GIS读书报读书报告：地球空间信息学与数字地球告
读书报告：地球空间信息学与数字地球
引言：最近有幸拜读了中国科学院院士、中国工程院院士李德仁的文章《地球空间信息学与数字地球》，感觉颇受教益。李德仁教授，中国科学院院士，中国工程院院士，主要从事地理信息系统、摄影测量与遥感等领域的教学和科学研究工作。代表成果：高精度摄影测量定位理论与方法；GPS辅助空中三角测量；SPOT卫星像片解析处理；数学形态学及其在测量数据库中的应用；面向对象的GIS理论与技术；影像理解及像片自动解译以及多媒体通信等。地球空间信息科学(Geo-Spatial Information Science——Geomatics)是以全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感(RS)等空间信息技术为主要内容，并以计算机技术和通讯技术为主要技术支撑，用于采集、量测、分析、存储、管理、显示、传播和应用与地球和空间分布有关的数据的一门综合和集成的信息科学和技术。地球空间信息科学是以“3S”技术为代表，包括通讯技术、计算机技术的新兴学科。它是地球科学的一个前沿领域，是地球信息科学的重要组成部分，是数字地球的基础。美国副总统戈尔在《数字地球——认识21世纪我们这颗星球》的报告中阐述了数字地球的概念。所谓“数字地球”，可以理解为对真实地球及其相关现象统一的数字化重现和认识。其核心思想是用数字化的手段来处理整个地球的自然和社会活动诸方面的问题，最大限度地利用资源，并使普通百姓能够通过一定方式方便地获得他们想要了解的有关地球的信息，其特点是嵌入海量地理数据，实现对地球的多分辨率、三维描述，通俗地说就是虚拟地球。
内容概述：叙述了地球空间信息学和数字地球的基本概念。讨论了地球空间信息学的形成、理论基础和技术体系，以及数字地球的关键技术和应用。分析了两者的相互关系，提出空间数据基础设施是数字地球的基本建设，发展数字地球为传统测绘行业带来了一个极好的发展机遇和一系列的挑战。
1 地球空间信息学
1.1 地球空间信息学的形成
空间定位技术、航空和航天遥感、地理信息系统和互联网等现代信息技术的发展及其相互间的渗透，逐渐形成了地球空间信息的集成化技术系统。近二三十年来，这些现代空间信息技术的综合应用有了飞速发展，使得人们能够快速及时和连续不断地获得有关地球表层及其环境的大量几何与物理信息，形成地球空间数据流和信息流，从而促成了“地球空间信息科学”的产生。
1.2 地球空间信息学的理论基础
地球空间信息科学理论框架的核心是地球空间信息机理。地球空间信息机理作为形成地球空间信息科学的重要理论支撑，通过对地球圈层间信息传输过程与物理机制的研究，揭示地球几何形态和空间分布及变化规律。主要内容包括：地球空间信息的基准、标准、时空变化、认知、不确定性、解译与反演、表达与可视化等基础理论问题。
1.3 地球空间信息学的技术体系
地球空间信息科学的技术体系是指贯穿地球空间信息采集、处理、管理、
分析、表达、传播和应用的一系列技术方法所构成的一组完整的技术方法的总和。它是实现地球空间信息从采集到应用的技术保证，并能在自动化、时效性、详细程度、可靠性等方面满足人们的需要。地球空间信息科学的技术体系是地球空间信息科学的重要组成部分，它的建立依赖于地球空间信息科学基础理论及其相关科学技术的发展，包括以下几个大的方面：
(1) 空间定位(GPS)技术。(2) 航空航天遥感(RS)技术。(3) 地理信息系统(GIS)技术。随着“数字地球”这一概念的提出和人们对它的认识的不断加深，从二维向多维动态以及网络方向发展是地理信息系统发展的主要方向，也是地理信息系统理论发展和诸多领域的迫切需要，如资源、环境、城市等。在技术发展方面，一个发展是基于Client/Server结构，即用户可在其终端上调用在服务器上的数据和程序；另一个发展是通过互联网络发展Internet GIS
或Web-GIS，可以实现远程寻找所需要的各种地理空间数据，包括图形和图像，而且可以进行各种地理空间分析，这种发展是通过现代通讯技术使GIS进一步与信息高速公路相接轨。(4) 数据通讯技术。
2 数字地球
2．1 数字地球的关键技术
数字地球关键技术包括：计算科学、大规模存储、高分辨率卫星图像、宽带网络、互操作性和元数据。概括起来有以下四点：
(1) 高分辨率卫星遥感。(2) 高速网络与数据标准。(3) 大规模存储与元数据。(4) 虚拟现实（Virtual Reality）技术。
2．2 数字地球的应用
在人类所接触到的信息中有80%与地理位置和空间分布有关，地球空间信息是信息高速公路上的货和车。数字地球不仅包括高分辨率的地球卫星图像，还包括数字地图，以及经济、社会和人口等方面的信息，它的应用正如戈尔在其报告中提到的有时会因为我们的想象力而受到限制，这句话说，数字地球的应用在很大程度上超出我们的想象。这里只能就我们的理解提出一些现实的应用。
(1) 全球变化与社会可持续发展。
(2) 政治、经济与军事应用。
3 地球空间信息学与数字地球的关系
虽然数字地球既是一个新概念又是一个综合系统工程，但它涉及到的大部分理论、技术和应用却与现有的实际科技工作直接相连。它从更高的层次、从系统论和一体化的角度来集成和应用已有和正在发展的理论、技术、数据和能力，从而更广泛、更深入、更有效、更经济地为社会提供服务。明确数字地球与当前地学理论、技术和应用发展的关系有助于深入认识数字地球，把握当前地学发展的方向和目标。
3．1 地球空间信息学是数字地球的数学基础
3．2 地球空间信息学是数字地球的空间信息框架
3．3 地球空间信息学为数字地球提供技术支撑
4 空间数据基础设施是实现数字地球的基本建设
“国家空间数据基础设施”(National Spatial Data Infrastructure，简称NSDI)首先于1994年由美国政府以总统令的形式提出，它是为了在信息高速公路上表达地理参考，使得与地理和地球有关的空间信息得以在因特网上准确地表达、描述和查询。
国家空间数据基础设施属于国家信息基础设施的一部分，它是连接信息高速公路和数字地球的桥梁。国家空间数据基础设施主要包括空间数据协调、管理与分发体系和机构、空间数据交换网站(Clearing house)、空间数据交换标准以及地球空间数据框架。空间数据基础设施与数字地球之间存在紧密的联系，一方面空间数据基础设施和空间数据框架是数字地球的最基本的内容。另一方面，数字地球所涵盖的内容已远远超出空间数据技术设施的内容。再者，数字地球中所用到的关键技术也是空间数据基础设施建设中的关键技术。因此，可以认为数字地球是一个以信息高速公路为基础，以空间数据基础设施为依托且更加广泛的概念。
扩展性讨论:随着社会和经济的迅速发展，人类活动引起的全球变化日益成为人们关注的焦点。从最近几个世纪的历史看，人类活动对生态环境的影响主要是向变坏的方向发展。随着世界人口的急剧增加，造成资源的大量消耗、生态环境恶化也成为有目共睹的事实。地球及其环境是一个复杂的巨系统，为了解决上述问题，要求以整体的观点认识地球。随着人类社会步入信息时代，有关地球科学问题的研究需要以信息科学为基础，并以现代信息技术为手段，建立地球信息的科学体系。地球空间信息科学，作为地球信息科学的一个重要分支学科，将为地球科学问题的研究提供数学基础、空间信息框架和信息处理的技术方法。地球空间信息广义上指各种空载、星载、车载和地面测地遥感技术所获取的地球系统各圈层物质要素存在的空间分布和时序变化及其相互作用的信息的总体。“地球空间信息科学”作为信息科学和地球科学的边缘交叉学科，它与区域乃至全球变化研究紧密相连，是现代地球科学解决社会可持续发展问题的一个基础性环节。美国副总统戈尔在《数字地球——认识21世纪我们这颗星球》的报告中阐述了数字地球的概念。所谓“数字地球”，可以理解为对真实地球及其相关现象统一的数字化重现和认识。其核心思想是用数字化的手段来处理整个地球的自然和社会活动诸方面的问题，最大限度地利用资源，并使普通百姓能够通过一定方式方便地获得他们想要了解的有关地球的信息，其特点是嵌入海量地理数据，实现对地球的多分辨率、三维描述，通俗地说就是虚拟地球。
我国是一个人口众多、土地资源有限、自然灾害频繁的发展中国家，十几亿人口的吃饭问题一直是至关重要的。经过20年的高速发展，资源与环境的矛盾越来越突出。1998年的洪灾、黄河断流、耕地减少、荒漠化加剧，已经引起了社会各界的广泛关注。必须采取有效措施，从宏观的角度加强土地资源和水资源的监测和保护，加强对自然灾害特别是洪涝灾害的预测、监测和防御，避免第三世界国家和一些发达国家发展过程中走过的弯路。数字地球在这方面可以发挥更大的作用。数字地球在当前世界政治、经济和军事中的应用是非常广泛的。例如，数字地球可以用于解决国家之间的争端，如边界划分；数字地球可以用于维护社会安定，打击犯罪，如利用GIS对犯罪模式、频率和分布进行分析，合理部署警力。利用GPS和GIS实现警车调度和指挥，以及重要车辆的跟
踪与保卫；数字地球可用于对自然灾害的预测和灾后应急指挥与重建，如洪水和地震灾害预测与救灾；数字地球可用于城市和农村的规划，如城市规模与功能的设计和土地利用监测；数字地球可用于提高工农业生产力，如利用卫星影像和GPS进行病虫害防治和田间作业指挥。特别重要的是数字地球对于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，社会经济生活中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经济增长点，并将对未来全球的政治、经济和军事产生无法估量的影响。在经济全球化的今天，劳动力、资金、生产、市场的空间分布、动态变化和合理布局具有重要的意义。通过数字地球这样的政府行为来促进经济信息化的进程，将有利于我国社会主义市场经济的形成和发展。数字地球是后冷战时期“星球大战”计划的继续和发展，是美国全球战略的继续和发展。作为新一代的电子地图和地理信息系统，在军事上具有明显的应用价值，这一点从美伊战争和最近的对南战争中可以很容易的看出。而且，数字地球是一个典型的平战结合、军民结合的系统工程，建设中国的数字地球工程符合我国国防建设的发展方向
引申性探讨:在数字地球中，需要对整个地球进行数字化描述，地球空间信息是其中最重要的组成部分。地球空间信息学所研究的空间信息基准、标准、时空变化和不确定性等问题是关于地球空间信息最基本的理论，同时也是数字地球的基本理论。数字地球的建立依赖于若干理论问题的突破和完善。例如：在数字地球中如何对地球形状进行定义和描述；如何定义数字地球的几何基准以及几何变换方法和投影方法；如何定义和描述各种空间和非空间数据的标准和规范；如何定义与表达数字地球在时间与空间的连续性和完整性以及变化规律；如何定义和描述空间数据和非空间数据的不确定性及其传播规律等。
构成地球空间信息学技术体系的“3S”技术和通讯技术是实现对地球表层及
其附近的空间和非空间数据的获取、处理、分析、表示和传输的重要技术手段，这些技术的不断发展为数字地球的建立提供了可靠的技术保证。高分辨率遥感卫星的研制与发射，机星地一体化空间数据的采集、处理与分析技术的进一步完善，为数字地球空间数据的及时更新与信息提取提供了保证；分布式空间数据库技术的发展可以将海量的视频和图像数据与空间数据一起进行有效的管理，特别是面向对象技术的发展使得空间数据库具有构造和表示复杂对象的能力，使得真实世界几乎所有的实体都可以表示为对象，从而实现减少I/O访问提高运行效率；空间数据仓库与知识发掘技术将根据一定的主题内容集成来自不同数据库的具有不同时间和空间尺度的数据，从中发掘出用户所需要的知识，实现面向数据和面向模型分析的统一；网络GIS技术从单机结构到
Client/Server结构，再到Browser/Server结构的发展，标志着网络 GIS技术进入一个全新时代，它为在因特网上进行地球空间信息的查询和应用提供了方便；虚拟现实技术的发展和在地球空间信息表示中的应用为数字地球进入平常百姓的日常生活创造了条件，它把抽象的数据变得更加直观、可操作，从而满足不同层次的需要。
结语:
读罢这篇文章让我对地球空间信息学与数字地球这个论题有个更深入的了解。数字地球的提出是全球信息化的必然产物，它的一项长期的战略目标，需要经过全人类的共同努力才能实现。同时，数字地球的建设与发展将加快全球信息化的步伐，在很大程度上改变人们的生活方式，并创造出巨大的社会财富，为人类社会的发展作出巨大贡献。地球空间信息学作为数字地球的理论和技术基础将得到迅速发展，一方面数字地球的研究和建设为地球空间信息学的发展创造了条件；另一方面地球空间信息学的发展为数字地球的建设提供了理论和技术支持。
同时我也了解到由于在传感器、计算机、通讯以及综合国力等方面与先进国家存在较大差距，使得在相当长的一段时间内在地球空间信息科学的若干方面将落后于国际先进水平。因此，只有发挥自己的优势，不断努力，才能逐步缩小与国际先进水平的差距，为我国的经济建设和社会发展做出自己的贡献。我们本专业学生，未来的测绘者应当义不容辞地高举地球空间信息科学的旗帜，奔向21世纪信息社会，努力建设数字中国和数字地球，为知识经济时代的信息社会发展作出自己的贡献。
参考文献
〔1〕李德仁，李清泉.地球空间信息科学的兴起与跨学科发展〔A〕．见：周光召主编．科技进步与学科发展〔C〕．北京：中国科学技术出版社，1998．448～452．
〔2〕李德仁，龚健雅，朱欣焰，等．我国地球空间数据框架的设计思想与技术路线〔J〕．武汉测绘科技大学学报，1998，23(4)：297～303．
〔3〕李德仁.对地观测新技术与社会可持续发展〔A〕．见：中科院百名院士报告会文集〔C〕．北京：科学出版社，1997．
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