摘要:随着数字地球的提出和兴起,我们开始进入建设数字地球的时代。发展数字地球要求在一些关键
技术上进行深入地研究,因而对传统的GIS也提出了许多要求。为此我们对GIS的发展提出一些战
略考虑,以适应数字地球时代的发展要求。关
键词:数字地球;GIS
Abstract:ThispaperdiscussesthestrategiesforGISdevelopmentinordertomeettherequirementsofbuildingdigitalearth.K
eywords:digitalearth;GIS
1　前言自1998年1月,戈尔副总统首先高度概括而精辟地提出了“数字地球”概念以来,已经得到了世界范围内各国政府、研究机构和产业应用部门的广泛响应。数字地球就是用数字化的技术和手段来对我们赖以生存的地球进行描述。数字地球必须建立在地理参考框架或国家空间基础信息框架之上,才有意义。地理信息系统(GIS)经过许多年的发展,已经在一些部门得到应用,取得了明显的经济效益和社会效益,而且发展十分迅速,正逐步形成一个强大的产业。追根溯源,数字地球是GIS发展的产物,但数字地球又超出了GIS。他们具有天然的发展联系。随着计算机技术、高分辨率遥感卫星的应用、大容量存储技术、宽带通讯技术等相关技术的发展,我们开始进入建设数字地球的时代。在数字地球时代,GIS应该如何发展,如何来适应数字地球的发展要求,一直是我们思考的问题。下面具体讨论。2　建立数字地球的关键技术建立数字地球是人类发展的目标之一,它的发展也必须有相关的技术作为基础。目前需要解决的主要关键技术有:高分辨率遥感数据的快速获取技术、对海量数据的快速处理技术、空间数据的多尺度表示、多种数据源的融合技术、高速网络技术。高分辨率遥感数据的快速获取技术:遥感是数字地球获取数据的主要手段,包括卫星遥感和航空遥感两个层次。卫星遥感包含了不同轨道高度、不同分辨率、不同光谱范围、多种波段分辨率的系列卫星遥感。现在1米分辨率卫星遥感已经实现了商业运行,可以快速提供卫星遥感数据。美国计划发射的1米分辨率的民用卫星见表1。

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收稿日期:2000-12-18作者简介:赫建忠(1967-),男(满族),河北宽城人,编辑.小卫星也是数字地球获取信息的组成部分,它具有研究开发周期短、投资小、配置灵活、容易实现遥感数据的快速获取等特点,我国目前已经发射了“航天-清华一号”小卫星。航空遥感具有作业灵活、更易实现高分辨率、投资小、技术成熟等优势,在快速获取地球表面信息方面也具有举足轻重的地位。我国目前已经能进行GPS辅助的全自动空中三角测量,全数字摄影测量的研究也处于国际先进地位,机载激光扫描制图系统也在国内研制成功,这些表明我国的航空遥感在实现数字地球方面更可以发挥独特的作用。对海量数据的快速处理技术:数字地球包含的信息不仅是大量的遥感数据,还包括许多其他信息,如空间图形数据、属性数据、定位数据。一般数据量是巨大的,面对海量的数据,必须开发适应的快速处理技术来及时进行处理。当前的关键在于能够对获取的各种数据直接通过计算机进行各种处理,并存储和发布出去,供用户查询和应用。无论是快速处理、存储还是查询,都要求响应速度快。因此要求有超大型的计算机来完成这样的任务。美国和日本正在开发这种超大型的计算机。对于数字地球的海量数据的快速处理要充分利用超大型计算机,研究并行处理算法,如研究基于多指令流多数据流(MIMD)的遥感处理算法。空间数据的无级比例尺(多尺度)表示:传统的GIS和地理信息处理技术一般都采用某种特定的比例尺,已经不能适应数字地球时代和信息社会的需要,必须研究无级比例尺或多尺度表示的空间信息。所谓无级比例尺就是以一个大比例尺数据库为基础数据源,在一定区域内空间对象的信息量随比例尺变化自动增减,从而使得空间信息的压缩和复原与比例尺自适应的信息处理技术。空间数据无级比例尺表示主要涉及到无级比例尺GIS数据库的研究、无级比例尺GIS的地理信息编码的研究、无级比例尺GIS信息综合模型的研究、无级比例尺GIS的图形语义模型库的研究。多种数据源的融合技术:建设数字地球会涉及到许多方面的信息,如地球空间信息和各种属性信息。而空间信息又有很多数据源,如遥感数据就有卫星遥感数据、航空遥感数据等,而卫星遥感又有不同平台、不同分辨率、不同时相的数据。这些数据如何进行统一的处理,就必须进行数据的融合。建设数字地球,首先应该进行基础信息的融合处理,主要包括地表形状数据、大气数据、地壳数据、水文数据、地表数字影像数据、交通数据、行政边界数据等基础数据。高速网络技术:建设数字地球中最重要的基础就是高速的网络环境,高速网络技术是国家信息基础设施(NII)的一部分。使用“数字地球”的服务器必须和高速宽带网络相连接,才能发挥数字地球的作用。当前信息高速公路的“瓶颈”在网络。网络硬件的发展在西方发达国家受到极大的关注。网络软件特别是万维网(WWW)的浏览器,使人们可以在网上漫游,获取想要的信息,但是现在的网络速度比较慢。为此美国投巨资改造互联网,电讯营运商已经在试验每秒10亿BIT的网络,这将大大提高网络的信息传输效率。每秒1015BIT的网络技术正研究之中。高速宽带网络的实现将彻底解决信息堵塞问题。3　数字地球对GIS的要求和挑战数字地球的发展对传统的GIS提出新的要求和挑战,GIS的研究必须适应数字地球的发展要求。3.1　GIS的研究和应用必须从二维研究转向多维动态研究传统的二维或2.5维GIS的存储、分析以及表示方法已经不能适应数字地球大发展要求,用户希望能够实时动态地观察被测目标的变化,有更丰富的信息用以保存、恢复、重现地物特征。这种完全的空间数据集合由全数字4D产品(数字高程模型、数字正射影像图、数字线划图、数字栅格图)表示出来,能满足GIS有效的空间查询和分析。GIS的三维可视化、虚拟现实技术以及细化地貌的分形也由此得到相应的发展。在解决“数字地球”的有关问题中,三维GIS的研究是一个重要领域。对三维GIS的数据模型和数据结构都要进行全新的设计,以满足数字地球的发展要求。时态GIS能够根据时间的变化动态更新基本数据,通常时间在时态GIS中是作为属性或维度存在的。虽然一般认为时间是连续变化的,但在GIS的数据结构中时间还是离散的序列,可以用整数或字符等数据类型来描述。而在时态GIS的数据结构中,引入了三维空间和时间维正交并产生一个多向坐标系统的概念,所以要用一种动态数据结构来描述连续的时间,其基本的时态数据类型有:时间子(chronon)、时间间隔(interval)、持续时间(duration)、次序(sequence)、时期(period)等等。通过对象和事件相互作用的构造和扩充,将面向对象技术引入到多维GIS中,使三维空间与时间维集成在一起。3.2　必须发展网络GIS技术数字地球的发展要求GIS向网络GIS发展,即将GIS和因特网联系在一起开发WebGIS。使得GIS软件能在宽带高速网上实现漫游,硬件实现共享。无论基于网络的空间数据是集中式还是分布式存储,一个核心问题就是要对数据进行有效的分类与检索以达到空间查询的目的。目前网络检索和查询引擎对于纯文本形式的搜索已经有了比较成熟的技术和应用,但是对于空间数据而言,不仅包含了坐标、拓扑关系,还要受到数据生命周期的限制,很难用简单的文本进行描述和检索。在传统的分类检索不能满足要求的时候,就产生了用结构化的字段来进行空间数据检索的方法,这种方法的前提是空间数据的标准化——要采用规范化的结构和特征字典定义的地理信息以及采用相应一致的传输协议。引入一系列与空间数据密切相关的要素来定义空间数据,并被称为元数据(Metadata),基本的要素包括地理位置、比例尺、日期、数据类型、主题等特征,还可以自行添加一些特征要素来减少由于元数据不完备所造成的理解歧义。空间数据搜索引擎目前还没有完善的数据模型,却是WebGIS的研究热点。3.3　GIS必须实现标准化开发和开放性的数据标准数字地球的发展对GIS的开发和数据标准提出了更高的要求,目前各种GIS软件开发往往是先确定系统的内部格式,然后在系统的开发过程中对其只做很少的调整或改动,而且各个系统之间的数据格式是不透明的,这样造成了各系统间数据流动的障碍。国外GIS的发展也经历了这样一个过程,现在已经向开放型的GIS方向发展。开放GIS从最基本的数据集成的角度出发就要求不同的GIS能够通过公共的平台进行数据交换。如ERSI公司公布了SHAPE空间数据文件格式以及允许很多用户同时访问的大型空间数据集合—空间数据引擎(SDE)。Intergraph公司也于1994年就启动了关于开放GIS的计划,推出了基于3D建模、设计和可视化的OLE扩展对象,以使OLE数据服务器能将该模型作为一种中间数据交换格式在不同系统之间进行交换。国内一些大型GIS开发机构也公布了中间数据文件格式并进行了组件式的开发尝试,但离开放式GIS还很远。3.4　GIS必须实现数据共享发展数字地球的目的是为了服务于社会,这就要求GIS数据是多种数据的综合利用。各部门间的信息交换和流动是信息社会的基础,随着数字地球的发展,GIS由单机发展到网络,用户也向纵深发展。WebGIS的发展使用户可以共享网络上的数据资源。GIS的建立,首先对已有资源环境信息进行整理,统一科学分类,使分散的资料系统化,变独享资源为共享资料,使杂乱的数据标准化,单要素资料变成综合资料,增加数据的使用频率,为社会和用户提供空间资源信息服务。在区域层次上,尽管人们已经意识到空间信息技术领域进行区域性合作具有巨大的功效,但仍然缺乏实质性的任务和合作计划。在实际操作过程中,许多单位拥有类似的数据,由于不同的局部利益驱动,很难做到所有的信息共享,反而各自为政,导致数据交换受到很大限制,而且在数据更新和维护方面花费很多不必要的重复投资。在WebGIS中,数据共享会大大提高系统运行的效率和效益,但是实现起来还需要有关政策的制定,才有可能打破特定机构对数据资源的垄断。目前经过几年的研究、讨论和测试,我国已经开始制定了空间数据交换标准,如果能够在全国推广,将会极大地推动GIS的发展,促进数字地球的建立。4　GIS的发展战略考虑随着数字地球的兴起和发展,我国的GIS必须能正确面对它的挑战,以适应数字地球的发展要求,为此必须对我国的GIS的数字地球时代进行战略调整。4.1　加强和完善我国基础测绘设施的建设国家基础测绘设施建设是发展地理信息和数字地球的重要支撑条件,也是我国基础设施的重要组成部分。今后一个时期,要加快传统测绘技术体系的数字化改造,推进遥感、GPS、GIS技术在测绘生产过程中的集成,形成地理信息的快速获取、处理、存储和分发服务的现代GIS产业的基础设施。国家基础测绘设施建设主要由国家基础地理信息系统组成。移动式卫星地面接收系统要能够接收覆盖我国全部国土的遥感信息,具有较强的兼容性和可扩充性,能够接收高分辨率卫星遥感信息,并能根据需求和卫星资源的增加,不断扩充接收卫星遥感信息的功能,特别要兼顾我国高分辨率卫星遥感信息,达到一个地面站能接收多种遥感卫星数据的目标。并建立从遥感信息获取、加工、存储、分发至综合应用的完整产业体系,提高我国遥感应用的整体水平;在满足地理信息产业体系所需要遥感信息的同时,大力推进遥感信息在农业、资源、环境以及社会发展等领域的应用。国家基础地理信息系统以形成数字信息服务的产业化为目标,通过对基础地理数据的采集、编辑处理、存储,建成空间型的国家基础地理数据库,开发相关的分析模型,拓展应用领域,建成网络体系,为国家经济建设和社会发展提供基础地理信息服务。该网络体系由国家级中心主系统和省级分系统组成,包括地形数据库、地名数据库、大地数据库、重力数据库、影像数据库和数字栅格数据库。全部基础地理信息数据库都要采用统一的信息分类编码和数据交换标准以及兼容性强的软硬件平台。国家基础地理信息球提供重要的空间信息资源。4.2　加快地理信息的获取和更新工作GIS的发展应该能够快速提供现势性的地理信息,目前GIS中最突出的问题之一就是地理数据的现势性较差,急需更新。为解决这个问题,必须建立多元化的数据源和数据快速采集/更新体系,包括建立基于全站仪、电子经纬仪等现代地面测量仪器的野外一体化数据采集系统、GPS数据采集系统、数字摄影测量体系的自动化程度较高的地图扫描数据采集系统。确保国家重点区域基本比例尺地图更新和国家基础地理信息系统数据库所需要的航空摄影测量;全面完成国家第二期一等水准复测和国家GPSB级网的数据处理,建成我国高精度的三维坐标系统和米级精度的新一代大地水准面,完成大地数据库的建设,完成全国1:25万基础地理数据库的建库,大力推进1:5万国家基本比例尺地图更新和数字化的工作,为防洪减灾、资源勘探和地质调查的需要,优先开展七大河流重点区域和重要的地质勘探区高精度数字地面模型、数字影像图的数字化建库和数字产品的生产;积极开展1:1万及更大比例尺地图的更新数字化工作;积极引进新技术、新工艺,加强地图品种的开发能力,使地图产品多样化、普及化和电子化,加快电子地图和多媒体地图产品的开发和商品化。4.3　加强各种不同数据源的整合创建数字地球不可能一朝一夕就能完成,目前首先要对现有不同来源的各种地球空间数据进行整合。研究GIS的统一协调,包括内容的分类分级和表示、属性编码、数据格式、地图投影等统一和标准化。4.4　加强高维数据模型开发,促进GIS深层次的应用发展在GIS中,空间信息的时空存储和分析是其功能的重要组成部分。而数据模型的理论方法和应用,密切关系到功能应用的成效。传统的GIS数据概念,因缺乏规范化的时空数据定义,往往难以满足应用的需求,而且目前大多数GIS数据模型是二维或2.5维,且多是非时态的,难以作动态分析应用。所以,在空间信息处理中,采用面向对象数据模型,构建时间维、空间维的四维一体化,空间数据、属性数据一体化,矢量数据、栅格数据一体化的数据管理体制,是今后一段时间内的研究热点。5　结论数字地球的概念提出,给了我们一个启示:在当今社会中,谁先占领了高技术的制高点,谁在政治、军事、经济上就有主动权。数字地球对我们既是挑战,又是机遇,还有风险。美国通过实施“数字地球”计划,继续把持信息技术和信息产业的制高点,这就是挑战,如果我们迎接这个挑战,进一步加大我国的地理信息产业建设的速度和力度,尽快建立中国的数字地球,我们就有了主动权,挑战就成了机遇。同时创建数字地球也是有风险的。因为信息共享是趋势,但信息战争、信息安全也是很重要的。我们应按照数字地球这一战略思想,以整体性的视野来思考和统筹我国GIS产业的建设,逐步将我国960万平方公里陆地和近300万平方公里管辖海域范围内地表、地下和太空的多尺度、多层次地球空间信息数字化,建立起标准、规范、数字化的国家空间数据库,为国民经济建设提供坚实的基础。GIS本身可以作为数字地球诸多商品信息的一部分,成为用户获取、采集、应用的信息,而GIS信息又是数字地球建设的空间基础框架。因此数字地球建设必须以GIS为基础。为了适应数字地球建设的需要,GIS产业必须迎接挑战,也为GIS的发展提供了新的机遇。总之,数字地球需要GIS,GIS也需要数字地球。参考文献[1]　傅肃性.世纪之交地理信息系统工程的理论与应用发展.地球信息科学,1999(2).[2]　承继成,李琦,易善祯.数字地球与国家空间信息基础设施.北京:清华大学出版社,1999