《数字地球导论大作业.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字地球导论大作业.pdf（6页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、数字地球导论大作业前言前言随着科学技术的进步，人类研究地球的手段也越来越先进,研究的对象越来越多。数字地球技术也得到了前所未有的发展。遥感和 GPS 的发展为数字地球的发展提供了更先进的技术平台，近几年我国的数字地球也在快速的发展和成熟。本文将谈谈3S 技术等地学的前端技术在数字地球中的应用，对数字地球带来的发展及数字地球的发展前景。关键词关键词数字地球 3S 技术 我国 发展一一.数字地球简介数字地球简介数字地球是美国副总统戈尔 1998 年初提出的，是一个以地球坐标为依据的、具有多分辨率的海量数据和多维显示的地球虚拟系统，其核心内容是全球信息数字化。数字地球看成是“对地球的三维多分辨率表示
2、、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。“数字地球”不是一个孤立的项目，而是一项整体性的、导向性的国家战略目标，它包括信息的获取、信息的处理和信息的应用。数字地球以因特网为基础，以空间发展为依托，以虚拟现实技术为特征，是具有三维界面和多种分辨率浏览器面向公众的开放系统，其主要组成一般包括以下三部分：数据系统，软硬件系统和应用模型。数字地球是地球科学与信息科学技术的综合，是一门综合性的科学技术。数字地球的特点是大规模、高投入、跨学科、全球性，数字地球技术是近几年发展特别快的几个
3、科学技术之一。数字地球需要有很多技术作为支持的平台，因此比如遥感测绘等技术的发展从很大程度上将决定数字地球的发展。“数字地球”就是数字化的地球，信息化的地球，或地球信息化；信息化的问题就是数字化、网络化、智能化。数字地球的核心思想有两点：一是用数字手段统一处理地球问题；二是最大限度的利用信息资源，并使普通百姓能够通过一定方式方便的获得他们想要了解的有关地球的信息。戈尔通过“数字地球”概括、展望了21 世纪发展的特点、方向；建“数字地球”是要达到把地球空间信息资源的共享这一最主要的目标；“数字地球”是一个全球共同使用空间信息的一个环节和平台；它的社会效益、经济效益，包括把它当作一个新经济增长点，
4、都是很实在的。全球变化与社会可持续发展已成为当今世界人民关注的重要问题，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，从而提高人类应对全球变化的能力。数字地球可以广泛的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，土地利用变化的检测。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。与此同时，在社会经济方面，数字地球可以容纳大量行业部门，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
5、家基础设施建设的规划，全国铁路交通运输的规划，海岸带开发。从贴近人民的生活看，房地产公司可以将房屋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影像放到公共的数字地球上；世界著名博物馆和图书馆可以将其收藏以图像声音文字的方式放到数字地球上；甚至商店可以将货架上的商店制作成多媒体或虚拟产品放到数字地球中，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起到巨大的推动作用。因此，数字地球的推进必将对社会经济与人民生活产生巨大影响。二二.数字地球的技术基础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
6、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 2000 年的目标是提高生产率2040%，获取 35000 亿美元的效益。在 I
7、nternet 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
8、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56nm（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1525 天的重访周期。通过发射合理分布的卫星星座可以35 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 35 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空间信息是指与空间和地理分布有关的信息，经统计，世界上的事情有 80%与空间分布有关，空间信息用于地球研究即为地理信息系统。为了满足数
9、字地球的要求，将影像数据库、矢量图形库和数字高程模型（DEM）三库一体化管理的GIS 软件和网络 GPS，将在下一世纪十分成熟和普及。从而可实现不同层次的互操作，一个 GIS 应用软件产生的地理信息将被另一个软件读取。当人们在数字地球上，进行处理、发布和查询信息时，将会发现大量的信息都与地理空间位置有关。例如查询两城市之间的交通连接，查询旅游景点和路线，购房时选择价廉而又环境适宜的住宅等都需要有地理空间参考。由于尚未建立空间数据参考框架，致使目前在万维网上制作主页时还不能轻易将有关的信息连接到地理空间参考上。因此，国家空间数据基础设施是数字地球的基础。国家空间数据基础设施主要包括空间数据协调管
10、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，美国将于 2000 年元月初步建成，我国也将在跨世纪之际，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
11、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 EOSAM199 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
12、NOAA 已着手建立用原型并行机管理的可存贮1800TM 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（Data Mining）技术
13、，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
14、据自己的体型，构造虚拟自己试穿衣服。虚拟现实技术为人类观察自然，欣赏景观，了解实体提供了身临其境的感觉。最近几年，虚拟现实技术发展很快。虚拟现实造型语言（VRML）是一种面向 Web、面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。它不仅支持数据和过程的三维表示，而且能使用户走进视听效果逼真的虚拟世界，从而实现数字地球的表示以及通过数字地球实现对各种地球现象的研究和人们的日常应用。实际上，人造虚拟现实技术在摄影测量中早已是成熟的技术，近几年的数字摄影测量的发展，已经能够在计算机上建立可供量测的数字虚拟技术。当然，当前的技术是对同一实体拍摄照片，产生视差，构造立体模型，通常是当模型处理。进一步的
15、发展是对整个地球进行无缝拼接，任意漫游和放大，由三维数据通过人造视差的方法，构造虚拟立体。三三.数字地球与数字地球与 3s3s 技术技术近几年来,信息技术革命席卷全球，数字地球应运而生。所谓数字地球主要指应用地球空间信息技术，包括地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）、遥感（RS）等新型信息技术，以数字的方式获取、处理和应用关于地球自然和人文的各种空间数据,并在此基础上寻求解决全球各种问题的方法，并最大化地对信息资源进行共享利用。数字地球及相关地理空间信息技术的成熟，使人类对地球空间数据进行处理、分析的技术手段和观念发生了翻天覆地的变化。目前人们可以把有关地球的大量的、多分辨率的、三维
16、的、动态的数据按地理坐标集成起来，形成一个虚拟地球。借助于这个数字地球，人们无论在哪里，都可以按地理坐标随时了解地球上任何一处。任何方面的信息。数字地球是对真实地球及其相关现象统一性的数字化重现和认识，数字地球包括以下系统：数据的获取、处理、存储、信息提取、分析、传送、数据库、网络等。目前，全球数字化取得了突飞猛进的发展。在全球信息数字化的实施过程中,地理空间信息技术 3S(GIS、GPS、RS)起着十分重要的作用,以地理信息系统 GIS 为核心的数字系统集成构架出了虚拟的数字地球。地理信息系统（Geographical Information System，GIS）是在地学及计算机辅助制图基
17、础上发展起来的一门综合应用系统，近年发展迅速。它能把各种专业工程信息同地理空间信息和相关地图结合起来，并把地学、计算机技术、网络技术等结合起来，利用计算机图形与数据库技术来采集、存储、编辑、显示、输出并分析地理图形及相关专业数据，从而为决策分析提供依据。3S 的应用非常广泛，包含交通、国土资源、电力、水利、农林、环境保护、金融、电信、地矿、油气勘探等国民经济各领域。目前，各行业纷纷开展数字化运动,即应用 3S 技术提升传统行业科技水平，3S 的应用领域正在不断扩大。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 3S 技术及其集成。所谓3S 是全球定位系
18、统(GPS)、地理信息系统(GIS)和遥感(RS)的统称。没有 3S 技术的发展，现实变化中的地球是不可能以数字的方式进入计算机网络系统的。l、空间定位(GPS)技术GPS 作为一种全新的现代定位方法，己逐渐在越来越多的领域取代了常规光学和电子仪器。80 年代以来，尤其是的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，
19、从而大大拓宽它的应用范围和在各行各业中的作用。不久的将来，人人可以戴上 GPS 手表，加上移动电话，你的活动就可以自动进入数字地球中去。2、航空航天遥感(RS)技术当代遥感的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。当代遥感技术己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814m,微波适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lmm100cm。(2)遥感的高分辨率特点。全面体现在空间分辨率、光谱分辨率和温度分辨率三个方面，长线阵CCD成候扫描仪可以达到l2m的空间分辨率，成像光谱仪的
20、光谱细分可以达到56nm的水平。热红外辐射计的温度分辨率可从05K 提高到 O3K 乃至 01K。(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23 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己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
21、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、地理信息系统(GIS)技术随着“数字地球”这一概念的提出和人们对它的认识的不断加深，从二维向多维动态以及网络方向发展是地理信息系统发展的主要方向，也是地理信息系统理论发展和诸多领域的迫切需要如资源、环境、城市等。在技术发展方面，一个发展是基于ClientServer 结构，即用户可在其终端上调用在服务器上的数据和程序。另一个发展是通过互联网络发展 InternetGIS或 Web-GIS，可以实现远程寻找所需要的各种地理空间数据，包括图形和图像，而且可以进行各种地理空间分析，这种发展是通过现代通讯技术使GIS 进一步与信息高速
22、公路相接轨。另一个发展方向，则是数据挖掘(DataMining)，从空间数据库中自动发现知识，用来支持遥感解译自动化和 GIS 空间分析的智能化。四四.数字地球的发展现状数字地球的发展现状1992 年，美国副总统戈尔从生态环境和全球气候变化的角度提出了数字地球的概念，当时并未引起人们的广泛关注。1998 年初，戈尔正式提出数字地球的构想，与美国的其它全球性重大科技战略相辅相成。从资料查阅和网上调查来看，反映强烈并已采取行动的主要也是美国。在欧洲国家，尚未查到有关数字地球的直接行动，大多是从空间数据基础设施、全球测图等项目出发探讨数字地球。1.数字地球在当今的发展项目（1）数字地球原型（DE P
23、rototypes）研究 包括八个小的项目 DE Workbench、GeoView、Global View From Space、Web Image Spreadsheet Tool、GeoDE（Geo-Data Explorer）、TerraVision：（2）数字地球参考模型（DERM）该项目由 FGDC 主持，以 NASA 为主执行，已召集 4 次会议，提出了草案和 V0.3.3 版本。自认为是数字地球启动的基础。（3）数字地球视觉环境与学习超越计划（DEVELOP）（4）DE-Alpha 计划（5）“数字城市 2000”由美国在线(AOL)下属的数字城市公司推出，其目标是为全球的互联
24、网用户提供当地化信息，该公司还将推出“无线数字城市”链接技术。2.数字的地球的发展方向在数字地球的浪潮中，大量机构和学者从不同角度提出多种概念和项目设想。2000 年 DE-C会议报道中认为有关的项目有：数字草地、全球信息导航服务、数字 Atlanta、亚利桑大数字图书馆中的先进数据库、电子文化地图集、可视化硬件、可视化软件、Terra Explorer、地学数字图书馆、地学信息系统、全球可视化系统、DE 记者应用系统、国家地图集等。NASA网站认为联邦政府启动了诸如面向小学、中学、县议会、家庭、灾害救援、公众听证、博物馆、学者、记者、商务等方面的项目。FGDC 认为的直接研究行动有：与国际相
25、关组织（ISCGM、GSDI）合作，创立全球数据集；推动对数字地球的认识（如中国会议）；美国国内行动有WMT、实验环境、3D 可视化工具、数据标准、数据内容、与面向教育的 DL 链接、DERM 等。五五.我国的数字地球发展情况我国的数字地球发展情况1998 年江总书记在接见两院院士代表时的讲话中指出：“当今世界，以信息技术为主要标志的科技进步日新月异，高科技成果向现实生产力的转化越来越快，初见端倪的知识经济预示人类的经济社会生活将发生新的巨大变化”。中国对数字地球响应是比较积极的，从1998 年开始，陆续有科技部、北京大学、中国科学院、高技术计划 308 主题等机构牵头组织研讨会、部门交流会及
26、报告会等。1998 年北京大学成立“数字地球工作室”，1999 年 2 月中国科学院地学部成立“数字地球软课题组”，1999年 4 月由科技部和科学院组织“数字地球战略软课题组”，阶段性成果尚未公开。1999 年 11月，首届数字地球国际会议在北京召开，发表了“数字地球北京宣言”，将数字地球推上一个高潮。国家计委主持的地理空间信息协调委员会自2000 年进入实际运行阶段，但专职于数字地球的组织尚未见报道。与此同时，数字地球专著也相继出版，如中国环境科学出版社出版的数字地球，科学出版社出版的数字地球导论、数字地球百问、数字地球与空间信息基础设施以及数字地球人类认识地球的飞跃。2006 年 3 月
27、 7 日，以孙鸿烈院士为主任，陈运泰、孙九林院士等组成的成果鉴定委员会对中科院遥感所完成的“数字地球原型系统”（DEPS CAS 1.0）进行了鉴定，认为该成果是自主研发的我国第一个数字地球原型系统，是国际上除美国外推出的又一先进数字地球原型系统。成果总体上为国际先进水平，特别是在系统的技术集成度和综合性，将网格技术与工作流技术结合以实现异构、广域计算资源和数据资源的共享服务以及无级比例尺GIS 信息综合模型研究方面取得了具有重要创新意义的成果。专家们认为，该研究创建了一个以大型先进软硬件环境为核心，由数据接收、网格计算、元数据、模型库、空间信息数据库、地图服务和虚拟现实7 个子系统组成，以国
28、家和行业标准为参照的高效集成的数字地球原型系统。自主研发解决了系列关键技术，将网格技术与工作流技术结合实现了计算资源和数据资源的高效利用；开发出网络三维浏览系统，实现了不同虚拟环境的交互；采用服务器群集技术，解决了网络GIS 传输瓶颈问题；建立了精校正同名控制点库并构筑了可测度标准数字平台，提高了数字产品精度和标准化水平；数据接收系统与总系统实现了高效集成，可异地操作。构建了数字地球概念模型和数字地球理论框架，提出了真实地球、意识地球、数字地球的互动思维。研究出新的数字地球数据挖掘算法，开发了地学反演软件，发展了多种数据融合技术，构建了无级比例尺 GIS 信息综合模型。理所当然的，专家们也对该
29、系统在数字考古、数字旅游、数字灾害、数字城市、数字农业等领域取得系列应用成果，特别是在数字奥运的环境动态监测、十六大信息指挥模拟系统的建设方面取得的有意义的成果，给予了高度评价，指出这“表明了数字地球的广泛应用领域和巨大潜力，展示了数字地球在区域、全国、全球不同层次的重要作用”。由国际数字地球学会、中国科学院共同主办第六届国际数字地球大会2009 年 9 月 12 日在北京开幕。这是一九九九年中国发起了第一届国际数字地球会议十年后，再次由中国主办国际数字地球盛会。中共中央政治局委员、国务委员刘延东发来书面发言指出，在各国政府、科技界和企业界等共同推动下，以空间科技、信息科技和地球科学为基础发展
30、起来的数字地球，已经成为整合、利用、共享现有数据和信息资源的有效途径，成为可持续发展的核心信息源，在经济社会发展中发挥着越来越重要的作用。刘延东在书面发言中还表示，中国政府已经确定建设创新型国家的发展目标，高度重视推进经济社会信息化进程。中国正在大力推动信息化与工业化融合，转变发展方式，走全面协调可持续的科学发展道路。当前为了应对全球金融危机，中国政府出台了扩大内需、促进经济平稳较快增长的一揽子计划，把推动信息化作为重要的内容，大幅度增加信息技术研发和信息基础设施建设投入。历史经验表明，每一次重大经济和金融危机，都为科技的突破、新兴产业的发展创造了新的机遇。数字地球将成为世界可持续发展领域开展
31、全球合作的有效依托，成为经济建设和社会发展的新的增长点，成为人类文明进步的崭新载体。六小结六小结“数字地球”虽然是一个新概念，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。它不仅部分地需要全新的理论、技术和应用，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必要开展中国的“数字地球”计划，因为它是一个整体性的事业，以此来统筹我国的地球信息、地理信息的工作，推动地球科学数据共享是很必要的，它是维扩我们国家主权和权益的需要，它是我国经济发展的需要。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。相信随着随着地学前沿技术的发展数字地球也将会得到gendarme 的发展。但是这需要我们这些大学生的共同努力。参考文献参考文献戈尔，数字地球人类认识地球的第三次飞跃，北京大学出版社崔宏伟，数字地球，中国环境科学出版社李永平，数字地球研究及应用，科学导报