信息高速公路、空間數(shù)據(jù)基礎設施與數(shù)字地球

 

     以信息技術為核心的高新技術浪潮正向我們大踏步襲來�，F(xiàn)代信息技術不僅深刻地影響著現(xiàn)代科學技術、教育、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，乃至經(jīng)濟建設的各個方面，而且影響著人們的生活和工作方式。計算機和因特網(wǎng)技術與產(chǎn)業(yè)不僅為發(fā)達國家?guī)�來滾滾財富，使之近十年來經(jīng)濟持續(xù)高速增長，而且為世界各國人民帶來了信息化社會的種種便利。今天的信息技術正伴隨著全球因特網(wǎng)技術的發(fā)展以前所未有的速度深入到世界各地的各行各業(yè)�！�

　

     為了推進信息社會的迅速發(fā)展，美國總統(tǒng)克林頓1993年 2月提出了信息高速公路的概念，并簽署法令，建立全美的信息高速公路，即“國家信息基礎設施” (National Information Infrastructure,簡稱NII)�！�

　

     為了在信息高速公路上表達地理參考，使之與地理和地球有關的空間信息得以在因特網(wǎng)上準確地表達、描述和查詢，需要建立全國的空間數(shù)據(jù)框架，為此克林頓總統(tǒng)又于1994年4月13日簽署了建立“國家空間數(shù)據(jù)基礎設施”(National Spatial Data Infrastructure,簡稱NSDI)的12906號總統(tǒng)令。　　

 

     當前美國的信息高速公路和空間數(shù)據(jù)基礎設施已初見端倪。為了將信息技術推進到人們的日常工作、生活和娛樂，美國副總統(tǒng)戈爾又于1998年1月31日提出了“數(shù)字地球” (Digital Earth)的概念。　

　

     本文將闡述國家信息基礎設施、國家空間數(shù)據(jù)基礎設施和數(shù)字地球的概念與相互關系，并對我國在此領域內(nèi)如何開展工作提出若干建議。

 

     國家信息基礎設施，即美國通稱的信息高速公路。它主要由計算機服務器、網(wǎng)絡和計算機終端組成。美國計劃投入4 000億美元，耗時20年建立NII。到2000年的目標是提高生產(chǎn)率20%～40%，獲得效益35 000億美元。我國的國家信息基礎設施CNII，計劃投入1 500～2 000億美元，到2020年建成。九五期間，主要抓“八金”工程。我國目前實質(zhì)上使用的是中、低速網(wǎng)�！�

　

     最近幾年，計算機服務器迅猛發(fā)展，它不僅使用多CPU，大容量內(nèi)存，而且可以進行分布式計算和處理，使科學計算和信息檢索的效率大大提高。大規(guī)模存貯設備已越來越便宜和普及，幾千個GB的存貯裝置可以滿足一般用戶的需要，幾千個TB(1TB為1 000 GB)的數(shù)據(jù)中心才能滿足國家重大科學和經(jīng)濟問題的需要。網(wǎng)絡硬件的發(fā)展在歐美受到極大的關注，并獲得巨額投資。網(wǎng)絡軟件，特別是萬維網(wǎng)的瀏覽器，使人們能夠在網(wǎng)上任意漫游，獲取人們所需要的信息，但是當大家都使用網(wǎng)絡時，感到網(wǎng)速太慢，有時甚至難以忍受。因而美國投巨資改造因特網(wǎng)，電訊營運者已經(jīng)在試驗每秒千兆(10億信息單位)的網(wǎng)絡�？梢韵胂笄д滓蛱鼐W(wǎng)的實現(xiàn)將為我們帶來巨大的效率。而每秒1015 bit的因特網(wǎng)正在研究之中。高速網(wǎng)絡的實現(xiàn)將徹底解決信息阻塞問題。與此相比較，我們國內(nèi)因特網(wǎng)的網(wǎng)速仍是每秒64 K或256 K。局域網(wǎng)一般為每秒10 M或100 M，需要我們下大力氣迎頭趕上�！　�

 

     網(wǎng)絡計算機曾被認為前景看好，但是隨著PC機的性能價格比進一步提高，新一代的奔騰計算機既可作為本地的個人計算機使用，又可作為網(wǎng)絡終端使用。由于性能價格比的提高，PC機深入到各行各業(yè)和千家萬戶已水到渠成。　　

 

     網(wǎng)絡軟件雖不能說已發(fā)展到最后階段，但已基本上解決了一般信息的發(fā)布、查詢、相互通訊、分布計算等問題。特別是萬維網(wǎng)的超鏈計算，使人們的時空距離大大縮短。人們可以一忽兒在美國，一忽兒在英國，一忽兒又在中國的網(wǎng)址上漫游獲取信息�！　�

 

     當前信息高速公路的瓶頸問題在于網(wǎng)絡，特別是中國這樣的第三世界國家，網(wǎng)速太慢，收費太高已嚴重制約著中國的信息化進程，限制著廣大用戶上網(wǎng)分享信息資源。 

 

2　國家空間數(shù)據(jù)基礎設施(NSDI) 　　

     當人們進行處理、發(fā)布和查詢信息時，發(fā)現(xiàn)大量的信息都與地理空間位置有關。例如查詢兩城市之間的交通連接，查詢旅游景點和路線，購房時選擇價廉而又環(huán)境適宜的住宅等都需要有地理空間參考。　

　

     由于技術原因以及尚未建立空間數(shù)據(jù)參考框架，致使目前在萬維網(wǎng)上制作主頁時，還不能輕易將有關的信息連接到地理空間參考上。人們還不能在計算機上對虛擬的數(shù)字地球進行任意漫游、觀察和研究。因此，美國政府進而提出了投巨資建設國家空間數(shù)據(jù)基礎設施，并在此基礎上實現(xiàn)數(shù)字地球的戰(zhàn)略設想。 

 

     2.1　國家空間數(shù)據(jù)基礎設施的概念　　

     美國總統(tǒng)克林頓1994年提出的國家空間數(shù)據(jù)基礎設施屬于國家信息基礎設施的一部分，它是連接信息高速公路和數(shù)字地球的橋梁。國家空間數(shù)據(jù)基礎設施主要包括空間數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)、管理與分發(fā)體系和機構，空間數(shù)據(jù)交換網(wǎng)站(Clearing house), 空間數(shù)據(jù)交換標準以及數(shù)字地球空間數(shù)據(jù)框架�！　�

 

     在國家信息中心及各省市信息中心或信息港的基礎上，需要建立專門的機構負責空間數(shù)據(jù)的管理與分發(fā)，由于空間數(shù)據(jù)資源獲取、處理和管理的特殊性，還需要有專門的機構來進行空間數(shù)據(jù)的維護、更新和開發(fā)。在美國，除了發(fā)布“建立”國家空間數(shù)據(jù)基礎設施的總統(tǒng)令之外，專門成立了聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會，并由內(nèi)政部長負責，具體協(xié)調(diào)NSDI的開發(fā)。　

　

     “國家地理空間數(shù)據(jù)交換網(wǎng)站”(National Geo- Spatial Data Clearing House)是指地理空間數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者、管理者和用戶采用電子方式相連接的一個廣域的網(wǎng)絡工作站。由于空間數(shù)據(jù)是海量的，空間數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡服務器的存貯容量也將是巨大量的，例如一個省的1 m分辨率的影像數(shù)據(jù)將超過1 000個GB。另一方面，由于空間數(shù)據(jù)量大，要求網(wǎng)絡也是高速的�！�

　

     空間數(shù)據(jù)不同于一般的事務管理和商務管理的數(shù)據(jù)。由于人們對空間現(xiàn)象的理解和對空間對象的定義有較大的差別，致使空間數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結構差異較大，造成空間數(shù)據(jù)的兼容性較差。因而必須制定嚴格的空間數(shù)據(jù)交換標準，以確保各個機構生產(chǎn)和收集的數(shù)據(jù)都符合有關標準，使進入交換網(wǎng)站的空間數(shù)據(jù)得以兼容。　　

 

     “數(shù)字地球空間數(shù)據(jù)框架”(Digital Geo-Spatial Data Framework)是NSDI的核心。它包含了最基本的空間數(shù)據(jù)集�？蚣艿膬�(nèi)容一般包括數(shù)字正射影像、數(shù)字地面模型、交通、水系、境界和地名注記等內(nèi)容。這一空間數(shù)據(jù)框架一方面為研究和觀察地球以及地理分析提供了最基本和公用的數(shù)據(jù)集，另一方面為用戶添加各種與空間位置有關的信息提供了地理坐標參考。建立國家空間數(shù)據(jù)基礎設施投資最大的項目即是建立數(shù)字地球空間數(shù)據(jù)框架。空間數(shù)據(jù)的采集與收集是費時費錢的。例如，我國1∶1萬比例尺基礎地形圖的生產(chǎn)花了10～20年時間，而要將我國1∶1萬比例尺地形圖全部更新，并變?yōu)閿?shù)字產(chǎn)品，如果不采取新的技術路線，增加大量投入，可能會花費更長的時間。屆時，空間數(shù)據(jù)框架將可能成為我國信息化社會進程的主要障礙之一。 

 

     2.2　我國空間數(shù)據(jù)基礎設施的發(fā)展狀況　　

     我國雖然沒有由國家主席或政府總理簽署的建立“中國空間數(shù)據(jù)基礎設施”的法令，但最近幾年在國家計委的支持下，國家測繪局和有關部門的協(xié)同努力，為我國的空間數(shù)據(jù)基礎設施建設作了大量的前期準備工作。國家成立了地理信息系統(tǒng)協(xié)會，以協(xié)調(diào)我國的地理信息系統(tǒng)的研究、發(fā)展與應用；成立了國家地理數(shù)據(jù)標準化委員會，統(tǒng)籌、協(xié)調(diào)和審定我國的地理數(shù)據(jù)標準。國家測繪局成立了國家基礎地理信息中心，大部分省、自治區(qū)、直轄市成立了相應的基礎地理信息中心，負責管理和分發(fā)全國和各省、自治區(qū)、直轄市的基礎地理信息�！�

　

     在國家科技部和國家測繪局的支持下，由武漢測繪科技大學為主，全國許多單位參加的我國空間數(shù)據(jù)交換格式標準經(jīng)過幾年的研究、討論和測試，已于1998 年10月通過了由國家測繪局主持，國家計委、國家科技部、國土資源部、中國科學院和測繪局系統(tǒng)專家組成的鑒定委員會的技術鑒定，可望在不久的將來成為我國的空間數(shù)據(jù)交換標準�！�

　

     在國家計委的支持下，國家測繪局已經(jīng)完成了全國1∶100萬，1∶25萬空間數(shù)據(jù)庫的建設，正在啟動全國1∶5萬，各省1∶1萬數(shù)字地球空間數(shù)據(jù)框架的建設，以及全國七大江河數(shù)字地形模型的建設。

　　

     然而涉及到全國1∶5萬，1∶1萬空間數(shù)據(jù)的生產(chǎn)和管理，投資將是巨大的。它不僅生產(chǎn)周期長，費用高，空間數(shù)據(jù)管理設備和網(wǎng)絡通訊設備也要異常先進。目前的資金投入嚴重不足，缺口相當之大。

　　

     按照美國建立國家空間數(shù)據(jù)基礎設施的目標和戈爾提出的數(shù)字地球的概念，將來的空間數(shù)據(jù)要基于1 m 分辨率。而這一分辨率恰好與我國1∶1萬比例尺的地形圖對應。因而從實質(zhì)上說，建設我國的空間數(shù)據(jù)基礎設施還僅僅作了前期的組織和技術準備。所以國家有必要盡早立項建立我國的空間數(shù)據(jù)基礎設施。 

 

     2.3　空間數(shù)據(jù)框架的應用　　

     若將數(shù)字地球空間數(shù)據(jù)框架的最高分辨率定位在1 m左右，內(nèi)容包括數(shù)字正射影像、數(shù)字地面模型、交通、水系、行政邊界和地名注記，它不僅能為各種信息提供準確的定位參考，而且這些信息本身具有巨大用途。

 

     2.3.1　土地動態(tài)監(jiān)測

     我國的土地利用詳查圖是基于1∶1萬比例尺的。而得到土地利用詳查圖通常也是使用航片或1∶1萬正射影像圖調(diào)繪的。數(shù)字攝影測量技術的發(fā)展和高分辨率衛(wèi)星遙感技術的發(fā)展使我們能夠比較容易和快速地得到和生產(chǎn)1 m分辨率的數(shù)字正射影像，將新的數(shù)字正射影像和已有的土地利用詳查圖疊合就可以自動地或人工交互式調(diào)查出土地利用變化的區(qū)域，并得到新的土地利用現(xiàn)狀圖。 

 

     2.3.2　防災減災與災后重建　　

     1∶1萬的數(shù)字地面模型和其他相關的空間數(shù)據(jù)對農(nóng)田水利規(guī)劃，災情預報如水庫蓄水量計算、江河水流量計算、洪水模擬、災情損失評估以及災后重建如移民建鎮(zhèn)、退田還湖等都具有重要的參考價值。加快大比例尺空間數(shù)據(jù)的生產(chǎn)將對防災減災和災后重建具有重要的意義。 

 

     2.3.3　精細農(nóng)作以提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)力　　

     農(nóng)民利用衛(wèi)星圖像、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)獲取農(nóng)田長勢征兆，及時地預防病蟲害，并且把殺蟲劑、化肥和水用到最需要的地方，提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)力。這被稱為精細農(nóng)業(yè)。　　

高分辨率的空間數(shù)據(jù)還可以為城市和鄉(xiāng)村規(guī)劃，地質(zhì)找礦，農(nóng)業(yè)估產(chǎn)，汽車導航，打擊罪犯以及環(huán)境保護和監(jiān)測方面發(fā)揮重要作用。 

3　數(shù)字地球 (Digital Earth) 　　

     美國副總統(tǒng)戈爾在“數(shù)字地球——認識21世紀我們這顆星球”的報告中，比較詳盡地闡述了數(shù)字地球的概念。前面提及的空間數(shù)據(jù)基礎設施和數(shù)字地球空間數(shù)據(jù)框架與數(shù)字地球的概念基本相同。雖然戈爾提及的數(shù)字地球也以1 m分辨率的衛(wèi)星影像為基礎，但是數(shù)字地球是一個以信息高速公路為基礎，以空間數(shù)據(jù)基礎設施為依托而更加廣泛的概念�！�

　

     首先數(shù)字地球應在因特網(wǎng)上運行，由于數(shù)據(jù)量大，這個網(wǎng)應是寬帶高速網(wǎng)，除此之外，要開發(fā)出功能強、效率高的因特網(wǎng)GIS軟件。目前地理信息系統(tǒng)在局域網(wǎng)上運行能夠得心應手，但使用GIS軟件還不能像萬維網(wǎng)上瀏覽主頁那樣可以在全球以多種比例尺任意漫游。在GIS中使用超鏈技術，有可能解決這一問題。這樣，現(xiàn)有的GIS軟件的設計思想和體系結構就需要作較大的改動�！�

　

     其次，空間數(shù)據(jù)基礎設施中，僅建立了數(shù)字地球空間數(shù)據(jù)的框架，它的信息是有限的，雖然這些信息可以有許多用途，但它是由專門部門生產(chǎn)的框架數(shù)據(jù)。而數(shù)字地球則容納了大量行業(yè)部門、企業(yè)和私人添加的自己的信息。例如房地產(chǎn)公司，它可以將房地產(chǎn)信息鏈接到這個框架上；旅游公司可以將酒店、旅游景點，包括它們的風景照片和錄像，放入到這一公用的數(shù)字地球上；世界著名的博物館、圖書館可以將他們的館藏通過圖形、影像、聲音、文字形式放入數(shù)字地球中；甚至商店也可以將貨架上的商品制作成多媒體或虛擬產(chǎn)品放入到這一數(shù)字地球的網(wǎng)絡中，讓用戶任意挑選。所以數(shù)字地球是一個向公眾開放的系統(tǒng)，它可以讓不同的用戶任意添加信息。此時，數(shù)據(jù)共享的標準和互操作性就顯得異常重要。

 

     第三，數(shù)字地球的一個顯著的技術特點是虛擬現(xiàn)實技術。建立了數(shù)字地球以后，用戶戴上顯示頭盔，就可以看見地球從太空中出現(xiàn)，使用“用戶界面”的開窗放大數(shù)字圖像；隨著分辨率的不斷提高，他看見了大陸，然后是鄉(xiāng)村、城市，最后是私人住房、商店、樹木和其他天然和人造景觀；當他對商品感興趣時，可以進入商店內(nèi)，欣賞商場內(nèi)的衣服，并可根據(jù)自己的體型，構造虛擬自己試穿衣服�！　�

虛擬現(xiàn)實技術為人類觀察自然，欣賞景觀，了解實體提供了身臨其境的感覺。最近幾年，虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展很快。已在因特網(wǎng)上推出了虛擬現(xiàn)實語言VRML，為虛擬現(xiàn)實技術在因特網(wǎng)上實現(xiàn)奠定了技術基礎。實際上，人造虛擬現(xiàn)實技術在攝影測量中早已是成熟的技術，近幾年的數(shù)字攝影測量的發(fā)展，已經(jīng)能夠在計算機上建立可供量測的數(shù)字虛擬技術。當然，當前的技術是對同一實體拍攝相片，產(chǎn)生視差，構造立體模型，通常是當模型處理。進一步的發(fā)展是對整個地球進行無縫拼接，任意漫游和放大，由三維數(shù)據(jù)通過人造視差的方法，構造虛擬立體。

 

4　結論與建議　　

     國家信息基礎設施是國家的信息基礎，也是國家空間數(shù)據(jù)設施的基礎，而國家空間數(shù)據(jù)基礎設施又是數(shù)字地球的基礎，發(fā)展數(shù)字地球必須首先發(fā)展國家的信息基礎設施和國家的空間數(shù)據(jù)基礎設施。中國的工業(yè)化進程曾落后于西方發(fā)達國家一百年，中國的信息化進程應當遵照“科教興國”和“知識創(chuàng)新”的要求，不失時機，急追直上。為此有如下建議。 

 

     4.1　國家應加大投入，建立我國的信息高速公路網(wǎng)絡　　

     我國已建成由光纜、微波和通訊衛(wèi)星組成的通達各省、自治區(qū)、直轄市的信息網(wǎng)絡。但是，其速度和密度均未達到信息高速公路要求。因此，對于目前已建成的中、低速信息網(wǎng)應使之迅速升檔，并以各種政策鼓勵全民使用。對于高校及國家科研所等非贏利單位，應當免費提供使用。目前的問題是收費過高，使得需要上網(wǎng)的廣大知識分子望網(wǎng)興嘆，不敢利用，從而耽誤了信息高速公路網(wǎng)上已有的信息資源的重大價值與效益。此事如不及時解決，將會使我國在信息化進程中與西方發(fā)達國家產(chǎn)生新的差距。

 

     4.2　國家應當立即設立專項建立我國的國家空間數(shù)據(jù)基礎設施　　

     我國目前已由國家測繪局建成了國家1∶100萬和1∶25萬矢量化數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫，但由于這些數(shù)據(jù)空間分辨率較低而且急需更新，因此建立我國國家級1∶50 000和省級 1∶10 000高分辨率空間數(shù)據(jù)框架十分重要。有了這種空間框架，才能夠將我國的經(jīng)濟、社會和人口統(tǒng)計方面的信息加載上去，解決我國的人口、資源、環(huán)境、災害等社會可持續(xù)發(fā)展的重大社會問題和有關智能化交通、土地使用規(guī)劃、精細農(nóng)業(yè)、城市發(fā)展等推動國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活質(zhì)量提高的現(xiàn)實問題。為了保證國家空間數(shù)據(jù)框架的數(shù)據(jù)源，我國應抓緊發(fā)射高分辨衛(wèi)星國土資源衛(wèi)星群。 

 

     4.3　國家應不失時機地開展有關“數(shù)字地球概念”的基礎研究　　

     這些研究涉及到計算科學、超數(shù)據(jù)、大規(guī)模存貯、寬帶網(wǎng)絡、系統(tǒng)互操作性、數(shù)據(jù)共享、衛(wèi)星圖像智能化處理、虛擬現(xiàn)實等新理論和高技術。必須多學科分工協(xié)作，聯(lián)合攻關，避免低水平重復。通過這些研究保證有關地球的各種數(shù)據(jù)進入計算機網(wǎng)絡，并能有效地管理、發(fā)布和應用這些數(shù)據(jù)，實現(xiàn)真正的數(shù)字中國和數(shù)字地球。

［1］　李德仁，李清泉.地球空間信息科學的興起與跨學科發(fā)展.見：周光召主編.科技進步與學科發(fā)展.北京：中國科學技術出版社，1998 

［2］　李德仁等.我國地球空間數(shù)據(jù)框架的設計思想與技術路線.武漢測繪科技大學學報，1998，23(4) 

［3］　李德仁.對地觀測新技術與社會可持續(xù)發(fā)展.見：中國科學院百名院士報告會文集.北京：科學出版社，1997