数字地球理论出现的必然性及其应用，本文主要内容关键词为：必然性论文,及其应用论文,地球论文,理论论文,数字论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、由来与目标
数字地球这一概念是1998年1月31日美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心的关于开放式地理信息系统(OpenGIS)的会议上所作报告“数字地球—认识21世纪我们这个星球”(The Digital Earth:Understanding our planet in the 21# Century)公开提出的。戈尔在它的演讲中把“数字地球”描述为“A multiresolution,three-dimensional representation of the planet,into which we can embed vast quantities of geo-referenced data.（一个多分辨率、三维空间的数据星球，与地球有关的庞大数据〈几十亿亿字节〉都可存储在里面）”。后来在9月2日从建设市区社区的角度又对数字地球作了阐述。在我国，1998年6月1日江泽民总书记在两院院士大会上提到了数字地球。1999年11月29-12月2日在北京举办了有世界20多个国家和地区的500名专家参加的首届“数字地球国际会议”。数字地球迅速引起世界各国政府和科技部门及社会各界的广泛关注。
数字地球的目标是建立一个完全信息化的地球，把地球上每一点的信息（包括地球卫星遥感图像、数字化的地图以及经济、社会和人口等自然和人文统计信息），按照地球坐标整理构成一个地球信息模型，使每个人都可以快速、准确、完整地了解和利用地球上各方面的信息。戈尔在演讲中用小孩参观一个地方博物馆的例子，通俗地描述了数字地球的场景：“当她戴上头盔时，她便可以看到与从太空看到的一样的地球。然后，通过数据手套，她可以对所看到的影像进行放大，这样通过越来越高的分辨率，她便可以看到各大洲以及不同的地区、国家、城市等内容，甚至最后可以看到具体的房屋、树木以及其他自然的或人造的对象。”因此数字地球是对真实地球及其相关现象的统一的数字化的认识，是以因特网为基础，以空间数据为依托，以虚拟现实(Virtual Reality)技术为特征，具有三维界面和多种分辨率浏览器的面向公众的开放系统。而其关键技术是多源信息的集成和显示机制，就是融合和利用现有的多源信息，并将其“嵌入”数字地球的框架，进行“三维描述”和智能化的网络虚拟分析，实现“信息在你手指尖”（微软总裁比尔·盖茨语）上。
二、数字地球理论出现的必然性
数字地球的核心思想是用数字化的手段整体性地解决地球问题（与空间位置相关的问题）和最大限度地利用信息资源。它的产生有其深远的政治、经济、社会历史等相关背景。
从政治方面来说，数字地球是美国全球战略的延续和发展，是战后国际地缘政治的继续和发展。冷战以后，美国面临政治、经济两方面的可持续发展的挑战。与原苏联的对峙和军备竞赛曾极大地促进了美国科技和经济的发展，强大的苏联压力极大地增强了美国社会的整合度，从而在政治上极易达成共识，随着原苏联的解体，美国成为世界上唯一的超级大国，迫切需要数字地球来增强美国对全球事务的快速反应能力和对国际问题的发言权。
从经济方面来说，当今是金融危机四伏的时代，国家竞争主要是经济竞争，而经济竞争基础是科技实力的竞争。为了确保美国在信息时代的领导地位，数字地球的提出是在美国结束星球大战计划、积极推动对地观测计划(CEOS)和推出新一代因特网之后的国家发展战略，是继信息高速公路和知识经济之后，各发达国家政府高度重视发展的战略思想。
从技术背景看，“数字地球”是以信息高速公路和空间数据基础设施为依托的一个广泛概念。建造数字地球所需的大部技术和潜能都已具备或正在发展中，如计算机技术、海量存储技术、卫星遥测技术、宽频带网络及其可兼容性技术、互操作以及元数据(Metadata)标准技术等。当然还需要完善和开发如计算机高速计算、高速传输技术、图像自动诠译技术、不同数据源的融合技术，以及能自动寻找和合并关于地球某一特定地点信息的空间智能体(Geoagent)等技术。
从学科背景和认知背景看，从以航海和地理探险为社会历史背景产生和兴起的经典地理学到近、现代地理学，地理学的技术基础也经历了从人力测绘到地理学的数量革命和信息革命。对地理科学的研究也相应从对地球表层形态的定性概括和描述到定性分析和综合研究。人类认识地球的角度和范围也从局域性的图形、国家、大洲，再到一个全球性的数字地球的概念。数字地球的产生是学科发展和人类认知思想发展的必然趋势。
从应用驱动、社会需求和学术创意思想看，科技发展、工农业应用、商业经济、军事技术和人民生活等方面对地理信息有了空前巨大的需求。因此，美国在1993年提出建立“国家信息基础设施”(NII)，即全美的信息高速公路，1994年开始实施国家级、地区级和全球性的“空间数据基础设施”(NSDI,RSDI,GSDI)建设计划，一直到1998年数字地球概念的提出，是从90年代初一步步开始实施和发展的，并已经在全世界范围内积累了海量的建立数字地球所需的原始数字化数据和相应的资料。
总之，数字地球既是地球科学技术与信息科学技术、空间科学技术等现代科学技术交融的前沿，又是当代科学技术与社会发展和需求等紧密结合的必然结果。
三、数字地球理论的应用
数字地球涉及到全球经济的区域重组、跨国公司的资源再分配、全球环境变化与区域可持续发展，乃至建立世界新秩序与国家安全保障等重大问题。数字地球提供的数据和信息在农业、林业、地矿、交通、环境、资源、人口、灾害、城市建设、教育、军事、政府决策等几十个领域都能产生巨大的社会、经济和环境效益，具体应用有以下几个主要方面。
促进国民经济的发展，数字地球可以包容人类80%以上的人类信息资源，是未来信息资源的主题核心，是信息高速公路的“车”和“货”。数字地球对发展全球信息产业具有非常重要的作用，数字地球作为因特网上一个最基本的信息载体，国民经济生活的各个部门和行业都可以将自己的信息加载到上面，最终将会形成全世界每年数百亿美元的新的增长点。现在网络产业又被称为“新经济”，相对应的，钢铁、化学、银行、医药、建筑等行业，则被划进了“旧经济”体系。而“新经济”作为国民经济的重要组成部分，无疑跟数字地球息息相关。
资源与环境调查、评估与管理 利用数字地球提供的卫星遥感资料，可以调查和评估全球或某一国家或某一地区的土地资源、水利资源、矿产资源、生物资源等资源的数量、分布、开发利用现状和存在问题，例如可以进行土壤侵蚀调查、监测与保护、宜农荒地调查、草场、水生植被资源调查、荒漠化范围、程度和趋势分析、污染源控制管理、模拟环境变化对濒危物种的影响，根据其结果采取适当措施以保护生态的多样性等诸多方面，以加强对资源和环境的规划、管理、保护和合理利用。另外，根据遥感数据可编制各种专题数字图件（如土地利用规划图，水资源分布图，矿产分布图，生态环境现状图等），并且这些图件可以利用卫星数据不断实时更新，从而为国家制定长远规划提供可靠的决策依据。
城乡规划 城市与区域规划涉及资源、环境、人口、交通经济、教育、文化和金融等多个地理变量和大量数据。通过不同比例尺和不同尺度的数字地球信息和功能进行区域多目标的开发和规划，包括城市总体规划、城市建设用地适宜性评价、城市环境动态监测和质量评价、道路交通规划、公共设施配置、城市管网（包括电力网、通讯网、给排水和煤气管道等）建设等。
国家建设、国家安全、政治外交和现代化战争 例如95年底美国在波黑会谈时使用了五角大楼开发的虚拟现实系统Powerscene。开始时塞族认为隔离带对他们威胁太大，后来利用数字高程模型(DTM)等地理信息把三维山脊等都逼真的在图像中显示出来，塞族总统从虚拟的直升机上下来后认为带界对他们的安全威胁不是很大，便同意在萨拉热窝(Sarageevohe)和格拉兹德(Gerazde)和穆斯林领土间划出一个更宽的走廊，从而顺利签署了“戴顿协议”。1999年科索沃战争中北约也利用了高分辨率卫星图像和相关软、硬件构成的“战役竞技场”(Theater Battle Arena)系统，可以于战争开始前在与实际地形完全相似的三维地形图上进行模拟轰炸，以准确命中目标和减少人员伤亡，也可以利用此技术为导弹制导。因而数字化战争、数字化战场的概念应运而生，西方国家开始组建数字化部队。
全球变化(Global Change)、宏观决策 由于自然运动和工业社会百年来人类活动影响而导致全球环境变化，这种变化开始危及人类自身的生存和发展，如气候异常、冰川后移、海平面上升、赤潮频繁、“臭氧洞”扩大、全球性的沙漠化、资源短缺等等。这些问题都不是静止和孤立的，而是相互联系并组成一个整体——全球变化。数字地球是研究全球变化最理想的平台，而非某一国家、某一研究中心、某一数字模型所能承担和胜任。因此，全球变化模拟将是数字地球的主要研究内容。当然也可以利用数字地球所载的丰富的信息资源库，通过一系列决策模型的构建和比较分析，为地区、国家宏观决策提供科学依据。
灾害与犯罪 数字地球为我们提供了一个内容丰富的地球表面自然与社会经济状况的数据平台，以及对地球表面系统的物理、化学、生物和社会运动分析和模拟的技术体系。据此可在计算机环境下虚拟灾害（如火灾、水灾、沙漠化、岩浆活动等）的发生、发展过程，以及自然灾变现象和人类社会相互作用规律，从而更好地认知灾害系统的一些本质规律（如灾害成灾机理等），为灾害的预测预报提供依据；利用数字地球提供的全天候、多时相、高分辨率遥感遥测数据，可有效用于灾情监测、灾情评估，为救灾抢险、防洪决策和保险赔偿及时提供信息服务。并克服了传统调查手段费时、费力、耗资巨大和无法在短期内完成的不足。另外，利用数字地球可以分析犯罪模式和分布，根据分析结果重新分配警力，减少犯罪率；利用全球卫星定位车辆调度系统，可对交通工具（如警车、运钞车、游船等）进行适时定位和调度，以及时打击罪犯。
“精细农业”实施与农作物估产和监测 利用数字地球提供的高分辨率的农田作物信息，分析土地和作物生长的空间差异，利用全球卫星定位系统和农业机械以几平方米为单位分别定量进行适宜的施肥、灌溉、施药、锄草、耕作等管理，即实施所谓“精细农业（英文为Precision Agriculture,PrecisionFarming或Gyberfarm）”，即提高了肥料利用率，又减少了化学物质对土壤和地下水的污染；还可以利用遥感卫星提供的农作物光谱特征进行估产和监测，对国家及时了解全球各地区农作物产量，制定粮食进出口政策和价格至为重要，联合国粮农组织(FAO)及大多数国家都把它作为头等大事来抓。
气象与气候 利用卫星对某一地区监视获得的数据可确定某流域的森林递减率，因而可以预报气候变化。比如新罕布什而州立大学和巴西合作，监测被称为“地球的肺叶”的亚马逊河流域热带雨林退化的位置和速度，来分析森林的变化对该地区乃至对全球气候活动的影响。
人类的生存、生活和发展方式 通过数字地球提供的地理信息，依靠虚拟现实技术人们借助头盔显示器、特制的数据手套和液晶快门眼镜等高分辨率展示工具，就可以在亚马逊丛林作无远弗界的亲临其景旅游而不必顾虑毒蛇和猛兽，可以在虚拟数字办公室签合同，在虚拟的车间组装和设计顾客所需的产品而不必耽心废品的产生，目前网上购物、电子商务、远程教育和医疗技术均已成熟并不断完善，所有的一切都不再受或不再直接受时间和空间的限制。另外，在数字地球上，语言、民族、文化差异大大减弱，国家、地域的界限逐渐淡化，而国家、民族的团结和合作得到加强，由于在数字地球上人们获取渠道的一致性，将使人与人之间的竞争更加公平、公开和公正，整个社会将更加民主与科学。
但是我们也应意识到：数字地球是一柄双刃剑，它为蓬勃发展的全球化知识经济浪潮提供空前机遇，使世界各国经济发展的相互依存关系与日俱增。谁占有信息，谁就占有主动。目前，88%的互联网用户生活在发达国家，这些国家的人口仅占世界总人口的17%，而这些最富有的国家却占有全球国内生产总值的88%，出口市场的82%，国外直接投资的68%。而最贫穷的1/5人口却在这些方面所占的份额仅为1%。也就是说，全球经济发展不平衡和贫富差距现象日俞严重。全球空间数据基础设施(GSDI)委员会主席PeterHolland在参加首届数字地球国际会议期间指出，发展中国家由于教育程度不高，计算机和网络普及率很低，因而很难享受信息技术带来的好处。同时国家安全和国防安全也面临挑战，并不是任何信息都可以放在数字地球上与人共享的。1998年美国政府之所以授权商业卫星系统提供分辨率为1米的数字地图共享，那是在它有0.3米分辨率数字影像的基础上的。另外，由于目前还没有相应的管理机构和法律规范而致使数字地球管理失控，宣扬色情、暴力的数字地球垃圾信息泛滥，以及数字地球综合症等疾病流行亦不可避免。
四、数字地球理论在我国的研究和发展现状
由于数字地球具有大规模、高投入、跨学科、全球性等特点，数字地球的建设需要雄厚的经济基础和技术实力作后盾。我国的经济和技术实力客观上不允许我们全方位地发展数字地球，为此有关部门曾召集相关学科的科学家讨论，就“中国究竟要不要搞数字地球的问题”达成共识，认为中国不仅要发展数字地球，而且要利用数字地球挑战所带来的机遇，探索适合我国国情的发展方式。提出在推动数字地球建设过程中实行“需求牵引、统筹规划、阶段发展、择优支持、共建共享”的方针，争取实现“跨越式”的发展。
中国地球科学界、空间科学技术界和信息科学技术界极其相应领域的同仁们经过近二十年的共同努力，已经具备或正在发展为建立数字地球所需的原始数字化数据和相应的各类标准、规范，面向对象技术、空间数据仓库技术、虚拟现实技术、神经网络、专家系统、图象自动解译、多源数据融合等。中国的国家信息基础设施CNII计划到2020年建成。我国的四大计算机网络已成为完善的信息传输平台。在空间数据基础设施方面，我国的空间对地观测能力有了较大的发展，积累了大量建立数字地球所需的原始数字化数据和相应资料，这包括各类数字化地理基础图、专题图、城市地籍图和相当数量的卫星和航空遥感数据。特别是1998年中国发射了第一颗资源卫星(CBER-1)，具备了更新1:25万级地理数据库的潜力。目前，全国范围内比例尺为1:100万和1:25万的基本地形图已数字化完毕，下一步将进行1:5万（计划2008年完成）和1:1万比例尺的地形图数字化工作，它们共同构成我国的地球空间数据框架。其它一些国家级数据库（如矿产资源数据库、海洋信息数据库、1:50万土地利用数据库、1:10万土地资源数据库等）、地区级和地方级数据库（如利用航空摄影测量绘制1:500至1:2000的部分城市地形库）也已经建立。也就是说，数字地球虽是一个新名词，但工作不是新的，一直在做并一步一步迈向这个目标，通过建立多比例尺、多应用层面的数字化城市、数字化地区、数字化国家，最终建立数字地球。这当然需要全球性努力和国际参与，而非任何单一机构或国家能够独立完成的。
目前，我国即将实施西部大开发战略，这对于缩小东西部地区差距、刺激潜在需求和转换发展模式（由出口主导型向内需主导型过渡），对于加速社会主义现代化建设意义重大，势在必行。从生态和环境保护角度讲，笔者认为，由于西部地区生态环境条件极其脆弱，环境承载力低下，在具体实施过程中，一定要吸取其它国家和我国东部一些地区开发的教训，避免“先开发，先污染，后治理”的开发模式，防止掠夺式盲目开发，为此目的，应该充分利用目前的数字地球应用研究成果，在摸清家底的基础上，为各个层次（特别是宏观层次）的规划和开发提供可靠的决策依据，使其建立在稳妥和科学的现代化技术手段基础之上，直接为我国的社会主义现代化建设做贡献。