数字地球的背景及关键技术

7.1　数字地球的背景及关键技术

数字地球（Digital Earth）的概念最早出现于1997年下半年，1998年戈尔在一次演讲中将数字地球概念正式提出。

在技术方面，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，以宽带网络为依托，使用海量的地理信息对地球进行多尺度、多分辨率、多时空和多种类的三维描述，并利用它作为工具来支持和改善人类的活动和生活质量。它的提出是建立在人类科学技术发展成果的基础上，有其深刻的社会、经济背景。

数字地球的科学背景，包括地理信息科学、地球信息科学等系列学科，这些学科的发展，为数字地球的产生打下了理论基础；对地观测系统以及计算机网络的发展为数字地球提供了技术支持；全球变化和可持续发展的研究对数字地球的出现起到了推动作用。

与地球信息科学、地理信息科学、Geomatics等一系列学科概念以及遥感、GPS、互联网等技术名词相比，数字地球更像是一项技术政策，在一定程度上涵盖了上述的领域，更加通俗易懂，是一个面向社会的号召，实质地说，数字地球就是要求地球上的信息全部实现数字化。可以说，数字地球它不单单是一门科学技术或者领域，而是现代社会的一个发展方向。它将改变人类社会的生产和生活方式。

数字地球的基础技术，由遥感、遥测、地理信息系统、因特网等组成，遥感、遥测等提供获取数据的手段，地理信息系统进行数据的管理、存储、分析和表现，通过因特网实现数据的传输发布，这样构成了数字地球技术系统的基本框架。

下面，我们简单地介绍一下这些关键技术：

1．遥感技术

特别是高分辨率的遥感技术。要获得数字地球的地理信息数据，通过航天和遥感影像技术是最经济、最快捷的方式。而现在随着信息科学的迅猛发展，对地观测技术将逐渐实现多时相、多角度和高分辨率化。这一点对数字地球发展来说，是非常重要的，通过遥感获取的影像等数据资源也将成为数字地球的主要信息来源。

2．计算科学

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。利用数据挖掘技术，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。

3．大容量数据存储及元数据技术

我们知道，数字地球所涉及的数据是海量的，如何存储、管理这些数据显得尤为重要。而随着大容量数据存储技术的发展，数字地球中的海量数据便可集中起来，使之有家可归。

另一方面，元数据技术的发展也是非常必要的。所谓元数据，就是“说明数据的数据”。数据作为客观世界事物在计算机内的表示，需要通过语义解释机制的知识，就像数据库模式就是库中数据的元数据一样。为了统一对数字地球中数据的理解，我们需要空间数据的元数据标准，包括数据的表示方式、来源、精度、质量等，这样，就能使得数据的共享更为容易。

4．信息高速公路和计算机宽带网络技术

数字地球包含着海量的数据信息，这些信息不可能存在于同一个数据库中，而计算机宽带网络技术将为这些数据库之间建立宽阔的“交通道路”，数据之间的共享也将更加方便快捷。

5．空间信息技术与空间基础设施

空间信息是指与空间和地理分布有关的信息，据统计，世界上的事情有80%与空间信息有关，空间信息用于地球研究即为地理信息系统。为了满足数字地球的要求、将影像数据库、矢量图形库和数字高程模型三库一体的软件和网络，将在21世纪十分成熟和普及。从而可实现不同层次的互操作，一个应用软件产生的地理信息将被另外的系统接收。

国家空间数据基础设施主要包括：空间数据协调管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。现在，世界上各大组织，如美国、欧洲、俄罗斯和亚太地区也都纷纷抓紧建立空间数据基础设施。

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特点是虚拟现实性。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，随着分辨率的提高，他能身临其境般地穿越大山，漂洋过海，去到世界上任何一个地方，“环游世界”便不再是梦想。

综上所述，数字地球技术框架包括了多种基础技术，但其关键是实现海量数据获取、表达、处理、存储、信息提取、空间信息共享与分布式计算。数字地球最大的特点在于海量的空间数据应用，因为空间数据的海量、异构、多源、多尺度、不同提供者等特点，近年来出现的Google Earth、NASA World Wind等数字地球平台，都以大量的空间数据服务为支撑，通过自有的或通过其他渠道获得的数据与服务进行集成，无疑可得到更好的应用效率和效果。这也正是空间数据共享问题的高价值的实践。下面针对主流的数字地球平台进行空间数据服务和共享的一些讨论和实践。