数字地球概论1.doc

数字地球概论 大作业 学校：西安电子科技大学 学院：电子工程学院 专业：遥感科学与技术 班级：021271 学号：02127007 姓名：卢月 信息化、网络化和全球化是信息时代的主要特征。信息社会将会改变和影响我们每个人的工作、生活及思维方式，这种影响和改变将是巨大的、异乎寻常的和激动人心的。如今，“数字地球”正浮出水面，它使得人类“将世界放在手掌中”不再是痴人说梦。“数字地球”是什么？从具体用途来看，它将渗透到社会生活的各个方面：如通过它能掌握各地的治安状况，恰当地部署警力防止和打击犯罪；利用它的数据来模拟环境变化对濒危物种的影响，根据结果采取适当措施可以保护生态的多样性；利用卫星对某一地区监视获得的数据可确定影响气候变化的重要因素森林递减率，从而预报气候变化；通过卫星图像掌握农作物病虫害及其生长情况，从而科学地施以药肥、灌溉，保障农业的丰产丰收；学者们可以利用数字地球的数据开展研究，包括了解人类和环境之间的相互依赖的关系；人们可以通过虚拟现实技术对地球任何地方作虚拟旅行 数字地球的实现基于人类已经或将要拥有的强有力新技术，数字地球及其相关技术非常庞杂，其主要技术可以简单地用一个公式加以概括：数字地球=全球网络数字化虚拟现实。 一、数字地球的概念“数字地球”是美国副总统戈尔于1998年1月31日在加利福尼亚科学中心所做的“数字地球认识21世纪我们这颗星球”的讲演中首次提出的。 他讲的数字地球是指充分利用有关地球的所有信息（戈尔称为“关于我们行星的各种环境和文化现象信息”），以促进社会进步和经济发展。他认为现在我们一方面拥有大量的可以发挥积极作用的信息，一方面又让它闲置起来慢慢地过时而变得无用。解决这一矛盾的方法，便是建立“数字地球”。 数字地球指的是建立一个地球信息模型，该模型将地球上每一角落的信息都收集、整理、归纳，并且按照地球地理坐标建立完整的信息模型并且用网络联结起来，从而使地球上的每个人都可以快速、完整、形象地了解地球宏观和微观的各种情况，并充分发挥这些数据的作用。 数字地球中包含有高分辨率的地球卫星图像、数字化的地图以及经济、社会和人口统计的信息。利用它们，可以在教育、可持续发展战略、农业、土地使用规划以及政治或经济危机解决等领域，产生广泛的社会和经济效益。数字地球能够对人为的或自然的灾害作出快速反应，并使全球能够联合起来，面对长期的环境挑战。 数字地球概念的提出是基于人类已经或将要拥有强有力的新技术，“将世界放在手掌中”的理想后面是一整套复杂的基础实施。这是一项庞大而复杂的系统工程，不是某几个国家和机构能够独立完成的，首先需要一个统一的框架结构和协同工作环境，更需要使用许多已经成熟的和有待开发的新技术。这些技术包括计算机及网络通信技术、卫星遥感（RS）技术、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、虚拟现实（VR）技术、数据存储（如激光全息存储器、蛋白质存储器）、数据库等作为技术支撑，本文对其中的几项关键技术做一简要的介绍。数字地球的基础:全球网络与分布式存储数字地球，只有通过网络才能实现全球信息共享。虽然现在的国际广域网Internet，在很大程度上冲破了国家和机构间的障碍，促成了基于信息的工作方式，但还不能达到“数字地球”意义上的要求，因为数字地球要求信息网络真的像道路和海洋一样嵌入到每个人的生活中，但是其基本的雏形已经渐露端倪。 Internet这种全球结构使地球变成了一个大村落。今年的7月22日Internet协会年会报告称，世界上250个国家中有240个提供Internet上网服务；约有一亿人使用Internet，到2000年用户人数将达到310亿人。Internet以每年100的速度发展，到下一个十年的中期，Internet的规模将超过电话系统。Internet已将世界各地的主要信息渠道一网打尽，并将向世界主信息渠道的方向发展，有人认为“开放的Internet是改变世界的核动力”。数字地球的设想需要大规模存储，初步估算将要求存储10的15次幂字节的信息，而且每天还会产生大量的信息。这些信息只有分布地存储到全球各地的计算机中，好在存储技术正以令人惊异的速度发展。 但是现在的Internet由于用户量的剧增和自身技术的限制，是无法满足数字地球的需求的，当人们需要相关的数据时，迅速地从分布在各地的数据库中调出来，如对网络带宽要求较高的多媒体实时图象传输、视频点播等的广泛应用。 开放的全球网络和大容量的分布式存储技术是数字地球的基础。 二、数字地球与3S技术3S技术是遥感（Remote Sensing）、地理信息系统(Geographical Information System)、全球定位系统（Global Position System）的统称。因这三个概念的相应英文中都分别含一个S而得名。 遥感 遥感，顾名思义，就是遥远地感知。传说中的“千里眼”、“顺风耳”就具有这样的能力。人类通过大量的实践，发现地球上每一个物体都在不停地吸收、发射和反射信息和能量，其中有一种人类已经认识到的形式电磁波，并且发现不同物体的电磁波特性是不同的。遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。 例如，大兴安岭森林火灾发生的时候，由于着火的树木温度比没有着火的树木温度高，它们在电磁波的热红外波段会辐射出比没有着火的树木更多的能量，这样，当消防指挥官面对着熊熊烈火担心不已的时候，如果这时候正好有一个载着热红外波段传感器的卫星经过大兴安岭上空，传感器拍摄到大兴安岭周围方圆上万平方公里的影像，因为着火的森林在热红外波段比没着火的森林辐射更多的电磁能量，在影像着火的森林就会显示出比没有着火的森林更亮的浅色调。当影像经过处理，交到消防指挥官手里时，指挥官一看，图像上发亮的范围这么大，而消防队员只是集中在一个很小的地点上，说明火情逼人，必须马上调遣更多的消防员到不同的地点参加灭火战斗。 上面的例子简单的说明了遥感的基本原理和过程，同时涉及到了遥感的许多方面。除了上文提到的不同物体具有不同的电磁波特性这一基本特征外，还有遥感平台，在上面的例子中就是卫星了，它的作用就是稳定地运载传感器。除了卫星，常用的遥感平台还有飞机、气球等；当在地面试验时，还会用到地面象三角架这样简单的遥感平台。传感器就是安装在遥感平台上探测物体电磁波的仪器。针对不同的应用和波段范围，人们已经研究出很多种传感器，探测和接收物体在可见光、红外线和微波范围内的电磁辐射。传感器会把这些电磁辐射按照一定的规律转换为原始图像。原始图像被地面站接收后，要经过一系列复杂的处理，才能提供给不同的用户使用，他们才能用这些处理过的影像开展自己的工作。据不完全统计，迄今为止，美、俄、法、中、印度、加、日、德、意等国的人造卫星总数已超过2000颗，其中遥感卫星超过500颗，全球大型地面遥感卫星接收站超过100个。在下一世纪的头十年将有超过30颗的地球观测卫星发射。光谱分辨率高达纳米级，商品化遥感影象地面分辨率高达米级，雷达图像实现了多波段、多极化，遥感采集的数据极为丰富，仅地球行星计划一天的数据量就达1015字节。我国已经发射了68颗卫星，其中科学技术卫星10颗，气象卫星5颗，1颗资源卫星，17颗返回式遥感卫星，获取了高分辨率的全景摄影图像，建立了多个遥感卫星地面接收站，能够接收和处理Landsat TM 、SPOT和RADARSAT 等卫星图像数据；建立了许多气象卫星接收台站，接收和处理NOAA及静止气象卫星等数据；建立了中、低空高效机载对地观测组合平台和大量的地面观测台站。 由于遥感在地表资源环境监测、农作物估产、灾害监测、全球变化等等许多方面具有显而易见的优势，它正处于飞速发展中。更理想的平台、更先进的传感器和影像处理技术正在不断地发展，以促进遥感在更广泛的领域里发挥更大的作用。当你旅游或野外考察时，为了不迷失方向，你可能会自备一个指南针或罗盘帮助你定位，确定行走路线，并在地图上作标记，而达到定位的目标。不过用这种方法定位时，要求你具备一定的技术，特别是判别周围目标相对位置的能力。那么，能否发现一种简单的仪器，直接告诉我们所处的准确位置呢？有，那就是全球定位系统。地理信息系统地理信息系统(Geographic Information System，GIS)是一种专门用于管理地理空间分布数据的计算机信息系统，它使用直观的地理图形方式来录入、管理、显示和分析与地理空间相应的各种数据，在数字地球的构想中发挥极重要的作用。它是建立在地球科学和信息科学基础上的边缘科学，在当今社会面临人口、资源与环境等强烈的应用需求下应运而生。 近30年的发展，地理信息系统已进入了实用的阶段并成为一门新兴的产业。它将空间信息的处理与属性信息结合起来，使人们不仅知道存在什么样的信息，而且知道其发生在什么地方，及其在空间与时间上的变化。目前它正向与遥感（RS）、全球定位系统（GPS）一体化的方向发展。GIS是处理和分析应用空间数据的一种强有力的技术保证，而遥感是GIS的重要信息源，它只有输入GIS，才能发挥遥感信息的最大作用。它们之间的有机结合，成为政府部门、科技人员的一种重要的技术工具。 地理信息系统从其应用功能划分，包含专题地理信息系统、区城性地理信息系统和综合性(含RS与GIS一体化)地理信息系统；从使用对象来划分，有应用于政府部门的公用事务GIS和应用于企业部门的商业性GIS两类。 地理信息系统在社会生活的各个方面应用十分广泛，如自然资源的管理利用、农业土地管理、城市规划、军事、交通运输、工业布局、环境保护、人口普查、国家海洋等。 通常，地理信息系统数据要求较大的存储空间，可能会分布在不同地理位置的局域网上。 全球定位系统全球定位系统（Global Position System，GPS）是本世纪70年代由美国国防部批准，陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是：为陆、海、空三大领域，提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座已经布设完成。全球定位系统共由三部分构成：地面控制部分，由主控站（负责管理、协调整个地面控制系统的工作）、地面天线（在主控站的控制下，向卫星注入导航电文）、监测站（数据自动收集中心）和通讯辅助系统（数据传输）组成；空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面上；用户装置部分，主要由GPS接收机和卫星天线组成。GPS全球定位系统的主要特点：全天候，不受天气影响；全球覆盖；三维定点、定速定时高精度；快速省时高效率；应用广泛多功能。 GPS全球定位系统的主要用途：陆地应用，主要包括车辆导航、景点导游、应急反应、高精度时频对比、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；海洋应用，包括远洋船只最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋油井平台定位、海平面升降监测等；航空航天应用，飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。 GPS卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。经过20余年的实践证明，GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的高新技术国际性产业。现在，除了美国的全球定位系统GPS之外，具有GPS 同类功能的卫星系统还有俄罗斯的全球卫星导航系统，以及正在发展中的欧洲导航定位卫星系统，日本的多功能卫星增强系统。全球定位系统或GPS仅是这类系统的代名词。人类从航空摄影测量转向基于遥感的航空航天数字摄影测量，从单一的地图制图转向电子地图数据库、地理信息系统的建设，技术结构也从单一技术向“3S”集成技术、基于网络环境的“3S”运行体系发展，已是一个历史发展的必然。 三、虚拟现实及其发展前景 虚拟现实(Virtual Reality,VR) 是近来计算机网络世界的热点之一，在社会生活的许多方面有着非常美好的发展前景，更是数字地球概念提出的依据和基础技术。 虚拟现实是计算机模拟的三维环境,是一种可以创建和体验虚拟世界（Virtual World）的计算机系统。虚拟环境是由计算机生成的，它通过人的视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的感觉的视景仿真。它是一门涉及计算机、图像处理与模式识别、语音和音响处理、人工智能技术、传感与测量、仿真、微电子等技术的综合集成技术。用户可以通过计算机进入这个环境并能操纵系统中的对象并与之交互。三维环境下的实时性和可交互性是其主要特征。 虚拟现实不是真的，也不是现实，它只是一个在桌面上可实时地做交互式三维图形用户界面的工具。就像窗口系统及鼠标驱动用户界面一样，虚拟现实可使得运用计算机更加有效、透明。根据设计者的构想，用户可以沉浸到数据空间中，将用户在一定时间内与现实环境相隔离，然后投入到可实时交互的虚拟环境中，并且驾驭其中的数据，使人有一种身临其境的感觉。 虚拟现实界面的数据交互工具是一项正在发展中的技术，它的目的是使信息系统尽可能地满足人的需要，人机的交互更加人性化，用户可以更直接地与数据交互。除了传统的显示器、键盘、鼠标、游戏杆外，现在的仪器手套(Instrumented glove)、数据手套(Data Glove)、立体偏振眼镜，就是这类产品。立体视觉的产品还有头盔式显示器(HMD)、液晶快门眼镜(Liquid Crystal shutter glasses)。据报道，处于实验室研究阶段的VR设备有沉浸式VR系统，加入了如HMD、多个大型投影式显示器，甚至增加触觉、力感和接触反馈等交互式设备，更有人大胆预言会向全身数据服装的方向发展。 虚拟现实的应用领域十分广泛，主要在工程设计、计算机辅助设计(CAD)、数据可视化、飞行模拟、多媒体远程教育、远程医疗、艺术创作、游戏、娱乐等方面。 Web的出现更使虚拟现实技术引起人们普遍的关注。人们对它寄予厚望，希望利用这个技术使世界各地的人，可以在三维环境下交流。多个用户可以进行基于文本的或是声音技术的闲谈，在网上建立一个真正的三维社区已不再只是梦想中的事。 VRML是面向对象的一种语言，它类似Web超级链接所使用的HTML语言，也是一种基于文本的语言，并可以运行在多种平台之上，只不过能够更多地为虚拟现实环境服务。它提供对三维世界及其内部基本对象的描述，如球体、平面、圆锥、圆柱、立方体等，并把他们同二维的页面链接起来，是一种非常简洁的高级语言。最新的VRML2.0版除了提供VRML1.0版的基本功能外，最主要的特点是加入了行为功能和多用户环境，使Web网上的三维世界动起来了。另外，它将支持动画、交互性、与JAVAScript和JAVA的集成及声音。VRML的出现，是由于当代网络技术与虚拟现实技术的迅猛发展的需要，它使得Web的页面不再局限于二维空间。VRML增加动作、动画模拟、传感器和声音后，网络站点创作人员可以制作规模大、交互性强的三维应用程序。 虚拟现实发展前景十分诱人，而与网络通信特性的结合，更是人们所梦寐以求的。在某种意义上说它将改变人们的思维方式，甚至会改变人们对世界、自己、空间和时间的看法。它是一项发展中的、具有深远的潜在应用方向的新技术。利用它，我们可以建立真正的远程教室，在这间教室中我们可以和来自五湖四海的朋友们一同学习、讨论、游戏，就像在现实生活中一样。使用网络计算机及其相关的三维设备，我们的工作、生活、娱乐将更加有情趣。因为数字地球带给我们的是一个绚丽多彩的三维的世界！憧憬未来总是令人兴奋，它会引发人们的美梦般的遐想。数字地球如梦想插上科学的翅膀，使我们感到并不是遥不可及，甚至其中的一部分雏形已经应用到我们的现实生活中。 “一个小孩去本地的博物馆参观数字地球展览。在戴上显示头盔后，她看见地球从太空中出现，使用数据手套放大电子图像；使用越来越高的分辨率，看见大陆，然后是乡村、城市，最后是住房、树木和其他天然和人工的物质。” “利用声音识别能力系统,她能够请求得到关于陆地覆盖、植物和动物的物种分布、实时天气、道路、政治范围以及人口的信息。她也能使她和其它学生收集的作为全球环境的一部分信息具体化。这些信息能被天衣无缝地溶入到数字地图之中。通过使用数据手套单击一个连接按钮，她能够获得她所看见的许多事物的更多信息。” “她不受限制穿越空间和时间。在进行虚拟地去巴