数字地球的关键技术

摘要“数字地球”是遥感、遥测、数据库与地理信息系统、全球定位系统、互联网/万维网、仿真与虚拟技术等现代科技的高度综合集成和升华。

“数字黄河”是从数字地球外延而来，其关键的支撑技术是空间数据共享平台、元数据管理、空间数据仓库、异构环境管理复杂数据对象、分布式海量数据存储技术、无级比例尺模型等。

关键词数字地球数字黄河关键技术一、“数字地球”的基本概念由来：1998年1月，美国前副总统戈尔在加利福尼亚科学中心发表了题为“数字地球：21世纪认识地球的方式”的报告。

要点：在三维地球的数字框架上，按照地理坐标集成有关的海量空间数据及相关信息，构建一个数字化的地球，即“数字地球”，为人们认识、改造和保护地球提供一种重要的信息源和新技术手段。

实质：数字地球是遥感、遥测、数据库与地理信息系统、全球定位系统、互联网络（Internet）/万维网（Web）、仿真与虚拟技术等现代科技的高度综合集成和升华，是当今科技发展的制高点。

推进：“数字地球”计划与我国的“国家信息化”或“国民经济信息化”的战略目标是一致的，在国内也引起了我国领导人与科技界极大的关注。

“数字地球”计划是中国21世纪信息产业发展的切入点，是我国实施可持续发展战略的技术保障。

实现“数字地球”计划是关系到国家和国防的安危以及经济和科技发展战略的重大问题。

内涵与外延：“数字地球”的内涵实质上是信息化的地球，包括地球大部分要素的数字化、网络化、智能化、可视化的全部过程。

外延包括数字区域与数字行业，如数字北京、数字福建、数字铁路、数字国土等。

数字地球的基础技术：多种分辨率的遥感技术、快速定位技术、以计算机为核心的WebGIS与Open GIS技术以及高速计算机通信网络技术等。

二、“数字地球”的支撑技术“数字地球”的学科交叉与知识融合模式可概括为：3S（GIS/RS/GPS）+NET+VR其中：GIS为地理信息系统；RS为遥感技术，GPS为全球定位系统；NET为网络；VR为虚拟现实。

关键技术包括分辨率的卫星遥感技术，海量数据的快速存储与处理技术，高速网络技术，WebGIS与OpenGIS的互操作技术，多分辨率多维数据的融合与主体动态表达技术，仿真与虚拟技术，元数据Metadata技术。

从“数字地球”与“数字黄河”应用需求看，应重点考虑以下关键支撑技术：1.空间数据共享平台地理空间信息具有基础性、区域性、共享性、综合性和分布性，已得到广泛的重视和应用。

由于缺乏协调和管理，各个系统之间是独立的，对基础数据进行了重复采集和数字化，系统间缺乏交流和共享，不能适应信息化和网络化的要求，限制了地理信息的广泛应用。

空间数据共享平台由通信网络、空间信息资源、空间信息处理服务和用户操作界面构成，实现各专业部门对基础信息和处理功能的共享，以及各专业部门信息和处理功能间的集成和融合的框架。

空间信息资源包括各种类型的数字地理空间信息和空间参考信息，具体有电子地图、数字遥感图像、三维空间图形和多媒体信息等，另外还有具备空间参考属性的属性信息和各种统计信息。

空间信息资源存储在各种级别和规模的分布的数据库、数字资料馆和数据仓库中。

空间信息处理服务器是连接在计算机网络上的计算机包括超级计算机、大规模并行分布处理计算机、各种工作站和服务器，他们完成对数据库的操作和各种空间信息处理和查询要求，提供各种计算模型和决策支持系统。

用户终端计算机提供对用户友好的操作界面，使用户不仅能通过键盘，还能够通过语音和虚拟现实工具来同数字世界交互，提供对空间信息的查询和访问，为用户提供决策支持，为公众提供信息查询。

实现地理数据共享的必要性和优点有：①整合分离的数据源是GIS及相关工具的主要特征之一。

②通过地理数据共享可以使更多的人使用和更充分地利用已有的数据，减少重复劳动和费用。

③使大家有可能基于一个公共框架工作，既节约金钱，又产生更大的协作利益。

④ GIS系统更容易集成。

⑤ GIS应用开发可以把重点放在开发新的应用程序，而非仅仅是支持不同的数据格式。

2.元数据管理Metadata是“关于数据的数据”或“关于信息的信息”，它在地理信息中用于描述地理数据集的内容、质量、表示方式、空间参照系、管理方式以及数据集的其他特征，它是实现地理空间数据集共享的核心内容之一。

它具有下列几个意义：是用于描述信息资源的高度结构化数据；可以管理和组织信息；可以挖掘信息资源；也可以帮助人们准确地查询所需要的信息，并在从不同的资料或组织获取数据时，可以通过对相同的Metadata元素进行比较和对比，获取自己所需要的信息内容。

它是打开对多源数据资料进行获取、智能分析以及运算大门的钥匙。

基于元数据的信息共享的特点对分散在各个场所的重要信息资源可有效地利用及共享。

对数据进行综合管理。

把数据安全、有效地保管在分布式的服务器群中，解决双重投资的问题。

数据保存在目录系统中，数据所有者可以对数据直接管理。

支持地图、卫星图像、文档、图表、多媒体及其他所有种类的数据形式。

数据利用者通过简易的操作界面、方便地对数据进行搜索、浏览和处理。

登录的数据可经由Internet发布。

3.空间数据仓库过去25年，人们使用GIS、CAD、RS等系统构建了数量惊人的数字化空间数据，并为此付出了上百亿美元。

如何充分有效地利用这些资源是一个重要的课题。

今天，空间数据管理的需求有三种趋势，一是组织内部访问需求的扩大；二是一些组织开始在地图数据中集成自己的核心业务数据并且将空间分析加入到业务流中；三是越来越多的人希望通过因特网来访问已有的地图数据。

但是由于GIS软件提供商多采用文件格式或自己定义的数据格式来保存地图数据，开放式访问地图数据受到了严重的阻碍。

数据仓库Data Ware housing指“支持管理决策过程的，面向主题的、集成的、随时间而变化的、持久的数据集合”Harjingder1996。

它是管理分布式、大量数据的，面向主题的系统，可以跨越不同数据模式的、不同版本，并对数据可进行多种面向决策的处理。

它是一个把多个异构的原始数据集合融合在一起以支持结构式即席查询、分析和决策支持的技术系统。

以数据仓库的思想来管理空间数据的系统就构成了空间数据仓库，它有机地将数据的空间属性和时间属性紧密结合起来。

4.异构环境管理复杂数据对象目前，人类在信息技术领域面临着这样的局面：一方面一些应用领域要求管理越来越复杂的信息，这些领域（如CAD/CAM、CIMS、CASE、GIS）数据类型众多，具有诸如多媒体、空间数据、科学数据等复杂数据类型，这些数据类型较传统数据复杂，因此，它们提出了用数据库技术和系统来管理这些复杂数据的要求，以图获得数据库系统所具备的许多数据管理功能，如恢复、并发控制、完整性、存储管理等；另一方面，由于网络技术的蓬勃发展，信息处理早已从单用户环境发展到网络环境，这种环境为资源、信息的共享提供了极大的方便，并且由于多机协同工作可以大大提高工作的效率。

这两者的结合要求新一代GIS能够在异构环境中管理复杂数据对象。

5.分布式海量数据存储技术NFS是network file system的缩写，这是一种在不同机器之间共享文件系统的方法，本地机器可以像使用本地硬盘一样使用远程文件系统。

这个存储系统，以NFS为基础实现分布式节点的存储空间共享，并采用三层存储体系进行影像数据的存储管理。

6.无级比例尺空间数据模型无级比例尺数据管理技术是指以一个大比例尺（例如1∶5万）空间数据库为基础数据源，在一定的区域内空间对象的信息量随比例尺自动增减，从而使空间地理信息的压缩和复现与比例尺自适应的一种信息技术。

三、“数字地球”的解决方案“数字地球”的应用解决方案要从支撑层到行业层、区域层三个层面联系考虑。

技术产品类型解决方案：构成数字地球应用的技术与产品支撑体系。

重点解决的问题是：关键技术攻关与新一代产品研发。

行业领域类型解决方案：面向数字行业。

重点解决的问题是数据建设、业务流程、事务处理、分析模型等标准化。

区域集成类型解决方案：面向数字区域。

其重点解决的问题是战略规划、组织管理、数据建设、维护更新。

“数字流域”，包括“数字黄河”在内，是上述行业与区域两者的综合类型。

要在产品与关键技术的支撑下，提出相关解决方案。

四、“数字黄河”的框架思考“数字黄河”的概念框架如图所示，包括政策、基础、系统与应用四个层面。

是一个开放型架构体系。

在技术方案方面，要注重以下关键技术：基于元数据与分布式空间数据仓库的信息共享平台，元数据与业务标准体系，3S与MIS、OA、DCS高度集成的技术系统，高度融合而又条块分明专业与区域系统，全新的前端数据采集、自动更新综合、同步共享、快速决策与发布网络模式，借鉴新一代GIS设计理念与数据模型。

作者为北京大学遥感与地理信息系统研究所教授数字地球核心技术综述为了解决数字地球中的数字化、信息化以及应用问题，需要研究以下关键技术：科学计算、海量存储、宽带网、卫星数据获取、元数据、互操作等等[戈尔]。

下面对这些相关关键技术进行简单的描述。

1）高分辨率卫星遥感数据的快速获取技术卫星遥感是数字地球获取数据的主要手段，包括不同高度、不同分辨率的陆地卫星系列、海洋卫星系列、气象卫星系列以及小卫星系列，其分辨率从1米到4000米。

遥感数据的处理包括辐射纠正、几何纠正、增强、特征提取、自动分类、自动成图、数据压缩等等，高分辨率卫星每天都要产生大量的数据，对这些数据的自动的、快速的处理以实时、准确地提取信息是实现数字地球信息获取的关键。

2）地球空间数据的存储和处理为了能够将地球上的信息进行数字化，除了要存储和处理大量的遥感数据之外，还包括图形数据，属性数据等等。

实现对这些数据的查询检索，需要海量数据存储管理以及快速处理技术。

目前分布式数据存储是海量数据管理的趋势，可以避免集中式系统带来的管理困难以及网络拥塞；而通常采用超大型计算机或者并行计算以实现快速处理。

3）超媒体空间信息系统数字地球的主要任务之一是通过因特网实现信息的共享和发布，主要通过WebGIS技术实现。

此外，数字地球应用中包含大量多媒体数据，也需要在因特网上发布，形成超媒体空间信息系统。

大量的数据在网络上传输，造成网络拥塞，这需要高带宽网络解决该问题。

4）地理信息的分布式计算地理信息的特征是分布的，并且具有基础性、共享性和综合性，分布式计算可以使得地理信息应用于社会各个领域。

遵循OpenGIS规范，基于CORBA（或COM）体系结构，实现地理信息信息的分布计算，是其解决方案之一。

地理信息的分布计算服务包括：（4．1）地理信息的共享领域服务为社会各个领域的应用提供地理信息服务，提供共享和集成的基础。

（4．2）空间查询服务包括通过元数据实现信息检索，属性、几何、空间关系等各个方面的查询。

（4．3）空间分析服务实现空间信息提取，地理特征分析，图像理解，图像开发等服务。