数字地球导论大作业

数字地球导论大作业前言随着科学技术的进步，人类研究地球的手段也越来越先进,研究的对象越来越多。数字地球技术也得到了前所未有的发展。遥感和GPS的发展为数字地球的发展提供了更先进的技术平台，近几年我国的数字地球也在快速的发展和成熟。本文将谈谈3S技术等地学的前端技术在数字地球中的应用，对数字地球带来的发展及数字地球的发展前景。关键词数字地球3S技术我国发展一.数字地球简介数字地球是美国副总统戈尔1998年初提出的，是一个以地球坐标为依据的、具有多分辨率的海量数据和多维显示的地球虚拟系统，其核心内容是全球信息数字化。数字地球看成是“对地球的三维多分辨率表示、它能够放入大量的地理数据”。在接下来对数字地球的直观实例解释中可以发现，戈尔的数字地球学是关于整个地球、全方位的GIS与虚拟现实技术、网络技术相结合的产物。“数字地球”不是一个孤立的项目，而是一项整体性的、导向性的国家战略目标，它包括信息的获取、信息的处理和信息的应用。数字地球以因特网为基础，以空间发展为依托，以虚拟现实技术为特征，是具有三维界面和多种分辨率浏览器面向公众的开放系统，其主要组成一般包括以下三部分：数据系统，软硬件系统和应用模型。数字地球是地球科学与信息科学技术的综合，是一门综合性的科学技术。数字地球的特点是大规模、高投入、跨学科、全球性，数字地球技术是近几年发展特别快的几个科学技术之一。数字地球需要有很多技术作为支持的平台，因此比如遥感测绘等技术的发展从很大程度上将决定数字地球的发展。“数字地球”就是数字化的地球，信息化的地球，或地球信息化；信息化的问题就是数字化、网络化、智能化。数字地球的核心思想有两点：一是用数字手段统一处理地球问题；二是最大限度的利用信息资源，并使普通百姓能够通过一定方式方便的获得他们想要了解的有关地球的信息。戈尔通过“数字地球”概括、展望了21世纪发展的特点、方向；建“数字地球”是要达到把地球空间信息资源的共享这一最主要的目标；“数字地球”是一个全球共同使用空间信息的一个环节和平台；它的社会效益、经济效益，包括把它当作一个新经济增长点，都是很实在的。全球变化与社会可持续发展已成为当今世界人民关注的重要问题，数字化表示的地球为我们研究这一问题提供了非常有利的条件。在计算机中利用数字地球可以对全球变化的过程规律影响以及对策进行各种模拟和仿真，从而提高人类应对全球变化的能力。数字地球可以广泛的应用于对全球气候变化，海平面变化，荒漠化，生态与环境变化，土地利用变化的检测。与此同时，利用数字地球，还可以对社会可持续发展的许多问题进行综合分析与预测，如：自然资源与经济发展，人口增长与社会发展，灾害预测与防御等。与此同时，在社会经济方面，数字地球可以容纳大量行业部门，企业和私人添加的信息，进行大量数据在空间和时间分布上的研究和分析。例如国家基础设施建设的规划，全国铁路交通运输的规划，海岸带开发。从贴近人民的生活看，房地产公司可以将房屋信息链接到数字地球上；旅游公司可以将酒店旅游景点包括它们的风景照片和影像放到公共的数字地球上；世界著名博物馆和图书馆可以将其收藏以图像声音文字的方式放到数字地球上；甚至商店可以将货架上的商店制作成多媒体或虚拟产品放到数字地球中，让用户任意挑选。另外，在相关技术研究和基础设施方面也将起到巨大的推动作用。因此，数字地球的推进必将对社会经济与人民生活产生巨大影响。二.数字地球的技术基础要在电子计算机上实现数字地球不是一个很简单的事，它需要诸多学科，特别是信息科学技术的支撑。这其中主要包括：信息高速公路和计算机宽带高速网络技术、高分辨率卫星影像、空间信息技术、大容量数据处理与存贮技术、科学计算以及可视化和虚拟现实技术。1.信息高速公路和计算机宽带高速网一个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。这意味着参与数字地球的服务器将需要由高速网络来连接。为此，美国克林顿总统早在1993年2月就提出实施美国国家信息基础设施（NII），通俗形象地称为信息高速公路，它主要由计算机服务器、网络和计算机终端组成。美国为此计划投入4000亿美元，耗时20年。到2000年的目标是提高生产率20~40%，获取35000亿美元的效益。在Internet流量爆发性增长的驱动下，远程通信载体已经尝试使用10G/S的网络，而每秒1015byte的因特网正在研究中。相信在21世纪将会有更加优秀的宽带高速网供人们使用。2.高分辨率卫星影像本世纪的遥感卫星影像，在卫星遥感问世的20多年分辨率已经有了飞快的提高，这里所说的分辨率指空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率。空间分辨率指影像上所能看到的地面最小目标尺寸，用像元在地面的大小来表示。从遥感形成之初的80米，已提高到30米，10米，5.8米，乃至2米，军用甚至可达到10cm。到下一世纪获取1m或优于1m的空间分辨率影像将会十分方便。光谱分辨率指成像的波段范围，分得愈细，波段愈多，光谱分辨率就愈高，现在的技术可以达到5~6nm（纳米）量级，400多个波段。细分光谱可以提高自动区分和识别目标性质和组成成分的能力。时间分辨率指重访周期的长短，目前一般对地观测卫星为15~25天的重访周期。通过发射合理分布的卫星星座可以3~5天观测地球一次。高分辨率卫星遥感图像在下一世纪将可以优于1米的空间分辨率，每隔3~5天为人类提供反映地表动态变化的详实数据，从而实现秀才不出门，能观天下事的理想。3.空间信息技术与空间数据基础设施空间信息是指与空间和地理分布有关的信息，经统计，世界上的事情有80%与空间分布有关，空间信息用于地球研究即为地理信息系统。为了满足数字地球的要求，将影像数据库、矢量图形库和数字高程模型（DEM）三库一体化管理的GIS软件和网络GPS，将在下一世纪十分成熟和普及。从而可实现不同层次的互操作，一个GIS应用软件产生的地理信息将被另一个软件读取。当人们在数字地球上，进行处理、发布和查询信息时，将会发现大量的信息都与地理空间位置有关。例如查询两城市之间的交通连接，查询旅游景点和路线，购房时选择价廉而又环境适宜的住宅等都需要有地理空间参考。由于尚未建立空间数据参考框架，致使目前在万维网上制作主页时还不能轻易将有关的信息连接到地理空间参考上。因此，国家空间数据基础设施是数字地球的基础。国家空间数据基础设施主要包括空间数据协调管理与分发体系和机构，空间数据交换网站、空间数据交换标准及数字地球空间数据框架。这是美国克林顿总统在1994年4月以行政令下发的任务，美国将于2000年元月初步建成，我国也将在跨世纪之际，抓紧建立我国基于1:50000和1:10000比例尺的空间信息基础设施。欧洲、俄罗斯和亚太地区也都纷纷抓空间数据基础设施。空间数据共享机制是使数字地球能够运转的关键之一。国际标准化组织ISO/TC211工作组正为此而努力工作。只有共享才能发展，共享推动信息化，信息化进一步推动共享。政府与民间的联合共建是实现共享原则的基本条件，因为任何国家的政府也不可能包揽整个信息化的建设。在我国，要遵循这一规律就必然要求打破部门之间和地区之间的界限，统一标准，联合行动，相互协调，互谅互让，分工合作，发挥整体优势。只有大联合才能形成规模经济的优势，才能在国际信息市场的激烈竞争中争取主动。4、大容量数据存贮及元数据数字地球将需要存贮1015字节的（Quadrillions）信息。美国NASA的行星地球计划EOS—AM199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，其容量就更大了。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，相信到下一世纪，还会有新的突飞猛进。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。5、科学计算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。利用数据挖掘（DataMining）技术，我们将能够更好地认识和分析所观测到的海量数据，从中找出规律和知识。科学计算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。6、可视化和虚拟现实技术可视化是实现数字地球与人交互的窗口和工具，没有可视化技术，计算机中的一堆数字是无任何意义的。数字地球的一个显著的技术特点是虚拟现实技术。建立了数字地球以后，用户戴上显示头盔，就可以看见地球从太空中出现，使用“用户界面”的开窗放大数字图像；随着分辨率的不断提高，他看见了大陆，然后是乡村、城市，最后是私人住房、商店、树木和其它天然和人造景观；当他对商品感兴趣时，可以进入商店内，欣赏商场内的衣服，并可根据自己的体型，构造虚拟自己试穿衣服。虚拟现实技术为人类观察自然，欣赏景观，了解实体提供了身临其境的感觉。最近几年，虚拟现实技术发展很快。虚拟现实造型语言（VRML）是一种面向Web、面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。它不仅支持数据和过程的三维表示，而且能使用户走进视听效果逼真的虚拟世界，从而实现数字地球的表示以及通过数字地球实现对各种地球现象的研究和人们的日常应用。实际上，人造虚拟现实技术在摄影测量中早已是成熟的技术，近几年的数字摄影测量的发展，已经能够在计算机上建立可供量测的数字虚拟技术。当然，当前的技术是对同一实体拍摄照片，产生视差，构造立体模型，通常是当模型处理。进一步的发展是对整个地球进行无缝拼接，任意漫游和放大，由三维数据通过人造视差的方法，构造虚拟立体。三.数字地球与3s技术近几年来,信息技术革命席卷全球，数字地球应运而生。所谓数字地球主要指应用地球空间信息技术，包括地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）、遥感（RS）等新型信息技术，以数字的方式获取、处理和应用关于地球自然和人文的各种空间数据,并在此基础上寻求解决全球各种问题的方法，并最大化地对信息资源进行共享利用。数字地球及相关地理空间信息技术的成熟，使人类对地球空间数据进行处理、分析的技术手段和观念发生了翻天覆地的变化。目前人们可以把有关地球的大量的、多分辨率的、三维的、动态的数据按地理坐标集成起来，形成一个虚拟地球。借助于这个数字地球，人们无论在哪里，都可以按地理坐标随时了解地球上任何一处。任何方面的信息。数字地球是对真实地球及其相关现象统一性的数字化重现和认识，数字地球包括以下系统：数据的获取、处理、存储、信息提取、分析、传送、数据库、网络等。目前，全球数字化取得了突飞猛进的发展。在全球信息数字化的实施过程中,地理空间信息技术3S(GIS、GPS、RS)起着十分重要的作用,以地理信息系统GIS为核心的数字系统集成构架出了虚拟的数字地球。地理信息系统（GeographicalInformationSystem，GIS）是在地学及计算机辅助制图基础上发展起来的一门综合应用系统，近年发展迅速。它能把各种专业工程信息同地理空间信息和相关地图结合起来，并把地学、计算机技术、网络技术等结合起来，利用计算机图形与数据库技术来采集、存储、编辑、显示、输出并分析地理图形及相关专业数据，从而为决策分析提供依据。3S的应用非常广泛，包含交通、国土资源、电力、水利、农林、环境保护、金融、电信、地矿、油气勘探等国民经济各领域。目前，各行业纷纷开展数字化运动,即应用3S技术提升传统行业科技水平，3S的应用领域正在不断扩大。数字地球的核心是地球空间信息科学，地球空间信息科学的技术体系中最基础和基本的技术核心是3S技术及其集成。所谓3S是全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS