李德仁：数字地球加上物联网将走向智慧地球

李德仁：数字地球加上物联网将走向智慧地球

摘要：本文分析了数字地球的发展及其取得的成就，探讨了伴随着IT技术、通信技术和传感器技术的发展而出现的传感器网络和物联网这一新的基础设施，设计了基于全IP架构的物联网的平台框架和典型应用，并展望了从数字地球发展到智慧地球的趋势和美好前景。

关键词：数字地球，传感器网络，物联网，智慧地球，数据服务，功能服务

1 数字地球及其取得的成就

前美国副总统阿尔·戈尔在1998年提出数字地球时，为我们勾勒出一个诱人的虚拟地球景象，使真实地球作为一个虚拟地球进入了互联网，使普通老百姓，甚至一个小孩子都能方便地运用一定的科学手段了解自己所想了解的有关地球的现状和历史，既能获得自然方面的信息，如地形、地貌、地质构造、山脉河流、矿藏分布、气候气象等，也能获得人文方面的信息，如经济、文化、金融、人口、交通、风土人情等，真可谓“全部地球尽收眼底”[1]。这个虚拟的数字地球以空间位置为关联点整合相关资源(以地理信息系统和虚拟现实技术集成各类数据资源)，实现了“秀才不出门，能知天下事”(See everything on Web)。

图1真实地球和数字地球的关系

数字地球是一个无缝的覆盖全球的地球信息模型，把分散在地球各地的从各种不同渠道获取到的信息，按地球的地理坐标组织起来，既能体现出地球上各种信息(自然的、人文的、社会的)的内在有机联系，又便于按地理坐标进行检索和利用。数字地球是信息化的地球，它包括全部地球资料的数字化、网络化、智

能化和可视化的过程在内。

项目来源：国家973重点基础研究发展计划(No.2010CB731800)、国家863重点项目(No.2009AA121404)、

国家自然科学基金重点项目(N010978003)

数字地球的核心思想是用数字化手段整体性地解决地球问题并最大限度地利用信息资源。数字地球从数字化、数据构模、系统仿真、决策支持一直到虚拟现实，是一个开放的复杂巨系统，是一个全球综合信息的数据系统工程。数字地球的特点是空间性、数字性和整体性，它有自己的理论体系、技术体系、应用体系、工程体系，在这样的数字地球上，世界各国共同建立了GEOSS(Globe Earth Observation System of Systems)系统，提出了十年行动计划，旨在从九个方面支持社会可持续发展：

(1)减少自然或人为灾害所造成的生命财产损失;

(2)了解环境因素对人类健康和生命的影响;

(3)改善对能源资源的管理;

(4)了解、评价、预测以及适应气候变异与变化;

(5)了解水循环、改善水资源的管理;

(6)改善气象信息，天气预报与预警;

(7)提高对陆地、海岸、海洋生态系统的保护与管理;

(8)支持可持续农业，减少全球荒漠化;

(9)了解、监测和保护生物多样性。

下面从十多年的发展来总结一下数字地球所取得的主要成就。

1.1数字地球实现了从二维到三维的跨越

地图长期以来被认为是表达、传输和研究地理信息的最佳方式或载体，然而近年来这一观念已被打破了。数字地球作为一个三维的地球信息模型，便被认为是迄今为止人类掌握地球表面信息最好的方式。它的出现，使人类在描述和分析地表空间事物的信息上，获得了一次飞跃——从二维到三维的突破。图2为

泰州市人民公园精细真三维模型。

图2 泰州市人民公园真三维模型

1.2数字地球实现了对地球多分辨率和多时态的观测与分析

数字地球是用数字方式为研究地球及其环境的科学家尤其是地学家服务的重要手段。地壳运动、地质现象、地展预报、气象预报、土地动态监测、资源调查、灾害预测和防治、环境保护等等无不需要利用数字地球。而且数据的不断积累，最终将有可能使人类能够更好地认识和了解我们生存和生活的这个星球，运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多时空和多种类的三维描述将不再是幻想。图3为北京市基于遥感影像的违章建筑动态监测示例性成果。由下图的监测成果可以看出，抓紧建立城市规划动态监测系统，基于数字地球相关技术，加强对城市规划建设情况的动态监管，具有重要的现实意义。

图3 北京市基于遥感影像的违章建筑动态监测

1.3数字地球实现了基于图形和基于空天地一体化实景影像的可视化和可量测

数字地球的提出推动了基于图形和基于影像的空间数据的三维可视化。基于图形的三维可视化可用于三维GIS的空间分析，如通视路径选择、噪声和污染模型分析。贴上真实纹理的三维地形和城市模型可用于景观分析、构成虚拟地理环境和数字文化遗产。基于影像的三维实景影像模型，可构成大面积无缝的立体正射影像和沿街道的实景影像，用于可视化和由用户自主实施的“按需测量”[2]。两种方法的有机结合可弥补网络电子地图的不足，可直接向公安、市政、交通、导航、LBS等行业提供满足需要的高精度的地图数据、全要素信息以及厘米级分辨率的影像数据，这种“可视、可量、可挖掘”的近景影像数据即被称为可量测的实景影像，它与网络电子地图产品相结合，则可搭建一个以正射影像和实景影像为主要共享数据源的“影像地球”。可量测实景影像连同立体像对前方交会算法一起放在网上，任何终端上的用户即可按自己的需要进行量算和解译。图4为集成数字正射影像(DOM)、数字可量测影像(DMI)和数字线划图(DLG)的数

字城市浏览功能。

图4集成DOM、DMI和DLG的数字城市的浏览功能

1.4 数字地球实现了基于Web Service 的空间信息共享与智能服务

Web Service 技术是当今信息领域应用最广泛的一种信息服务技术。地球空间信息领域利用Web Service技术可以对各种空间信息资源进行注册，并提供在线服务，包括：地球空间信息资源注册服务，传感器服务，空间信息传输服务，空间数据服务，空间信息处理服务，空间信息资源组合服务，空间信息服务质量，空间信息智能搜索服务，空间信息分发服务，空间信息可视化服务等等。对各种服务资源进行组合，可以加工提取更高级的信息，提供更智能化的服务。

数字地球作为一个空间信息集成平台，可以集成整合来自网络环境下的各种与地球空间信息相关的各种社会经济信息，然后又通过Web Service技术向社会和专业部门提供智能服务。图5 是通过虚拟数字地

球GeoGlobe集成来自NASA的每周地震观测数据。