浅谈“数字地球”及其应用框架

1、浅谈“数字地球”及其应用框架关键字：数字旅游；数字地球；科学研究；社会环境；论文代写网第2章“数字地球”及其应用框架2.1“数字地球”概述2.1.1“数字地球”的内涵“数字地球”的原始内涵来源十戈尔的演讲，即“数字地球”是能够查找、可视化和理解海量的、以地理坐标为参照的自然和社会环境信息的多分辨率、二维的地球表示。用户可以穿越时空，根据环境模型的实例访问历史数据和预计未来，它支持科学家、制定政策者甚至是小孩的访问和使用，可以在其上添加许多与我们所处的星球有关的数据。他认为“数字地球”是一个科学家研究和理解人与环境复杂的相互作用关系的没有围墙的联合实验室（collaboratory），也是一个快

2、速增长的网络地球空间信息体，并具备整合和显示多源信息的机制，使人们可以根据自己的需要从遥感、制图、地理模型和其它资源中获取和使用地理参考数据。针对“数字地球”的原始构想，不同的机构从各自的业务、技术、数据、权力角度诊释了“数字地球”的涵义。美国宇航局（NASA）认为：“数字地球”是关十地球的数字化表达，是组织信息的一个比喻，是关十所有地球数据的分布式收集，是所有数据库之母。它使得人们能够体验和利用大量的、集中的、有关地球的自然、文化、历史等数据；数字地球必须是动态的，是关十地球动力学知识的集成，它应包括模型仿真库，具有对地球过去与未来的模拟能力。数字地球跨部门l办调机构（Inter-Agenc

3、y Digital Earth Working Group）认为“数字地球”是对真实地球的虚拟表达，它为全人类服务，能使人们发掘和交互使用有关地球的自然和人文信息，是现在和将来的全球化商业和政府活动自然演变的结果，目_需要通过政府和商业组织进行培植，来满足整个人类需要的属性。美国国家科学基金会（United States National Science Foundation）认为：“数字地球”是真实地球的虚拟展示，人们通过它可以对采集到的关十地球的自然与文化信息进行探索和互操作；它包括了观测（卫星、GPS、天文台）、通讯（因特网、万维网）、计算（硬件、软件、建模）、科学（地球系统科学等多学科

4、），是技术与科学的聚合点；它有益十人类更好地理解环境和环境进程，改善对自然资源的管理。由此可见，可以从两个层次来理解“数字地球”：一个层次是将地球表面每一点上的固有信息，即与空间位置直接有关的相对固定的信息（如地质、地貌、植被、建筑、水文等属性信息）数字化，按地理坐标组织起来，建造一个二维的“数字地球”，全面、详尽地刻画人们居住的这个星球；另一个层次是是在固有信息的基础上再嵌入所有相关的信息，即与空间位置间接有关的、相对变动的信息（如人文、经济、政治、军事、科学技术乃至历史等专题信息），组成一个更加广泛的多维的“数字地球”，为各种应用服务。2.1.2“数字地球”的特点美国国家地理信息与分析中心

5、执行委员会主席、加州大学圣巴巴拉分校地理系教授Michael Frank Goodchild教授在Implementing Digital Earth:A ResearchAgenda一文中指出“数字地球”具有以下特点：（1）具有四个等级序列以上的空间分辨率范围，涵盖从能够恰当地表现整个地球的1 Okm的分辨率到用来表现邻近事物所需的lm分辨率；C2）以用户为中心，为用户服务；（3）“数字地球”必须用符号和图标来表示；（4）“数字地球”的查询要制定明确的权限和入口；（5）具有虚拟环境的可视化表达；（6）顾及数据的时相特征；（7）要有统一的标准与规范、一致的数据结构和索引方案，用以支持四个等级以

6、上尺度的无级缩放；（8）需要新技术的支持来克服带宽的限制，如新的压缩方法、各种地理数据格式的改进转换（9“数字地球”的数据（影像、地图）要无缝连接（10“数字地球”的制图技术、正射影像地图技术需要合适的机构来生产和ti办调。2.1.3“数字地球”的框架体系“数字地球”是全新的学科领域，是由地球系统科学与信息科学技术高度综合的学科，是位十两者之间之边缘学科。“数字地球”是一个庞大、复杂血又紧密相联的信息系统复合体，其框架体系由以下二部分组成，即基础理论体系、技术体系和应用服务领域，如图2-I所示。将“数字地球”的框架体系进行细分，得到“数字地球”的基本体系结构，如图2-2所示。2. 1. 3.

7、1“数字地球”的基础理论“数字地球”以真实地球为原型，通过数字化的方式整合了以地理参照为基础的所有信息，地球信息科学是“数字地球”的理论基础【8。通常地球信息科学包括地球系统理论和信息科学理论、地球耗散结构与自组织理论和地球分形与自相似理论等。其中地球系统理论是核心。 具体fu言，地球系统的复杂性与动力学模型将为“数字地球”的全球应用和抽象出数字地球的信息模型奠定基础；地球系统的数学模型与时空坐标系是为建立一套可以描述“数字地球”上各种地理参照的数学模型；地球系统的对象模型与形式化表达则是为得到用地球系统的数学模型与时空坐标系来表达的地球信息模型；地球系统信息机理与模型是建立一套地球系统的信息

8、机理与模型。2.1.3.2“数字地球”的技术体系“数字地球”技术体系涉及地质、地理、测量、管理、数学、通信、计算机、空间科学等十几个学科，从“数字地球”中信息的获取、处理和应用实现的角度出发，可将“数字地球”的技术体系分为信息基础设施、关键技术和前沿技术二部分：（1）信息基础设施“数字地球”由很多国家共同完成，国家信息基础设施（NII , NationalInformation Infrastructure不 I I国家空间数据基础设施（NSDI, National Spatial DataInfrastructure）是“数字地球”的重要信息基础设施。NII即全国互联网建设，俗称“信息高速公

9、路”；NDSI即生产和提供海量的地理空间数据，它是NII的主要组_成部分I I主要w1容，通常把“NII”+“NDSI”=“NSII”称为I=I家空I信息基础设施（NSII, National Spatial Information Infrastructure）。空间信息基础设施（SII, Spatial Information Infrastructure）是以NSII为数据基础的空间信息应用基础设施，是一个国家内描述地球上地理要素和现象的分布及其属性的所有地理信息组合，以及对这些信息的获取、处理、存储、分发、使用、集成、融合和互操作，同时也是建立一个共享的空间信息框架所需要的设备、技术、

10、政策、标准、体系结构和人力资源。（2）关键技术“数字地球”是基十海量全球信息的复杂应用（如查询、管理和分析），以数据获取与更新、数据处理、数据传输和数据发布为主线，“数字地球”的关键技术主要涉及以下几方面：第一：对地观测技术。对地观测技术为“数字地球”提供空间数据源，主要包括航空航天遥感技术（RS, Remote Sensing）、地理信息系统（GIS, GeographicInformation System不I I全球导航卫星系统（GNSS, Global Navigation SatelliteSystem。其中通过高分辨率卫星遥感技术获取的高分辨率卫星遥感影像已成为“数字地球”的重要技

11、术指标。第二：数据存储与转换关键技术。用十构建“数字地球”所需的海量、异构、分布式的空间和属性数据服务体系，以满足数据存储、转换、分类、建立索引和实现数据共享的要求。主要包括海量存储技术、兀数据管理与存储技术、多源空间数据集成技术、数据库和数据仓库技术。第二：数据传输技术。实现“数字地球”海量数据的调用和共享的数据传输技术，涉及宽带数字通信技术、分布式数据管理技术、格网技术及云计算等一系列技术。第四：数据展示技术。能够将“数字地球”的各种信息进行多维显示、查询和分析的技术包括互操作技术、科学计算与数据挖掘技术、虚拟现实与现实虚拟建模技术。（3）前沿技术以数字地球的神经系统模型、数字地球的网络行为模型、数字地球的进化机制与模型、数字地球分布式对象服务模型等为参照，能够实现“数字地球”的前沿技术主要包括数字神经系统（Digital Nervous System）和空间智能体技术。地球神经系统是“数字地球”发展的高级阶段【Io