信息高速公路、空间数据基础设施与数字地球

 

     以信息技术为核心的高新技术浪潮正向我们大踏步袭来。现代信息技术不仅深刻地影响着现代科学技术、教育、工农业生产，乃至经济建设的各个方面，而且影响着人们的生活和工作方式。计算机和因特网技术与产业不仅为发达国家带来滚滚财富，使之近十年来经济持续高速增长，而且为世界各国人民带来了信息化社会的种种便利。今天的信息技术正伴随着全球因特网技术的发展以前所未有的速度深入到世界各地的各行各业。　

　

     为了推进信息社会的迅速发展，美国总统克林顿1993年 2月提出了信息高速公路的概念，并签署法令，建立全美的信息高速公路，即“国家信息基础设施” (National Information Infrastructure,简称NII)。　

　

     为了在信息高速公路上表达地理参考，使之与地理和地球有关的空间信息得以在因特网上准确地表达、描述和查询，需要建立全国的空间数据框架，为此克林顿总统又于1994年4月13日签署了建立“国家空间数据基础设施”(National Spatial Data Infrastructure,简称NSDI)的12906号总统令。　　

 

     当前美国的信息高速公路和空间数据基础设施已初见端倪。为了将信息技术推进到人们的日常工作、生活和娱乐，美国副总统戈尔又于1998年1月31日提出了“数字地球” (Digital Earth)的概念。　

　

     本文将阐述国家信息基础设施、国家空间数据基础设施和数字地球的概念与相互关系，并对我国在此领域内如何开展工作提出若干建议。

 

     国家信息基础设施，即美国通称的信息高速公路。它主要由计算机服务器、网络和计算机终端组成。美国计划投入4 000亿美元，耗时20年建立NII。到2000年的目标是提高生产率20%～40%，获得效益35 000亿美元。我国的国家信息基础设施CNII，计划投入1 500～2 000亿美元，到2020年建成。九五期间，主要抓“八金”工程。我国目前实质上使用的是中、低速网。　

　

     最近几年，计算机服务器迅猛发展，它不仅使用多CPU，大容量内存，而且可以进行分布式计算和处理，使科学计算和信息检索的效率大大提高。大规模存贮设备已越来越便宜和普及，几千个GB的存贮装置可以满足一般用户的需要，几千个TB(1TB为1 000 GB)的数据中心才能满足国家重大科学和经济问题的需要。网络硬件的发展在欧美受到极大的关注，并获得巨额投资。网络软件，特别是万维网的浏览器，使人们能够在网上任意漫游，获取人们所需要的信息，但是当大家都使用网络时，感到网速太慢，有时甚至难以忍受。因而美国投巨资改造因特网，电讯营运者已经在试验每秒千兆(10亿信息单位)的网络。可以想象千兆因特网的实现将为我们带来巨大的效率。而每秒1015 bit的因特网正在研究之中。高速网络的实现将彻底解决信息阻塞问题。与此相比较，我们国内因特网的网速仍是每秒64 K或256 K。局域网一般为每秒10 M或100 M，需要我们下大力气迎头赶上。　　

 

     网络计算机曾被认为前景看好，但是随着PC机的性能价格比进一步提高，新一代的奔腾计算机既可作为本地的个人计算机使用，又可作为网络终端使用。由于性能价格比的提高，PC机深入到各行各业和千家万户已水到渠成。　　

 

     网络软件虽不能说已发展到最后阶段，但已基本上解决了一般信息的发布、查询、相互通讯、分布计算等问题。特别是万维网的超链计算，使人们的时空距离大大缩短。人们可以一忽儿在美国，一忽儿在英国，一忽儿又在中国的网址上漫游获取信息。　　

 

     当前信息高速公路的瓶颈问题在于网络，特别是中国这样的第三世界国家，网速太慢，收费太高已严重制约着中国的信息化进程，限制着广大用户上网分享信息资源。 

 

2　国家空间数据基础设施(NSDI) 　　

     当人们进行处理、发布和查询信息时，发现大量的信息都与地理空间位置有关。例如查询两城市之间的交通连接，查询旅游景点和路线，购房时选择价廉而又环境适宜的住宅等都需要有地理空间参考。　

　

     由于技术原因以及尚未建立空间数据参考框架，致使目前在万维网上制作主页时，还不能轻易将有关的信息连接到地理空间参考上。人们还不能在计算机上对虚拟的数字地球进行任意漫游、观察和研究。因此，美国政府进而提出了投巨资建设国家空间数据基础设施，并在此基础上实现数字地球的战略设想。 

 

     2.1　国家空间数据基础设施的概念　　

     美国总统克林顿1994年提出的国家空间数据基础设施属于国家信息基础设施的一部分，它是连接信息高速公路和数字地球的桥梁。国家空间数据基础设施主要包括空间数据协调、管理与分发体系和机构，空间数据交换网站(Clearing house), 空间数据交换标准以及数字地球空间数据框架。　　

 

     在国家信息中心及各省市信息中心或信息港的基础上，需要建立专门的机构负责空间数据的管理与分发，由于空间数据资源获取、处理和管理的特殊性，还需要有专门的机构来进行空间数据的维护、更新和开发。在美国，除了发布“建立”国家空间数据基础设施的总统令之外，专门成立了联邦地理数据委员会，并由内政部长负责，具体协调NSDI的开发。　

　

     “国家地理空间数据交换网站”(National Geo- Spatial Data Clearing House)是指地理空间数据的生产者、管理者和用户采用电子方式相连接的一个广域的网络工作站。由于空间数据是海量的，空间数据的网络服务器的存贮容量也将是巨大量的，例如一个省的1 m分辨率的影像数据将超过1 000个GB。另一方面，由于空间数据量大，要求网络也是高速的。　

　

     空间数据不同于一般的事务管理和商务管理的数据。由于人们对空间现象的理解和对空间对象的定义有较大的差别，致使空间数据模型和数据结构差异较大，造成空间数据的兼容性较差。因而必须制定严格的空间数据交换标准，以确保各个机构生产和收集的数据都符合有关标准，使进入交换网站的空间数据得以兼容。　　

 

     “数字地球空间数据框架”(Digital Geo-Spatial Data Framework)是NSDI的核心。它包含了最基本的空间数据集。框架的内容一般包括数字正射影像、数字地面模型、交通、水系、境界和地名注记等内容。这一空间数据框架一方面为研究和观察地球以及地理分析提供了最基本和公用的数据集，另一方面为用户添加各种与空间位置有关的信息提供了地理坐标参考。建立国家空间数据基础设施投资最大的项目即是建立数字地球空间数据框架。空间数据的采集与收集是费时费钱的。例如，我国1∶1万比例尺基础地形图的生产花了10～20年时间，而要将我国1∶1万比例尺地形图全部更新，并变为数字产品，如果不采取新的技术路线，增加大量投入，可能会花费更长的时间。届时，空间数据框架将可能成为我国信息化社会进程的主要障碍之一。 

 

     2.2　我国空间数据基础设施的发展状况　　

     我国虽然没有由国家主席或政府总理签署的建立“中国空间数据基础设施”的法令，但最近几年在国家计委的支持下，国家测绘局和有关部门的协同努力，为我国的空间数据基础设施建设作了大量的前期准备工作。国家成立了地理信息系统协会，以协调我国的地理信息系统的研究、发展与应用；成立了国家地理数据标准化委员会，统筹、协调和审定我国的地理数据标准。国家测绘局成立了国家基础地理信息中心，大部分省、自治区、直辖市成立了相应的基础地理信息中心，负责管理和分发全国和各省、自治区、直辖市的基础地理信息。　

　

     在国家科技部和国家测绘局的支持下，由武汉测绘科技大学为主，全国许多单位参加的我国空间数据交换格式标准经过几年的研究、讨论和测试，已于1998 年10月通过了由国家测绘局主持，国家计委、国家科技部、国土资源部、中国科学院和测绘局系统专家组成的鉴定委员会的技术鉴定，可望在不久的将来成为我国的空间数据交换标准。　

　

     在国家计委的支持下，国家测绘局已经完成了全国1∶100万，1∶25万空间数据库的建设，正在启动全国1∶5万，各省1∶1万数字地球空间数据框架的建设，以及全国七大江河数字地形模型的建设。

　　

     然而涉及到全国1∶5万，1∶1万空间数据的生产和管理，投资将是巨大的。它不仅生产周期长，费用高，空间数据管理设备和网络通讯设备也要异常先进。目前的资金投入严重不足，缺口相当之大。

　　

     按照美国建立国家空间数据基础设施的目标和戈尔提出的数字地球的概念，将来的空间数据要基于1 m 分辨率。而这一分辨率恰好与我国1∶1万比例尺的地形图对应。因而从实质上说，建设我国的空间数据基础设施还仅仅作了前期的组织和技术准备。所以国家有必要尽早立项建立我国的空间数据基础设施。 

 

     2.3　空间数据框架的应用　　

     若将数字地球空间数据框架的最高分辨率定位在1 m左右，内容包括数字正射影像、数字地面模型、交通、水系、行政边界和地名注记，它不仅能为各种信息提供准确的定位参考，而且这些信息本身具有巨大用途。

 

     2.3.1　土地动态监测

     我国的土地利用详查图是基于1∶1万比例尺的。而得到土地利用详查图通常也是使用航片或1∶1万正射影像图调绘的。数字摄影测量技术的发展和高分辨率卫星遥感技术的发展使我们能够比较容易和快速地得到和生产1 m分辨率的数字正射影像，将新的数字正射影像和已有的土地利用详查图叠合就可以自动地或人工交互式调查出土地利用变化的区域，并得到新的土地利用现状图。 

 

     2.3.2　防灾减灾与灾后重建　　

     1∶1万的数字地面模型和其他相关的空间数据对农田水利规划，灾情预报如水库蓄水量计算、江河水流量计算、洪水模拟、灾情损失评估以及灾后重建如移民建镇、退田还湖等都具有重要的参考价值。加快大比例尺空间数据的生产将对防灾减灾和灾后重建具有重要的意义。 

 

     2.3.3　精细农作以提高农业的生产力　　

     农民利用卫星图像、地理信息系统和全球定位系统获取农田长势征兆，及时地预防病虫害，并且把杀虫剂、化肥和水用到最需要的地方，提高农业的生产力。这被称为精细农业。　　

高分辨率的空间数据还可以为城市和乡村规划，地质找矿，农业估产，汽车导航，打击罪犯以及环境保护和监测方面发挥重要作用。 

3　数字地球 (Digital Earth) 　　

     美国副总统戈尔在“数字地球——认识21世纪我们这颗星球”的报告中，比较详尽地阐述了数字地球的概念。前面提及的空间数据基础设施和数字地球空间数据框架与数字地球的概念基本相同。虽然戈尔提及的数字地球也以1 m分辨率的卫星影像为基础，但是数字地球是一个以信息高速公路为基础，以空间数据基础设施为依托而更加广泛的概念。　

　

     首先数字地球应在因特网上运行，由于数据量大，这个网应是宽带高速网，除此之外，要开发出功能强、效率高的因特网GIS软件。目前地理信息系统在局域网上运行能够得心应手，但使用GIS软件还不能像万维网上浏览主页那样可以在全球以多种比例尺任意漫游。在GIS中使用超链技术，有可能解决这一问题。这样，现有的GIS软件的设计思想和体系结构就需要作较大的改动。　

　

     其次，空间数据基础设施中，仅建立了数字地球空间数据的框架，它的信息是有限的，虽然这些信息可以有许多用途，但它是由专门部门生产的框架数据。而数字地球则容纳了大量行业部门、企业和私人添加的自己的信息。例如房地产公司，它可以将房地产信息链接到这个框架上；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，放入到这一公用的数字地球上；世界著名的博物馆、图书馆可以将他们的馆藏通过图形、影像、声音、文字形式放入数字地球中；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到这一数字地球的网络中，让用户任意挑选。所以数字地球是一个向公众开放的系统，它可以让不同的用户任意添加信息。此时，数据共享的标准和互操作性就显得异常重要。

 

     第三，数字地球的一个显著的技术特点是虚拟现实技术。建立了数字地球以后，用户戴上显示头盔，就可以看见地球从太空中出现，使用“用户界面”的开窗放大数字图像；随着分辨率的不断提高，他看见了大陆，然后是乡村、城市，最后是私人住房、商店、树木和其他天然和人造景观；当他对商品感兴趣时，可以进入商店内，欣赏商场内的衣服，并可根据自己的体型，构造虚拟自己试穿衣服。　　

虚拟现实技术为人类观察自然，欣赏景观，了解实体提供了身临其境的感觉。最近几年，虚拟现实技术发展很快。已在因特网上推出了虚拟现实语言VRML，为虚拟现实技术在因特网上实现奠定了技术基础。实际上，人造虚拟现实技术在摄影测量中早已是成熟的技术，近几年的数字摄影测量的发展，已经能够在计算机上建立可供量测的数字虚拟技术。当然，当前的技术是对同一实体拍摄相片，产生视差，构造立体模型，通常是当模型处理。进一步的发展是对整个地球进行无缝拼接，任意漫游和放大，由三维数据通过人造视差的方法，构造虚拟立体。

 

4　结论与建议　　

     国家信息基础设施是国家的信息基础，也是国家空间数据设施的基础，而国家空间数据基础设施又是数字地球的基础，发展数字地球必须首先发展国家的信息基础设施和国家的空间数据基础设施。中国的工业化进程曾落后于西方发达国家一百年，中国的信息化进程应当遵照“科教兴国”和“知识创新”的要求，不失时机，急追直上。为此有如下建议。 

 

     4.1　国家应加大投入，建立我国的信息高速公路网络　　

     我国已建成由光缆、微波和通讯卫星组成的通达各省、自治区、直辖市的信息网络。但是，其速度和密度均未达到信息高速公路要求。因此，对于目前已建成的中、低速信息网应使之迅速升档，并以各种政策鼓励全民使用。对于高校及国家科研所等非赢利单位，应当免费提供使用。目前的问题是收费过高，使得需要上网的广大知识分子望网兴叹，不敢利用，从而耽误了信息高速公路网上已有的信息资源的重大价值与效益。此事如不及时解决，将会使我国在信息化进程中与西方发达国家产生新的差距。

 

     4.2　国家应当立即设立专项建立我国的国家空间数据基础设施　　

     我国目前已由国家测绘局建成了国家1∶100万和1∶25万矢量化数字地图数据库，但由于这些数据空间分辨率较低而且急需更新，因此建立我国国家级1∶50 000和省级 1∶10 000高分辨率空间数据框架十分重要。有了这种空间框架，才能够将我国的经济、社会和人口统计方面的信息加载上去，解决我国的人口、资源、环境、灾害等社会可持续发展的重大社会问题和有关智能化交通、土地使用规划、精细农业、城市发展等推动国民经济发展和人民生活质量提高的现实问题。为了保证国家空间数据框架的数据源，我国应抓紧发射高分辨卫星国土资源卫星群。 

 

     4.3　国家应不失时机地开展有关“数字地球概念”的基础研究　　

     这些研究涉及到计算科学、超数据、大规模存贮、宽带网络、系统互操作性、数据共享、卫星图像智能化处理、虚拟现实等新理论和高技术。必须多学科分工协作，联合攻关，避免低水平重复。通过这些研究保证有关地球的各种数据进入计算机网络，并能有效地管理、发布和应用这些数据，实现真正的数字中国和数字地球。

［1］　李德仁，李清泉.地球空间信息科学的兴起与跨学科发展.见：周光召主编.科技进步与学科发展.北京：中国科学技术出版社，1998 

［2］　李德仁等.我国地球空间数据框架的设计思想与技术路线.武汉测绘科技大学学报，1998，23(4) 

［3］　李德仁.对地观测新技术与社会可持续发展.见：中国科学院百名院士报告会文集.北京：科学出版社，1997