数字地球与地理信息系统

                       地理组    傅永刚

前言篇

在万籁聚寂、星光灿烂的夏夜，也许你会自言自语地感慨到：闪闪于茫茫宇宙之间的星球真是数不胜数！然而，到目前为止，地球是我们人类唯一可以赖以生存的星球！而当你看见地球上此起彼伏的战火、快速增长的人口、与日俱增的环境污染、与日俱减的自然资源……，或许你又会感慨到：多灾多难的地球多么需要好好照料呀！

于是人们通过卫星、飞机、气球、地面测绘、地球化学或地球物理等观测手段获得地球的大量数据，利用计算机把它们和与此相关的其他数据及其应用模型结合起来，在计算机网络系统里把真实的地球重现出来，形成一个巨系统，您一定会为这样的巨系统所带来的巨大作用所鼓舞，因为它提供的数据和信息让人类终于能够更好更有效地管理地球，甚至人类本身！这样一个数字形式的关于地球的巨系统，不妨称为“数字地球”。

如果对它稍微严格定义一下，数字地球就是对真实地球及其相关现象统一性的数字化重现与认识。由此可以看出，数字地球核心思想有两点：一是用数字化手段统一性处理地球问题;二是最大限度地利用信息资源。

所以数字地球是一种全球性的战略思想。它的特征就是用数字化的手段来处理自然、社会经济问题的信息化地球。当然数字地球的概念其实在我们的书本第90页已经有了些介绍了，数字地球以其庞大的内容，使书本上短短的几百字根本无法对其有个简单的介绍，我今天的这个讲座其实也只能介绍个大概。

现在网上有一个模拟地球模型称作google地球，其实就是一个类似三维的地球模型。现在我们就一起来看下这个到底是怎样一个模型。

一、           google地球演示

在上聚落一节中我曾经给我所任教的班级几幅图片，关于北方平原地区聚落形态和南方沿河分布的聚落形态，今天首先就给大家看一下google地球的庐山真面目。

演示——寻找萧山五中（具体操作略）

google地球与普通地图的差别：表示的地物更加详尽，蕴涵的信息更加丰富，含盖的范围巨大，这是传统的地图所无法做到的，那么这个地图是怎么来的呢？计算机的信息存储方式我们都知道是采用1和0这两个数字来表示的， 所以说google地球其实就是一个海量的数据库，由无数个数据组合而成。

　　这样一个数字地球模型怎么样做出来呢？对科学家来说，其首要任务就是采取什么方法把浩如烟海的数据、信息搜集和组织起来。既然人类活动几乎都是发生在地球上，那么为什么我们不能以地球的每一个确定点(这样的点的范围因需要可大可小)把所有与此相关的数据和信息组织起来呢？如此一来，进一步组合所有地球上这样的点，不就造成一个能包容关于自然和人类的大多数数据和信息的数字地球？这样的数字地球无疑是人类把浩如烟海的数据、信息组织起来的最佳方式。 因此国际合作是必须的，任何一个国家都无法单独完成这么庞大数据采集和组织的工程。

数字地球对人类的积极作用，您无论如何想象恐怕都不会过分。最直接的是，它在当前以工农业经济为主体的经济建设中具有的重大作用已初见端倪。我们逐渐可以看到，数字地球所提供的数据和信息在农业、林业、水利、地矿、交通、通讯、新闻媒体、城市建设、教育、资源、环境、人口、海洋以及军事等几十个领域都能产生巨大的社会和经济效益。

我国目前对数字地球的建设也极为重视。已经完成的1:50000数据库工程是“十五”期间国家基础测绘最大的工程项目，历时8年，总投资超过7亿元，由国家测绘局组织，中央、地方、军队的上百个单位、近万人合作完成。是我国目前覆盖全国的比例尺最大、数据量最大、内容最丰富、精度最高的基础地理信息数据库，总数据量5.3个TB，相当于8000多张光盘的存储量，其中，地形数据库包含水系、居民地、交通、境界等自然和人文信息要素，包括30多万公里国省道、130多万公里县乡道路的信息；土地覆盖数据库包含耕地、林地、草地、水体、居民地与工矿用地、未利用地等信息要素；地名数据库包括村级以上居民地和自然要素地名共529万条；影像数据库包括覆盖我国部分大中城市和经济发达地区1米分辨率影像，也就是说，可以从这个数据库中找到自己居住的楼房

介绍篇

下面就具体讲几个数字地球的应用事例

 1.军事

地图对军事上的作用是非常大的，举个简单的例子就能说明两者的关系了：第二次世界大战期间的北非战役中，英美联军17万人，却带了1000种、1000万张地图，重约200吨，平均每人要摊上1公斤多。现在地图数字化后体积大为减小，但作用却大大增强了。

美国的军用卫星已经可以把除美国本土外、地球南北纬60度之间、占全球陆地面积80%的地表的三维地形数据收集到了。这些数据的精度可以达到0.1米甚至更高，楼房中的一盆花、地面汽车的牌照、军官肩上的星牌都可以进入数据库。 美国一共发射了24颗全球定位卫星可以提供全球任何一点的米级分辨率卫星定位数据。美国曾用军事气象卫星数据编制了全世界夜光地图。全世界任何一个地方一旦发射火箭或者导弹，夜光地图上就会显示个一特别的亮点，预警卫星就可以立即发出警报，也是就可以为美国争取几分钟时间，发射一枚拦截导弹。在伊拉克战争中美军使用的导弹中属于精确制导导弹的比例达90%左右，而精确制导的关键技术就是GPS，美国在此上花了120亿美圆用了20年建立了这个系统。而伊拉克则毫无这种数字信息，所以没有任何反抗之力就被打败了。     

美国总统戈儿曾提出：要各个国家把本国的地理数据都拿出来分享，美其名曰共建数字地球，当然除了和美国串通一气的那些国家会应和，其他的当然不答应了。因为美国要求各国拿出来的精度要求要很高，当然美国也有给各国的诱饵，就是他可以免费提供他的卫星拍的卫星影象，而且它的卫星影象分辨率达到1米，要把卫星拍的影象照片转换成计算机可以分辨的数据是个非常复杂的过程，需要动用大量的人力、物力、财力，经过长时间的工作才能完成，所以美国想就提供这么点图片让我们把分析出来的信息拿出来共享简直就是痴人说梦。当然我们数据还是公布的，因为国际学术需要有各个国家的数据。但是公布的数据分辨率是1公里级别的，这种级别的数据其实已经能满足学术需要了。

2.气象  大家现在对天气预报最明显的一个感觉就是：预报的准确性在不断提高，预报的天数在不断的增加，这其实主要归功于各种气象仪器、设备的不断提高，特别是气象卫星的使用以及超级计算机的使用，气象卫星每天都会把大量的卫星图片发送到地面接受站，这种图片蕴涵有大量的信息，因此要处理这些信息必须要有计算能力超强的计算机，像我国的一些计算能力有百亿次千亿次的计算机往往最先用在气象数据的处理上，而现在世界上多数国家还没有能力研制这种尖端技术，因此把这种数据公布有利于建立一个全球性的气象网，帮助一些较为落后的国家及时的了解各种气象情况。

3.全球观测战略（IGOS）

近年来，全球变化及其对人类生存环境和可持续发展的影响越来越受到国际社会的广泛关注。为了实施可持续发展战略，需要全面准确地了解全球变化的历史和现状。这种调查研究，仅依靠一个或几个国家的努力是不可能实现的，迫切需要尽可能多的国家联合起来，调动各种观测手段综合地进行。综合全球观测战略（IG0S）就是在这样的背景下提出来的。

1、全球海洋资料同化实验

2、高空观测计划。

3、长期连续臭氧观测计划。

4、森林覆盖全球观测计划。

5、长期海洋生物观测计划。

6、灾害管理支持计划。

   全球对地观测系统包括地面遥感车、飞机、火箭、人造卫星、航天飞机等多个观测地球的平台，各种平台相互配合使用，能够实现对全球陆地、大气、海洋等多个角落的立体观测和动态监测。当然其中最为主要的是各种各样的卫星了，以中国为例，中国计划2020年前发射100多颗卫星形成观测网。由此可见这个计划需要全球的通力合作，使我们对地球的变化能够及时的了解。24个国家参与

4. 国际地圈、生物圈计划(IGBP)

其应用目标是发展预报理论，预测地球系统在未来十至百年时间尺度上的变化，为国家和国际政策的制定提供科学基础。比方说?全球变化是怎样影响陆地生态系统的?土地利用、海面升高和气候变化如何改变海岸生态系统，其后果是什么？全球变化对海洋系统的经济和社会影响。这种预测的基础就是对地球充分的了解，建立一个数字化的地球模型，需要观测收集的资料就会更加多了，而且各个国家必须充分的实现数据、资料共享。

巨大的数字地球由下列体系构成：数据获取与更新体系、数据处理与储存体系、信息提取与分析体系、数据与信息传播体系、数据库体系、网络体系、应用模型体系、专用软件体系、咨询服务体系、专业人员体系、用户体系、教育体系、标准与互操作体系、法规和财经体系。也不妨仅以数据库体系为例看看数字地球的空前壮阔。数字地球的数据库不仅包括全球性的中、小比例尺的空间数据，还包括局部范围的大比例尺的空间数据以及元数据；不仅包括地球的各类多光谱、多时相、高分辨率的遥感卫星影像、航空影像、不同比例尺的专题图，还包括相应的以文本形式表现的有关可持续发展、农业、资源、环境、灾害、人口、全球变化、气候、生物、地理、生态系统、大气、水文、教育、人文和军事等等不同类别的数据。

这些数据正是目前正在建设中的国家空间数据基础设施(NSDI)和全球空间数据基础设施(GSDI)。

从刚才列举的几各例子中我们可以看出数字地球有哪些特点呢？

数字地球本质上是一个信息系统，除了它是一个超巨大信息系统之外，其他特点又有那些呢？这不妨从以下七个方面加以分析。

第一,数字地球具有空间性、数字性和整体性，这三者的融合统一，形成了它与其他信息系统的根本区别。
　　第二,数字地球的数据具有无边无缝的分布式数据层结构，是个紧密联系的整体

第三,数字地球具有可迅速充实、联网的地理数据库。 地球是个不断在发展的巨大的系统，虽然我们无法实时更新、补充新的数据，但是必须保持相对的同步，就像这个google地球，它的数据也是在不断的更新中的，过个一两年在看肯定又变了。
　　第四,数字地球以图像、图形、图表、文本报告等形式提供服务，其中信息服务是最主要的任务。
　　第五,数字地球采用开放平台、构件技术、动态互操作等最先进的技术方案。
　　第六,数字地球的用户可以以多种方式从中获取信息；任何一个用户都可以实时调用，无论生产者是谁，也无论数据在什么地方；国际互联网上的用户可以根据自己的权限查询数字地球中的信息；运用具有传感器功能的特制数据手套，还可以对数字地球进行各类可视化操作。 最简单的例子，比方说我们学地理想知道世界上某个城市具体的位置，那我们只要把它找到，那么它具体的经纬度也马上就显示出来了。
　　第七,数字地球的服务对象覆盖整个社会层面，无论政府机关还是私人公司，无论科教部门还是生产单位，无论专业技术人员还是普通老百姓，都可以找到自己所需要信息。

　　数字地球既是地球科学技术与信息科学技术、空间科学技术等现代科学技术交融的前沿，又是当代科学技术与社会发展和需求紧密结合的必然结果。数字地球虽然是一个新概念，但它涉及的理论、技术、数据和应用都与现有的直接相关。数字地球是从更高的层次、系统论和一体化的角度来整合、应用已有的或者正在发展的理论、技术、数据和能力(含人员、软件、硬件)，从而更广泛、更深入、更有效、更经济地为社会提供服务。

应用篇

数字地球的雏形：地理信息系统（GIS）的应用在西方发达国家的已经非常普遍了。GIS其实是个数据系统，一个系统如果没有应用价值，人们肯定不会去使用它，那么人们是怎么样来使用这个GIS的呢？我想这个问题肯定是大家迫切想知道的。

1.      GIS在教育领域的应用

这个应用现在大家应该比较熟悉了，如果我们在平时的教学中也能使用，那么我想对我们学习地理知识还是非常有帮助的。这个就是在教育领域的应用的一个例子了。

2.GIS电信领域的应用。

我们现在已经进入信息化社会了，电信和信息技术已开始赶上汽车行业，根据国际电信联盟的统计，全球的电信设备的和服务收入每年超过了5750亿美圆。如今电信行业正日益重视GIS的应用。比如：在1994年作为与沙特阿拉伯邮电部门40亿美圆的贸易中的一部分，美国电话电报公司与美国的Intergraph公司签定了一份和头，委托它提供一份系统，怎么样一个系统呢？就是一个能够自动绘图，管理设备和互动式的计算机图表系统来监控沙特阿拉伯的邮电网络的发展。也就说用GIS来替换已具有20年历史的管理成本高昂效率不高的手控系统。类似的这种例子还有比如通信光缆的铺设等都可以用GIS来高效的解决。GIS已变的非常重要的一个领域就是移动网络规划。移动电话在我们中国现在就应用的非常普遍了，就是以种田种蔬菜为生的农民一般也都有了小灵通或手机了。移动网络中非常重要的一环就是信号塔的安置了，信号塔的安置要考虑到很多因素，比如地形，人口密度，使用移动电话的人口密度等等，而这些地理信息都可以通过GIS来体现出来，比方说一个区域在近年来的人口增长较快使用移动电话的人口也随之上升了，而这个地区的移动信号很差，如果没有GIS 电信公司要得到这个信息可能要等顾客的投诉才能知道，这样就可能会让其他公司占了先机，抢夺了这个地区的市场，而GIS它能的显示这个地区的人口变化，这样就能及时的在当地布局信号发射设施等。甚至我们马路上的公电话网络都有GIS的用武之地，因为 GIS具有独立的功能，它能够收集电话故障记录来确定该故障电话是谁来负责修理等应用。

3. GIS在交通领域的应用

又称交通地理信息（GIS-T）。大家可能对GPS比较熟悉吧，GPS是全球定位系统，现在在一些高档的车中也装有这种系统，它可以提供到你目的地的最短或者最快捷的路线。这个系统又称SPA（最短路径分析）。其次还可以对车辆行进路线进行安排，比如垃圾车的运行路线，城市公交模拟系统等。具体举例：利用GIS-T分析加拿大阿尔伯达省卡尔加里市内速度与事故之间的关系。

4. GIS城市应急管理。

英国诺福克紧急医疗服务的评估。其中黑色表示位于仅需要少于5分钟的路程范围内，而绿色表示需要多达55分钟。美国新奥儿良造成巨大人员伤亡的一个因素就是因为城市的应急措施不够，事后政府受到了批评。

展望篇（略）

我们所了解的地理信息系统时代将走向终结，而日益增多地被吸收到其他大型功能IT系统中，乃至科学当中而成为一体。其实地理信息系统仅仅是一个探索我们周围世界的非常简单的方式，可以让学生探索他们所好奇的世界，但是在科学上已经显的日益笨拙。当然这只是对科研而言，对市场而言它还是有非常广泛的应用的。