数字地球

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数字地球(Digital Earth)

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什么是数字地球

  数字地球是模拟地球表面和近表面的特殊和一般现象两方面特征的一系列努力,其在将地球所有部分的知识综合为一个计算环境,即全球化和完全数字形式表达知识的数字化两个方面有着与以往在这方面的努力根本不同的创新

  戈尔认为:“我相信我们需要一个“数字地球”,即一种可以嵌人海量数据的、多分辨率的和三维的地球表达。他明确地将“数字地球”与遥感技术地理信息系统计算机技术网络技术、多维虚拟现实技术等高技术可持续发展决策、农业、灾害、资源、全球变化、教育、军事等方面的社会需求联系在一起。

数字地球概念的提出

  “数字地球”是1998年1月31日美国副总统阿尔.戈尔在加利福尼亚科学中心所作的演讲中提出的—个新概念(1992年戈尔在其著作《濒临失衡的地球》中已提到了“数字地球”)。他在讲如何研究全球气候变化,建立全球气候模型时就说:“如何来处理每天从卫星轨道上扫描下来的庞大数据。我们过去从未想到能收集这么多的数据。为了整理和解释这些数据,我提出了一个姑且称为‘数字地球’的计划,旨在建立一个新的全球气候模型”。

  然而在1998年1月的演讲中,戈尔对“数字地球”概念作了比较全面和通俗的说明,从而才引起人们的兴趣和重视。演讲的题目是“数字地球:11世纪认识地球的方式”。戈尔在其演讲的开头就说:“—场新的技术革新浪潮正允许我们能够获取、存储,处理并显示有关地球的空前浩瀚的数据以及广泛而又多样的环境和文化数据信息。今天,我们经常发现我们拥有很多数据,却不知如何处置:正如我们过去一个时期的农业政策一样.一方面生产的粮食被堆积在中西部的粮食仓库里霉烂,另一方面却有数百万人被饿死。现在,我们贪婪地渴求知识.而大量的资料却闲置一边.无人问津。”接着他提出:“我相信我们需要—个数字地球,即一种可以嵌入海量地理数据的.多分辨率的和三维的地球的表示”。戈尔形象地描绘说:“比如.可以设想一个女孩来到地方博物馆的—个数字地球陈列室,当她戴上头盔显示器,她将看到就像是出现在空中的地球。使用‘数据手套’,她开始放大景物,伴随越来越高的分辨率,她会看到大洲,随之是区域、国家、城市,最后是房屋、树木以及其它各种自然和人造物体。在发现自己特别感兴趣的某地块时,她可乘上‘魔毯’,即通过地面三维图象显示去深入查看。当然,地块信息只是她可以了解的多种信息的一种。使用数字地球系统的声音识别装置,小孩还还可以询问有关土地覆盖、植物和动物种类的分布、实时的气候、道路、行政区线、以及人口等方面的文本信息。”“她不仅可以跨越不同的空间,也可以在时间线上奔驰。为了去参观卢浮宫,她先在巴黎作了一番虚拟旅游之后,又通过细读重叠在数字地球表面上的数字化地图、时事摘要、传说、报纸以及其他第一手材料,她便回到过去,了解法国历史。她会把其中一些信息转送到自己的Email库里,等着以后再读。这条时间线可伸回很远,从数日、数年、数世纪甚至地质纪元,去了解恐龙的情况。”戈尔的这种描绘为我们勾勒出一个诱人的数字地球景象,真实地球作为一个虚拟地球进入了陈列室,使普通老百姓,甚至一个小孩子都能方便地运用一定的科学手段获得自己所想了解的有关地球的现状的和历史的信息。真可谓“全部地球尽收眼底”,当然,这个虚拟的“全部地球”,只是人们今天所认识别的地球,还不可能是真实的全部地球。

  通读戈尔这篇约5000字的演讲。他只对数字地球作了一个大概的轮廓的设想和描述,列举了建立数字地球所需要的数种关键性技术,如科学计算、海量储存、卫星图像、宽带网络、互操作、元数据等,指出了数字地球可能的无比广阔的应用前景,诸如指导仿真外交、打击犯罪、保护生态多样性、预报气候变化、提高农业生产率等,以及建立数字地球的大致步骤。这不是一篇严谨的学术论文,甚至并没有对数字地球给出清晰的科学定义,然而,数字地球,21世纪认识地球的新方式,作为一个新颖的概念,一经在这篇演讲中提出,立即引起人们的兴趣和关注,在科技界成为了现时的热门话题。

数字地球的内涵[1]

  数字地球是什么?对这个问题的回答主要有“号召论”和“工程论”,具体来说有以下几种观点:

  1. 可以嵌入海量地理数据、多分辩率、三维的对地球的表示(戈尔)。
  2. 虚拟地球(美国1998年6月23日数字地球研讨会)。
  3. 对真实地球及其相关现象的统一性的数字化重现和认识,其核心思想是用数字化的手段来处理整个地球方面的问题(中国部分高级学者)。

  正如90年代以前,在GIS产生近30年后科学家们还无法给出一个准确的GIS定义一样,对数字地球的含义在现在不可能有一个明确的限定,只可有一个方向性的认识,如:信息获取、处理和应用是数字地球的三个重要组成部分。数字地球的核心思想是用数字化手段统一性地处理地球问题、最大限度地利用信息资源。数字地球主要是由空间数据、文本数据、基于INTERNET的操作平台和应用模型组成。可以肯定的是在数字地球这个统一性术语(Umbrella Term)下,以GISci为核心,EOS计划、INTERNET-II计划和其他一些大型的国际合作计划将捆在一起形成一个大的方向,将使现有的学科进一步交叉、融合,将大大推进GC的研究、SD战略的实现和学科重组。作者认为数字地球是一个分布式、多尺度、多维(4.5维)的地理信息系统,数据主要源于遥感技术、全球定位系统和其他数字化手段。

数字地球的内容体系[2]

  “数字地球”的基础研究系列及重点发展方向“数字地球”的基础研究系列首先是对数字化的地球信息的分类,即在传统的地球信息分类体系基础上,构造数字地球信息的分类体系。近年的基础研究实践表明,数字地球信息的分类要考虑地球信息的空间和时间尺度、性质属性、精度分辨率。当前发展的重点方向为;资源、环境、灾害和人口、经济等数字化信息的分类体系的建立。数字地球信息的综合转化、挖掘集成及对地球表面过程的再现方法Γ虚拟模拟体系是这一研究系列的第二个方面的内容,这主要包括;多维数据的管理及其相互之间的转化模型?多维和多尺度数据结构及其挖掘和综合集成方法?地球表面多尺度过程的动态虚拟仿真模型的建立。当前发展的重点方向是数据挖掘和基于数字化信息的地表过程虚拟模拟模型。第三是地球系统遥感观测数据的信息识别和传输机理,其重点发展的方向是地球表层特性的遥感信息识别模型,以及自动数字化制图的信息传输机理。第四是数字地球海量数据的管理技术方法,其内容包括;空间坐标体系、信息共享与互操作的技术方法,智能化软件对海量数据的管理方法,以及海量数据的安全技术方法。当前发展的重点方向是“数据仓库”的建设和管理方法。

数字地球的应用

  数字地球可以充分地利用有关地球的所有信息(关于我们星球的各种环境和文化现象信息),以促进社会进步和经济发展。数字地球的应用可以划分为全球层、国家层、区域层3个层次。全球层是指以整个地球为对象,主要包括全球气候变化、全球植被与土地利用、土地覆盖变化、生物多样性变化、全球海平面及海洋环境变化、全球地形变化及地壳运动监测(地震)及全球经济发展水平监测与评估等。国家层是指以一个国家为对象,包括资源、环境、经济、社会、人口的动态监测与分析作为研究对象,尤其对于农作物种植面积、长势及估产、洪涝、干旱、火灾、虫害等的监测,交通及经济状况监测等。区域层是指以城市、集镇、农村、社区为对象,包括信息化带动传统产业改造和升级、经济社会发展态势、管理和服务等。目前,数字地球、数字中国、数字城市数字流域等研究在我国已蓬勃开展,取得了显著的成就。

  数字地球对于发展全球信息产业具有非常重要的作用,数字地球作为lntetnet上一个最主要的信息载体,社会经济生活的各个部门和行业都可以将自己的信息加载到上面,最终将会形成全世界每年数百亿美元新的经济增长点。目前国外一些软件厂商已经开发了一些与数字地球有关的系统,不过他们的目标和服务价值主要体现在地图搜索和其他的辅助商业服务。目前这方面做得很不错的主要有Google公司推出的Google Earth,Microsoft公司推出的MSN Visual Earth,以及NASA的World Wind。在现代化战争和国防建设中,数字地球具有十分重要的意义。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,显示数字地球在国防中有重要应用潜力。

  数字地球已极大地方便了百姓的生活。普通大众可以在数字地球上学习、购物、参观、旅游,也可以通过时间和空间的变化,穿越时间和空间范围,领略风土人情、文学艺术、自然景观、植物、动物、天气等.仿佛身临其境。总之,数字地球将对我们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。

参考文献

  1. 王晓栋,崔伟宏.数字地球的时空维实现.地理科学进展.1999年6月第18卷第2期.
  2. 孙枢,史培军.数字地球及其在全球变化研究中的应用前景.第四纪研究,2000年5月第3期.
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