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“数字地球”将世界放在手掌中
航天工业总公司第8357研究所 陈运迪
返回“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。
“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，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3～10亿人。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。
传输比特信息的信道“带宽”并不是指物理意义上的宽度，它是在特定的传输介质上（如铜线、无线电频谱或光纤）上每秒传送比特的数量，人们可据此来衡量每一管线容纳比特的数量。
另外，目前的Internet还缺乏某些功能特性，高等院校和科研机构需要上述这些功能特性，企业和用户现在也开始看到商用Internet中这种特性的价值，也就是说他们需要下一代Internet。
实现这种下一代Internet则需要新一代的硬件（如交换机和路由器），它还要求新的协议、新的网络管理工具和高性能应用的网络需求。特别值得重视的问题是：需要细致的工程和项目管理来适应和协调这些变化，从而不致于中断现有的Internet运行；还需要采取措施以简单易行的规范和使用方式，使新的Internet功能为用户所用；同时还要培训开发人员和用户。这一艰巨任务非某个厂商、某所大学或某个政府机构所能完成的。这些计划试图建立新的协议、新的硬件/软件、新的应用和新的网络环境。
为此美国政府和一些组织、机构共提出了三个下一代Internet的研究与开发计划,分别是超宽带网络服务（VBNS）、下一代Internet（NGI）和Internet2。
1.超宽带网络服务VBNS
1995年春天，美国国家科学基金会NSF（The National Science Foundation）与美国第二大通信公司MCI签订了5000万美元的合作协议，协议的名称是超高带宽网络服务VBNS（Very High Bandwidth Network Service）。VBNS的目的是为美国研究教育机构的研究与教育活动提供网络支持，它禁止私人及私营商业等用途。作为一个资源网络，为美国的科研教育界提供有价值的高性能服务、应用、技术和协议，为正在演化中的Intenet服务和技术提供一个试验环境。此项计划规定只有经过NSF批准授权的研究机构才能使用VBNS。最初连接使用的是美国五大国家超级计算中心，目前已有近百个研究教育机构连入VBNS。人们普遍认为VBNS是下一代Internet技术和应用的“孵化器”，特别值得计算机网络界关注。因为最初的Internet也是从军方到科研机构，再逐步走向商业化的。
自1995年开始至1997年底该项目已经铺设了1400英里的OC12线路（622Mbps）,同时计划到2000年，其主干速率将达到OC48（2.4Gbps）。
2. 下一代Internet（NGI） 美国白宫的NGI计划（NextGeneration Internet Initiative，下一代Internet计划）是美国政府在1996年10月宣布的倡议。NGI源于高性能计算和通信倡议，它也是美国政府大规模网络倡议的组成部分。NGI倡议计划在美国国家科学和技术委员会框架内协调，高级战略将由计划、信息和通信委员会提出,大规模网络工作组将提出实施战略。研究机构已演示了5种“前期应用”。NGI的研究工作主要涉及协议、开发、部署高端试验网以及应用演示，其中某些目标会通过 Internet2或VBNS来实现。NGI的一个关键目标是开发和演示两个试验网，要在端到端的速率方面分别比目前的Internet快100和1000倍，即达到100Mbps和1Gbps。NGI将要运作的网络业务包括事务处理安全性和网络管理等各个方面。现在的努力方向是尽量利用已有的产品和业务，并使NGI容易与企业合作进行研究。目前已有150多个硅谷公司作为伙伴参加进来。
3.Internet2
Internet2是由美国120多所大学、协会、公司和政府机构共同努力建设的网络，它的目的是满足高等院校的教育与科研的需要，开发下一代Internet高级网络应用项目。
1997年9月成立了UCAID（The University Corporation for Advanced Internet Development，大学高级Internet发展集团），以专门管理Internet2。
Internet2的应用范围，跨越了所有的学术领域，有些将会成为合作环境，有些亦会成为数字图书馆。其中有的项目计划使用远端的像电子显微镜这样的昂贵仪器；合作的环境将允许即时的声音、视频、文字以及白板的讨论。有的应用系统能够透过三维虚拟共享现场的功能来支持新形式的合作应用系统；远程医疗应用也是Internet2的研究方向之一。
这些应用都将会因为Internet2而蓬勃发展。交互式密集型的图形和多媒体应用，也是NGI的主要应用。虽然先前Internet2的建构者认为，只有不超过20多所学校需要使用这个新的网络，但是当消息传开之后，几乎全美国的每一所主要大学都希望加入。
上述计划与数字地球构想的带宽和应用需求在许多方面具有相关性。
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。
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。在进行虚拟地去巴黎参观卢浮宫的场景旅游之后， 她通过对时间的反向移动，学习法国的历史……新闻短片、口述历史、报纸等主要的原始资料。她向自己的电子邮件信箱发送一些有用的信息，以便今后学习。时间序列, 从这里延伸到遥远的过去，能以天、年、世纪、甚至恐龙的时代。”
上述是戈尔关于数字地球讲演的一部分，向人们描绘了未来一位学生的生活片段，很美妙。由此读者也可以发挥丰富的想象力，在我们的电脑前就可以实现与大西洋底的鲨鱼嬉戏；参观非洲大陆的天然动物园；感受古战场的硝烟与刀光剑影，发幽古思今之情；中国人可以体验开国大典的庄严和东方巨人站立起来的壮志豪情……
我们相信社会的发展和技术的创新使这一切在世界的任何地方都能做到，再不需等待可望而不可及的将来，或许就在十年以后， 或许二十年以后。