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数字地球的概念与应用

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  地球是目前人类唯一赖以生存的星球,合理开发与利用地球资源,有效保护与优化地球环境,是全人类共同的责任。然而人类社会在经历了近年来的工业革命之后发现,这个强大的物质文明社会的基础——自然资源的供应正在出现危机,人类赖于生存的地球环境正受到自然和人为作用越来越严重的破坏,一系列全球性和区域性的重大资源环境问题正日益严重地威胁着人类的生存和可持续发展。 为了有效地研究和解决这些有关地球的重大问题,目前世界上许多国家都在积极地发展和运用先进的科学技术,如以遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)为代表的地球空间信息技术,以数字的方式获取、处理、分析和应用关于地球自然和人文要素的地理空间数据,并以此为基础提出解决资源环境问题的科学方案和有力措施,增强对地球的认识能力。人们利用空间信息去认识、开发和保护人类有限的生存空间,研究国民经济建设和社会发展在地域空间上的分布特征、运行状况、资源环境条件和社会经济基础等,进行规划、监测、管理、决策等。与此同时,随着席卷全球的信息技术革命的迅猛发展,人类组织、传输和实现各类与地理坐标有关的海量信息的观念和方式正在发生翻天覆地的变化。随着计算机技术、互联网技术的蓬勃发展,人们设想把有关地球的海量的、多分辨率的、三维的、动态的数据按地理坐标集成起来,形成一个“数字地球”,借助于这个“数字地球”,人们不论走到哪里,都可以高速地、直观地、按地理坐标了解地球上任何一处、任何方面的信息。

  一、数字地球的概念

  “数字地球”是我们星球的虚拟表示,它包含了人类社会在内的所有系统和各种生命形式,并以多维、多尺度、多时相、多层面的信息设施表现出来。数字地球的外观是一个基于计算机的地球,具有交互式功能,是我们对真实地球认识的虚拟对照体,及对真实地球及其相关现象统一性的数字化重现与认识。“数字地球”这一概念的提出,既是人们认识世界、改造世界的客观需要,更是知识经济、信息社会发展的必然进程。构筑“数字地球”对于提高人们的生活质量、促进科学技术的进步,实现经济与社会的可持续发展有着十分重要的意义。

  自从数字地球这一概念于1998年提出之后,国际社会予以了极大关注,很快得到很多国家和地区的广泛认可,我国政府也积极响应。江泽民同志在1998年6月1日接见两院院士时特别提到数字地球。中国科学院地学部及时成立了数字地球战略研究组,提出了《关于“中国数字地球”发展战略的建议》。1999年,中国科学院在北京隆重召开第一届数字地球国际会议,关于数字地球理论与技术的讨论及相关应用研究迅速发展起来。此后,第二、三、四、五届数字地球国际会议分别于2001、2003、2005和2007年在加拿大、捷克、日本、美国成功召开,第六届数字地球国际会议将于2009年9月9-12日在北京举办。 2006年成立了总部设在中国的国际数字地球学会,以推动数字地球在全球的发展。2008年3月,由国际数字地球学会与英国Taylor & Francis出版集团联合创刊的《国际数字地球学报》出版发行,为全球该领域学者提供了一个研究数字地球的学术交流平台。

  数字地球的迅猛发展彰显其重要性。客观地说,数字地球是整合利用共享现有数据和信息资源的最佳途径,数字地球是可持续发展中信息资源的主体与核心,数字地球在社会发展、经济建设、国防安全中有重要作用。数字地球展现了地球科学技术、空间科学技术、信息科学技术等学科领域交叉融合、服务人类发展的一个重要方向。

  二、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的新的经济增长点。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。

  我们承担的“数字奥运”项目即是数字地球研究的一个例子。围绕2008年北京奥运的“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”三大理念,落实“奥运科技行动计划”,面向数字地球、数字北京、数字奥运开展奥运环境遥感动态监测,服务于绿色奥运目标,重点对奥运实施过程中的环境、交通、污染、场馆建设等焦点问题开展多目标连续观测。通过对场馆工程、交通工程、环境工程的观测与监测,应用虚拟仿真技术来模拟工程环境的动态变化,展现工程环境建设进展,实现虚拟奥运网络发布与浏览,建设数字奥运空间数据综合信息平台。建成了奥运主场馆区工程环境高分辨率遥感监测技术系统与奥运工程环境虚拟仿真信息平台系统,形成了一套分析应用体系。

  目前,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。

  三、数字地球科学平台建设

  随着数字地球战略与发展的讨论,迫切需要对数字地球理论、技术和应用有深层次的认识, 为此,我们研制了“数字地球原型系统(DEPS CAS 1.0)”。原型系统的核心目标是进行数字地球理论分析,建立数字地球框架与模型,研究发展关键技术与方法,演示在不同领域的应用能力,为数字地球战略提供理论与技术支持,并逐步形成数据共享与应用平台。系统的物理实体包括具有先进软硬件环境的近300平方米的工作平台。包括由数据接收与快速处理、网格计算、元数据服务、空间信息数据库、模型库、地图服务与虚拟现实等七个子系统组成的技术系统,包括由数据、信息、图件等表达的框架模型与应用成果。

  在数字地球原型系统研究基础上,我们在构建数字地球科学平台。数字地球科学平台是指综合利用计算机技术、网络系统技术、地理信息系统技术、虚拟现实技术、网格技术、数据存储和数据库技术等建立的实现空间数据资源服务、空间信息服务、科学研究支撑的技术平台,是开展数字地球应用研究的工作平台,也是数字地球应用的最终展示和信息发布系统。通过数字地球技术平台建设,形成空间信息服务技术体系。

  数字地球科学平台面向国家重大需求、全球问题、国际热点地区和热点问题。该平台分为数字地球、数字中国两个层次和四维模式构建:数字中国由不同地区构成的空间维、10个有重大需求的领域维、不同跨度需求的时间维和由此导出的地球科学维构成。这个平台将对解决经济社会发展、能源、资源、环境等问题提供有益帮助,同时支撑地球科学发展到一个新的高度。经济社会和地球科学的发展将进一步加大对数字地球科学平台的需要。这将形成一种相互需求、相互促进的一种态势。希望能通过数字地球科学平台的建设,推动数字地球的可持续发展。(中国科学院对地观测与数字地球科学中心 郭华东)

  

  


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