《_数字地球_科学工程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《_数字地球_科学工程（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、_ _数字地球数字地球_ _科学工程科学工程第 1 期1999 年 6 月地球信息科学GEO 一 INFORMATIONSCIENCE到 0.1J 皿 e，1999“数字地球”科学工程崔伟宏李小娟(中国科学院遥感应用研究所)摘要“数字地球”是集科学、技术和工程于一体的一项宏伟的科学体系。 “数字地球”由基础研究、技术支撑和科学工程三部分组成，其中科学工程是“数字地球”的核心和目标。文章在我国“数字地球”科学工程现状分析的基础上，结合国情，对我国“数字地球”科学工程的发展提出了建议。关镇词“数字地球”科学体系“数字地球”科学工程“数字地球”一经提出，立刻引起世界范围内的广泛关注。尽管目前对“数字
2、地球”的认识还是粗浅的，但没有人否认“数字地球”的建立将会改变人类社会生产和生活方式。1“数字地球”科学体系“数字地球”是集地球科学、信息科学、计算机科学、空间探测和数字通讯等诸多学科理论、技术于一体，以工程建设和产业化发展为导向的、旨在促进 21 世纪人类社会可持续发展的一项宏伟的科学体系。它不单是几门学科的综合或几种技术的集成，而是由理论、技术和工程构成的三位一体的、庞大的系统工程，我们称之为“数字地球”科学体系。戈尔在“数字地球”讲话中指出， “数字地球”是一种能嵌入巨量的地理信息、对我们星球所做的多分辨率、三维的描述。它由用户界面呈现某种可浏览的、适于各种分辨率的三维地球图像界面和一种
3、快速增长川，拥有连网的地理空间信息系统，与整合和显示来自不同渠道的信息机制这两部分组成。因此， “数字地球”的目的是要建立可运行的、网络化的地理信息系统，这是“数字地球”科学体系的核心和目标。“数字地球”科学体系由基础研究、技术支撑和科学工程三部分组成。 “数字地球”的基础研究建立在传统分支学科研究的基础上，研究内容覆盖面广、综合性强，它与传统分支学科研究的区别在于:将地球作为一个有机的整体，研究海、陆、气和生物等地球组成要素之间的相互联系、相互作用的规律，进而建立地理现象发生、发展的物理模型、数学模型、信息模型等。数字地球技术支撑体系由数据采集、存储、传输、处理和显示等技术组成。我国“数字地
4、球”技术支撑体系的建立必须符合我国的国情。空间数据采集技术的主体应由卫星遥感、高空机载遥感和中低空机载遥感系统构成，分别面向 1:10 万、1:1万一 1:10 万和 1:50001:1 万比例尺图的应用。技术支撑应包括:构建宽带数据网、建本大是在国家 863 计划 308 主题专家组，国家遥感应用工程技术研究中心联合主办“数字地球”学术研讨会上所作“数字地球”科学工程报告的基础上修改完成。1 期崔伟宏等:“数字地球”科学工程立国家空间数据基础设施(NSDI)、发展超级计算机、大容量时空数据存储、管理、模拟仿真和虚拟现实、显示等。 “数字地球”科学工程是在“数字地球”的基础研究和技术支撑体系的
5、共同支持下，通过软件开发和硬件集成，建立可运行的、分布式和开放的网络信息系统，服务于我国社会经济发展、环境保护、科学研究和知识的传播。2“数字地球”科学工程“数字地球”科学体系以科学工程为核心，尤其是进入知识经济时代，更加注重知识创新，注重科学技术对推动经济发展的重要作用。 “数字地球”科学工程既推动基础研究，提出目标、方向和要求，同时也促进科学技术转化为生产力，增加就业机会、创造财富。进而推动国民经济的发展。戈尔在“数字地球”报告中指出的四个方面的“潜在应用”和“未来方向”的五个应用领域，指的都是“数字地球”科学工程，也就是说是通过“科学工程”来实现“数字地球” 。2.1 继承与发展任何一种
6、科学发现或者科学创新，大体有三种不同类型:第一、原来没有的，是一种完全创新的新事物，例如当年卫星的发射、原子弹的爆炸、信息高速公路的建立等;第二、原来就有的，但是不断地完善和发展，达到一种新的水平、新的高度。例如产品的优化与集成。第三、在原有基础上，若干领域互相渗透、组合和创新产生了新的事物。例如机器人和现代通讯技术。我们认为“数字地球”基本上属于第三种。回顾一下历史，一条线是空间技术的发展，从遥感、地理信息系统、全球定位系统、智能专家系统，一直发展到地球信息科学(GeoesinformationScience);另一条线是信息科学从局域网、因特网，一直发展到建立全球信息高速公路。 “数字地球
7、”不是从天而降来的，而是这两方面技术相互结合逐步发展起来的。2.2 科学与工程“数字地球”科学工程是把科学和工程两者相结合:因此科学工程就比一般的工程具有更多的开创性、探索性和规律性。实施“数字地球”科学工程要包括:(1)目标设计一确定工程目标工;(2)研究一探索“数字地球”的工作原理和方法;(3)开发一解决科学应用于实践中遇到的问题;(4)工程设计一提出最优工程方案;(5)施工一材料准备，软硬件研制;(6)生产一确定工艺流程、产品试验和质量控制;(7)操作一方法和系统运行;(8)管理一系统管理;(9)培训一人员培训。以上是实施“数字地球”科学工程的重要环节，也是作为工程区别于基础研究，能够真
8、正进入实用化的重要关键。2.3 集成与创新“数字地球”科学工程是在“数字地球”基础研究和“数字地球”技术支撑体系的共同支持下逐步发展。但这并不说明“数字地球”科学工程一定要等基础研究取得进展，一定要等待 1 米分辨率的卫星图像获取以后，或者宽带网络发展到 1 任E 字节的信息后再启动。这不但没有必要而且也不可能，因为“数字地球”科学工程本身是推动基础研究和技术支撑发展的最强有力的推动力。“数字地球”科学工程的发展大体可以分为起步阶段，发展阶段和成熟阶段(图 1)。地球信息科学 1999 年 6 月起起步阶段:集成成分分分分分分分分分分分分分分分分分分分分布布布分布布布时时时时时时时时时时时时时
9、空空网网网网兀兀兀空间间间分布布布网络络络式空空空式决决决空空空空空空空空空空空空分析析析析析络络络络数数数数据据据式对对对数据据据间查查查策支支支数数数数数数拓拓拓数数数与模模模数数信信信信据据据仓库库库象代代代动态态态询与与与持持持据据据据据据扑扑扑据据据拟拟拟字字息息息息库库库体系系系理理理访问问问分析析析析析模模模结结结分分分库库库库库地地标标标标标标标标标标标标标标标标型型型构构构析析析析析析析球球准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准准基基础础础础础础础础础研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研研
10、研研研研研国国国国国土资源源源城市信息息息灾害监控控控作物估产产产农业可持续发展展展土地动态监测测测究究数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数字字字字字字地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地球球球球数字区域域域数字城市市市数字农业业科科科科科科科科科科科科科科科科科科科科科科科科学学学学学学学学学学学学学学工工工工发展阶段:创新新程程程程程程程程程程程程程程不不不不不不不不不不不不不范范范范虚拟技术术术数数区区区区区区区区区区区字字地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地
11、地动动动动态环环环实时三三三喜售售售 VR 系统开开开分布式式式系统集成(信息同步、模型标定、数据据据球球境境境境建模模模维图形形形显不不不发平台台台 VR 技术术术转换、数据管理、识别与合成技术)技技术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术支支支支支支撑撑撑撑撑撑撑撑撑撑撑撑撑撑撑撑撑撑撑撑撑撑撑撑撑撑撑撑虚虚拟战争争争虚拟海港港港虚拟旅游游游捕捉罪犯犯犯犯机机理突破破破进入千家万户户“数字地球”科学工程 图 1“数字地球”科学工程的发展(1)起步阶段一集成“八五” 、 “九五”期间建立的为数众多、不同层次的信息系统工程，是起步阶段最
12、有力的工作基础。例如:灾害监控信息系统、作物估产信息系统、农业可持续发展信息系统、土地动态监测系统、农业专家系统以及城市信息系统和国土资源信息系统等。这些系统本身并不等于“数字地球” 。需要对现有的信息系统进行改造，改造的核心是集成，包括网络集成和时空集成。网络集成一“数字地球”是在广域网概念基础上建立起来的，就象戈尔所说的“拥有联网的地理空间信息系统是“数字地球”的重要组成部分” ，因此网络是“数字地球”不可 1 期崔伟宏等:“数字地球”科学工程缺少的基础特征。网络集成意味着首先要将这些工程系统网络化，建立 Web 服务站点，建立空间数据仓库体系，建立在网络支持下的对象代理服务机制，实现数据
13、的动态访问、查询、空间分析与决策，建立元数据库和网络信息标准、实现数据的共享。目前我们很多信息系统还不具备分布式空间信息系统的功能。时空集成一“数字地球”是在大量历史长河数据基础上建立起来的。目前存在的空间信息系统基本上是二维的或者二点五维的。正如江泽民总书记去年六月会见两院院士时所提出的“四维空间” ，X、Y、Z 再加上一个时间工，这就把时间和空间提到同等重要的地位。只有真正地建立了时空数据库，建立了时空数据模型、能够进行时空拓扑分析和时空模型分析，才有可能实现“数字地球”时空仿真和时空事件的反演。上面所说的网络集成、时空集成是从纵向和横向两个方面对现有的信息系统进行改造，利用网络集成技术实
14、现数据获取、数据处理和建立分析模型，发展分布式数据库体系和分布式模型体系，完善 WEBGIS 系统。(2)发展阶段一创新“数字地球”科学工程的发展阶段是指“数字地球”技术支撑体系有了长足进步，为“数字地球”科学工程进入发展阶段创造了条件以后。例如因特网的宽频带已经接近或达到101 三字节信息，大规模存贮器接近或达到 1015 字节的信息，获取了 1 米分辨率的遥感图像等。“数字地球”科学工程发展阶段的重要标志是虚拟现实。即在计算机图形学、仿真技术、人一机接口技术、多媒体技术以及传感器技术的基础上发展起来的一门交叉技术，是利用计算机生成一种模拟环境，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现
15、用户与该环境直接进行自然交互的技术: ，5 口。虚拟技术的蓬勃发展将有力的推动动态模拟、动态仿真和动态规划。它必须有大容量的数据存贮、快速的数据处理和宽频信息通道的技术支撑。例如虚拟旅游、虚拟灾害、虚拟海港、虚拟战争等。“创新”将贯穿“数字地球”科学工程的全过程，因为我们在新的技术支撑体系下，原有的信息工程中的基础，如数据库体系、模型体系，已经不再适合或者至少一部分不再适用。(3)成熟阶段一普及“数字地球”科学工程发展到成熟阶段，是在“数字地球”基础研究取得重要进展和新一代网络技术走入千家万户之后。成熟的标志应该是普及，由于基础研究对“数字地球”的物理机制，信息机制和网络机制有了实质性的突破，
16、人类对于“数字地球”的规律有了新的认识，人类才能对“数字地球”应用自如，使“数字地球”具备了实用化的可能，这就使“数字地球”科学工程真正地进入成熟阶段。3 我国“数字地球”科学工程发展的若干建议3.1 示范辐射战略从“数字地球”科学工程发展的角度，我们提出示范辐射战略，通过试验和示范双重作用，带动一个地区或者一个方面建立“数字地球”科学工程，要围绕国家经济建设的需求选取示范目标。例如，发展农业、环境保护、城市建设等。有了明确目标，选择适当区地球信息科学 2999 年 6 月域建立示范工程，带动和辐射一个领域或者一个更大的区域，这样做是有重要战略意义的。3.2 信息共享“数字地球”科学工程走向实用化的关键是否能做到信息共享，第一要解决数据标准化，特别是元数据的标准化。第二要有一个适合中国国情的数据共享政策，应将政府投资获取的数据实现共享，在保护知识产权的前提下，解决行业垄断及不合理的收费，使信息真正成为社会的共同财富。3，3 多元化经济支排我国经济发展走上多元化道路，除国家、地方、部门以外，还有国有、集体、私有经济。 “数字地球”科学工程应该得到国家经费的大力支
