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第九章GIS新技术与数字地球简介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。4代GIS技术第4代GIS技术主要有如下特点:1、支持“数字地球”或“数字城市”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。2、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(OLTP)和联机分析(OLAP)管理能力。3、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、互动。4代GIS技术4、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。5、具有与其他计算机信息系统的整体集成能力。例如与MIS、ERP、OA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。6、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。组件式GIS（ComGIS）GIS技术的发展，在软件模式上经历了功能模块、包式软件、核心式软件，从而发展到ComGIS和WebGIS的过程。组件式软件是新一代GIS的重要基础,ComGIS是面向对象技术和组件式软件在GIS软件开发中的应用。COM是组件式对象模型(ComponentObjectModel)的英文缩写，是OLE(ObjectLinking&Embedding)和ActiveX共同的基础。COM不是一种面向对象的语言，而是一种二进制标准。COM所建立的是一个软件模块与另一个软件模块之间的链接，当这种链接建立之后，模块之间就可以通过称之为“接口”的机制来进行通信。组件式GIS（ComGIS）ActiveX是一套基于COM的可以使软件组件在网络环境中进行互操作而不管该组件是用何种语言创建的技术。作为ActiveX技术的重要内容，ActiveX控件是一种可编程、可重用的基于COM的对象。ActiveX控件通过属性、事件、方法等接口与应用程序进行交互。ComGIS的基本思想是把GIS的各大功能模块划分为几个控件，每个控件完成不同的功能。各个GIS控件之间，以及GIS控件与其它非GIS控件之间，可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的GIS应用。ComGIS特点高效无缝的系统集成无须专门GIS开发语言大众化的GIS成本低传统GIS软件与用户或者二次开发者之间的交互，一般通过菜单或工具条按钮、命令以及二次开发语言进行。ComGIS与用户和客户程序之间则主要通过属性、方法和事件交互。专业模型ComGIS控件其他控件GIS应用集成系统VisualBasic等可视集成开发环境ComGIS控件（ActiveX服务器）集成开发环境（ActiveX容器）与其他COM组件方法事件属性数字地球数字地球这一科学畅想是由美国副总统戈尔提出的。他于1998年1月3日在美国加利福尼亚科学中心发表了《数字地球：认识21世纪的星球的方式》的讲演。他认为，应构建一个数字地球，为信息高速公路提供一种重要的信息“货源”。数字地球并非一个孤立的科技项目或技术目标，而是一项整体性的、导向性的战略思想。数字地球在戈尔的文章内，他将数字地球看成是“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。显然，面对如此一个浩大的工程，任何一个政府组织、企业或学术机构，都是无法独立完成的，它需要成千上万的个人、公司、研究机构和政府组织的共同努力。数字地球要解决的技术问题，包括计算机科学、海量数据存贮、卫星遥感技术、宽带网络、互操作性、元数据等。可以预见，随着地球空间信息学的发展，而建立起的数字地球，必将促进测绘事业的现代化，为测绘事业与整个国民经济建立更加紧密的联系，作出更大的贡献，在未来和知识经济社会中产生巨大的经济效益和社会效益。数字地球学术界的定义：数字地球是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，并利用它作为工具来支持和改善人类活动和生活质量。数字地球美国提出数字地球这一战略构想，有深刻的政治和经济目的：一是刺激其国内经济发展。二是美国全球战略的延续和发展。三是美国信息高速公路和国家空间数据基础设施的自然延伸。美国前总统克林顿1993年2月签署法令，决定建设全美的信息高速公路。1994年4月又签署了“有关建立国家空间数据基础设施”的12906号行政命令，要求美国测绘部门和有关机构提供（地球）空间数据框架，包括大地测量控制、数字正射影像、数字高程模型、道路交通、水系、行政境界、地籍等基础数据集，同时建立空间数据协调、管理机构与机制，制定空间数据标准，建立空间数据交换网络体系。数字地球“数字地球”是信息技术发展与建设到一定阶段而提出来的前瞻性的信息化概念，它涉及到的大部分理论、技术、数据和应用都与现有的直接相关，更为重要的是，“数字地球”与现有的相关工作的根本区别在于，它是从更高的层次、系统论和一体化的角度来组合和应用已有和正在发展的理论、技术、数据和能力（含人员、软件、硬件），从而更广泛地、更深入地、更有效地、更经济地为社会提供服务。数字地球的基础框架数字地球的基础理论数字地球的技术体系数字地球的应用领域数字地球的基础框架“数字地球”的基础框架，它包括下列工作：1．建立2维与3维间的投影关系，这是数字地球的骨架；2．在现有各种比例尺地形图的基础上，用遥感影像加速更新、建立数字地球的数据基底；3．研究真3维GIS（地理信息系统）的构建方法，以便容纳和操作海量的真3维数据；4．制定数据标准，适应多部门数据采集和共享。数字地球基础理论地球系统的信息理论地球系统的系统理论地球系统的非线性与复杂性特征数字地球的技术体系基础设施国家信息基础设施（NII）国家空间信息基础设施（NSDI）对地观测系统（EOS）全球观测信息网络（GOIN）METADATA标准与规范、法规系统安全数字地球的技术体系数字地球的主要关键技术：高分辨率卫星遥感数据的快速获取技术空间高精度实时定位技术海量数据的快速处理与存储技术高速计算机信息网络技术超媒体与分布式空间信息系统技术地理信息的分布式计算地球数据的无级比例尺信息综合技术空间数据仓库空间数据仓库模型与数据挖掘理论研究多种数据的融合技术数字地球的仿真与虚拟现实技术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2010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，美国于2000年元月初步建成，我国也在跨世纪之际，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1800TB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。数字地球的应用数字地球与数字城市数字地球与数字江河数字地球与数字农业数字地球与数字交通数字地球与现代战争数字城市