数字地球及其应用前景

数字地球及其应用前景

一、数字地球的概念

1998年1月，美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心开幕典礼上发表演说“数字地球——新世纪人类星球之认识”时，提出了“数字地球”的概念，为信息时代人类的生活与工作方式描绘了一个清晰的轮廓。

什么是数字地球呢？通俗点讲，就是用数字的方法将地球、地球上的活动即整个地球环境的时空变化记入计算机中，实现在网络上的流通，并使之最大限度地为人类的生存、可持续发展和日常工作、学习、生活、娱乐服务[1]。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，以宽带网络为枢纽，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。

二、数字地球的技术基础

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"三S"技术及其集成。所谓"三S"是全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）和遥感（RS）的统称。

1.GPS空间定位技术

GPS是美国国防部自70年代开始研制的一种卫星定位与导航系统，主要有空间部分、控制部分和用户部分构成。作为一种全新的现代定位方法，GPS已逐渐在越来越多的领域取代了常规光学和电子仪器。尤其是90年代以来，GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变化。用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分，从事后处理扩展到实时(准实时)定位与导航，绝对和相对精度扩展到米级、厘米级乃至亚毫米级，从而大大拓宽它的应用范围和在各行各业中的作用。

2.RS遥感技术

遥感技术是空间对地观测的重要组成部分，发展主要表现在它的多传感器、高分辨率和多时相特征。

（1）多传感器技术。当代遥感技术已能全面覆盖大气窗口的所有部分。光学遥感可包含可见光、近红外和短波红外区域。热红外遥感的波长可从8~14mm，微波遥感观测目标物电磁波的辐射和散射，分被动微波遥感和主动微波遥感，波长范围为1mm~100cm。

（2）遥感的高分辨率特点，体现在空间分辨率、光谱分辨率和温度分辨率三个方面。长线阵CCD成像扫描仪可以达到1~2m的空间分辨率，成像光谱仪的光谱细分可以达到

5~6nm的水平。热红外辐射计的温度分辨率可从0.5K提高到0.3K乃至0.1K。

（3）遥感的多时相特征。随着小卫星群计划的推行，可以用多颗小卫星，实现每2~3天对地表重复一次采样，获得高分辨率成像光谱仪数据，多波段、多极化方式的雷达卫星，将能解决阴雨多雾情况下的全天候和全天时对地观测，通过卫星遥感与机载和车载遥感技术的有机结合，是实现多时相遥感数据获取的有力保证。

遥感信息的应用分析已从单一遥感资料向多时相、多数据源的融合与分析，从静态分析向动态监测过渡，从对资源与环境的定性调查向计算机辅助的定量自动制图过渡，从对各种现象的表面描述向软件分析和计量探索过渡。近年来，由于航空遥感具有的快速机动性和高

分辨率的显著特点使之成为遥感发展的重要方面。

3、GIS地理信息系统技术

GIS是一种特定而十分重要的空间信息系统。其主要功能室采集、存贮、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层）与空间分布有关的数据。空间信息是数字地球的基本信息，也是数字地球的定位基础。因此，GIS将是未来数字地球的信息平台。许多学者认为，数字地球是GIS在经历了项目级、单部门级、多部门级向社会级发展的自然延伸、扩展与综合，是GIS与Internet技术相结合的必然结果。

4、"三S"集成技术

"三S"集成是指将上述三种对地观测新技术及其他相关技术有机地集成在一起。这里所说的集成，是英文Integration的中译文，指有机的结合，在线的连接、实时的处理和系统的整体性。GPS、RS、GIS集成的方式可以在不同技术水平上实现。"三S"集成包括空基三S 集成与地基三S集成。

空基"三S"集成：用空─地定位模式实现直接对地观测，主要目的是在无地面控制点（或有少量地面控制点）的情况下，实现航空航天遥感信息的直接对地定位、侦察、制导、测量等。

地基"三S"集成：车载、舰载定位导航和对地面目标的定位、跟踪、测量等实时作业。

三、数字地球的应用前景

数字地球不仅包括高分辨率的地球卫星图像，还包括数字地图，以及经济、社会和人口等方面的信息，其应用如戈尔在报告中所提到的，“有时会因为我们的想象力而受到限制”。这里提出一些现实的应用。

1.数字地球对全球变化与社会可持续发展的作用

全球变化与社会可持续发展已成为当今世界人们关注的重要问题，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，从而提高人类应付全球变化的能力。数字地球可以广泛地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，土地利用变化的监测。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。

2.数字地球在地学工作中的应用

GIS对多种空间数据的分析处理能力，为地质学家对地质、地理、物探、化探、水文以及遥感等多源地学信息提供了进行综合分析与解释的工具，使他们能以一种新的综合方法研究地学领域中的各种问题。数字地球中丰富的信息和先进的分析处理技术与手段，为地学信息的采集、地质填图、地质事件的模拟与仿真、区域地质调查、岩石与矿体边界的圈定、矿量的分析与预测等，提供了先进的技术手段。

3.数字地球在土地管理中的应用

土地管理是电子政务的基本组成部分，总目标是实现耕地总量动态平衡，提高土地管理的科学性、精确性和时效性。利用数字地球，人们可以十分详细地掌握包括土地利用类型、数量、面积、质量等在内的土地的空间分布信息，从而为土地的日常管理打下基础。利用数

字地球还可以完成与土地利用有关的动态监测，如:土地利用类型的互相转化、面积变化、质量变化、权属变化以及农业内部结构调整等，从而为快速、实时地反映土地利用现状、实现土地的变更管理提供了可靠的保障。

4.数字地球在防灾减灾中的应用

灾害是当今社会的一大问题，而我国又是世界上少数几个多灾国家之一。在国民经济取得快速发展的今天，各种灾害问题也日趋严重，特别是进入90年代，我国年均灾害的直接经济损失已达1000亿元以上，灾害已成为制约社会经济发展的重要因素。数字地球战略的实施和实现，对于防灾减灾能力的提高，具有多方面的重要作用。它可以应用于灾害的预测预报、损失评估、抗灾救灾、灾后重建等防灾减灾的各个环节。

首先，数字地球为我们提供了一个内容丰富的地球表面的自然与社会经济状况的数据平台，以及对地球表面系统物理、化学、生物和社会运动分析和模拟的技术体系。利用这个数据平台和技术体系，可以使我们有能力在计算机环境中尽可能真实地虚拟灾害的发生、发展过程，以及自然灾变现象和人类社会的相互作用规律，使我们能够更好地认知灾害系统的一些本质规律(如自然灾害成灾机理等)，为灾害的预测预报提供依据。

其次，数字地球为我们提供了灾区大量的定位、定量的自然环境和社会经济基础背景数据，利用地理信息系统和计算机模拟技术，通过对灾害发生时获得的遥感和地面监测数据以及各种基础背景数据进行综合分析，就可以对灾害造成的损失、灾害发展的态势以及灾害对生态环境和社会发展造成的影响进行评估。

第三，当灾害发生时，利用数字地球为我们提供的数据平台和技术系统，可以帮助灾害管理部门的决策者迅速获知险情发生的地点和程度，制定科学合理的抢险措施和人员物资撒离方案，最大可能地避免人员伤亡和社会财富的损失。

第四，在灾害事件结束以后，数字地球又可以帮助我们针对灾区的区域自然环境特点和社会经济发展状况，制定和实施科学合理的灾后重建方案，以及长远的减灾规划，实现区域可持续发展。

5.数字地球对社会经济和生活的影响

数字地球将容纳大量行业部门、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，城市发展的规划，海岸带开发，西部开发。从贴近人们的生活看，房地产公司可以将房地产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录象放入这个公用的数字地球上；世界著名的博物馆和图书馆可以将其收藏以图像、声音、文字形式放入数字地球中；甚至商店也可以将货架上的商店制作成多媒体或虚拟产品放入数字地球中，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会起推动作用。因此，数字地球进程的推进必将对社会经济发展与人民生活产生巨大的影响。

6.数字地球与智能化交通

智能运输系统是基于数字地球建立国家和省市、自治区的路面管理系统、桥梁管理系统、交通阻塞、交通安全以及高速公路监控系统，并将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地集成运用于整个地面运输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合运输和管理

系统，实现运输工具在道路上的运行功能智能化。从而，使公众能够高效地使用公路交通设施和能源。具体地说，该系统将采集到的各种道路交通及服务信息经交通管理中心集中处理后，传输到公路运输系统的各个用户（驾驶员、居民、警察局、停车场、运输公司、医院、救护排障等部门），出行者可实时选择交通方式和交通路线；交通管理部门可自动进行合理的交通疏导、控制和事故处理；运输部门可随时掌握车辆的运行情况，进行合理调度。从而，使路网上的交通流运行处于最佳状态，改善交通拥挤和阻塞，最大限度地提高路网的通行能力，提高整个公路运输系统的机动性、安全性和生产效率。

7.数字地球在城市管理中的应用

城市作为区域的政治、经济和文化的中心，必将成为数字地球的焦点，也将是数字地球中最复杂的部分。数字地球可促进城市信息服务在方式、内容、手段、速度、效果等方面进入新时代。首先，就政府而言，数字地球将有助于城市政府日常办公效率的提高，提升政府管理水平。特别是国土资源、城市规划、环境保护、公共安全等，政府职能部门可以充分利用数字地球实现办公自动化和决策科学化。数字地球的海量数据是政府信息库最重要的组成部分之一。

其次，就教育等社会公益事业部门来说，数字地球也将推动其发展。对于人口、资源、环境与发展的矛盾日益紧张的人类来说，对这些问题最为关注的社会公益部门可以充分利用数字地球开展工作。例如，教育部门可以将数字地球作为教学工具，用更为方便、直观、具体的方式开展地理、环保、生态等方面的教育工作，引导学生更深入地认识我们这个星球。

第三，对于企业来说，数字地球可以帮助企业管理者更好地开拓市场。诸如企业选址、区域市场战略等，都可以利用数字地球进行辅助决策。世界著名的可口可乐公司就成功地利用数字地球技术进行市场管理。

第四，个人也是数字地球最重要的需求者。个人的工作、居住、交通、休闲，均可通过数字地球进行。个人通过互连网络访问数字地球可找到满意的工作地点、理想的住所、感兴趣的休闲地等。甚至可以带上头盔显示器、数据手套，足不出户漫游全球，饱览各地风光。总之，数字地球为城市信息服务开拓了一个前所未有的新天地。

8.数字地球与现代化战争

数字地球是后冷战时期"星球大战"计划的继续和发展，在美国眼里数字地球的另一种提法是星球大战,是美国全球战略的继续和发展。显然，在现代化战争和国防建设中，数字地球具有十分重大意义。建立服务于战略、战术和战役的各种军事地理信息系统，并运用虚拟现实技术建立数字化战场，这是数字地球在国防建设中的应用。这其中包括了地形地貌侦察、军事目标跟踪监视、飞行器定位、导航、武器制导、打击效果侦察、战场仿真、作战指挥等等方面，对空间信息的采集、处理、更新提出了极高的要求。在战争开始之前需要建立战区及其周围地区的军事地理信息系统；战时利用GPS、RS和GIS进行战场侦察，信息的更新，军事指挥与调度，武器精确制导；战时与战后的军事打击效果评估等等。而且，数字地球是一个典型的平战结合，军民结合的系统工程，建设中国的数字地球工程符合我国国防建设的发展方向。

总之，随着"三S"技术及相关技术的发展，数字地球将对社会生活的各个方面产生巨大的影响。其中有些影响我们可以想象，有些影响也许我们今日还无法想象。