒng)(IntelligentTransportSystem，ITS)將產(chǎn)生的效果主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)提高公路交通的安全性。

(2)降低能源消耗，減少汽車(chē)運(yùn)輸對(duì)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(chē)運(yùn)輸生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益，并對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各方面產(chǎn)生積極的影響。

(5)通過(guò)系統(tǒng)的研究、開(kāi)發(fā)和普及，創(chuàng)造出新的市場(chǎng)。

5．?dāng)?shù)字地球與數(shù)字城市

數(shù)字城市(DigitelCity)又稱數(shù)碼城市(CyberCity)，是數(shù)字地球的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，是城市基礎(chǔ)地理信息和其他城市信息結(jié)合并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的、能供遠(yuǎn)程用戶訪問(wèn)的一個(gè)新的虛擬城市空間。它基于高分辨率正射影像、城市地理信息系統(tǒng)和建筑CAD，建立虛擬城市和數(shù)字化城市，實(shí)現(xiàn)真三維和多時(shí)相的城市漫游、查詢分析和可視化。數(shù)字城市服務(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(xiǎn)與銀行、旅游與娛樂(lè)等，通過(guò)數(shù)字城市系統(tǒng)能使城市地理、資源、環(huán)境、生態(tài)、人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化和可視化，從而使城市規(guī)劃效率更高、表現(xiàn)手法更豐富、信息量更多，大大提高城市建設(shè)的時(shí)效性和管理的有效性，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展。

6．?dāng)?shù)字地球?yàn)閷＜曳?wù)

顧名思義，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(yùn)動(dòng)、地質(zhì)現(xiàn)象、地震預(yù)報(bào)、氣象預(yù)報(bào)、土地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、資源調(diào)查、災(zāi)害預(yù)測(cè)和防治、環(huán)境保護(hù)等無(wú)不需要利用數(shù)字地球。此外，數(shù)據(jù)的不斷積累，最終將有可能使人類(lèi)能夠更好地認(rèn)識(shí)和了解我們生存和生活的這個(gè)星球，運(yùn)用海量地球信息對(duì)地球進(jìn)行多分辨率、多時(shí)空和多種類(lèi)的三維描述也將不再是幻想。

7．?dāng)?shù)字地球與現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)

數(shù)字地球計(jì)劃是后冷戰(zhàn)時(shí)期“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃的繼續(xù)和發(fā)展，是美國(guó)全球戰(zhàn)略的繼續(xù)和發(fā)展。在美國(guó)，數(shù)字地球的另一種提法就是“星球大戰(zhàn)”。顯然，在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)和國(guó)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(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)，這是數(shù)字地球在國(guó)防建設(shè)中的主要應(yīng)用，其中包括地形地貌偵察、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(chǎng)仿真、作戰(zhàn)指揮等方面。應(yīng)用數(shù)字地球技術(shù)，在戰(zhàn)爭(zhēng)開(kāi)始之前可以建立戰(zhàn)區(qū)及其周?chē)貐^(qū)的軍事地理信息系統(tǒng)；戰(zhàn)時(shí)可以利用GPS、RS和GIS進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)的偵察、信息的更新、軍事的指揮與調(diào)度以及武器的精確制導(dǎo)；戰(zhàn)時(shí)與戰(zhàn)后可以進(jìn)行軍事打擊效果評(píng)估等。此外，因?yàn)閿?shù)字地球是一個(gè)典型的“平戰(zhàn)結(jié)合、軍民結(jié)合”的系統(tǒng)工程，所以建設(shè)中國(guó)的數(shù)字地球工程符合我國(guó)國(guó)防建設(shè)的發(fā)展方向。

總之，隨著3S技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字地球?qū)?duì)社會(huì)生活的各個(gè)方面產(chǎn)生巨大的影響。

智慧地球是數(shù)字地球延續(xù)和深入發(fā)展的產(chǎn)物，沒(méi)有數(shù)字地球就不會(huì)產(chǎn)生智慧地球。建設(shè)智慧地球除了需要上述數(shù)字地球所需技術(shù)之外，還需要傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等技術(shù)。9.5智慧地球智慧地球也稱為智能地球，就是把感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種設(shè)施中，并且將它們連接起來(lái)，形成所謂的“物聯(lián)網(wǎng)”，然后將“物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)社會(huì)與物理系統(tǒng)的整合。這一概念由IBM前首席執(zhí)行官彭明盛首次提出。

彭明盛指出：我們是如何走到這一步的?我們應(yīng)該感謝“扁平的世界”。全球能夠處于同一水平面上，不僅僅因?yàn)殚_(kāi)放，還因?yàn)檎稀@等于說(shuō)全球經(jīng)濟(jì)和社會(huì)正在成為一個(gè)由眾多復(fù)雜系統(tǒng)構(gòu)成的超復(fù)雜系統(tǒng)——包括我們?nèi)绾钨?gòu)買(mǎi)、銷(xiāo)售、制造和營(yíng)銷(xiāo)，如何發(fā)現(xiàn)和調(diào)用石油、水、貨物、電子產(chǎn)品和我們自己，以及如何與自然打交道。

這種情況聽(tīng)上去可能使人畏懼，但實(shí)際上卻蘊(yùn)含著巨大的希望。復(fù)雜與單純的混亂是非常不同的。隨著世界變得更加一體化，一旦跨過(guò)這個(gè)門(mén)檻成為統(tǒng)一的系統(tǒng)，我們就需要以一種全新的方式來(lái)認(rèn)知這個(gè)世界。這并不是說(shuō)未來(lái)世界“可以預(yù)測(cè)”或盡在我們的掌握之中，而是說(shuō)世界的運(yùn)轉(zhuǎn)方式將逐漸易于為我們所理解，并受到我們的影響，也能夠讓我們更好地找到在這個(gè)世界上的位置。過(guò)去，我們可以理解世界的這種運(yùn)行機(jī)制，但實(shí)際上無(wú)法實(shí)現(xiàn)它，因?yàn)槭澜缟线\(yùn)行的所有系統(tǒng)都是模擬式的。我們?yōu)榇吮M了最大努力，做