1、第十章 遥感地理信息系统与全球定位系统综合应用第三节 基于3S技术数字水利建设第一节 遥感、地理信息系统与全球定位系统综合应用概述第二节 遥感、地理信息系统与全球定位系统综合应用实例第四节 3S集成技术与数字地球本 章 主 要 内 容第一节 遥感、地理信息系统与全球定位系统综合应用概述一一地理信息系统及其在地理信息系统及其在3S3S技术中的作用技术中的作用二二全球定位系统及其在全球定位系统及其在3S3S技术中的作用技术中的作用三三遥感技术及其在遥感技术及其在3S3S技术中的作用技术中的作用一.地理信息系统及其在3S技术中的作用1.1.地理信息系统地理信息系统:计算机软硬件支持下，应用地理信息科
2、学和系统工程理论，科学管理和综合分析地理数据，提供管理、模拟、决策预测预报等任务所需的各种地理信息的技术系统。2.2.地理信息系统的功能地理信息系统的功能地理信息采集功能地理信息采集功能地理数据管理功能地理数据管理功能空间分析与属性分析功能空间分析与属性分析功能地理信息的可视化功能地理信息的可视化功能二、全球定位系统及其在3S技术中的作用1.1.全球定位系统全球定位系统:2.2.空间定位系统的种类空间定位系统的种类全球定位系统全球定位系统全球轨道导航卫星系统全球轨道导航卫星系统双星导航定位系统双星导航定位系统3.3.全球定位系统在全球定位系统在3S3S技术中的作用技术中的作用精确的定位能力精确
3、的定位能力准确定时与测速能力准确定时与测速能力三、遥感技术及其在3S技术中的作用1.GIS的数据源2.利用遥感数据影象获取地面高程,更新GIS高程数据RSRSGPSGPSGISGIS几何配准、几何配准、辅助分类等辅助分类等提供或更新提供或更新区域信息区域信息提供或更新提供或更新空间定位空间定位定点查询定点查询专题信息专题信息几何校正、训练区选择及分类验证等几何校正、训练区选择及分类验证等提供定位遥感信息查询提供定位遥感信息查询3S的相互作用与集成第二节 遥感、地理信息系统与全球定位系统综合应用实例1.1.技术系统及其功能技术系统及其功能2.2.GPSGPS在车辆导航与监控在车辆导航与监控系统中
4、的应用系统中的应用对行驶中的车辆进行定位对行驶中的车辆进行定位车辆导航车辆导航一3S技术在车辆导航与车辆监控系统中的综合应用LD 2002 LD 2002 外观图外观图系统特点：系统特点：采用采用DGPS/INSDGPS/INS组合导组合导航系统航系统 两台车用电子计算机两台车用电子计算机四台四台CCDCCD黑白相机黑白相机+一一台彩色数码相机台彩色数码相机测量精度测量精度0.1-0.30.1-0.3米米量测范围：道路及两量测范围：道路及两侧各侧各5050米以内米以内车内的两台电脑与电源车内的两台电脑与电源 一、3S技术在车辆导航与车辆监控系统中的综合应用3.3.GISGIS在车辆导航与监控系
5、统中的应用在车辆导航与监控系统中的应用v进行多种查询进行多种查询v完成简单的计算完成简单的计算v支持电子地图的无级缩放、分层显示和管理支持电子地图的无级缩放、分层显示和管理v提供辅助决策提供辅助决策 一、3S技术在车辆导航与车辆监控系统中的综合应用4.4.RSRS在车辆导航与监控系统中的应用在车辆导航与监控系统中的应用利用高分辨率遥感影像图作为电子地图利用高分辨率遥感影像图作为电子地图利用高分辨率遥感影像图更新城市矢量道路图利用高分辨率遥感影像图更新城市矢量道路图5.5.3S3S在车辆导航与监控系统中的综合应用在车辆导航与监控系统中的综合应用二、3S海洋渔业资源开发中的综合应用1.1.应用现状
6、应用现状2.2.RSRS海洋渔业资源开发中的应用海洋渔业资源开发中的应用3.3.GISGIS海洋渔业资源开发中的应用海洋渔业资源开发中的应用4.4.GPSGPS海洋渔业资源开发中的应用海洋渔业资源开发中的应用5.5.3S3S海洋渔业资源开发中的综合应用海洋渔业资源开发中的综合应用三、3S技术在精细农业中的综合应用1.精细农业与3S的关系2.RS在精细农业中的应用3.GIS在精细农业中的应用4.GPS在精细农业中的应用5.3S在精细农业中的综合应用6.3S技术在精细农业应用中面临的问题与解决对策四、3S技术土地研究中的综合应用1.RS技术土地领域中的综合应用2.GIS技术土地领域中的综合应用 土
7、地管理信息系统 土地利用动态监测系统 地籍管理信息系统3.GPS技术土地领域中的综合应用五、3S技术全球变化研究中的综合应用1.1.RSRS技术全球变化监测技术全球变化监测中的综合应用中的综合应用2.2.GISGIS技术全球变化监技术全球变化监测中的综合应用测中的综合应用3.3.GPSGPS技术全球变化监技术全球变化监测中的综合应用测中的综合应用环境动态监测与环境保护防灾、减灾、救灾城市规划与城市管理Sea Ice Examples of sea ice information and applications include:ice concentration ice type/age/mo
8、tion iceberg detection and tracking surface topography tactical identification of leads:navigation:safe shipping routes/rescue ice condition(state of decay)historical ice and iceberg conditions and dynamics for planning purposes wildlife habitat pollution monitoring meteorological/global change rese
9、arch Agricultural applications crop type classification crop condition assessment crop yield estimation mapping of soil characteristics mapping of soil management practices compliance monitoring(farming practices)Oceans&Coastal MonitoringGeological applications surficial deposit/bedrock mapping lith
10、ological mapping structural mapping sand and gravel(aggregate)exploration/exploitation mineral exploration hydrocarbon exploration environmental geology geobotany baseline infrastructure event mapping and monitoring geo-hazard mapping planetary mapping sedimentation mapping and monitoringLand use ap
11、plications:natural resource management wildlife habitat protection baseline mapping for GIS input urban expansion/encroachment routing and logistics planning for seismic/exploration/resource extraction activities damage delineation(tornadoes,flooding,volcanic,seismic,fire)legal boundaries for tax an
12、d property evaluation target detection-identification of landing strips,roads,clearings,bridges,land/water interface Land Cover&Land Use第三节 基于3S技术数字水利建设v 3S技术是数字水利的核心。在3S技术及其相关技术的支持下，探讨数字水利建设的理论和方法。简要介绍了数字水利建设的现状，指出了建设数字水利的必要性。结合数字水利的关键支撑技术，搭建了数字水利的框架结构和运行模式。最后，展望了数字水利的应用前景。v1.引言v 水利行业是一个历史十分悠久的行业。水
13、利不但是农业的命脉、国民经济的命脉，而且将是中华民族生存和发展的命脉。水利不仅是国民经济中的基础设施，而且在基础设施中处于首位。v 20世纪60年代，随着信息论的创立，以计算机和通讯网络为核心的信息技术革命逐步向全社会的各个行业渗透，也在深刻地改变着人类的生活方式。作为国民经济基础设施的水利行业同样面临着信息化建设的问题，水利信息化是水利现代化的基础和重要标志。从国家到地方，从领导到大众，水利行业信息化确实引起了重视，并建立了众多的水利信息系统，但普遍存在着网络功能弱、数据共享能力弱、数据更新手段受限、数据可视化手段单一、系统各自为政和缺乏决策支持分析能力等弱点。v 解决上述问题的基本方案是实
14、施以3S技术为核心的数字水利战略规划。数字水利涉及的技术专业非常宽泛，其中的主要技术有3S技术、数据库技术、通讯和计算机网络技术、系统集成和互操作技术等。数字水利是古老的水利行业的发展的战略目标，并有一个逐渐发展的过程，而且在发展过程中将会对其他行业、城市建设、市民生活带来直接或间接的影响。而数字水利的战略目标是实现水利行业中各种数据的整合，使之便于共享和容易使用，使我们的政府决策机构、水利工作者、企业、个人都能方便有效地进行网上办公、网上查询、网上学习、网上工作等。v2.数字水利的关键技术 3S技术是地理信息系统(GIS)、遥感(RS)、全球定位系统(GPS)的简称，是数字水利的支撑技术。v
15、2.1.地理信息系统技术(GIS)地理信息系统(GIS)是一个集计算机、地理学、测绘科学、遥感科学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学等为一体的新兴边缘学科，是综合分析与处理空间数据的一种技术系统。它把计算机技术与空间数据相结合，以地理空间数据库为基础，通过一系列的空间操作和空间分析，实时提供各种空间及动态的统计和分析资料。v 水利信息固定实体的河道、湖泊、水库、枢纽工程、抽水泵站、开采井等和非固定实体的水位、降水量、蒸发量、调水量等，它们的最大特点是具有空间属性，与GIS空间实体的点、线、面属性的一致性。水利信息图形上表现数据，与GIS提供的图形能力是一致的，用GIS完全能表现
16、水利的各个方面。v 数字水利的首要任务是把这些固定实体和非固定实体有序地叠加到电子地图中，实现地图与数据库的实体和非实体的双向查询，基于三维和多维空间的查询，不仅仅包括具有固定实体三维和非实体的四维空间的查询。v GIS针对水利信息应用的各个方面，可以根据水利信息的地理坐标进行管理、评价、分析、结果输出等处理，提供决策支持、动态模拟、统计分析、预测预报，是数字水利的技术基础，是各种具有时空要素的水利信息分析的现代化工具。在实践中，GIS将为数字水利提供空间量算、空间分析、叠加分析、缓冲区分析和网络分析等强有力的分析手段。v2.2.遥感技术(RS)遥感是根据不同物体的电磁波特性不同的原理来探测地
17、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。遥感的实现还需要遥感平台，譬如卫星、飞机、气球等，运载传感器。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受后，要经过一系列复杂的处理，才能提供给不同的用户使用。遥感广泛应用于陆地水资源调查、土地资源调查、植被资源调查、地质调查、城市遥感调查、海洋资源调查、测绘、考古调查、环境监测和规划管理等领域。数字水利依赖遥感技术主要有以下几个原因：(1)根据红外波段的水体辐射率明显低于其它地物，选用一个合适的红外波段，定出其水体的阀值，高于该值，即为非水体。利用此原理，即可测量出河道、湖泊的水位值
18、，还可以利用卫星资料绿、红和红外波段的综合信息来求取绿色系数和红色系数，从而确定水体面积。(2)利用不同时间段的两幅或多幅卫星图像进行假彩色合成，不仅可以分析时间段内的洪水淹没的范围，还能反映洪水移动的方向和速度，以便决策部门采取措施，做出正确的决策。依据洪水泛滥时的卫星图像，可以绘制洪水淹没范围，估算洪水造成的损失。(3)通过遥感技术实时获取洪水情况，输出地图、图表。(4)由于遥感技术能对下垫面进行详细分析，并可进行逐项成因分析，直接利用卫星图像上获取的信息作为参数来编制洪水预报方案。通过卫星或航天传感器系统的联合应用，确定出地物覆盖分布，并与土壤、坡度等资料一起转化成数字化格式存入GIS系
19、统。(5)遥感技术在水环境、干旱及土壤含水量实时监测，以及防洪工程检查、河道清障等方面也大有用武之地。v2.3.GPS技术 GPS是美国国防部于1973年筹建的全球定位系统，至1994年系统的全部24颗卫星已部署完毕，开始投入运行。GPS系统由空间部分、地面控制部分和用户部分组成。具有全天候、全天时、全球覆盖、三维定位定速、高精度、高效率、应用广泛等特点。GPS能准确地确定某一实体的位置，从而为该实体获得信息源的定位提供强有力的手段。GPS对面广量大的实体空间定位起着举足轻重的作用。目前，GPS已在江河、湖泊、水库的水下地形测量、堤防险工险段监测、抛石护岸监测、大堤安全监测、泥石流滑坡预警监测
20、等方面已得到了广泛的应用。如在1996年和1998年的长江大洪水的监测中发挥了重要作用，特别是对长江险工险段监测，长江水道地形和洞庭湖、鄱阳湖的水域监测及长江堤防安全监测等方面，发挥了重要作用。v2.4.3S集成 虽然GIS,RS,GPS技术各有各的发展和需求，但是地理信息是一种信息流，遥感、地理信息系统、全球定位系统的任意一个系统都是侧重了信息流的一个方面，而不能满足准确地、全面地描述地理信息流的要求，现代科学技术的发展必然促使它们紧密结合，成为一个整体。RS强大的信息采集、获取能力，与GPS快速精确全天候提供定位信息等能力以及GIS强大的存储、分析、处理和输出地理空间数据的能力，在3S技术
21、一体化的今天，将越来越多地应用于国民经济的各个领域。所以，无论从物质运动形式、地学信息的本身特征还是从3S技术的各自特性出发，3S集成是科技发展的必然结果。v 3S集成是指将地理信息系统、遥感、全球定位系统这三种对地观测新技术有机地集成在一起。但3S技术 GIS+RS+GPS，有些专家认为还应有数字摄影测量系统DPS和专家系统ES，即5S，但不管是3S还是5S，都应有现代通讯技术和通讯手段的参与。可见，3S技术应等于(p1GPS+p2GIS+p3 RS+piITS)(pi为权，ITS为信息技术系统)。这已经成了统一认识。3S集成是当今空间科学领域的一个研究前沿，它的发展目标是“在线的连接，实时
22、的处理”。3S集成是一项技术难度极高的高科技。为了实现3S的集成，需要探索3S集成的有关理论，提高3S集成的技术方法和拓宽3S集成的应用范围。实际上，3S集成的发展正如GIS的发展一样，应用超前于理论。但目前应用水平的3S集成是肤浅的，仅是表面的集成，功能互补而已，还没有实现3S的真正集成，3S集成要解决数据存储，数据处理，数据传输以及数据可视化等问题。因此，3S集成的源泉是数据(信息)，集成的归属还是数据(信息)。刘震等认为信息获取，信息处理和应用是一体的，不可分割的，并把信息流的描述列为3S集成的关键问题之一。在3S还没有实现真正集成之前，3S集成应用的各子系统(即GIS子系统、RS子系统
23、、GPS子系统)应以系统论“系统总体最优”为原则确定技术路线。3S技术是数字地球的核心技术之一，当然也是数字水利的核心技术和基础技术之一。此时强调3S的目的是要重视加强3S在水利行业的集成应用。目前在水利领域，3S的集成应用还不够深入，基本上是处于1S状态；GIS大多被简单地用作图形显示和查询，RS大多用作提取背景信息，GPS被用作遥感图像处理的定位信息获取。因此，还谈不上3S的集成应用。这种情况有望逐渐在两两集成的技术方法和应用范围上取得突破后，才能走上真正的3S集成应用之路。v3.数字水利的框架结构 数字水利是水利公用信息平台上的空间信息获取、更新、处理和应用系统:包括数据获取和更新体系、
24、数据库体系、网络体系等，如图2所示。v3.1.数据获取和更新体系 数据获取和更新体系是根据数字水利的实际情况和有效需求来获取数据，确定其更新周期，更新办法和管理办法，建立起更新体系。传统上是用航测工程采集空间实体数据的，包括流域彩色、黑白影像的获取、空间基础信息提取(地貌、地物)、DEM自动提取、正射影像制作等。近年来，星载对地观测发展十分迅速。系统通过卫星、航天飞机、宇宙飞船、飞机、热气球携带的各种波段的各类传感器提供全球连续和重复的表面数据，保证数字水利具有准实时数据。在目前和在将来都是最基本的技术手段。v3.2.数据存储体系 随着数据获取手段的不断增强，对数据处理、传输、分辨和压缩技术的
25、要求也越来越高。数字水利要管理海量的空间数据和属性数据以及其它数据，由于存储容量的限制，在集中存储和管理的基础上，可能需要适量分散以提高存取及更新的速度，但分散存储和建库的方法存在着安全性差、数据兼容性及标准化困难等局限，需要进一步研究。v3.3.信息提取与分析体系 通过数据获取和更新体系，我们可以获得大量数据，但是如何从这些海量的数据中提取出我们感兴趣的信息，并加以利用呢?这些要借助于信息提取与分析体系。在基本数据分析处理的基础上，还需要采用现代科学方法进行挖掘，提取可用的、相关的信息。v3.4.数据库体系 数据库体系是数字水利的核心，包括水利卫星影像数据库、不同比例尺的地形图库、专题信息数
26、据库、三维模型库、知识库、数据集元数据库等等。空间数据库是一个存储空间和非空间数据的数据库系统，因其存储数据性质的特殊性，成为当前的一个研究热点。数据集元数据库是数据共享、查询、访问、评估和集成的基础，也是建立数据库和复杂信息系统的基础，对于数字水利这样大型多用途的信息基础设施，非常需要建立元数据库。元数据库中的数据包括空间数据组织、数据质量、标识、引用、时间范围、联系、地址等信息。v3.5.网络与传输体系 数字水利工程建于网上，网络体系是空间数据查询、交换和更新的基本途径，能提供专业空间信息服务。数字水利网络体系建设，要充分利用现有设施，按照全国水利信息骨干网、地区网络和水利部门局域网三级网
27、络体系来建设。同时，也要考虑网络信息的安全问题。v3.6.数据标准化体系 投入极大的力量建设数字水利，解决了数据采集，海量数据的存储、处理、传输，其目的就是要让更多的人充分应用这些数据，也就是要实现数据共享和应用软件的相互兼容，减少重复劳动和投资，让更多的专业技术人员把精力集中于数据应用上。要实现数据共享和软件兼容，必须建立统一的数据格式和交换标准。数字水利工程所需的标准按内容可分为:数据采集、数据处理、数据分类与编码、空间坐标参照系统、数据质量控制、元数据、软硬件配置原则、系统安全与保密、网络管理、信息服务等。v4.数字水利的运行模式 数字水利工程是一个超大型的信息系统，是现代网络技术、决策
28、支持技术、地理信息系统等高新科技手段逐步向古老的水利行业渗透的必然产物；数字水利工程也是一个网络系统，涉及到数据和应用的分布式操作、跨平台应用；数字水利工程也是一个智能化的决策系统，尤其是面对洪涝灾害或即将面对洪涝灾害时，可以辅助指挥人员进行合理调度和科学决策，对于管理人员来说，可以对流域或地区的水资源进行实时、优化配置和调度，以远程控制及自动化技术为手段对流域或地区的工程设施进行控制操作。数字水利的运行模式是指各类用户(包括各机构、单位及个人)如何借助于数字水利实现业务处理和逻辑应用。随着Internet技术的发展，出现了现代网络计算模式。数字水利的运行无疑是基于Internet的分布式、异
29、构互连、多协议的体系模式，如图3所示。数字水利的各类用户的所有逻辑应用都是通过Web浏览器呈现出来的。用户的事务包括两个方面，即应用逻辑处理和网络生活方式。用户的应用逻辑处理采用的是网络计算模式。用户通过Web服务器的安全认证等机制登录到相关站点，提出应用处理请求(如查询、分析、管理、规划等)，应用请求经网络传输协议传达给Web服务器，Web服务器接受到请求信息后，通过安全认证、身份鉴别及权限认证等过程，确认用户请求的有效性。然后对用户应用进行归类，根据应用类别选择应用服务器中的应用组件，以消息形式命令应用组件完成用户的应用，或允许Web服务器下载相关组件。应用服务器将响应结果返回Web服务器
30、，经由Web服务器传送到用户的Web浏览器中。其中，对数字水利的数据库访问由应用组件通过ODDC或JDDC接口完成。用户不直接访问和操纵数据库中的数据，从而保证了数据的安全性。v5.数字水利的应用 数字水利的提出，对水利从传统的工程水利向可持续发展的资源水利的转变提供了理论上的指导和先进的技术手段的支持，对于我国国民经济的可持续发展有着巨大的促进和推动作用。就数字水利的具体应用来说，不可能一言以蔽之，但就现在的技术发展水平来说，我们从中也可以窥之一二。运用灾情评估系统，实时评估洪涝干旱灾害涉及的耕地及居民地面积、受灾人口和受淹房屋间数;实时监控大面积水体污染和赤潮的影响范围；大面积泥石流、滑坡
31、等山地灾害的影响范围。运用水资源水环境调查系统，应用遥感资料进行下垫面属性分类，计算其分类面积，选取经验参数及入渗系数。根据多年平均降水量，计算出多年平均地表径流、入渗补给量。两者之和扣去重复计算的基流量即为多年平均水量，对国内某些流域进行估算的相对误差小于7%，尤其适用于无水文资料地区。此外，根据遥感资料提供的积雪分布(三维)、积雪量、雪面湿度，用融雪径流流域模型估算融雪水资源和流域出流过程。如有精度较高的数字高程模型，对湖泊面积及容量调查也有较高精度。目前已可以对混浊度、pH值、含盐度、BOD和COD等要素做定量监测，对污染带的位置作定性监测。运用土地资源调查系统，实时监测水蚀、风蚀等多种
32、类型的土壤侵蚀区的侵蚀面积、数量和强度发展的动态变化；盐碱地、沼泽地、风沙地、山地侵蚀地等劣质土地的面积调查与动态监测；土地利用现状调查、耕地面积和滩涂面积调查。运用工程规划与管理系统，可以进行大型水库淹没区实物量估算，库区移民安置环境容量调查，灌溉区实际灌溉面积和有效灌溉面积的调查，水库淤积测量等等。除了提供调查、监测和统计数据外，3S技术作为一种新的技术手段，与传统手段相结合，还在防灾减灾、水资源开发利用以及水利工程规划、建设和管理等方面发挥了重要作用。防洪减灾及业务运行。包括:星载和机载合成孔径雷达(SAR)实时监测特大洪水造成的灾情，将信息迅速传送到指挥决策机构；对易发洪灾区和重点防洪
33、地区建立防洪信息系统；旱灾的实时监测；在全球气候变暖、海平面上升以及地下水超采造成地面沉降等情况下，对可能造成的海水入侵的范围做出预估和进行对策研究。水资源开发利用研究。包括:利用遥感资料和GIS建立与大气模型耦合的大尺度水文模型，计算出在全球未来气候变化情况下区域水资源的增减；采用细分光谱卫星资料、主动式微波传感器与地球物理、地球化学等多种信息源相结合，以信息系统为支持，分析研究地下储水结构。大型水利水电工程及跨流域调水工程对生态环境影响的监测与综合评价。包括:大型水利水电枢纽工程地质条件的遥感调查、技术经济评价及动态监测，流域综合规划；灌区规划；水库上游水土流失调查及对水库淤积的趋势预测，
34、河口泥沙监测和综合治理；河道演变监测；河道、水库、湖泊等水体水质污染遥感动态监测；流域治理效益调查；海岸带综合治理；对施工过程中的坝址进行1:2000的大比例尺遥感制图。目前，正在启动的国家防汛指挥系统工程将在数据传输方面采用通信卫星和安全的网络技术。用遥感技术监测洪涝灾害；在七大江河流域建立以GIS技术为支撑的包括社会经济、水体、水利工程、地形、土地利用、行政边界、交通、通信、生命线工程等数据层的分布式防洪基础背景数据库或数据仓库；完善水文及灾害预报这些以空间数据为基础的虚拟地球的技术；可以进行异地会商和远程教育。在上述技术的基础上，可以在灾前作洪水预报及对未来各种降雨情况下的水情进行模拟；
35、可以针对洪水预报做出多个调度预案，进行后效与损失比较，为决策提供依据；可根据决策，优化分洪区居民撤离，抢险物资及救灾物资的输运路线；可对灾情的发展做出空间与时间上的预测；可对灾后重新进行规划。总而言之，将在真正意义上做到防洪减灾，把损失减少到最小。这是数字水利在防洪方面的一个雏形。第四节 3S集成技术与数字地球v4.1 数字地球的概念v4.2 数字地球的技术基础v4.3 数字地球中的3S技术v4.4 数字地球的应用4.1 数字地球的概念v什么是“数字地球”呢?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
36、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所想了解的有关地球的信息。其特点是嵌入海量地理数据，实现多分辨率、三维对地球的描述，即“虚拟地球”。v 通俗地讲，就是用数字的方法将地球、地球上的活动及整个地球环境的时空变化装入电脑中，实现在网络上的流通，并使之最大限度地为人类的生存、可持续发展和日常的工作、学习、生活、娱乐服务。v 严格地讲，数字地球是以计算机技术、多媒数字地球是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带，运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多尺带，运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多尺度
37、、多时空和多种类的三维描述，并利用它作为工度、多时空和多种类的三维描述，并利用它作为工具来支持和改善人类活动和生活质量。具来支持和改善人类活动和生活质量。4.2 数字地球的技术墓础v 实现数字地球需要诸多学科，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。4.3 数字地球中的“3S”技术v 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“3s”技术及其集成。所谓“3S”是全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)和遥感(RS)
38、的统称。没有“3S”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。v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。20世纪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
39、，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。v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8-14m，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1mm-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12m的空间分辨率，成像光谱仪的光谱细分可以达到56nm的水平。热红外辐射计的温度分辨率
40、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天对地表重复一次采样，获得高分辨率成像光谱仪数据，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，通过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分析过渡，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，由于航空遥感具有的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
41、方面。v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C/S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。另一个发展方向，则是数据挖掘(Data Mining)，从空间数据库中
42、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。v“3S”集成技术 “3S”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，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。“3S”集成包括空基3S集成与地基3S集成。空基“3S”集成：用空-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“3S”集成：车载、舰载定位导航和对地面目标的定位、跟踪、测量等适
43、时作业。4.4 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，它的应用正如戈尔副总统在报告中提到的有时会因为我们的想象力而受到限制，换句话说，数字地球的应用在很大程度上超出我们的想象，可以乐观地说21世纪中，数字地球将进入千家万户和各行各业。这里只能就我们的理解提出一些现实的应用。v数字地球对全球变化与社会可持续发展的作用 全球变化与社会可持续发展已成为当今世界人们关注的重要问题，数字化表示的地球为我们研究这一问题提供了非常有利的条件。在计算机中
44、利用数字地球可以对全球变化的过程、规律、影响以及对策进行各种模拟和仿真，从而提高人类应付全球变化的能力。数字地球可以广泛地应用于对全球气候变化，海平面变化，荒漠化，生态与环境变化，土地利用变化的监测。与此同时，利用数字地球，还可以对社会可持续发展的许多问题进行综合分析与预测，如：自然资源与经济发展，人口增长与社会发展，灾害预测与防御等。我国是一个人口多，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致关重要的。经过二十多年的高速发展，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
45、土地资源和水资源的监测和保护，加强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。v数字地球对社会经济和生活的影响 数字地球将容纳大量行业部门、企业和私人添加的信息，进行大量数据在空间和时间分布上的研究和分析。例如国家基础设施建设的规划，全国铁路、交通运输的规划，城市发展的规划，海岸带开发，西部开发。从贴近人们的生活看，房地产公司可以将房地产信息链接到数字地球上；旅游公司可以将酒店、旅游景点，包括它们的风景照片和录像放入这个公用的数字地球上；世界著名的博物馆和图书馆可以将其收藏以图像、声音、文字形式放入数字地球中
46、；甚至商店也可以将货架上的商品制作成多媒体或虚拟产品放入数字地球中，让用户任意挑选。另外在相关技术研究和基础设施方面也将会起推动作用。因此，数字地球进程的推进必将对社会经济发展与人民生活产生巨大的影响。v数字地球与精细农业 2I世纪农业要走节约化的道路，实现节水农业、优质高产无污染农业。这就要依托数字地球，每隔35天给农民送去他们的庄稼地的高分辨率卫星影像，农民在计算机网络终端上可以从影像图中获得他的农田的长势征兆，通过GIS作分析，制定出行动计划，然后在车载GPS和电子地图指引下，实施农田作业，及时地预防病虫害，把杀虫剂、化肥和水用到必须用的地方，而不致使化学残留物污染土地、粮食和种子，实现
47、真正的绿色农业。这样一来，农民也成了电脑的重要用户，数字地球就这样飞入了农民家。到那时农民也需要有组织，有文化，掌握高科技。v数字地球与智能化交通 智能运输系统是基于数字地球建立国家和省市、自治区的路面管理系统、桥梁管理系统、交通阻塞、交通安全以及高速公路监控系统，并将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地集成运用于整个地面运输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合运输和管理系统，实现运输工具在道路上的运行功能智能化。从而，使公众能够高效地使用公路交通设施和能源。具体地说，该系统将采集到的各种道路交通及服务信
48、息经交通管理中心集中处理后，传输到公路运输系统的各个用户(驾驶员、居民、警察局、停车场、运输公司、医院、救护排障等部门)，出行者可实时选择交通方式和交通路线；交通管理部门可自动进行合理的交通疏导、控制和事故处理；运输部门可随时掌握车辆的运行情况，进行合理调度。从而，使路网上的交通流运行处于最佳状态，改善交通拥挤和阻塞，最大限度地提高路网的通行能力，提高整个公路运输系统的机动性、安全性和生产效率。对于公路交通而言，ITS(智能化交通系统)将产生的效果主要包括以下几个方面：提高公路交通的安全性；降低能源消耗，减少汽车运输对环境的影响；提高公路网络的通行能力；提高汽车运输生产率和经济效益，并对社会经
49、济发展的各方面都将产生积极的影响；通过系统的研究、开发和普及，创造出新的市场；美国国会1991年颁布“冰茶法案”(ISTEA)，1998年颁布“续茶法案”(NEXTEA)，目标是实现高效、安全和利于环境的现代交通体系。v数字地球与Cybercity 基于高分辨率正射影像、城市地理信息系统、建筑CAD，建立虚拟城市和数字化城市，实现真三维和多时相的城市漫游、查询分析和可视化。数字地球服务于城市规划、市政管理、城市环境、城市通讯与交通、公安消防、保险与银行、旅游与娱乐等，为城市的可持续发展和提高市民的生活质量等。v数字地球为专家服务 顾名思义，数字地球是用数字方式为研究地球及其环境的科学家尤其是地
50、学家服务的重要手段。地壳运动、地质现象、地震预报、气象预报、土地动态监测、资源调查、灾害预测和防治、环境保护等等无不需要利用数字地球。而且数据的不断积累，最终将有可能使人类能够更好地认识和了解我们生存和生活的这个星球，运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多时空和多种类的三维描述将不再是幻想。v数字地球与现代化战争 数字地球是后冷战时期“星球大战”计划的继续和发展，在美国眼里数字地球的另一种提法是星球大战，是美国全球战略的继续和发展。显然，在现代化战争和国防建设中，数字地球具有十分重大意义。建立服务于战略、战术和战役的各种军事地理信息系统，并运用虚拟现实技术建立数字化战场，这是数字地球在国防建设
