数字地球的核心技术及示范工程.ppt

1、1,8.1 数字地球的核心技术 8.2 数字地球的前沿技术 8.3 数字地球的应用示范工程,第八章 数字地球的核心技术及示范工程,2,数字地球的核心技术,3,什么是数字地球？,所谓“数字地球”，可以理解为对真实地球及其相关现象统一的数字化重现和认识。 核心思想：1)用数字化的手段统一性的处理地球问题；2)最大限度地利用信息资源。 其特点是嵌入海量地理数据，实现多分辨率、三维对地球的描述，即“虚拟地球”。,4,数字地球的关键技术,5,8.1 数字地球的核心技术,计算科学技术 海量存贮技术 卫星图像技术 宽带网络技术 互操作技术 元数据,6,计算科学：意义、内容和方法 计算科学是对描述和变换信息的

2、算法过程，包括其理论、分析、设计、效率分析、实现和应用的系统的研究。 全部计算科学的基本问题是，什么能（有效地）自动进行，什么不能（有效地）自动进行。计算科学来源于对数理逻辑、计算模型、算法理论、自动计算机器的研究，形成于20世纪30年代后期。现在，计算已成为继理论、实验之后的第三种科学形态。,7, 计算的平台与环境问题 计算过程的能行操作与效率问题 计算的正确性问题,计算科学基本问题,8,年月日，美国的DOE/FNS共同联合组织召开了关于“先进科学计算”的全国会议。会议强调科学模拟的重要性，希望应用科学模拟来攻克复杂的科学与工程难题。,9,1998年9月，美国在全国范围内倡议实施“科学模拟计

3、划”(SSP)，提出要加速“燃烧系统”与全球气候系统“这两大应用领域的科学模拟研究。并希望在以下五个方面的工作能得到全国的大力支持：（1）算法，其它方法与库技术；（2）解决问题的环境与工具；（3）分布式计算与协同计算环境；（4）可视化处理与数据管理系统；（5）系统体系结构与平台战略研究。,10,1999年初美国总统信息技术顾问委员会提出一项题为21世纪的信息技术：对美国未来的大胆投资的报告 （即IT2计划）。,11,美国在2000年度财政预算中有关信息技术方面的投资达3.66 亿美元（增加28%），重点投资的三个领域是：长期信息技术研究；用于科学、工程和国家的高级计算；信息革命的经济和社会意义

4、研究。 将在超级计算机、数学模拟和网络等方面取得新的进步，开创一个新的迈向自然世界的窗口一使得计算作为科学发现的一种工具，而和理论及实验具有同等的价值。,12,对复杂的数据进行实时、准确地分析。 对复杂的现象进行仿真和虚拟实验。 提高运算效率和解决科学难题。,计算科学技术,13,计算科学,地球是一个复杂的巨系统，地球上发生的许多事件，变化和过程又十分复杂而呈非线性特征，时间和空间的跨度变化大小不等，差别很大 只有利用高速计算机，我们今日和跨世纪的未来，才有能力来模拟一些不能观测到的现象。,14,计算科学,利用数据挖掘（Data Mining）技术，我们将能够更好地认识和分析所观测到的海量数据，

5、从中找出规律和知识。 计算科学将使我们突破实验和理论科学的限制，建模和模拟可以使我们能更加深入地探索所搜集到的有关我们星球的数据。,15,8.1 数字地球的核心技术,计算科学技术 海量存贮技术 卫星图像技术 宽带网络技术 互操作技术 元数据,16,美国航天局（NASA）每天产生1000G字节的信息，要求每天存贮和处理10 字节以上的设施。,海量存贮技术,15,17,大容量数据存贮,美国NASA的行星地球计划EOSAM1 99年上天，每天将产生1000GB（即1TB）的数据和信息。 1米分辨率影像覆盖广东省，大约有1TB的数据，而广东才是中国的1/53 所以要建立起中国的数字地球，仅仅影像数据就

6、有53TB，这还只是一个时刻的，多时相的动态数据，其容量就更大。,18,大容量数据存贮,目前美国的NASA和NOAA已着手建立用原型并行机管理的可存贮1800TM的数据中心，数据盘带的查找由机器手自动而快速地完成。 另一方面，为了在海量数据中迅速找到需要的数据，元数据（metadata）库的建设是非常必要的，它是关于数据的数据，通过它可以了解有关数据的名称、位置、属性等信息，从而大大减少用户寻找所需数据的时间。,19,8.1 数字地球的核心技术,计算科学技术 海量存贮技术 卫星图像技术 宽带网络技术 互操作技术 元数据,20,21,22,23,美国快鸟计划（2002）： 0.62米分辨率,24

7、,卫星图像技术,卫星遥感是数字地球获取数据的主要手段，包括不同高度、不同分辨率的陆地卫星系列、海洋卫星系列、气象卫星系列以及小卫星系列，其分辨率从l米到4000米。遥感数据的处理包括辐射纠正、几何纠正、增强、特征提取、自动分类、自动成图、数据压缩等等，高分辨率卫星每天都要产生大量的数据，对这些数据的自动的、快速的处理以实时、准确地提取信息是实现数字地球信息获取的关键。 提供1米分辨率的卫星图像是数字地球的重要技术指标。,25,卫星图像技术,卫星遥感数据的智能化获取技术 海量数据的快速处理技术 卫星遥感数据的智能化存取技术 多媒体海量数据压缩与复原技术,26,8.1 数字地球的核心技术,计算科学

8、技术 海量存贮技术 卫星图像技术 宽带网络技术 互操作技术 元数据,27,28,29,数字地球所需要的数据已不能通过单一的数据库来存贮，而需要由成千上万的不同组织来维护。数字地球的服务器需要由高速网络来连接。 数字地球需要的数据是由无数个、分布在不同部分、不同地点的，即分布式的数据库来存贮，并由高速网络来连接。 网络的传输速度目前要求10G/s，将来要求1000G/s 。,宽带网络技术,30,宽带的特点, 高传输带宽（提供100兆到大楼、10兆到桌面的高速接 提供各种多媒体服务（视频点播、远程教育、远程医疗、电子商务、举行电视会议、拨打视频电话等） 24小时随意上网，不受时间限制 全新的网络结

9、构，无需使用电话线 结构简单，维护方便 （只需增加一个附加设备即可） 可靠性和安全性高、扩展性强,31,远程多媒体教学网络示意图,32,远程医疗从广义上讲是使用远程通信技术和计算机多媒体技术提供医学信息和服务。它包括远程诊断、远程会诊及护理、远程教育、远程医学信息服务等所有医学活动。狭义远程医疗，包括远程影像学、远程诊断及会诊、远程护理等医疗活动。国外的发展已有近40年历史，在我国仅有十几年的时间。 宽带网的建设为远程医疗提供了高速的业务平台，远程医疗可以架构在会议电视技术之上，通过宽带网络可向用户提供远程问药、远程咨询、在线挂号等业务，医院也可通过远程医疗技术实现远程会诊、专家咨询等先进的医

10、疗服务。,远程医疗,33,远程视频监控,宽带IP网,摄像头 N,摄像头 1,服务器系统,用户 2,用户 1,监控信息,监控信息,报警讯号,报警讯号,查询监控信息,查询监控信息,远程视频监控系统示意图,摄像头 2,图像监控信息,监控信息,监控信息,34,网络互动游戏,35,利用宽带IP网向用户提供电影、电视剧、电视和新闻的实时点播和实时音频服务。,36,VOD视频点播,VOD的全称是Video on Demand，意即按需要的视频流播放。当您打开电视（或通过电脑观看视频节目），您可以不看广告，不为某个节目赶时间，随时直接点播希望收看的内容，好像播放刚刚自己家里录像机或VCD中视频一样。,37,智

11、能化家庭,家庭网络系统：由多媒体箱、网络线、同轴线组成家庭网络系统，实现网络家电高速上网、计算机互联、网上教育、电子商务、视频点播、通话、电视等。 安全防范系统：利用家庭网络、智能家庭控制中心及相应传感器等部件组成安全防范系统，实现防盗自身报警（家庭报警）、通知BP机报警、通知110报警等。 家庭控制系统：利用家庭网络控制中心等实现对家电电器的控制，如对电冰箱、电灯、热水器、空调等的控制。,38,8.1 数字地球的核心技术,计算科学技术 海量存贮技术 卫星图像技术 宽带网络技术 互操作技术 元数据,39,互操作技术,地理信息互操作技术、空间数据转换标准、转换格式及相关软件的研究也是实现数字地球

12、构想的基础与关键技术。 对于使用不同计算机硬件、操作系统和空间数据管理软件的用户，要实现易行而完整无损地将空间数据在系统之间转换，需制定并遵循统一的空间数据转换标准，提供转换机制，保证数据接收者能正确调用所需数据。,40,随着技术的发展，按照互操作规范开发的不同空间数据处理系统将逐步取代空间数据转换格式的中介作用，通过公共接口来实现不同系统之间、不同数据结构、不同数据格式的数据动态调用。 目前，国际标准化组织地理信息/地球信息业委员会(FGDC)、开放地理数据协会(OpenGIS协会)等单位都在致力于互操作技术的研究，寻求解决空间信息共享的方案。,互操作技术,41,互操作技术,OpenGIS是

13、为GIS的开放、集成、合作和人机和谐的标准和规范，可进行不同层次的互操作。 WebGIS是一个基于网络的、以地球空间信息的管理、开发、处理和应用为目标的技术系统。,42,第4代GIS技术,随着计算机硬件性能的提高以及面向对象、网络和数据挖掘等主流IT技术的发展，在科技部有关部门的倡导下，目前国内学术界又提出了第4代GIS技术的概念。,43,第4代GIS技术的特点,支持“数字地球” 概念的实现，从二维向多维发展，从静态数据处理向动态发展，具有时序数据处理能力。 基于网络的分布式数据管理及计算、Web-GIS和B/S体系结构，用户可以实现远程空间数据调用、检索、查询、分析，具有联机事务管理(OLT

14、P)和联机分析(OLAP)处理能力。 面向空间实体及其相互关系的数据组织和融合，具有矢量和遥感影像数据互动等多源数据的装载与融合能力，多尺度比例尺数据无缝融合。,44,第4代GIS技术的特点,具有统一的海量数据存储、查询和分析处理能力、基于空间数据的数据挖掘和强大的模型支持能力。 具有与其他计算机信息系统的整体集成能力。例如与MIS、ERP等各种企业信息化系统的无缝集成；微型、嵌入式GIS与各种掌上终端设备集成，如PDA、手机、GPS接收设备等。 具有虚拟现实表达及自适应可视化能力，针对不同的用户出现不同的用户界面及地图和虚拟现实效果。,45,网络GIS（WebGIS）,万维网(World W

15、ide Web简记为WWW，也称Web)实现于1990年的Next计算机上。 1992年CERN(欧洲粒子研究中心)公开发表了万维网，至1994年万维网己成为访问因特网资源的最好手段。我国在1994年春开始在Internet上建立万维网服务器。浏览万维网资源的著名浏览器有美国网景(Netscape)公司的Navigation和微软公司的Explorer。,46,WebGIS的网络模式,GIS(地理信息系统)建设首先是网络建设，网络在整个GIS项目中处于至关重要的地位。GIS应用与常规事务处理有很大不同，突出表现在巨大的数据量、复杂的处理方式、空间的分布性，以及对安全容错机制的要求上 ，网络设计

16、必须满足：,47,WebGIS的网络模式,网络性能高，传输速率快 GIS处理对象以图形图像为主，数据量大，非常规类型。用户较多时，网络传输繁重，容易造成网络阻塞，因而要求有足够带宽和灵活的传送技术。 Client/Server、Intranet结构 分布式数据处理GIS系统是一个有机组合的群体，通过网络将地理上分散、具有自治功能的多个计算机系统互联，实现信息交换、资源共享和协同工作。支持空间分布性、联机事务处理、多用户并发操作，是GIS网络基本特征。,48,WebGIS的网络模式,数据的同步传输 多媒体数据同步传输GIS处理越来越多地涉及声音、动画、影视等多媒体数据，因此需要实现时间敏感数据的

17、同步传输。 安全机制 图形修改、拓扑关系建立等空间操作的复杂性，长型事务处理都要求独占主机和网络资源，网络必须对此提供足够的支持，而且一旦操作失败，应具备容错和恢复等安全机制。 多平台多协议多设备 必须同时支持UNIX、NT、Windows等操作系统及Web/Browser应用；设备选择涉及扫描仪、绘图仪、数字化仪、磁盘阵列、集线器、交换机、路由器、远程访问服务器等各个方面。,49,更广泛的访问范围。方便GIS的数据管理，使分布式的多数据源的数据管理和合成更易于实现。 平台独立性。 操作时，与服务器类型和操作系统无关，与GIS软件无关。 大规模降低系统成本和减少重复劳动。客户端不需要配备昂贵的专业GIS软件 ，数据得到共享。 操作简单。,WebGIS特点,50,虚拟现实(VR，Virtual Reality)技术 虚拟现实技术，是指运用计算机技术生成一个逼真的，具有视觉、听觉、触觉等效果的可交互、动态的“世界”，人们可以对该虚拟世界中的虚拟实体进行操纵和考察，用户与虚拟现实系统的交互利用数据手套、数据头盔、数据衣等进行，而VR系统通过视觉描绘器，听觉描绘器，触觉描绘器