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数字地球

一、 “ 数字地球 ”的提出

数字地球（ Digital Earth ）作为一个完整的名词，最初于 1997 年下半年出现在科技界。 1998 年 1 月 31 日，美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心作了题为“数字地球——认识二十一世纪我们这个星球”的讲话，率先在公开场合喊出了“数字地球”这一名词，他说：“我相信我们需要一个‘数字地球'，一种关于地球的可以嵌入海量数据的、多分辨率和三维的表示。”此后，戈尔又在几次公开场合提到数字地球。事实上，美国宇航局在去年下半年就开始了一个叫作 DIGITA EARTH 的项目，在 1 月 31 日戈尔的讲话公开以后，美国宇航局又开始着手另外一个 DIGITAL EARTH 的项目。

通俗地讲，数字地球就是用数字的手法将地球、地球上的活动及整个地球环境的时空变化装入电脑中，实现网上流通，并使之最大限度地为人类的生存、可持续发展和日常的工作、学习、生活、娱乐服务。

严格地讲，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，以宽带网络为纽带，运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多尺度、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活动和生活质量。

数字地球的核心思想是用数字化的手段来处理整个地球的自然和社会活动诸方面的问题，最大限度地利用资源，并使普通百姓能够通过一定方式方便地获得他们所想了解的有关地球的信息；其特点是嵌入海量地理数据，实现对地球的多分辨率、三维描述，也就是虚拟地球。

二、 “数字地球”的内涵

用戈尔自己的话来讲，他定义的 “ 数字地球 ” 是 “ 一种能嵌入巨量的地球空间信息、对我们的星球所做的多分辨率的三维描述 ” 。这就表述了 “ 数字地球 ” 的主要特点：一是以巨量的地球空间信息为主要对象。其中既包括空间地球信息，也包括巨量卫星图像信息；既包括公共空间信息，也包括商业化信息。这些空间信息又是多分辨率的、遍及全球的。二是以支持巨量空间图像信息与多源地球信息集成和实时网络应用的全球信息基础设施为运行环境。网络用户能够对于分布在世界任何不同节点上的多源地球信息和图像信息进行提取和网络空间集成。三是信息处理技术立足面向对象进行智能化虚拟现实计算，对地球现象进行三维描述和多媒体显示，以人类能够理解的方式帮助人类更好地认识自己生存的星球，甚至为各类网络用户开辟一个认识 “ 我们这颗星球 ” 的 “ 没有围墙的实验室 ” ，同时还为解决一系列可持续发展问题服务，达到促进经济发展的目标。因此 “ 数字地球 ” 是一个涉及范围十分广泛的社会工程，需要由政府、企业、科研和教学单位等各类网络用户共同建设。

戈尔提出建造 “ 数字地球 ” 所需的计算科学、大规模存储、卫星图像、宽带网络、互操作性和元数据等 6 项关键技术以及下世纪初的指标正是围绕以上特点提出的。从目前提出的关键技术及其下世纪初要达到的指标来看，是有其特定的技术层次的。例如建立标准化的空间数据框架，实现基于空间数据仓库、高分辨率卫星数据的空间信息网络实时传输、共享和处理技术，开发面向对象的网络在线智能化虚拟现实计算等一系列新的技术，都属于面向 21 世纪的前沿领域，也是美国 “ 数字地球 ” 计划的重点。技术研究围绕 “ 信息高速公路 ” 上巨量空间图象信息与多源地球信息的网络应用集成展开，即在多分辨率遥感（以卫星为主）图像和 NSDI 支持下，面向各类应用，在 NII 与 GII 上构造一个支持各地、各层次网络用户进行智能化地球信息虚拟现实计算、多分辨率三维描述和辅助决策的应用环境，其中的第一步是实现海量空间图像信息与地球信息的网络集成和共享。

三、“数字地球”的作用

数字地球是世界进入信息时代的最重要标志之一，对于发展全球信息产业具有非常重要的作用。

在计算机上利用数字地球可以对全球变化的过程、规律、影响以及对策进行多分辨、多尺度、多时空和多种类的三维描述和各种模拟和仿真，从而提高人类应付全球变化的能力。

通过数字地球，人们可以了解到世界上任何地方最新、最全面的实施的情况，在生态环境保护、气候变化预测、地震预测、土地利用规划、精细农业、减灾、打击犯罪活动 、外交、国防及政府宏观决策等多方面具有广泛的应用前景。

依托数字地球，农民可以获得其农田的长势征兆，通过 GIS 通过 GIS 作分析，制定出行动计划，然后在车载 GPS 和电子地图指引下，实施农田作业，及时预防病虫害，把杀虫剂、化肥和水用到必须用的地方。

在水利建设方面，通过数字地球可以虚拟大型水库建成后库区周围和上下游的环境变化，一方面对水库修建提供决策依据，同时对水库修建后可能出现的问题有比较清楚的了解，从而制定相应对策。

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，并运用虚拟技术建立数字化战场，从而掌握战场主动权。

普通大众可以在数字地球上学习、购物、参观、旅游，也可通过时间和空间的变化，向穿越时空或空间的范围，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。依托数字地球，用户只要戴上显示头盔，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，并可根据自己的体型，构造虚拟自己试穿衣服。

信息时代的来临，将改变人类的生存和发展方式。未来的利益分配将无不与数字地球息息相关。在未来的利益冲突（包括军事冲突）中将很大程度依赖对数字地球的控制，数字地球上占优势的一方将在数字地球上展开外交攻势、新闻传播、心理战、政治颠覆、文化侵略、数据破坏等。

四、“数字地球”发展的背景

从美国信息基础设施发展的历史来看， “ 数字地球 ” 是美国国家和全球信息基础设施（ NII 和 GII ）发展的自然延伸。早在 1981 年，美国学者就提出了 NII 的概念。 1992 年克林顿竞选总统时将建设美国的 NII 作为国家的发展战略提到议事日程，计划用大约 20 年时间（至 2010 年）建设联结全美国的高速通信网络，总投资 4000 亿美元，其中政府投资 200 亿美元。 1993 年美国政府进一步明确了发展 NII 的五项基本原则：鼓励私人投资、促进保护竞争、低价面向大众、环境灵活有序和高质服务全球。 1994 年，美国又把这些原则用到全球信息基础设施（ GII ）建设中去。早在 90 年代初美国有关国家信息基础设施（ NII ）的文献中就已经提出了 “ 数字地球 ” 的概念，但仅仅作为 NII 发展前景的一个应用领域，在当时的网络技术条件下，尚未提到议事日程。

1994 年美国通过发布总统令，开始将地球空间数据获取、处理、存储、分发以及改进应用效果所必需的各种技术、政策、标准和人力资源开发作为 “ 国家空间数据基础设施（ NSDI ）的组成部分纳入 NII ，并建立了支撑 NSDI 运行的网络系统 —— 国家地球空间数据交换网络 ( 简称 NGDC) 。空间数据交换中心设在美国内政部地质调查所（ USGS ），美国联邦地理数据委员会（ FGDC) 将 NGDC 作为协调地球空间信息标准化和网络共享的依托。这个网络系统通过空间元数据技术把全球空间数据的生产者、管理者和用户连接在一起，初步形成了一个分布式的网络系统，并通过国家协调加速地球数据的标准化和网络应用集成与共享。 NGDC 在加强美国以至世界范围地理信息数据的交换方面发挥了重要作用，事实上已经成为 Internet 上联系整个地球空间数据（目前以美国为主）的一个检索网络，任何能够通过 Internet 提供地学空间检索数据 ( 不是元数据 ) 的机构都可成为其成员。但鉴于 90 年代初美国的网络技术条件， NSDI 涉及的数据主要是地球空间数据（ Geospatial ），美国已经积累和正在产生的大量来自航天、航空遥感（ RS ）和全球定位（ GPS ）等空间数据及其网络应用和集成并未提到议事日程。

90 年代后期， NII 取得了显著发展，成为美国经济持续增长的重要因素。通过将 Internet 民用化，美国逐步统一网络地址和传输协议标准，制订促进数据共享和网络应用的政策（数据政策、技术政策和经济政策），加速了 NII 技术和应用的发展，也为海量空间数据的网络应用集成提供了条件。其重要标志是迅速遍布全球和每秒 10G 带宽的第二代 Internet 的成功实施。另一方面，这一时期全球地理信息系统和空间信息技术的应用迅速发展，以美国为代表的发达国家在地球数据的数字化以及空间数据的积累和应用方面取得了显著的进展。相当多的国家（特别是发达国家）已经建立了大批基础地理数据库，并形成了定期更新和发布的制度。如美国地质调查所下属的国家测绘部已经完成了覆盖全美的 1 ∶ 200 万全要素地形数据库、 1 ∶ 10 万地形数据库、 1 ∶ 25 万土地利用数据库，正在建立全国 1 ∶ 2.4 万地形数据库和 1 ∶ 2 万正射影像数据库，并无偿提供全社会共享。发达国家，特别是美国仍然保持着空间技术和数据市场的领先和垄断地位。 “ 数字地球 ” 正是在上述背景之下提出的。

综上所述不难看出，由 NII 或 GII 扩充到 NSDI 再到 DE ，代表了美国 NII 或 GII 发展过程中不同的技术发展阶段。 NII （ GII ）中所支持的信息类型和范围不断扩大，信息处理功能和技术水平不断提高。即 “ 信息高速公路 ” 上的 “ 货 ” 扩大到地球空间数据，并向高分辨率卫星遥感的海量信息延伸；处理技术扩展到地球空间信息和多媒体信息高速传输，再向多源空间地球信息与海量空间信息的网络集成和实时（在线互操作）传输、智能化处理（虚拟现实）和三维显示的方向发展。而目前在论及 “ 数字地球 ” 中经常提到的常规基础地理数据生产和管理在美国属于 NSDI 的范畴；对于卫星图像强调的是应用，特别是现有空间信息的应用。戈尔关于 “ 数字地球 ” 的讲话中对于新的航天器和传感器的关键技术甚至未作描述，进一步完善 “ 遥感对地观测卫星系统建设 ” 的任务在美国始终放在航天领域去完成。由此可见，美国 “ 数字地球 ” 的提出有其特定的经济、社会和技术背景，是美国空间技术、信息技术、网络通信技术及其应用发展到相应阶段的产物。从空间技术来看， “ 数字地球 ” 是建立在美国卫星、航空和地面台站获取的全球性对地观测数据极大丰富的基础上。从信息技术和 “ 信息高速公路 ” 建设及应用的角度来看，可以认为 “ 数字地球 ” 是在基本解决了 Internet 网络传输与管理的标准化、规范化问题之后，在网络带宽、大容量数据存储和管理、多媒体信息网络传输处理和融合、广域网络环境下虚拟现实和人工智能技术的联机运行等关键技术开发方面取得重大突破，在 Internet2 开始运行的背景之下，提出的更高技术层次、以驱动现有空间信息资源（特别是卫星数据资源）的开发利用为重点的新一轮 NII 与 GII 发展计划。因此，从某种意义上说， “ 数字地球 ” 的实施标志着 90 年代以美国为代表的全球空间信息技术、计算机网络通信技术与地球科学技术在更高技术层次上加速融合，并推向应用的新开端。

五、 我国发展“数字地球”的 对策

我国是一个人口众多的发展中大国，实现信息化的社会经济条件和技术基础与发达国家之间存在显著差异，需要结合本国的国情和发展阶段，积极应对 “ 数字地球 ” 的挑战。以下就关键技术开发和创新、空间信息基础设施建设和地球信息产业发展三个方面提出若干建议。

1. 加强我国 “ 数字地球 ” 关键技术的开发和创新

计算科学、大规模存储、卫星图像、宽带网络、互操作性和元数据等六个方面的关键技术开发是美国创建 “ 数字地球 ” 的重点。一方面，这些关键技术对于任何国家建设和应用 “ 数字地球 ” 都是不可缺少的，而且正如戈尔所言 “ 大多数构造 ‘ 数字地球 ' 需要的技术和能力已经成熟或正在开发 ” 。另一方面，从美国所提出的下世纪初要达到的技术指标来看，我国与发达国家之间存在很大差距。因此，大力加强与 “ 数字地球 ” 有关的关键技术研究和创新已刻不容缓。

在 “ 数字地球 ” 关键技术之中，特别引人注目的是 1 米分辨率的卫星图像商业化，此举意味着将高分辨率的卫星数据开始广泛用于支持全球范围的空间信息分析处理，包括强大的信息系统和网络支持下的实时分析处理。这不但对技术进步具有重要意义，而且意味着巨大的商机和潜在的经济社会效益，而且与我国相应的产业和国家安全密切相关。在关键技术的开发和信息基础设施建设方面，我国作为发展中国家需要采取引进与自主创新相结合的途径。引进成熟技术加速我国空间信息基础设施建设；同时根据我国国情国力、应用需求和国家安全的需要，重点部署 “ 数字地球 ” 关键技术的开发和创新，缩小与发达国家的差距。目前迫切需要在关系国家经济和国防安全的两个领域有所突破，即加速建立我国自主、稳定、功能强大的卫星对地观测系统和空间信息传输主干网络，摆脱过分依赖国外卫星数据源、网络传输和管理技术的局面，同时也为增强我国地球空间信息产业的国际竞争实力创造必要的条件。在日益严峻的挑战面前，需要进一步强调的是国家的统筹规划和部门之间的合作，部门之间信息封锁和低水平重复建设的局面应当尽快结束。其中包括加速我国遥感卫星的研制和发射，建立自己的遥感卫星系列和独立稳定的对地观测空间信息源；建立健全空间地理信息采集、处理、分发和应用的技术体系、基础设施和数字产品的市场环境，满足各类应用对空间信息源的需求，特别是满足国土资源环境动态观测和分析的需要。我国作为一个幅员辽阔的大国，需要建立自主的对地观测卫星系列，也应该为人类做出自己应有的贡献。同时， “ 数字地球 ” 关键技术的开发应与 NSII 的建设、发展和应用相结合，在开发中创新，培养人才，培育市场，促进技术成果转化和信息产业发展。

2. 加速我国空间信息基础设施发展

在当前国际经济和技术一体化趋势不断加强的环境之下， “ 数字地球 ” 同时也为我国高效、低成本发展国家空间信息基础设施（ NSII ）提供了机遇。鉴于 “ 数字地球 ” 事实上是以全球空间信息基础设施的建设和应用为主导的计划，与我国的国家空间信息基础设施建设及其应用（市场）基本上是一致的。 “ 数字地球 ” 在中国实际上相当于我国的国家空间信息基础设施的发展和应用。

“ 数字地球 ” 的 6 项关键技术也属于我国 NSII 建设和发展不可缺少的关键技术。在技术方面目前我国与发达国家之间存在很大差距，但在应用方面则存在更大的潜力。特别是 1 米分辨率卫星商业化和包括陆地卫星在内的商用卫星数据的大幅度降价，都为我国的卫星数据用户提供了难得的机遇。我们一方面要通过技术创新解决由此对于我国相应技术产业发展和国家安全提出的严峻挑战，另一方面又要抓住机遇利用分辨率更高、更廉价的空间数据，增强各领域的应用效益、人才培养和市场培育。

我国作为发展中国家，一方面需要在 “ 数字地球 ” 的六个关键技术领域加大科技创新力度，缩小与发达国家的差距，另一方面必须加速我国基础地理数据的生产和应用系统建设，促进我国空间信息产业发展壮大。这就有利于引导和带动我国不同技术层次（成熟技术应用和前沿技术创新和转化）的空间信息技术开发和应用，合乎我国目前行业、地区、企业之间信息技术开发与应用水平和经济实力差距大、发展不平衡的社会经济背景。发展我国的 “ 数字地球 ” ，主要途径可以归纳为以下三个方面：

一是盘活信息资源，驱动应用发展。充分发挥我国现有的信息资源潜力，利用发达国家开放高分辨率卫星数据的机会，加速多源信息的整合，推进 “ 数字地球 ” 应用系统建设，提高现有空间数据的开发利用水平，取得更好的应用效益。在信息资源的开发利用方面，我国有更多的优势和主动权。一方面，作为发展中国家，我国有可能利用分辨率更高、更加丰富和更加廉价的空间地理信息。另一方面，我国在这方面具有很大的潜力。建国以来我国开展了大规模的地学调查，积累了数量大、系统性强、规范化程度高的地球空间信息资源，特别是自然资源调查的地球信息不但十分丰富，而且比较系统、全面。但这些信息资源的开发利用水平很低，数字化、网络化共享和深加工的潜力巨大。特别是在提高我国国土调查、城市管理和远程教育等领域的技术水平和效益方面，具有显著的优势和前景。

二是关键技术创新和基础设施发展。通过 NSII 建设实践积累必要的经验，根据我国的实际开展 “ 数字地球 ” 关键技术创新和应用，促进 NSII 的技术更新和持续发展，逐步建立有中国特色的空间信息基础设施运行与管理体系，形成我国自主的航天对地观测体系，增强我国空间信息技术和相关产业的国际竞争实力，保障国家安全。

三是带动高技术产业形成和发展。通过空间信息基础设施的发展，促进和带动我国空间信息系统软件产业、空间信息服务业及其他相关产业的形成和发展，并为其应用开辟市场，创造必要的技术经济支撑环境。

从某种意义上说，美国 “ 数字地球 ” 的公益性和基础性部分与我国正在研究开发的 “ 国家空间信息基础设施 ” （ NSII ）可以相对应，而其中的市场化应用部分与我国地理信息资源的应用及其相关行业的信息化、网络化、产业化和市场化密切相关。中国同样具有创建 “ 数字地球 ” 的需求和条件。

3. 大力培植我国空间信息产业发展

我国具有丰富的地球信息资源和广阔的空间信息应用领域。 80 年代以来我国陆续积累了大量空间数据，开发建设了为数甚多的基于空间信息的应用系统，其中一些技术已经达到当时国际先进水平，但仍有大批空间数据（包括航天、航空遥感数据）及其研究成果未能及时转化为应用，没有在国民经济和社会服务信息化中发挥应有的作用。国内 70 ％以上的地理信息系统软件市场被国外软件占领，空间信息产业十分弱小。针对以上问题， “ 九五 ” 以来，我国已将 GIS 、 RS 和 GPS 的产业化、集成化和实用化列为 “ 重中之重 ” 的研究课题，组织开展了国家空间信息基础设施（ NSII ）关键技术及其雏形 —— 国家资源环境与区域经济信息系统（ NREDIS ）的开发，并通过这些项目促进空间信息共享和相应地球空间信息产业的形成和发展。

综上所述，面对 “ 数字地球 ” 的挑战，有必要在现有工作的基础上，进一步加强国家的宏观组织协调，设立国家空间信息基础设施（ NSII ）的重点开发专项，将各有关方面的研究和开发统一组织和集成在 NSII 开发与应用框架之中，促进我国空间信息资源的高效开发利用和规范化网络共享，在全球空间信息基础设施建设中做出自己的贡献。

六、“数字地球”及其与现代测绘的关系

“数字地球”是美国副总统戈尔 1998 年 1 月在一次演讲中提出的概念；是一种能输入大量的地理信息，并对其进行多种分辨率处理的动态描述系统。它是随着国家信息基础设施（即通常所说的国家信息高速公路）的发展而形成的。“数字地球”是以信息基础设施和空间数据基础设施为依托的一个广泛的概念。其技术基础包括计算机技术、图像处理技术、大规模数据存储技术、空间对地观测技术及数字通讯技术等。

形成和发展“数字地球”必须首先发展国家的信息基础设施和国家的空间数据基础。后者主要包括四个部分：地球空间数据框架，空间数据协调、管理与分发，空间数据交换标准以及空间数据交换网站等。这些工作和设施都与现代测绘工作直接有关。特别是国家空间数据框架，包括大地控制、数字正射影像、数字高程模型、交通、水系、行政境界、公共地籍等空间基础数据，它们的获取、处理和管理工作都是测绘工作的业务范围，也是当代测绘事业的发展方向。

我国已建成的国家 l ： 100 万和 1 ： 25 万数字化地图数据库是国家法定的空间数据框架。但这两个数据框架的比例尺还不够大，还急需国家和省市两级建立以航天和航空遥感影像为基础的国家级 1 ： 5 万和省级 1 ： 1 万数字空间数据库，从而可获得直径 1 米分辨率的我国地面图像。这些都是国家空间数据基础设施和先行，是不可缺少的重要组成部分，将为我国的“数字地球”打下坚实的基础。在这个框架基础上加载我国经济、社会和人文等各行各业中一切与地理位置有关的空间信息，并由此建成国家空间数据基础设施，将为解决我国的人口、资源、环境、灾害等社会可持续发展中的重大问题，以及有关国土资源的规划保护利用、工农业发展等推动国家经济发展、生态平衡和人民生活质量提高的实际问题作出极其重要的贡献。由此，在全球发展和形成的“数字地球”将为全球人类社会的可持续发展和社会进步作出积极贡献。

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电力系统中的GIS：将电力企业的电力设备、变电站、输配电网络、电力用户与电力负荷等连接形成电力信息化的生产管理综合信息系统。电网GIS平台是电网企业信息化建设的重要组成部分，其核心功能在于为电网企业各专业提供基础数据与服务。

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电网GIS平台的深化应用，促进了电网设备的规范化管理、电网数据共享与业务融合，提升了电网资产全寿命周期管理和电网设备精益化管理水平。

系统设计采用目前最新技术，支持远程数据和图纸查询，利用系统提供的强大图表输出功能，可以直接打印地图、统计报表、各类数据等。

参考资料：百度百科-电力GIS

参考资料：人民网-国网青海电力积极推进电网GIS平台深化应用

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GIS中将带坐标的照片导入影像中，可以使用GeoTIFF图像标记技术。其原理是在照片的像素上标识坐标位置信息，以及图像的方向、形状等信息，使得将照片导入GIS系统时，可以正确放大缩小、定位显示。