数字地球在国家电子政务规划建设中的发展及关键技术

王铎

（国家地理空间信息中心 北京市 100071）

所谓“数字地球”，是指人类追求打造一个能够个覆盖全球范围规模的地球信息模型，集合布于地球合领域能够收集到的全部信息资源，采用地球地理坐标作为组织架构，这样不仅能够充分地反映出地球上全部信息（自然的、人文的、社会的）之间的有机联系，而且又可以通过该地理坐标完成检索和利用[1]。通俗地说：数字地球就地球信息化。总揽地球全部资料的数字化、网络化、智能化和可视化全部内容。或者说，数字地球就是虚拟地球。

推进数字地球计划与我国国家信息化的战略目标是一致的，国家自然资源和地理空间基础信息库是《中共中央办公厅 国务院办公厅关于转发＜国家信息化领导小组关于我国电子政务建设指导意见＞的通知》（中办发[2002]17 号）明确提出规划和开发的国家电子基础信息库属于政务信息库总体之一，该项推进工作交给国家发展改革委负责组织实施，成员单位包括国土资源部等国务院10 家相关单位共同合作建设，其工作目标在于服务于我国国民经济和社会信息化建设领域的工作，不断优化宏观管理措施和提升决策水平，为全面推进我国可持续发展的能力奠定基础具有重要意义。

1 数字地球发展现状

国外数字地球发展在数据源获取和平台建设方面都处于领先阶段，历经数十年的发展，国外的遥感卫星在资源、气象、海洋及环境减灾等领域已形成成熟的观测体系。国外主要的数字地球平台包括Google Earth，World Wind，Virtual Earth 等，其中Google Earth是当前数字地球平台技术的集中体现和最富代表性的商业产品，将网络用户浏览卫星及飞机拍摄的图像多于TB 计规模宏大的卫星影像信息数据库。国内方面，以中国科学院遥感与数字地球所为代表的科研院所和从事地理信息行业的企业，在数字地球方面都有专业的成果和产品。在国家电子政务层面，国家自然资源和地理空间基础信息库通过对数据的统一集成管理，支持多源数据的三维模型构建以及可视化展示。

另外，在技术层面，数字地球领域主要在以下方面完成了技术突破与创新。

1.1 数字地球实现了从二维到三维的跨越

在很长的一段时期内，地图是表达、传输和研究地理信息载体和显示方法，随着现在科学技术的发展，这一传统观念被彻底颠覆。数字地球创立的地球信息模型是空间三维性的，应该是人类发展进程中所掌握地球表面信息的理想模式。数字地球帮助人类认识地表空间事物的信息完成了质的飞跃成功实现三维的突破[2]。

1.2 数字地球实现了对地球多分辨率和多时态的观测与分析

数字地球是科学家采用数字方式来分析研析地球及其环境及其地学的理想手段。地壳运动、地震预报、气象预报、资源调查、灾害预测、环境保护等已经离不开数字地球的支撑，随着数据积累到一定程度，必将帮助人类彻底认识和掌握自己生存的地球全部奥妙和运行机制，全面分析研究地球信息并对地球完成多分辨率、多时空和多种类三维展示将成为现实。

1.3 数字地球实现了基于图形和基于空天地一体化实景影像的可视化和可量测

数字地球的发展深刻地影响着基于图形和影像空间数据的三维可视化[3]。前者的三维可视化对于三维GIS 的空间分析提供技术支撑，在通视路径优选和分析噪声及污染模型应用十分广泛。现实中的纹理三维地形及城市模型，现在多用在景观评估、创建虚拟地理环境及数字文化遗产领域。基于影像三维实景影像模型，支持创建出立体正射影像和沿街道实景影像，其可视化已经具备让用户自主采用“按需测量”实行。

1.4 数字地球实现了基于Web Service的空间信息共享与智能服务

Web Service 技术是当今影响极其深刻的信息服务技术。数字地球已在成为空间集成信息平台，具备良好地集成整合网络环境下地球空间各种来源的信息其中也包括社会经济信息，借助Web Service 技术智慧地服务于社会和单位。

1.5 数字地球通过兴趣点实现了与非空间信息的关联，以服务全民

根据不同用户的不同需求，数字地球可以帮助用户真实地感受到参与感和创造力，做到将地球上标志性人们所熟知的建筑精确地在数字地球网站上进行标注，满足用户个性化参与标注的需要。将民生信息如人们衣食住行等信息内容上传到网络上，阅读者可以在兴趣点上查阅卫星图像、地图、地形和3D 信息内容。

2 数字地球关键理论技术研究

数字地球是一项跨越多学科的理论和系统工程，涉及到的关键技术主要包括数据获取、数据存储管理、数据挖掘和数据表达等方面。下面将具体从这些方面阐述数字地球的关键理论技术特点和技术难度，以及数字地球在国家电子政务规划自然资源和地理空间基础信息库中的具体应用表现。

2.1 数据获取

“数字地球”总体目标，就是及时完成向社会和公众提供准确可靠、内容丰富、涉及面广、及时地提供真实、可信的数据的任务。当然要顺利实现上述目标，必须有政府，企业和公司的投入力量，才能创建出共建共享的服务模式。

“数字全球”的数据获取，来源于资源、生态与人口、社会和经济等等内容，另外的来源于卫星，航空领域所获得的空间数据，还有来源于大气海洋、岩石圈勘探，等数据，尤其是来源于地球物理参数和地球化学领域的数据。在此特别要注意的是需要匹配具实的地名、域名；土地归属,国土疆域等标志显著的内容；甚至考古，灾害，年轮等历史方面的信息数据。“数字地球”不会受制于1m分辨率的卫星影像数据束缚，因为地球属于开放性、复杂性的大系统。这个大系统是整合了无数的子系统来实现并反映其真实的运行过程。它不是虚拟的，而是真实存在的大系统。

国家自然资源和地理空间基础信息库整合改造了参建部门和单位近700 个现有数据库，建成了标准化、规模化、可持续更新的基础性地理空间信息资源库，包含1:10 万起一系列比例尺的基础地理及自然资源数据，囊括国内外多源异构影像，总数据量达700TB，时相主要集中于1950年-2016年，并按照年度进行持续数据更新。

2.2 数据存储管理

“数字地球”大系统整合了大量数据库群而构成。针对“数字地球”大系统中整合了大量数据库具有多源、异构和海量的特点，要建立起分布式多源数据整合机制和模型，其中含有无数的中心架构、分布式数据仓库和虚拟数据集合体和创新数据模型，来提升组织和利用效率；同时，很有必要针对其高性能、大规模并行的海量空间数据处理的算法模型和平台来彻底优化海量空间数据处置机制。

国家自然资源和地理空间基础信息库构建了“逻辑统一、物理分散、统一认证、分布授权”的分布式空间信息共享交换技术体系。包括1 个数据主中心和11 个数据分中心共同构成的政务信息共享服务支撑体系和信息资源目录服务体系，实现了分布式多源异构数据资源环境下提供数据汇聚、数据发现、数据访问和数据服务的能力。

2.3 数据挖掘

数据挖掘在“数字地球”战略中是最关键的核心终端环节，但是其环节非常地单薄无力，其开发的潜力巨大。数据挖掘技术在当今世界属于顶尖技术和系统工程范畴，为了满足“数字地球”中海量数据知识挖掘的需求，利用动态数据驱动其地学过程实现仿真模型的建设，来实现海量空间数据驱动复杂地学过程与系统建设过程，帮助简化系统构建难度，支持地学过程机理探索和决策过程的完成。

国家自然资源和地理空间基础信息库立足服务国民经济和社会发展大局，围绕资源环境监测和承载力评价、重大自然灾害监测和灾后恢复重建、重大工程项目布局与实施监测、国土空间开发及区域开发、区域可持续发展、重要战略资源开发利用等重点领域，从数据出发，进行综合应用分析，研制出自然资源和地理空间信息领域有重大影响力与实际应用价值的龙头服务产品，为国家提出有预见性、前瞻性的对策建议。

2.4 数据表达

设计三维景观技术探索研究，反映出“数字地球”内的某项技术和表现方式，研究内容涉及到3S（GIS、GPS、RS）、多媒体、网络、虚拟仿真等技术。通常完成实时三维尺度空间系统再创设三维数字模型，创造出逼真的“虚拟环境”的结果，三维景观属于开放和互动性系统环境。据此，能完整地将传统地理信息系统拥有二维坐标的地图数据契入高程信息后，采用三维形式来完成信息资源的存储、管理、查询和分析任务。而三维景观信息属于环保、水文、地质、气象和地球物理的具体表达，具有很好的应用前景。区别于过去的GIS 应用范围局限于农业、林业、水利、地矿、交通、通讯、新闻媒体、城市建设和军事等等领域，利用三维景观来表达，其展示出的各方面的信息量和相关内容都将有极大地提升。其应用也将得到更大的拓展。

国家自然资源和地理空间基础信息库的三维数据浏览展示系统，提供了各类型原始数据和三维数据集的存储和管理功能，海量、多源、多尺度的三维空间数据无级、无缝、全空间的三维可视化浏览，以及三维场景下的查询定位、漫游飞行、空间分析等应用操作，并通过采用虚拟金字塔模型以及图层数据分离、逻辑耦合调度策略来解决行业内一体化渲染的挑战和其他异构展示数据不支持接入或展示效果差的问题。

3 数字地球未来发展方向

3.1 信息的全球共享和公众积极参与

伴随世界经济的增长，全球人口总数将创新高，这将给能源、食品及水等战略资源带来空前的压力。特别对于人类环境而言，未来20～30年，气候变化、生物多样性下降、水资源短缺以及化学品和碳排放对空气质量和公众健康的影响等仍将是全球所共同面对的重大威胁。“数字地球”能够为实现信息的全球共享（以支持区域与人口之间稀缺资源的可持续使用和公平分配）提供总体框架。该框架的形成不仅需要科学研究的支持，而且需要公众在关系全球发展的科学问题及战略决策的选择方面的积极参与。公众作为未来数字地球的主要参与者，也是国家自然资源地理空间基础信息库数据资源的有效补充，国家自然资源地理空间基础信息库未来应当扩展政务部门和社会普遍需要的自然资源和地理空间信息，优化数据与服务组织形态，构建覆盖全球、全国和重点地区的多尺度、时空连续、现势性强的国家自然资源和地理空间信息资源体系，加强静态数据与动态数据的融合、基础数据与互联网、物联网数据的融合。

3.2 扩展数字地球服务方向

“数字地球”建设的数据平台离不开国家空间基础设施的支撑，切入高速互联网络，与多卫星数据中心和地理信息中心无缝结合，获取、传输、存储、处理分析、计算海量的信息数据并完成传送运用的全流程。融合了不同比例尺的地理、空间数据、多传感器、多时相、多分辨率涉及各领域的全部的社会数据。前沿科学大数据和“数字地球”科学发展日新月异，全新的“数字地球”能够更好地服务于全球减灾防灾、新能源开发和农业食品安全，并进一步取得成功！

国家自然资源地理空间基础信息库未来将以服务为核心，建设地理空间基础数据资源标准化组织与智能化管理云平台，汇聚国务院各有关部门、中央与地方、政府与市场互联、军民融合的信息服务，实现天地空一体化时空大数据服务，支撑跨部门、跨领域、跨地区数据资源共享应用和“一站式”服务。

3.3 从数字地球到智慧地球

早在2009年,彭明盛，IBM 首席执行官向全世界公布了他的“智慧地球”(smart Earth)设想,并鼓励各国政府投资建设智慧型基础设施。其核心思维是将新一代IT 技术完美地渗入各行各业中,将传感器充实到民众普通的生活中的设备中去,打造出现“物联网”工程,成功地将超级计算机和云计算技术融入“物联网”工程中,将“数字地球”、人类社会和物理系统完美结合。帮助人类采用极其精细和动态的手段来管理生产和生活并实现“智慧”化。处于智慧地球上,其智慧的医疗、电网、油田、城市和企业等无处不在。

将来实现信息的全球共享和公众的积极参与，数字地球的发展应进行有效的数据扩充，加强静态数据与动态数据的融合、基础数据与互联网、物联网数据的融合；伴随着科学大数据和数字地球学科的不断发展，新一代数字地球应当扩充在全球变化、减灾防灾、新能源开发、新型城镇化、农业食品安全等方面的服务应用；以大数据、云计算、人工智能、物联网、时空一体化等新技术推动数字地球向智慧地球发展。