数字地球及其应用前景

数字地球及其应用前景

一、数字地球的概念

1998年1月，美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心开幕典礼上发表演说“数字地球——新世纪人类星球之认识”时，提出了“数字地球”的概念，为信息时代人类的生活与工作方式描绘了一个清晰的轮廓。

什么是数字地球呢？通俗点讲，就是用数字的方法将地球、地球上的活动即整个地球环境的时空变化记入计算机中，实现在网络上的流通，并使之最大限度地为人类的生存、可持续发展和日常工作、学习、生活、娱乐服务[1]。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，以宽带网络为枢纽，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。

二、数字地球的技术基础

数字地球的核心是地球空间信息科学，地球空间信息科学的技术体系中最基础和基本的技术核心是"三S"技术及其集成。所谓"三S"是全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）和遥感（RS）的统称。

1.GPS空间定位技术

GPS是美国国防部自70年代开始研制的一种卫星定位与导航系统，主要有空间部分、控制部分和用户部分构成。作为一种全新的现代定位方法，GPS已逐渐在越来越多的领域取代了常规光学和电子仪器。尤其是90年代以来，GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变化。用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分，从事后处理扩展到实时(准实时)定位与导航，绝对和相对精度扩展到米级、厘米级乃至亚毫米级，从而大大拓宽它的应用范围和在各行各业中的作用。

2.RS遥感技术

遥感技术是空间对地观测的重要组成部分，发展主要表现在它的多传感器、高分辨率和多时相特征。

（1）多传感器技术。当代遥感技术已能全面覆盖大气窗口的所有部分。光学遥感可包含可见光、近红外和短波红外区域。热红外遥感的波长可从8~14mm，微波遥感观测目标物电磁波的辐射和散射，分被动微波遥感和主动微波遥感，波长范围为1mm~100cm。

（2）遥感的高分辨率特点，体现在空间分辨率、光谱分辨率和温度分辨率三个方面。长线阵CCD成像扫描仪可以达到1~2m的空间分辨率，成像光谱仪的光谱细分可以达到

5~6nm的水平。热红外辐射计的温度分辨率可从0.5K提高到0.3K乃至0.1K。

（3）遥感的多时相特征。随着小卫星群计划的推行，可以用多颗小卫星，实现每2~3天对地表重复一次采样，获得高分辨率成像光谱仪数据，多波段、多极化方式的雷达卫星，将能解决阴雨多雾情况下的全天候和全天时对地观测，通过卫星遥感与机载和车载遥感技术的有机结合，是实现多时相遥感数据获取的有力保证。

遥感信息的应用分析已从单一遥感资料向多时相、多数据源的融合与分析，从静态分析向动态监测过渡，从对资源与环境的定性调查向计算机辅助的定量自动制图过渡，从对各种现象的表面描述向软件分析和计量探索过渡。近年来，由于航空遥感具有的快速机动性和高

分辨率的显著特点使之成为遥感发展的重要方面。

3、GIS地理信息系统技术

GIS是一种特定而十分重要的空间信息系统。其主要功能室采集、存贮、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层）与空间分布有关的数据。空间信息是数字地球的基本信息，也是数字地球的定位基础。因此，GIS将是未来数字地球的信息平台。许多学者认为，数字地球是GIS在经历了项目级、单部门级、多部门级向社会级发展的自然延伸、扩展与综合，是GIS与Internet技术相结合的必然结果。

4、"三S"集成技术

"三S"集成是指将上述三种对地观测新技术及其他相关技术有机地集成在一起。这里所说的集成，是英文Integration的中译文，指有机的结合，在线的连接、实时的处理和系统的整体性。GPS、RS、GIS集成的方式可以在不同技术水平上实现。"三S"集成包括空基三S 集成与地基三S集成。

空基"三S"集成：用空─地定位模式实现直接对地观测，主要目的是在无地面控制点（或有少量地面控制点）的情况下，实现航空航天遥感信息的直接对地定位、侦察、制导、测量等。

地基"三S"集成：车载、舰载定位导航和对地面目标的定位、跟踪、测量等实时作业。

三、数字地球的应用前景

数字地球不仅包括高分辨率的地球卫星图像，还包括数字地图，以及经济、社会和人口等方面的信息，其应用如戈尔在报告中所提到的，“有时会因为我们的想象力而受到限制”。这里提出一些现实的应用。

1.数字地球对全球变化与社会可持续发展的作用

全球变化与社会可持续发展已成为当今世界人们关注的重要问题，数字化表示的地球为我们研究这一问题提供了非常有利的条件。在计算机中利用数字地球可以对全球变化的过程、规律、影响以及对策进行各种模拟和仿真，从而提高人类应付全球变化的能力。数字地球可以广泛地应用于对全球气候变化，海平面变化，荒漠化，生态与环境变化，土地利用变化的监测。与此同时，利用数字地球，还可以对社会可持续发展的许多问题进行综合分析与预测，如：自然资源与经济发展，人口增长与社会发展，灾害预测与防御等。

2.数字地球在地学工作中的应用

GIS对多种空间数据的分析处理能力，为地质学家对地质、地理、物探、化探、水文以及遥感等多源地学信息提供了进行综合分析与解释的工具，使他们能以一种新的综合方法研究地学领域中的各种问题。数字地球中丰富的信息和先进的分析处理技术与手段，为地学信息的采集、地质填图、地质事件的模拟与仿真、区域地质调查、岩石与矿体边界的圈定、矿量的分析与预测等，提供了先进的技术手段。

3.数字地球在土地管理中的应用

土地管理是电子政务的基本组成部分，总目标是实现耕地总量动态平衡，提高土地管理的科学性、精确性和时效性。利用数字地球，人们可以十分详细地掌握包括土地利用类型、数量、面积、质量等在内的土地的空间分布信息，从而为土地的日常管理打下基础。利用数