數(shù)字地球在國家電子政務(wù)規(guī)劃建設(shè)中的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)

王鐸

（國家地理空間信息中心 北京市 100071）

所謂“數(shù)字地球”，是指人類追求打造一個能夠個覆蓋全球范圍規(guī)模的地球信息模型，集合布于地球合領(lǐng)域能夠收集到的全部信息資源，采用地球地理坐標(biāo)作為組織架構(gòu)，這樣不僅能夠充分地反映出地球上全部信息（自然的、人文的、社會的）之間的有機聯(lián)系，而且又可以通過該地理坐標(biāo)完成檢索和利用[1]。通俗地說：數(shù)字地球就地球信息化。總攬地球全部資料的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化全部內(nèi)容?；蛘哒f，數(shù)字地球就是虛擬地球。

推進數(shù)字地球計劃與我國國家信息化的戰(zhàn)略目標(biāo)是一致的，國家自然資源和地理空間基礎(chǔ)信息庫是《中共中央辦公廳 國務(wù)院辦公廳關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)＜國家信息化領(lǐng)導(dǎo)小組關(guān)于我國電子政務(wù)建設(shè)指導(dǎo)意見＞的通知》（中辦發(fā)[2002]17 號）明確提出規(guī)劃和開發(fā)的國家電子基礎(chǔ)信息庫屬于政務(wù)信息庫總體之一，該項推進工作交給國家發(fā)展改革委負(fù)責(zé)組織實施，成員單位包括國土資源部等國務(wù)院10 家相關(guān)單位共同合作建設(shè)，其工作目標(biāo)在于服務(wù)于我國國民經(jīng)濟和社會信息化建設(shè)領(lǐng)域的工作，不斷優(yōu)化宏觀管理措施和提升決策水平，為全面推進我國可持續(xù)發(fā)展的能力奠定基礎(chǔ)具有重要意義。

1 數(shù)字地球發(fā)展現(xiàn)狀

國外數(shù)字地球發(fā)展在數(shù)據(jù)源獲取和平臺建設(shè)方面都處于領(lǐng)先階段，歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，國外的遙感衛(wèi)星在資源、氣象、海洋及環(huán)境減災(zāi)等領(lǐng)域已形成成熟的觀測體系。國外主要的數(shù)字地球平臺包括Google Earth，World Wind，Virtual Earth 等，其中Google Earth是當(dāng)前數(shù)字地球平臺技術(shù)的集中體現(xiàn)和最富代表性的商業(yè)產(chǎn)品，將網(wǎng)絡(luò)用戶瀏覽衛(wèi)星及飛機拍攝的圖像多于TB 計規(guī)模宏大的衛(wèi)星影像信息數(shù)據(jù)庫。國內(nèi)方面，以中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球所為代表的科研院所和從事地理信息行業(yè)的企業(yè)，在數(shù)字地球方面都有專業(yè)的成果和產(chǎn)品。在國家電子政務(wù)層面，國家自然資源和地理空間基礎(chǔ)信息庫通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)一集成管理，支持多源數(shù)據(jù)的三維模型構(gòu)建以及可視化展示。

另外，在技術(shù)層面，數(shù)字地球領(lǐng)域主要在以下方面完成了技術(shù)突破與創(chuàng)新。

1.1 數(shù)字地球?qū)崿F(xiàn)了從二維到三維的跨越

在很長的一段時期內(nèi)，地圖是表達、傳輸和研究地理信息載體和顯示方法，隨著現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這一傳統(tǒng)觀念被徹底顛覆。數(shù)字地球創(chuàng)立的地球信息模型是空間三維性的，應(yīng)該是人類發(fā)展進程中所掌握地球表面信息的理想模式。數(shù)字地球幫助人類認(rèn)識地表空間事物的信息完成了質(zhì)的飛躍成功實現(xiàn)三維的突破[2]。

1.2 數(shù)字地球?qū)崿F(xiàn)了對地球多分辨率和多時態(tài)的觀測與分析

數(shù)字地球是科學(xué)家采用數(shù)字方式來分析研析地球及其環(huán)境及其地學(xué)的理想手段。地殼運動、地震預(yù)報、氣象預(yù)報、資源調(diào)查、災(zāi)害預(yù)測、環(huán)境保護等已經(jīng)離不開數(shù)字地球的支撐，隨著數(shù)據(jù)積累到一定程度，必將幫助人類徹底認(rèn)識和掌握自己生存的地球全部奧妙和運行機制，全面分析研究地球信息并對地球完成多分辨率、多時空和多種類三維展示將成為現(xiàn)實。

1.3 數(shù)字地球?qū)崿F(xiàn)了基于圖形和基于空天地一體化實景影像的可視化和可量測

數(shù)字地球的發(fā)展深刻地影響著基于圖形和影像空間數(shù)據(jù)的三維可視化[3]。前者的三維可視化對于三維GIS 的空間分析提供技術(shù)支撐，在通視路徑優(yōu)選和分析噪聲及污染模型應(yīng)用十分廣泛?，F(xiàn)實中的紋理三維地形及城市模型，現(xiàn)在多用在景觀評估、創(chuàng)建虛擬地理環(huán)境及數(shù)字文化遺產(chǎn)領(lǐng)域。基于影像三維實景影像模型，支持創(chuàng)建出立體正射影像和沿街道實景影像，其可視化已經(jīng)具備讓用戶自主采用“按需測量”實行。

1.4 數(shù)字地球?qū)崿F(xiàn)了基于Web Service的空間信息共享與智能服務(wù)

Web Service 技術(shù)是當(dāng)今影響極其深刻的信息服務(wù)技術(shù)。數(shù)字地球已在成為空間集成信息平臺，具備良好地集成整合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下地球空間各種來源的信息其中也包括社會經(jīng)濟信息，借助Web Service 技術(shù)智慧地服務(wù)于社會和單位。

1.5 數(shù)字地球通過興趣點實現(xiàn)了與非空間信息的關(guān)聯(lián)，以服務(wù)全民

根據(jù)不同用戶的不同需求，數(shù)字地球可以幫助用戶真實地感受到參與感和創(chuàng)造力，做到將地球上標(biāo)志性人們所熟知的建筑精確地在數(shù)字地球網(wǎng)站上進行標(biāo)注，滿足用戶個性化參與標(biāo)注的需要。將民生信息如人們衣食住行等信息內(nèi)容上傳到網(wǎng)絡(luò)上，閱讀者可以在興趣點上查閱衛(wèi)星圖像、地圖、地形和3D 信息內(nèi)容。

2 數(shù)字地球關(guān)鍵理論技術(shù)研究

數(shù)字地球是一項跨越多學(xué)科的理論和系統(tǒng)工程，涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)存儲管理、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)表達等方面。下面將具體從這些方面闡述數(shù)字地球的關(guān)鍵理論技術(shù)特點和技術(shù)難度，以及數(shù)字地球在國家電子政務(wù)規(guī)劃自然資源和地理空間基礎(chǔ)信息庫中的具體應(yīng)用表現(xiàn)。

2.1 數(shù)據(jù)獲取

“數(shù)字地球”總體目標(biāo)，就是及時完成向社會和公眾提供準(zhǔn)確可靠、內(nèi)容豐富、涉及面廣、及時地提供真實、可信的數(shù)據(jù)的任務(wù)。當(dāng)然要順利實現(xiàn)上述目標(biāo)，必須有政府，企業(yè)和公司的投入力量，才能創(chuàng)建出共建共享的服務(wù)模式。

“數(shù)字全球”的數(shù)據(jù)獲取，來源于資源、生態(tài)與人口、社會和經(jīng)濟等等內(nèi)容，另外的來源于衛(wèi)星，航空領(lǐng)域所獲得的空間數(shù)據(jù)，還有來源于大氣海洋、巖石圈勘探，等數(shù)據(jù)，尤其是來源于地球物理參數(shù)和地球化學(xué)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)。在此特別要注意的是需要匹配具實的地名、域名；土地歸屬,國土疆域等標(biāo)志顯著的內(nèi)容；甚至考古，災(zāi)害，年輪等歷史方面的信息數(shù)據(jù)?！皵?shù)字地球”不會受制于1m分辨率的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)束縛，因為地球?qū)儆陂_放性、復(fù)雜性的大系統(tǒng)。這個大系統(tǒng)是整合了無數(shù)的子系統(tǒng)來實現(xiàn)并反映其真實的運行過程。它不是虛擬的，而是真實存在的大系統(tǒng)。

國家自然資源和地理空間基礎(chǔ)信息庫整合改造了參建部門和單位近700 個現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫，建成了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化、可持續(xù)更新的基礎(chǔ)性地理空間信息資源庫，包含1:10 萬起一系列比例尺的基礎(chǔ)地理及自然資源數(shù)據(jù)，囊括國內(nèi)外多源異構(gòu)影像，總數(shù)據(jù)量達700TB，時相主要集中于1950年-2016年，并按照年度進行持續(xù)數(shù)據(jù)更新。

2.2 數(shù)據(jù)存儲管理

“數(shù)字地球”大系統(tǒng)整合了大量數(shù)據(jù)庫群而構(gòu)成。針對“數(shù)字地球”大系統(tǒng)中整合了大量數(shù)據(jù)庫具有多源、異構(gòu)和海量的特點，要建立起分布式多源數(shù)據(jù)整合機制和模型，其中含有無數(shù)的中心架構(gòu)、分布式數(shù)據(jù)倉庫和虛擬數(shù)據(jù)集合體和創(chuàng)新數(shù)據(jù)模型，來提升組織和利用效率；同時，很有必要針對其高性能、大規(guī)模并行的海量空間數(shù)據(jù)處理的算法模型和平臺來徹底優(yōu)化海量空間數(shù)據(jù)處置機制。

國家自然資源和地理空間基礎(chǔ)信息庫構(gòu)建了“邏輯統(tǒng)一、物理分散、統(tǒng)一認(rèn)證、分布授權(quán)”的分布式空間信息共享交換技術(shù)體系。包括1 個數(shù)據(jù)主中心和11 個數(shù)據(jù)分中心共同構(gòu)成的政務(wù)信息共享服務(wù)支撐體系和信息資源目錄服務(wù)體系，實現(xiàn)了分布式多源異構(gòu)數(shù)據(jù)資源環(huán)境下提供數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)訪問和數(shù)據(jù)服務(wù)的能力。

2.3 數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)挖掘在“數(shù)字地球”戰(zhàn)略中是最關(guān)鍵的核心終端環(huán)節(jié)，但是其環(huán)節(jié)非常地單薄無力，其開發(fā)的潛力巨大。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在當(dāng)今世界屬于頂尖技術(shù)和系統(tǒng)工程范疇，為了滿足“數(shù)字地球”中海量數(shù)據(jù)知識挖掘的需求，利用動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動其地學(xué)過程實現(xiàn)仿真模型的建設(shè)，來實現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)驅(qū)動復(fù)雜地學(xué)過程與系統(tǒng)建設(shè)過程，幫助簡化系統(tǒng)構(gòu)建難度，支持地學(xué)過程機理探索和決策過程的完成。

國家自然資源和地理空間基礎(chǔ)信息庫立足服務(wù)國民經(jīng)濟和社會發(fā)展大局，圍繞資源環(huán)境監(jiān)測和承載力評價、重大自然災(zāi)害監(jiān)測和災(zāi)后恢復(fù)重建、重大工程項目布局與實施監(jiān)測、國土空間開發(fā)及區(qū)域開發(fā)、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、重要戰(zhàn)略資源開發(fā)利用等重點領(lǐng)域，從數(shù)據(jù)出發(fā)，進行綜合應(yīng)用分析，研制出自然資源和地理空間信息領(lǐng)域有重大影響力與實際應(yīng)用價值的龍頭服務(wù)產(chǎn)品，為國家提出有預(yù)見性、前瞻性的對策建議。

2.4 數(shù)據(jù)表達

設(shè)計三維景觀技術(shù)探索研究，反映出“數(shù)字地球”內(nèi)的某項技術(shù)和表現(xiàn)方式，研究內(nèi)容涉及到3S（GIS、GPS、RS）、多媒體、網(wǎng)絡(luò)、虛擬仿真等技術(shù)。通常完成實時三維尺度空間系統(tǒng)再創(chuàng)設(shè)三維數(shù)字模型，創(chuàng)造出逼真的“虛擬環(huán)境”的結(jié)果，三維景觀屬于開放和互動性系統(tǒng)環(huán)境。據(jù)此，能完整地將傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)擁有二維坐標(biāo)的地圖數(shù)據(jù)契入高程信息后，采用三維形式來完成信息資源的存儲、管理、查詢和分析任務(wù)。而三維景觀信息屬于環(huán)保、水文、地質(zhì)、氣象和地球物理的具體表達，具有很好的應(yīng)用前景。區(qū)別于過去的GIS 應(yīng)用范圍局限于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、地礦、交通、通訊、新聞媒體、城市建設(shè)和軍事等等領(lǐng)域，利用三維景觀來表達，其展示出的各方面的信息量和相關(guān)內(nèi)容都將有極大地提升。其應(yīng)用也將得到更大的拓展。

國家自然資源和地理空間基礎(chǔ)信息庫的三維數(shù)據(jù)瀏覽展示系統(tǒng)，提供了各類型原始數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)集的存儲和管理功能，海量、多源、多尺度的三維空間數(shù)據(jù)無級、無縫、全空間的三維可視化瀏覽，以及三維場景下的查詢定位、漫游飛行、空間分析等應(yīng)用操作，并通過采用虛擬金字塔模型以及圖層數(shù)據(jù)分離、邏輯耦合調(diào)度策略來解決行業(yè)內(nèi)一體化渲染的挑戰(zhàn)和其他異構(gòu)展示數(shù)據(jù)不支持接入或展示效果差的問題。

3 數(shù)字地球未來發(fā)展方向

3.1 信息的全球共享和公眾積極參與

伴隨世界經(jīng)濟的增長，全球人口總數(shù)將創(chuàng)新高，這將給能源、食品及水等戰(zhàn)略資源帶來空前的壓力。特別對于人類環(huán)境而言，未來20～30年，氣候變化、生物多樣性下降、水資源短缺以及化學(xué)品和碳排放對空氣質(zhì)量和公眾健康的影響等仍將是全球所共同面對的重大威脅?！皵?shù)字地球”能夠為實現(xiàn)信息的全球共享（以支持區(qū)域與人口之間稀缺資源的可持續(xù)使用和公平分配）提供總體框架。該框架的形成不僅需要科學(xué)研究的支持，而且需要公眾在關(guān)系全球發(fā)展的科學(xué)問題及戰(zhàn)略決策的選擇方面的積極參與。公眾作為未來數(shù)字地球的主要參與者，也是國家自然資源地理空間基礎(chǔ)信息庫數(shù)據(jù)資源的有效補充，國家自然資源地理空間基礎(chǔ)信息庫未來應(yīng)當(dāng)擴展政務(wù)部門和社會普遍需要的自然資源和地理空間信息，優(yōu)化數(shù)據(jù)與服務(wù)組織形態(tài)，構(gòu)建覆蓋全球、全國和重點地區(qū)的多尺度、時空連續(xù)、現(xiàn)勢性強的國家自然資源和地理空間信息資源體系，加強靜態(tài)數(shù)據(jù)與動態(tài)數(shù)據(jù)的融合、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的融合。

3.2 擴展數(shù)字地球服務(wù)方向

“數(shù)字地球”建設(shè)的數(shù)據(jù)平臺離不開國家空間基礎(chǔ)設(shè)施的支撐，切入高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，與多衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心和地理信息中心無縫結(jié)合，獲取、傳輸、存儲、處理分析、計算海量的信息數(shù)據(jù)并完成傳送運用的全流程。融合了不同比例尺的地理、空間數(shù)據(jù)、多傳感器、多時相、多分辨率涉及各領(lǐng)域的全部的社會數(shù)據(jù)。前沿科學(xué)大數(shù)據(jù)和“數(shù)字地球”科學(xué)發(fā)展日新月異，全新的“數(shù)字地球”能夠更好地服務(wù)于全球減災(zāi)防災(zāi)、新能源開發(fā)和農(nóng)業(yè)食品安全，并進一步取得成功！

國家自然資源地理空間基礎(chǔ)信息庫未來將以服務(wù)為核心，建設(shè)地理空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源標(biāo)準(zhǔn)化組織與智能化管理云平臺，匯聚國務(wù)院各有關(guān)部門、中央與地方、政府與市場互聯(lián)、軍民融合的信息服務(wù)，實現(xiàn)天地空一體化時空大數(shù)據(jù)服務(wù)，支撐跨部門、跨領(lǐng)域、跨地區(qū)數(shù)據(jù)資源共享應(yīng)用和“一站式”服務(wù)。

3.3 從數(shù)字地球到智慧地球

早在2009年,彭明盛，IBM 首席執(zhí)行官向全世界公布了他的“智慧地球”(smart Earth)設(shè)想,并鼓勵各國政府投資建設(shè)智慧型基礎(chǔ)設(shè)施。其核心思維是將新一代IT 技術(shù)完美地滲入各行各業(yè)中,將傳感器充實到民眾普通的生活中的設(shè)備中去,打造出現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”工程,成功地將超級計算機和云計算技術(shù)融入“物聯(lián)網(wǎng)”工程中,將“數(shù)字地球”、人類社會和物理系統(tǒng)完美結(jié)合。幫助人類采用極其精細(xì)和動態(tài)的手段來管理生產(chǎn)和生活并實現(xiàn)“智慧”化。處于智慧地球上,其智慧的醫(yī)療、電網(wǎng)、油田、城市和企業(yè)等無處不在。

將來實現(xiàn)信息的全球共享和公眾的積極參與，數(shù)字地球的發(fā)展應(yīng)進行有效的數(shù)據(jù)擴充，加強靜態(tài)數(shù)據(jù)與動態(tài)數(shù)據(jù)的融合、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的融合；伴隨著科學(xué)大數(shù)據(jù)和數(shù)字地球?qū)W科的不斷發(fā)展，新一代數(shù)字地球應(yīng)當(dāng)擴充在全球變化、減災(zāi)防災(zāi)、新能源開發(fā)、新型城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)食品安全等方面的服務(wù)應(yīng)用；以大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、時空一體化等新技術(shù)推動數(shù)字地球向智慧地球發(fā)展。