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前沿技术
数字地球的技术基础
发布时间:2011-05-04 10:53:58 作者: 来源:
1、数字地球的主要技术
要在电子计算机上实现数字地球不是一个很简单的事,它需要诸多学科,特别是信息科学技术的支撑。这其中主要包括:信息高速公路和计算机宽带高速网络技术、高分辨率卫星影像、空间信息技术、大容量数据处理与存贮技术、科学计算以及可视化和虚拟现实技术。
    (1)信息高速公路和计算机宽带高速网
    一个数字地球所需要的数据已不能通过单一的数据库来存贮,而需要由成千上万的不同组织来维护。这意味着参与数字地球的服务器将需要由高速网络来连接。为此,美国克林顿总统早在1993年2月就提出实施美国国家信息基础设施(N11),通俗形象地称为信息高速公路,它主要由计算机服务器、网终和计算机终端组成。美国为此计划投入4000亿美元,耗时20年。到2000年的目标是提高生产率20—40%,获取35000亿美元的效益。
在Internet流量爆发性增长的驱动下,远程通信载体已经尝试使用10G/s的网络,而每秒1015byte的因特网正在研究中。相信在21世纪将会有更加优秀的宽带高速网供人们使用。
(2)高分辨率卫星影像
本世纪的遥感卫星影像,在卫星遥感问世的20多年分辨率已经有了飞快的提高,这里所说的分辨率指空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率。空间分辨率指影像上所能看到的地面最小目标尺寸,用像元在地面的大小来表示。从遥感形成之初的80米,已提高到30米,10米,5.8米,乃至2米,军用甚至可达到10cm。到下一世纪获取lm或优于lm的空间分辨率影像将会十分方便。光谱分辨率指成像的波段范围,分得愈细,波段愈多,光谱分辨率就愈高,现在的技术可以达到5—6nm(纳米)量级,400多个波段。细分光谱可以提高自动区分和识别目标性质及组成成分的能力。时间分辨率指重访周期的长短,目前—般对地观测卫星为15-25天的重访周期。通过发射合理分布的卫星星座可以实现3—5天观测地球一次。
高分辨率卫星遥感图像在下一世纪将可以优于l米的空间分辨率,每隔3—5天为人类提供反映地表动态变化的详实数据,从而实现秀才不出门,能观天下事的理想。
(3)空间信息技术与空间数据基础设施
空间信息是指与空间和地理分布有关的信息,经统计,世界上的事情有80%与空间分布有关,空间信息用于地球研究即为地理信息系统。为了满足数字地球的要求,将影像数据库、矢量图形库和数字高程模型(DEM)三库一体化管理的GIS软件和网络GPS,将在下一世纪十分成熟和普及。从而可实现不同层次的互操作,一个GIS应用软件产生的地理信息将被另一个软件读取。
当人们在数字地球上,进行处理、发布和查询信息时,将会发现大量的信息都与地理空间位置有关。例如查询两城市之间的交通连接,查询旅游景点和路线,购房时选择价廉而又环境适宜的住宅等都需要有地理空间参考。由于尚未建立空间数据参考框架,致使目前在万维网上制作主页时还不能轻易将有关的信息连接到地理空间参考上。因此,国家空间数据基础设施是数字地球的基础。
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、空间数据交换标准及数字地球空间数据框架。这是美国克林顿总统在1994年4月以行政令下发的任务,美国将于2000年元月初步建成,我国也将在跨世纪之际,抓紧建立我国基于1:50000和1:10000比例尺的空间信息基础设施。欧洲、俄罗斯和亚太地区也都纷纷抓空间数据基础设施。
空间数据共享机制是使数字地球能够运转的关键之一。国际标准化组织IS0/TC211工作组正为此而努力工作。只有共享才能发展,共享推动信息化,信息化又进一步推动共享。政府与民间的联合共建是实现共享原则的基本条件,因为任何国家的政府也不可能包揽整个信息化的建设。在我国,要遵循这一规律就必然要求打破部门之间和地区之间的界限,统一标准,联合行动,相互协调,互谅互让,分工合作,发挥整体优势。只有大联合才能形成规模经济的优势,才能在国际信息市场的激烈竞争中争取主动。
(4)大容量数据存贮及元数据
数字地球将需要存贮10??字节的(Quadrillions)信息。美国NASA的行星地球计划EOS—AM1 1999年上天,每天将产生1000GB(即lTB)的数据和信息,1米分辨率影像覆盖广东省,大约有lTB的数据,而广东才是中国的l/53所以要建立起中国的数字地球,仅仅影像数据就有53TB,这还只是一个时刻的,多时相的动态数据,其容量就更大了。目前美国的NASA和NOAA已着手建立用原型并行机管理的可存贮1800TB的数据中心,数据盘带的查找由机器手自动而快速地完成,相信到下一世纪,还会有新的突飞猛进。
另一方面,为了在海量数据中迅速找到需要的数据,元数据(metadata)库的建设是非常必要的,它是关于数据的数据,通过它可以了解有关数据的名称、位置、属性等信息,从而大大减少用户寻找所需数据的时间。
(5)科学计算
地球是一个复杂的巨系统,地球上发生的许多事件,变化和过程又十分复杂而呈非线性特征,时间和空间的跨度变化大小不等,差别很大,只有利用高速计算机,我们今日和跨世纪的未来,才有能力来模拟——些不能观测到的现象。利用数据挖掘(Data Mining)技术,我们将能够更好地认识和分析所观测到的海量数据,从中找出规律和知识。科学计算将使我们突破实验和理论科学的限制,建模和模拟可以使我们能更加深入地探索所搜集到的有关我们星球的数据。
(6)可视化和虚拟现实技术
可视化是实现数字地球与人交互的窗口和工具,没有可视化技术,计算机中的一堆数字是无任何意义的。
数字地球的一个显著的技术特点是虚拟现实技术。建立了数字地球以后,用户戴上显
示头盔,就可以看见地球从太空中出现,使用“用户界面”的开窗放大数字图像;随着分辨率的不断提高,他看见了大陆,然后是乡村、城市,最后是私人住房、商店、树木和其它天然和人造景观;当他对商品感兴趣时,可以进入商店内,欣赏商场内的衣服,并可根据自己的体型,构造虚拟自己试穿衣服。
虚拟现实技术为人类观察自然,欣赏景观,了解实体提供了身临其境的感觉。最近几
年,虚拟现实技术发展很快。虚拟现实造型语言(VRML)是一种面向Web、面向对象的三维造型语言,而且它是一种解释性语言。它不仅支持数据和过程的三维表示,而且能使用户走进视听效果逼真的虚拟世界,从而实现数字地球的表示以及通过数字地球实现对各种地球现象的研究和人们的日常应用。实际上,人造虚拟现实技术在摄影测量中早已是成熟的技术,近几年的数字摄影测量的发展,已经能够在计算机上建立可供量测的数字虚拟技术。当然,当前的技术是对同一实体拍摄照片,产生视差,构造立体模型,通常是当模型处理。进一步的发展是对整个地球进行无缝拼接,任意漫游和放大,由三维数据通过人造视差的方法,构造虚拟立体。
2、数字地球中的“三S”技术
数字地球的核心是地球空间信息科学,地球空间信息科学的技术体系中最基础和基本
的技术核心是“三S”技术及其集成。所谓“三S”是全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)和遥感(RS)的统称。没有“三S”技术的发展,现实变化中的地球是不可能以数字的方式进入计算机网络系统的。
(1)空间定位(GPS)技术
GPS作为一种全新的现代定位方法,已逐渐在越来越多的领域取代了常规光学和电子仪器。80年代以来,尤其是90年代以来,GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合,在空间定位技术方面引起了革命性的变化。用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间,从静态扩展到动态,从单点定位扩展到局部与广域差分,从事后处理扩展到实时(准实时)定位与导航,绝对和相对精度扩展到米级、厘米级乃至亚毫米级,从而大大拓宽它的应用范围和在各行各业中的作用。不久的将来,人人可以戴上GPS手表,加上移动电话,你的活动就可以自动进入数字地球中去。
(2)航空航天遥感(RS)技术
当代遥感的发展主要表现在它的多传感器、高分辨率和多时相特征。
1)多传感器技术。当代遥感技术已能全面覆盖大气窗口的所有部分。光学遥感可包含可见光、近红外和短波红外区域。热红外遥感的波长可从8-14um,微波遥感观测目标物电磁波的辐射和散射,分被动微波遥感和主动微波遥感,波长范围为lmm。100cm,。
2)遥感的高分辨率特点。全面体现在空间分辨率、光谱分辨率和温度分辨率三个方面,长线阵CCD成像扫描仪可以达到1.2m的空间分辨率,成像光谱仪的光谱细分可以达到5—6mm的水平。热红外辐射计的温度分辨率可从0.5K提高到0.3K乃至0.1K。
    3)遥感的多时相特征。随着小卫星群计划的推行,可以用多颗小卫星,实现每2-3天对地表重复采样一次,获得高分辨率成像光谱数据,多波段、多极化方式的雷达卫星,将能解决阴雨多雾情况下的全天候和全天时对地观测,卫星遥感与机载和车载遥感技术的有机结合,是实现多时相遥感数据获取的有力保证。
    遥感信息的应用分析已从单一遥感资料向多时相、多数据源的融合与分析过渡,从静态分析向动态监测过渡,从对资源与环境的定性调查向计算机辅助的定量自动制图过渡,从对各种现象的表面描述向软件分析和计量探索过渡。近年来,由于航空遥感具有快速机动性和高分辨率的显著特点使之成为遥感发展的重要方面。
    (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;再有一个发展方向,则是数据挖掘(DataMining),从空间数据库中自动发现知识,用来支持遥感解译自动化和GIS空间分析的智能化。
(4)“三S”集成技术
“三S”集成是指将上述三种对地观测新技术及其他相关技术有机地集成在一起。这里所说的集成,是英文Integration的中译文,是指一种有机的结合,囊括在线的连接、实时的处理和系统的整体性。GPS、RS、GIS集成的方式可以在不同技术水平上实现。“三S”集成包括空基三S集成与地基三S集成。空基“三S”集成:用空一地定位模式实现直接对地观测,主要目的是在无地面控制点(或有少量地面控制点)的情况下,实现航空航天遥感信息的直接对地定位、侦察、制导、测量等;地基“三S”集成:车载、舰载定位导航和对地面目标的定位、跟踪、测量等实时作业。