空間對地觀測與新一代數(shù)字地球

◎ 中國科學(xué)院對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心主任 郭華東

對地觀測是數(shù)字地球的重要基石，其在全球范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展的同時，亦促進(jìn)了數(shù)字地球的發(fā)展，新一代數(shù)字地球概念正在形成。

一、空間對地觀測發(fā)展態(tài)勢

空間遙感技術(shù)自1962年誕生以來迄今已50周年。半個世紀(jì)來，全球已發(fā)射了500余顆對地觀測衛(wèi)星。進(jìn)入新千年后，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)呈快速發(fā)展趨勢，各國政府和國際組織都強(qiáng)烈意識到空間對地觀測的重要性，投入大量資金發(fā)展各類應(yīng)用衛(wèi)星。

國際上幾個主要的空間大國在持續(xù)不斷發(fā)展衛(wèi)星對地觀測計(jì)劃。過去十年，美國很重視大氣層觀測，發(fā)射的一系列對地觀測衛(wèi)星中用于大氣觀測的衛(wèi)星占據(jù)重要地位。歐洲空間局的衛(wèi)星對地觀測計(jì)劃分為兩部分，一部分面向科學(xué)觀測，一部分面向需求。近年來俄羅斯開始在對地觀測領(lǐng)域活躍起來，形成了應(yīng)用于科學(xué)的衛(wèi)星計(jì)劃。日本的對地觀測一直保持強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，在國際對地觀測技術(shù)領(lǐng)域扮演著重要角色。印度雖為一發(fā)展中國家，但已形成有特色的衛(wèi)星對地觀測計(jì)劃。

地球觀測組織（Group on Earth Observations，GEO）在制定和實(shí)施《全球綜合地球觀測系統(tǒng)（GEOSS）十年執(zhí)行計(jì)劃》7年來，面向建立一個全面協(xié)調(diào)、發(fā)展和可持續(xù)的地球觀測系統(tǒng)以協(xié)調(diào)全球資源和地球觀測活動，更好地認(rèn)識地球系統(tǒng)，為決策者提供從初始觀測數(shù)據(jù)到專業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品的信息服務(wù)的理念，已取得很大成就。目前由89個國家、歐盟和64個國際組織參加的GEO已構(gòu)成空間對地觀測的強(qiáng)大力量和組織體系。對地觀測數(shù)據(jù)共享與服務(wù)作為GEOSS建設(shè)的核心內(nèi)容，在優(yōu)選的九大應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮了重要作用，包括：防災(zāi)減災(zāi)、人類健康、能源資源管理、氣候變化、水資源環(huán)境、氣象、生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)、生物多樣性等。

二、我國的空間對地觀測發(fā)展

歷經(jīng)30余年的發(fā)展，我國在對地觀測衛(wèi)星研究中取得了長足的進(jìn)步，對地觀測技術(shù)發(fā)展較為全面，已形成資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星等國家主體衛(wèi)星對地觀測計(jì)劃，同時形成了北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。

我國正在推出和形成一系列新的對地觀測計(jì)劃，如：包括天基、臨近空間和航空系統(tǒng)在內(nèi)的高分辨率對地觀測計(jì)劃。未來十年，中國將迎來對地觀測新的發(fā)展機(jī)遇。不僅如此，我國十分重視開展國際合作，接收國際上先進(jìn)的對地觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)。接收的數(shù)據(jù)覆蓋中國陸地和海洋全境，同時可以接收覆蓋亞洲70%地區(qū)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的取得，為今后開展的“數(shù)字亞洲”、“數(shù)字地球”奠定了良好的基礎(chǔ)。

縱觀全球的發(fā)展，大數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)背景下的數(shù)據(jù)密集型時代正在向我們走來。

三、面向2020的新一代數(shù)字地球

在對地觀測發(fā)展的基礎(chǔ)上，10多年來數(shù)字地球取得了長足的發(fā)展。國際數(shù)字地球?qū)W會是在中國、加拿大、美國、日本、捷克等10多個國家科學(xué)家的共同倡議下，由中國科學(xué)院發(fā)起，并聯(lián)合國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)成立的非政府間國際科學(xué)組織，總部設(shè)在北京。在“數(shù)字地球”理念的指導(dǎo)下，學(xué)會在促進(jìn)國際學(xué)術(shù)交流與項(xiàng)目合作，推動“數(shù)字地球”技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害治理、世界遺產(chǎn)與自然資源保護(hù)，以及反對恐怖主義和維護(hù)世界穩(wěn)定等諸多方面發(fā)揮重要作用。學(xué)會的學(xué)術(shù)刊物——《國際數(shù)字地球?qū)W報》對促進(jìn)數(shù)字地球?qū)W科的交流，宣傳普及數(shù)字地球科學(xué)知識發(fā)揮了明顯作用。學(xué)報創(chuàng)刊后僅用4年時間，在全球遙感領(lǐng)域期刊中的排名列第7位，影響因子達(dá)1.453，在全球享有較高的認(rèn)知度。

數(shù)字地球在不斷發(fā)展，數(shù)字地球的未來是什么？基于這些考慮，國際數(shù)字地球?qū)W會組織了來自12個國家的專家對這個問題進(jìn)行詳細(xì)的研討，并取得了兩個方面的成果：一是，面向2020年的數(shù)字地球理念研究；二是，完成了《數(shù)字地球2020——未來十年前景與展望》報告。分析認(rèn)為到2020年，伴隨著經(jīng)濟(jì)的增長，全球人口總數(shù)的增高，能源、水資源面臨空前的壓力，氣候變化、環(huán)境惡化，這些都是人類共同面對的重大問題，須發(fā)展新一代數(shù)字地球，為應(yīng)對這些新挑戰(zhàn)做出貢獻(xiàn)。

新一代數(shù)字地球的形態(tài)，是一個功能強(qiáng)大、可視化的球體，可以以三維、四維甚至多維的形式發(fā)展，不僅觀測地上信息，還可觀測地下信息；不僅看樓層表面信息，還可觀測樓內(nèi)信息，同時要把現(xiàn)實(shí)和歷史結(jié)合起來，不僅僅有數(shù)據(jù)，而且在科學(xué)論證和政策方面給人以更大的自主權(quán)，自然科學(xué)、社會科學(xué)要高度融合，不僅包含感性的空間要素，還要包括地理空間和虛擬空間要素。

如何克服軟件兼容和數(shù)據(jù)格式問題，如何存儲已有的海量數(shù)據(jù)，如何將多媒體手段真正納入到新一代數(shù)字框架中是我們面臨的挑戰(zhàn)。

四、新一代數(shù)字地球的實(shí)現(xiàn)途徑

如果說第一代數(shù)字地球的發(fā)展源自對地觀測技術(shù)的進(jìn)步，源自互聯(lián)網(wǎng)與可視化技術(shù)的革新，源自公司和企業(yè)等商業(yè)成果的推廣，那么，新一代數(shù)字地球應(yīng)該由政府、科技界、企業(yè)來共同構(gòu)建，新一代數(shù)字地球的發(fā)展將會有更多的新技術(shù)和新手段融入，也需要更多新的管理模式。多平臺、跨平臺的數(shù)字地球基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要科學(xué)的頂層設(shè)計(jì)、正確的發(fā)展方針。同時強(qiáng)調(diào)合作，新一代數(shù)字地球的實(shí)現(xiàn)需要與其他政府性或非政府性國際組織建立合作機(jī)制、開展合作研究。

（本文根據(jù)郭華東院士在高峰論壇上的演講整理）