第十九章地球信息科学和数字地球

球形的地代替了平面的地，引起了大地观念的依次彻底变化。这时人们无须扩展大地的圆盘以远远超过有人烟的地区，而认为有人烟的地区只包括地球的一小部分，更大的空余地面则可留待假说玄想去填充……阿尔夫雷德.赫特纳第十九章地球信息科学和数字地球导读：本章介绍了GIS发展的一些最新的概念，包括地球信息科学，数字地球等等，这些概念的具体含义至今仍在变化。数字地球与其说是一门技术，不如说是一个政策，它是GIS应用发展的顶点。最后介绍了国家空间数据基础设施，它是一个国家推广GIS应用重要的第一步。1．地球信息科学1．1几个相关概念近十几年来，随着遥感，全球定位系统，地理信息系统以及计算机网络技术的发展，出现了一系列新的、意义相近的、与地理信息系统相关的名词，如地理信息科学（GeographicalInformationScience），地球测量（Geomatics，地球信息学[宫鹏]，地球空间信息学[李德仁]），地球信息学（Geo-Informatics），地球信息科学（Geo-informationScience）等等，这些概念提出的时间还都不长，其含义存在交叉，目前国内对其确切的译名有些也存在着争论，下面介绍地理信息科学，地球测量的概念以及地球信息科学的概念和内容。1．1．1地理信息科学地理信息科学是1992年Goodchild提出的，与地理信息系统相比，它更加侧重于将地理信息视作为一门科学，而不仅仅是一个技术实现，主要研究在应用计算机技术对地理信息进行处理、存储、提取以及管理和分析过程中提出的一系列基本问题，包括：1）分布式计算2）地理信息的认知3）地理信息的互操作4）比例尺5）空间信息基础设施的未来6）地理数据的不确定性和基于GIS的分析7）GIS和社会9）地理信息系统在环境中的空间分析10）空间数据的获取和集成等等地理信息科学在对于地理信息技术研究的同时，还指出了支撑地理信息技术发展的基础理论研究的重要性。1．1．2GeomaticsGeomatics被定义为利用各种手段，通过一切途径获取和管理在空间基础信息生产管理过程中的空间参考数据部分的科学与技术[Gagnon]。Geomatics还有其它的一些定义，这些定义有不同的表述，但是其要旨基本上是一致的：1）定义空间参考基础2）建立和使用对空间参照物体和现象进行定位和量测的方法、技术和工具3）整合不同参考系统中的数据4）提供合格数据5）运用计算机技术改善数据的处理、存储和发行Geomatics包括大地测量、地籍测量、摄影测量与测深等传统测绘领域以及遥感和空间信息系统等新领域，可以认为是测绘学应现代社会对空间信息有极大需求这一特点提出的一个更全面、更综合的学科体系。1．1．3地球信息科学随着以地理信息系统技术为核心的遥感、全球定位系统等技术的发展以及其间的相互渗透，逐渐形成了3S集成化技术系统，为解决区域范围更广，复杂性更高的现代地学问题提供了新的分析方法和技术保证。七十年代以来，由于整个人类社会面临的人口、资源、环境和发展等各方面的问题，逐渐开始重视全球变化（GlobalChange）以及可持续发展（SustanableDevelopment）等方面的研究，这两个方面的推动，最终促成了地球信息科学的产生。地球信息科学以信息流的手段研究地球系统内部的物质流、能量流和人流的运动状态和方式（图19-1），它由三部分组成，“地球信息学”是其理论研究的主体，“地球信息技术”是其研究手段，“全球变化和区域可持续发展”是其主要应用领域。[陈述彭]数据传递通讯网络信息加工目的、计划和策略信息产生信息传递地理信息系统专业模型、专家系统因特网传感器信息获取地球数据流地球信息流策略信息流地球系统物质流、能量流、人流人和工程设施信息使用图19-1：信息流和地球系统内部物质流、能量流和人流的关系1．2地球信息科学的研究内容地球信息科学的本质是从信息流的角度来揭示地球系统的发生、发展及其演化规律，从而实现资源、环境和社会的宏观调控，作为其理论核心的地球信息机理研究包括：1）地球信息的结构、性质、分类和表达；2）地球圈层间信息传输机制、物理过程及其增益和衰减以及信息流的形成机理；3）地球信息的空间认识及其不确定性与可预见性；4）地球信息模拟物质流、能量流和人流相互作用关系的时空转换特征；5）地球信息的获取和处理的应用基础理论等。作为地球信息科学的研究手段，地球信息技术包括：1）地球数据获取技术用以从外部世界获得记录地球性质和状态的地球数据。遥感、全球定位系统等地球数据获取技术的发展已经形成了覆盖全球的监测运行系统，建立起多层次、立体的对地观测系统（EOS,EarthObservationSystem），是快速获取和更新地球数据的主要技术手段。2）地球信息模拟技术用于将地球数据转化为地球信息，包括地球空间信息的加工、再生以及获得有关某一地球空间问题解决的目的、计划和策略信息。3）地球信息传播技术用以实施空间数据的传递和信息的传播。2．数字地球的产生背景以及其概念数字地球（TheDigitalEarth,DE）的概念最早出现于1997年下半年，1998年戈尔在一次演讲中将数字地球正式提了出来。数字地球的提出是建立在人类科学技术发展成果的基础上，有其深刻的社会、经济背景。数字地球的科学背景，包括地理信息科学，地球信息科学等一系列学科，这些学科的发展，为数字地球的产生打下了理论基础；对地观测系统以及计算机网络的发展为数字地球提供了技术支持；全球变化和可持续发展的研究对数字地球的出现起到了推动作用。（图19-2）地理信息系统遥感、GPS等测绘技术地球信息技术地理信息科学Geomatics地球信息科学地球系统科学数字地球全球变化可持续发展其它学科理论技术支撑计算机技术（网络，虚拟现实…）政策应用图19-2：数字地球和其它理论以及技术的关系数字地球的基本概念，可以归纳为以下三个方面：1）数字地球是指数字化的三维显示的虚拟地球，或指信息化的地球，包括数字化、网络化、智能化和可视化的地球技术系统；2）实施数字地球计划，需要有政府、企业和学术界的共同协力参加。实施数字地球计划是社会的行为，需要全社会的关心和支持；3）数字地球是一次新的技术革命，将改变人类的生产和生活方式，进一步促进科学技术的发展和推动社会经济的进步。与地球信息科学、地理信息科学、Geomatics等一系列学科概念以及遥感、GPS、因特网等技术名词相比，数字地球更象是一项技术政策，在一定程度上涵盖了上述的领域，“更加通俗易懂，是一个面向社会的号召，实质地说，数字地球就是要求地球上的信息全部实现数字化”[陈述彭]。数字地球的基础技术，由遥感、遥测、地理信息系统、因特网等组成，遥感、遥测等提供获取数据的手段，地理信息系统进行数据的管理、存储、分析和表现，通过因特网实现数据的传输发布，这样构成了数字地球技术系统的基本框架（图19-3）。InternetRS,GPS…WebGIS-DB地学空间数据仓库以及交换站计算机仿真、虚拟现实OpenGIS图3：数字地球技术的基本框架示意图数字地球:展望21世纪我们这颗行星，1998年1月31日发表于加利福尼亚科学中心（艾尔。戈尔）技术创新的新浪潮使我们能够大量地获得、存储、处理和显示关于我们行星的各种环境和文化现象信息。如此大量的信息构成了“地理坐标系”，它涉及地球表面每一个特定的地方。利用卫星对地面遥感形成“地球空间”（轨道）信息流，并将其中未经加工有用部分的数据转变成为可供使用的信息。今天，我们经常发现我们能够得到比我们知道要做些什么更多的信息。地球资源技术卫星能够帮助我们更好地了解全球的环境就是一个典型的例子。地球资源技术卫星能够每两星期对地表进行一次完整的成像，而且它已持续收集了20多年。尽管对这类信息有着巨大的需求，但大多数图像还不能被人们使用。因此，它们只能被存储在电子数据库中。我们过去曾有过这样的农业政策，当成千上万的人们正面临饥饿死亡的时候，在中西部地窖里却存储着大量正在霉变的粮食。我们现在一方面表现出对知识的那种贪得无厌的饥饿，另一方面是大量数据目前仍然根本未被使用过。问题之一是用什么方法把信息显示出来。有人曾经说我们是否能试用计算机术语来描述人脑，然而，人脑看起来比特率比计算机低，但却具有极高的分辨率。例如，研究表明由于人脑比特率低，因此，很难在短时间记住七条以上的数据。但是，如果这些信息被排列在一个相互可以被识别的模型内如人类的脸或银河星系，人脑则能够同时吸收成千上万条信息。过去我们通常利用Macintosh和Windows操作系统提供的桌面图形来进行（实现）人机对话的，事实上，这些工具现在已经不适合新的挑战。我相信我们需要一个“数字地球”，一个多种分辩率，一个三维的表述方式，使我们能嵌入巨大数量的地理坐标系数据。例如，设想一位年轻孩子去本地的博物馆参观数字地球展览。在戴上显示头盔后，她看见地球从太空中出现，使用数据手套放大电子图像；使用越来越高的分辨率，看见大陆，然后是乡村、城市，最后是私人住房、树木和其他天然和人工的物质。她采用类似“魔毯骑乘”通过地形的3D视图，眼前被发现的行星区域引起她探究的兴趣。当然，地形仅仅是她能与之相互作用的多种数据之一。利用声音识别能力系统，她能够请求关于陆地覆盖、植物和动物的物种分布、实时天气、道路、政治范围以及人口的信息。她也能使她和其它学生收集的作为全球环境的一部分信息具体化。这些信息能被天衣无缝的融入数字地图或者地形数据。通过使用数据手套单击一个连接按钮，她能够获得她所看见的事物的更详细的信息。例如，为全家去黄石国家公园渡假作准备，她计划徒步去看天然喷泉，她刚刚阅读到关于野牛和洛矶山羊的知识。事实上，在她离开故乡的博物馆之前她能够进行虚拟旅行。她可以不受限制穿越空间，同样也能穿越时间。在进行虚拟地去巴黎参观卢浮宫的场景旅游之后，她通过对时间地反向移动，学习法国的历史、细读被数字地球表面覆盖的数字化地图、新闻短片、口述历史、报纸等主要的原始资料。她向自己的电子邮件信箱发送一些有用的信息，以便今后学习。时间序列，从这里延伸到遥远的过去，能以天、年、世纪、甚至是地质学的纪元，因为那些场合有利于她对恐龙的了解。显然，没有一个政府、企业或学术界能单独从事这项工作。像全球性网络，它需要成千上万的私人、公司、大学研究者以及政府组织的共同努力。虽然，作为数字地球的一些数据是公共信息。但数字地球也可以成为公司销售大量商用图像和有偿信息服务的数字化市场。它也可以变为一个“没有墙壁的实验室”，科学家可以在这里通过研究寻求理解人类和环境之间复杂的、相互依存的关系。创建数字地球需要的技术虽然这些情节似乎有些像科幻学小说，但大多数建造数字化地球需要的技术和能力已在这里或正在开发。当然，数字地球的能力将追随时间不断地进化。我们将有能力在2005年对2020年的数字化地球进行一次原始的比较。下面一些技术是需要的：计算科学直到计算机的出现，实验和理论两种创造知识的方法长期以来被限制，实验科学家对所要进行研究的现象的观察太艰难，这些现象不是太小就是太大；不是太快就是太慢。它们存在要么不到10亿分之一秒要么超过10亿年。另一方面，纯粹的理论不能预报像雷雨或飞机上的空气流动那样复杂的自然现象。随着高速计算机作为新工具开始被使用，我们才能模拟那些不容易观察到的现象，并且同时能更好地理解已经观察到的数据。按这种方法，计算的科学允许我们突破实验和理论科学的局限性。模拟和仿真将给我们对我们正在收集关于我们的行星的数据以新的洞察力。大规模存储数字化地球将要求存储1015字节的信息。稍晚于今年，国家航天航空局的星球计划将每天产生大量的有关地球的信息。幸运地是，我们继续在这个领域中制造戏剧性的改进。卫星图像早于1998年，政府已经许可提供分辨率图像处理服务的商业卫星系统开始运行这种服务能使地图绘制达到足够的精确的水准，而在原先绘制地图的详细资料只能通过空中摄影来获得。这种技术最先由美国情报组织开发，具有难以置信的精确性。当一家公司使用这种技术，它象一架威力无比的摄象机，在它所摄的图片上可以清楚地看到从伦敦到巴