地球空间信息建模
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ESMF的应用
ESMF目的在于改进和加快短波天气和中长波气候变化预测的能力。 ESMF能够更容易地利用多个数据源共享和比较科学方法，更加有效地 利用遥感数据。 ESMF的出现大大简化了不同组织开发软件模型的难度。
地球动力学模拟
定义： 地球动力学模拟就是把地球作为一个球或椭圆球体，把地球作为一
个不可分割的整体以动力学方程来研究运动和各个圈层之间的相互作用， 从而研究解决地球资源与能源的发展和合理开发、利用、生态环境的保 持及改善、自然灾害的发生和预防问题。
作用及意义：对认识和理解地表生态和水文过程对气候和大气化学成分 有重要的作用； 是通往全球变ห้องสมุดไป่ตู้模拟的一个重要途径。
eg:土壤-植被-大气模型
理论上，地表过程模型的参数可以从光学、热红外、和微波遥感数 据获得。
实际上，目前为止，遥感提供的参数主要包括地表覆盖、地表温度、 植被覆盖、叶面积指数、土壤湿度等。
有关标准与规范
一般信息技术的标准规范 国际标准化组织及其任务 地理空间信息技术标准与规范 电子政务的标准与规范化体系
一般信息技术的标准规范
a) 信息技术（IT）的标准与规范体系 b) 信息系统的标准与规范体系 c) 国外信息标准化组织及其标准与规范体系
国际标准化组织及其任务
➢ ISO/ICE/JTCI技术委员会下设17个分技术委员会（SC）。 ➢ 国际电信联盟（ITU）是联合国的一个机构其下属的一个技术委员会
地球空间信息建模
建模 地球动力学模拟 全球变化经济学模型 有关标准与规范
目录
前言
建模
定义：建模是建立模型的简称，模型是指客观世界的现象或过程机制的 物理或数学的表达。 常见的方程模型：物理方程、数学方程和数理统计方程。 建模是根据测量的参数来获得未知参数，即数据反演的基础。 模拟的过程：
假设 建立模型 设立方程组 输入初始值 计算 验证 修正
此外，许多国家纷纷研制各种产品。
① 地表土地覆盖、土地利用及变化监测 ② 大气参数产品反演：大气气溶胶，大气水汽含量等 ③ 海洋与内陆水质参数反演：叶绿素、泥沙等 ④ 地表辐射与能量平衡系统参数：地表温度、地表发射率等 ⑤ 植被生态循环系统参数：植被指数、植被覆盖度等
地表过程模型
地表过程模型：使用环境参数和变量来定量描述地表能量、水、碳和营 养物质的通量在一定空间范围内随时间的变化。
亚太综合模型
亚太综合模型的七个明显特征：
1. 综合了排放、气候和作用几个模型； 2. 为了确保不同模块的一致性，同时准备了州和国家一级的国家模块
和全球模块作详细评估； 3. 综合了至底向上的国家模块和至顶向下的全球模块； 4. 评估各种不同政策； 5. 包含一个非常详尽技术选择模型评估引入先进技术的作用； 6. 利用一个详尽的地理信息系统里面的信息评估和表示地方一级作用
地表模型面临的问题：
传统的地表过程模型大多是基于地面台站观测系统发展起来的，遥 感技术提供了大量的空间分布的各种定量参数，为有效驱动地表过程模 型起到了很好的作用，但是也面临很多新的问题。
例如：遥感定量参数与地表过程模型参数的定义不完全一致； 遥感定量参数精度不能满足地表过程模型的精度需求； 遥感定量参数在地表过程模型中用不上。
遥感参数反演的建模
遥感数据来源：（直接测量 + 一定的模型反演推算）
其中，许多参数和产品都是由后者所得，所以通过建模来进行反演是十 分重要的。
实例：美国利用Terra和Aqua卫星上的MODIS数据生产全球陆地数据产 品。
Terra Aqua
MODIS数据
全球陆地数 据产品
全球土地覆盖 植被指数 叶面积指数 光合作用有效 辐射比例 地表温度 雪盖和雪深 地表反照度
基于这些问题，建议重点发展的方向包括：
1. 基于地面与地球综合观测，以具有空间分布的遥感观测信息为 主，构建地表能量与物质循环过程模型，解决地表辐射平衡、 地表散热、地表碳氮循环遥感监测与估算问题；
2. 构建人类活动与全球变化的情景模拟模型，解决城市扩张、粮 食安全、水资源遥感监测与预警问题
3. 构建重大环境事件和巨型灾害过程演化模型，解决大气和水体 污染扩散遥感监测与预警，解决洪涝和干旱等自然灾害遥感监
发展
过渡阶段 成型阶段
未来5-15年在物理气候系统模式的基础上耦合大气 化学 过 程和生物地球化学过程的地球气候模式阶 段
在地球气候系统模式的基础上进一步考虑其与 固体地球 过程和空间天气过程相互作用的相 对完整的数值模式阶段
✓模型，建模框架及模拟器的基本概念
模型：是指客观世界现象或过程的主要要素变量的物理、化学、生物、 经济社会特征的作用及其定量表达的代码—数值的关系形式。它表达了 现象或过程的机理。
测与预警问题。
地球系统的模拟
定义:地球系统模式是基于地球系统中得动力、物理、化学和生 物过程建立起来的方程组来确定其大气圈、水圈、冰雪圈、岩石 圈和生物圈五大圈层的性状，由此构成地球系统的数学物理模型， 然后用数值的方法进行求解，并在计算机上付诸实现的一种大型 计算程序。
基础阶段 目前以地球流体为主体的物理气候系统模式阶段
5. 对联合国环境规划署的全球环境前景规划、UN全球模型论坛和亚太 网络规划都有显著贡献。
MIT全球整合系统模型：
定义： MIT全球综合系统模型（Integrated Global System）是由美国 麻省理工大学全球变化科学与政策联合项目研制的综合仿真系统。
该系统主要用于模拟由人类活动引起的全球变化，以及研究在政策 评估中得敏感因素和不确定因素。
（ITU-T）设有14个研究组承担一些SG规范的制定。 ➢ 联合国行政、商业和运输业程序和惯例 简化中心（UN/ECE）成立了
工作组，负责制定适用于行政、商业和运输业的电子数据交换系列 标准。 ➢ 国内信息化标准化组织及其标准。
地理空间信息技术标准与规范
1. 数据质量标准 2. 地理空间元数据内容标准 3. 地理空间数据的目录交换格式标准 4. 政府信息定位服务标准 5. 描述数字地理参考集的目录信息标准 6. 空间数据标准和规范 7. 遥感数据标准 8. 卫星定位数据标准 9. GIS系统标准 10. 国内地理空间数据标准
2. ESMF的目标是地球系统综合进行建模。 3. ESMF是一个软件系统，包括Goddard地球模系统（GEMS）、地球
物理灵活的模式系统（FMS）、MIT的包裹器工具箱、模式耦合工具 （MCT）等，系统的共同特点是标准化和统一化。
ESMF的内涵与结构
ESMF是在美国航天局（NASA）、美国国家自然科学基金会 （NSF）和美国国防部（DOD）共同支持下开发的，能为各个领域所使 用的通用建模框架，她是在由大气和气候等相关研究领域的研究者组建 的“建模结构工作组”研究成果的基础上发展起来的。
✓美国地球系统的组件式集成建模框架（ESMF） ✓日本地球系统模拟器 ✓中国的地球系统模式
地球系统建模框架（Earth System Modeling Framework,ESMF）又称 为地球系统多组件集成建模框架，简称为ESMF。
ESMF的基本特征：
1. 建立在综合的多组件模式，即多台计算机系统和国家技术网络基础 上建立的，实现了计算水平科学分析能力的提高。
的分步； 7. 主要关注亚太地区，以国际研究机构的一个合作网络为基础。
亚太综合模型的主要贡献：
1. 为IPCC提供了全球和地域性的气体排放场景；
2. 在斯坦福能源模型会议上被引用，以便进行场景和影响评估的国际 比较；
3. 被日本政府用来评估政策；
4. Eco Asian 采用它作为评估各种可选政策的内部模型；
电子政务的标准与规范化体系
内容：电子政务总体标准 电子政务应用业务标准 电子政务应用支持标准 网络基础设施标准 信息安全标准 电子政务管理标准
谢谢大家！
建模框架：由多个组件耦合而成的，每个组件又由多个模型耦合而成， 模型是建模框架的基础，建模框架是由多个组件集成的组织结构方式。
模拟器：模拟器是指由多个模型耦合成为一个组件，并有多个组件集成 为一个建模框架，由分布式的大量数据、许多模型和算法及大量计算机 组成并通过互联网连接起来，实现某一特定应用目标的实验技术。
意义： 根据地球动力学模型计算，可以尝试地震灾害预测，或者根据震中
的地点建立地震断裂破裂模型，我们可以计算地面运动和加速度分布， 可以计算地震造成的应力变化及对其他断层后续地震的影响。
全球变化经济学模型
重点研究以下几个方面：
研究由于全球变化增加环境灾害的尺度与频率而造成对经济社会及生 态系统产生的经济损失（如台风、雪灾、酷热等）； 计算由于实施适应全球变化对策而产生的社会经济效益，估测这些适 应对策能减少全球变化所导致的环境灾害对社会经济及生态系统损害的 经济效益。 研究由于全球变化对环境灾害的影响，而增加人员生病及死亡所产生 的经济损失； 各种方式的灾害风险管理措施对减少各种影响所产生的经济效益。
ESMF目的在于改进和加快短波天气和中长波气候变化预测的能力。 ESMF能够更容易地利用多个数据源共享和比较科学方法，更加有效地 利用遥感数据。 ESMF的出现大大简化了不同组织开发软件模型的难度。
地球动力学模拟
定义： 地球动力学模拟就是把地球作为一个球或椭圆球体，把地球作为一
个不可分割的整体以动力学方程来研究运动和各个圈层之间的相互作用， 从而研究解决地球资源与能源的发展和合理开发、利用、生态环境的保 持及改善、自然灾害的发生和预防问题。
作用及意义：对认识和理解地表生态和水文过程对气候和大气化学成分 有重要的作用； 是通往全球变ห้องสมุดไป่ตู้模拟的一个重要途径。
eg:土壤-植被-大气模型
理论上，地表过程模型的参数可以从光学、热红外、和微波遥感数 据获得。
实际上，目前为止，遥感提供的参数主要包括地表覆盖、地表温度、 植被覆盖、叶面积指数、土壤湿度等。
有关标准与规范
一般信息技术的标准规范 国际标准化组织及其任务 地理空间信息技术标准与规范 电子政务的标准与规范化体系
一般信息技术的标准规范
a) 信息技术（IT）的标准与规范体系 b) 信息系统的标准与规范体系 c) 国外信息标准化组织及其标准与规范体系
国际标准化组织及其任务
➢ ISO/ICE/JTCI技术委员会下设17个分技术委员会（SC）。 ➢ 国际电信联盟（ITU）是联合国的一个机构其下属的一个技术委员会
地球空间信息建模
建模 地球动力学模拟 全球变化经济学模型 有关标准与规范
目录
前言
建模
定义：建模是建立模型的简称，模型是指客观世界的现象或过程机制的 物理或数学的表达。 常见的方程模型：物理方程、数学方程和数理统计方程。 建模是根据测量的参数来获得未知参数，即数据反演的基础。 模拟的过程：
假设 建立模型 设立方程组 输入初始值 计算 验证 修正
此外，许多国家纷纷研制各种产品。
① 地表土地覆盖、土地利用及变化监测 ② 大气参数产品反演：大气气溶胶，大气水汽含量等 ③ 海洋与内陆水质参数反演：叶绿素、泥沙等 ④ 地表辐射与能量平衡系统参数：地表温度、地表发射率等 ⑤ 植被生态循环系统参数：植被指数、植被覆盖度等
地表过程模型
地表过程模型：使用环境参数和变量来定量描述地表能量、水、碳和营 养物质的通量在一定空间范围内随时间的变化。
亚太综合模型
亚太综合模型的七个明显特征：
1. 综合了排放、气候和作用几个模型； 2. 为了确保不同模块的一致性，同时准备了州和国家一级的国家模块
和全球模块作详细评估； 3. 综合了至底向上的国家模块和至顶向下的全球模块； 4. 评估各种不同政策； 5. 包含一个非常详尽技术选择模型评估引入先进技术的作用； 6. 利用一个详尽的地理信息系统里面的信息评估和表示地方一级作用
地表模型面临的问题：
传统的地表过程模型大多是基于地面台站观测系统发展起来的，遥 感技术提供了大量的空间分布的各种定量参数，为有效驱动地表过程模 型起到了很好的作用，但是也面临很多新的问题。
例如：遥感定量参数与地表过程模型参数的定义不完全一致； 遥感定量参数精度不能满足地表过程模型的精度需求； 遥感定量参数在地表过程模型中用不上。
遥感参数反演的建模
遥感数据来源：（直接测量 + 一定的模型反演推算）
其中，许多参数和产品都是由后者所得，所以通过建模来进行反演是十 分重要的。
实例：美国利用Terra和Aqua卫星上的MODIS数据生产全球陆地数据产 品。
Terra Aqua
MODIS数据
全球陆地数 据产品
全球土地覆盖 植被指数 叶面积指数 光合作用有效 辐射比例 地表温度 雪盖和雪深 地表反照度
基于这些问题，建议重点发展的方向包括：
1. 基于地面与地球综合观测，以具有空间分布的遥感观测信息为 主，构建地表能量与物质循环过程模型，解决地表辐射平衡、 地表散热、地表碳氮循环遥感监测与估算问题；
2. 构建人类活动与全球变化的情景模拟模型，解决城市扩张、粮 食安全、水资源遥感监测与预警问题
3. 构建重大环境事件和巨型灾害过程演化模型，解决大气和水体 污染扩散遥感监测与预警，解决洪涝和干旱等自然灾害遥感监
发展
过渡阶段 成型阶段
未来5-15年在物理气候系统模式的基础上耦合大气 化学 过 程和生物地球化学过程的地球气候模式阶 段
在地球气候系统模式的基础上进一步考虑其与 固体地球 过程和空间天气过程相互作用的相 对完整的数值模式阶段
✓模型，建模框架及模拟器的基本概念
模型：是指客观世界现象或过程的主要要素变量的物理、化学、生物、 经济社会特征的作用及其定量表达的代码—数值的关系形式。它表达了 现象或过程的机理。
测与预警问题。
地球系统的模拟
定义:地球系统模式是基于地球系统中得动力、物理、化学和生 物过程建立起来的方程组来确定其大气圈、水圈、冰雪圈、岩石 圈和生物圈五大圈层的性状，由此构成地球系统的数学物理模型， 然后用数值的方法进行求解，并在计算机上付诸实现的一种大型 计算程序。
基础阶段 目前以地球流体为主体的物理气候系统模式阶段
5. 对联合国环境规划署的全球环境前景规划、UN全球模型论坛和亚太 网络规划都有显著贡献。
MIT全球整合系统模型：
定义： MIT全球综合系统模型（Integrated Global System）是由美国 麻省理工大学全球变化科学与政策联合项目研制的综合仿真系统。
该系统主要用于模拟由人类活动引起的全球变化，以及研究在政策 评估中得敏感因素和不确定因素。
（ITU-T）设有14个研究组承担一些SG规范的制定。 ➢ 联合国行政、商业和运输业程序和惯例 简化中心（UN/ECE）成立了
工作组，负责制定适用于行政、商业和运输业的电子数据交换系列 标准。 ➢ 国内信息化标准化组织及其标准。
地理空间信息技术标准与规范
1. 数据质量标准 2. 地理空间元数据内容标准 3. 地理空间数据的目录交换格式标准 4. 政府信息定位服务标准 5. 描述数字地理参考集的目录信息标准 6. 空间数据标准和规范 7. 遥感数据标准 8. 卫星定位数据标准 9. GIS系统标准 10. 国内地理空间数据标准
2. ESMF的目标是地球系统综合进行建模。 3. ESMF是一个软件系统，包括Goddard地球模系统（GEMS）、地球
物理灵活的模式系统（FMS）、MIT的包裹器工具箱、模式耦合工具 （MCT）等，系统的共同特点是标准化和统一化。
ESMF的内涵与结构
ESMF是在美国航天局（NASA）、美国国家自然科学基金会 （NSF）和美国国防部（DOD）共同支持下开发的，能为各个领域所使 用的通用建模框架，她是在由大气和气候等相关研究领域的研究者组建 的“建模结构工作组”研究成果的基础上发展起来的。
✓美国地球系统的组件式集成建模框架（ESMF） ✓日本地球系统模拟器 ✓中国的地球系统模式
地球系统建模框架（Earth System Modeling Framework,ESMF）又称 为地球系统多组件集成建模框架，简称为ESMF。
ESMF的基本特征：
1. 建立在综合的多组件模式，即多台计算机系统和国家技术网络基础 上建立的，实现了计算水平科学分析能力的提高。
的分步； 7. 主要关注亚太地区，以国际研究机构的一个合作网络为基础。
亚太综合模型的主要贡献：
1. 为IPCC提供了全球和地域性的气体排放场景；
2. 在斯坦福能源模型会议上被引用，以便进行场景和影响评估的国际 比较；
3. 被日本政府用来评估政策；
4. Eco Asian 采用它作为评估各种可选政策的内部模型；
电子政务的标准与规范化体系
内容：电子政务总体标准 电子政务应用业务标准 电子政务应用支持标准 网络基础设施标准 信息安全标准 电子政务管理标准
谢谢大家！
建模框架：由多个组件耦合而成的，每个组件又由多个模型耦合而成， 模型是建模框架的基础，建模框架是由多个组件集成的组织结构方式。
模拟器：模拟器是指由多个模型耦合成为一个组件，并有多个组件集成 为一个建模框架，由分布式的大量数据、许多模型和算法及大量计算机 组成并通过互联网连接起来，实现某一特定应用目标的实验技术。
意义： 根据地球动力学模型计算，可以尝试地震灾害预测，或者根据震中
的地点建立地震断裂破裂模型，我们可以计算地面运动和加速度分布， 可以计算地震造成的应力变化及对其他断层后续地震的影响。
全球变化经济学模型
重点研究以下几个方面：
研究由于全球变化增加环境灾害的尺度与频率而造成对经济社会及生 态系统产生的经济损失（如台风、雪灾、酷热等）； 计算由于实施适应全球变化对策而产生的社会经济效益，估测这些适 应对策能减少全球变化所导致的环境灾害对社会经济及生态系统损害的 经济效益。 研究由于全球变化对环境灾害的影响，而增加人员生病及死亡所产生 的经济损失； 各种方式的灾害风险管理措施对减少各种影响所产生的经济效益。