數字地球

數字地球是對真實地球及其相關現象的統一性的數字化重現與再認識，它利用遙感衛星、航空攝影等多種對地觀測手段和數字技術、地理信息技術等，對時間、空間數據按照地球的坐標加以整理，構成一個全球的數字模型，其特點就是運用海量地理信息數據對地球進行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的三維描述。數字地球是大數據、云計算和人工智能等新一代信息技術、地理信息技術與航空航天產業深度融合構建的數字化的地球。

也有人說，數字地球首先是一個地球表層信息模型，通過把航空、航天的遙感信息與傳統的地理、地質資料在地理信息系統下的整合，特別是探地雷達、地震數據和海洋聲吶信息與遙感電磁波信息集成分析，并結合專家系統，建成的地學模型。數字地球的核心是用完全數字化的信息獲取與存儲、傳輸和處理技術，去控制、操縱全球性的事物。它同時是一座海量信息庫，是世界上最大的地球圖書館，它是一個和地球有關的、龐大的數據系統^[1]。

數字地球行業處于軟件行業和地理信息產業，均為國家重點支持和鼓勵發展的行業。

數字地球是什么?對這個問題的回答主要有“號召論”和“工程論”，具體來說有以下幾種觀點:

1.可以嵌入海量地理數據、多分辯率、三維的對地球的表示(戈爾)。

2.虛擬地球(美國1998年6月23日數字地球研討會).

3.對真實地球及其相關現象的統一性的數字化重現和認識，其核心思想是用數字化的手段來處理整個地球方面的問題(中國部分高級學者)。

正如90年代以前，在GIS產生近30年后科學家們還無法給出一個準確的GIS定義一樣，對數字地球的含義在現在不可能有一個明確的限定，只可有一個方向性的認識，如信息獲取、處理和應用是數字地球的三個重要組成部分。數字地球的核心思想是用數字化手段統一性地處理地球問題、最大限度地利用信息資源，數字地球主要是由空間數據、文本數據、基于INTERNET的操作平臺和應用模型組成?？梢钥隙ǖ氖窃跀底值厍蜻@個統一性術語(UmbrellaTerm)下，以Glscj為核心，EOS計劃、INTERNET-I計劃和其他一些大型的國際合作計劃將捆在一起形成一個大的方向，將使現有的學科進一步交叉、融合，將大大推進GC的研究、SD戰略的實現和學科重組。數字地球是一個分布式、多尺度、多維(4.5維)的地理信息系統，數據主要源于遙感技術、全球定位系統和其他數字化手段^[2]。

1998年：美國首先提出數字地球的概念：“數字地球”是對真實地球及其相關現象的統一性的數字化重現與再認識，它利用遙感衛星、航空攝影等多種對地觀測手段和數字技術、地理信息技術等，對時間、空間數據按照地球的坐標加以整理，構成一個全球的數字模型。

1999年：由中國科學院聯合19個部委單位發起召開首屆“國際數字地球會議”，并發表北京宣言。

2006年5月：國際數字地球學會成立并創建《國際數字地球學報》(International Journal of Digital Earth，IJDE)，被正式收錄為SCI(擴展版)期刊，截止目前已召開10屆國家數字地球會議和7屆數字地球高峰會議。

2009年：國際數字地球學會正式被吸納為由83個國家、58個國際學術組織組成的政府間國際組織“地球觀測組織”成員，成為地球信息科學領域重要的國際組織，數字地球也受到各個國家的重視。

至今經過二十余年的技術發展和產品升級，已開始在國家安全、政府管理、企業經營和大眾消費等眾多行業領域得到應用。隨著新一代信息技術和地理信息技術的快速發展，數字地球涉及的技術領域已擴展到大數據、云計算和人工智能等新一代信息技術，應用場景也日益豐富。

數字地球發展需要關鍵技術的支撐，以下是在戈爾所述基礎上根據需求進一步歸納的7大關鍵技術。

(1) 對地觀測技術。對地觀測技術為數字地球提供空間數據源，是數字地球發展的“血液”供給者。不僅需要高分辨率對地觀測數據，也需要中、低分辨率數據。同時，GIS、GPS、虛擬現實技術均很重要

(2) 海量存儲技術。由于數字地球不僅涉及海量的空間數據，還會包括大量的經濟、社會、人口等于地球有關的非空間數據，所以海量存儲技術可為數字地球的應用儲備“能量”。

(3)科學計算。通過它可以解決輔助決策問題，同時還能促進產生知識的實驗和理論方法創新。尤其是地球科學的實驗，因為有的對象或過程不是太大，就是太小，有的速度太快或太慢，他們的跨度可以從十億分之一秒到十億年。

(4)寬帶技術。數字地球的數據量非常龐大，而且是由很多地區、國家和機構來完成的，浩繁、多源的數據必須通過一系列分布式數據庫才能存儲。而這些分布式的數據庫之間只有通過寬帶技術，才能實現數字地球海量數據的調用與共享。

(5)互操作技術。萬維網絡通過一種簡單、通用的網絡協議使得其被廣泛應用。因此，數字地球也需要通過一種簡單的互操作技術，提高地理信息的可讀性與可操作性。

(6)元數據管理與存儲技術。元數據是關于數據的數據，是用于描述數據集的來源、日期、內容、質量、表示方式、空間參考(地理坐標)、管理方式以及其特征的信息。它是數據共享的重要工具。

(7)格網技術。格網是將高速互聯網、高性能計算機、大型數據庫、傳感器、遠程設備等融為一體的分布式集成系統。數字地球的格網計算，即是使一些常規的計算資源、空間信息資源形成一個無縫的集成協同計算環境，為海量數據的空間分析提供計算資源的支持。

值得指出的是，近年興起的云計算將成為數字地球建設的又一強大計算武器。云計算是分布式處理、并行處理和網格計算的發展，其原理是通過使計算分布在大量的分布式計算機上，而非本地計算機或遠程服務器中，使得應用者能夠將資源切換到需要的領域，根據需要詢問計算機和存儲系統。這是一革命性進步，其核心內涵是計算能力可以根據需要通過互聯網傳輸。未來只需要一臺筆記本或者一個手機，就可以通過網絡服務來實現我們需要的一切，包括超級計算這樣的任務，最終用戶將成為云計算的真正擁有者^[3]。

數字地球技術作為新興科技已經在國內完成前期的市場導入期，產業鏈初步形成。

行業上游:數字地球行業上游主要是空天大數據獲取，通過衛星、飛機、飛艇、無人機等手段實現遙感數據采集。上游企業主要包括衛星、遙感類無人機等采集設備制造廠以及空天數據測繪企業等。

行業中游:數字地球行業業中游主要是空天大數據的處理與分析，其中主要包括空天大數據處理、空天大數據承載和空天大數據可視化。中游企業主要包括數字地球基礎軟件廠商以及數據處理企業等。

行業下游:數字地球行業下游則是空天大數據應用行業，將空天大數據運營于交通、氣象、環保、特種行業等領域。下游企業主要包括各行業應用軟件廠商。

(1)美國谷歌公司

谷歌公司作為國際上數字地球的領頭羊，基于其擁有的大數據、人工智能等先進的IT技術，在數字地球領域形成了大量的技術標準，處于行業技術引領位置。Google Earth的技術特點如下：其Google Earth KML(Keyhole Markup Language)格式已經作為開放式國際標準；采用的3D技術將衛星影像推向一個新的水平，實現了各類三維場景的逼真構建；成熟的寬帶流技術，能夠提供高效的檢索效率，實現位置的快速搜索和定位；Google Earth Engine提供PB級的公開數據集，高效的時空優化計算引擎，超過800個API，以及基于Web的開發平臺。

(2)美國數字地球公司

美國數字地球公司(Digital Globe)是一家全球領先的商用高分辨率地球影像產品和服務供應商，運營World View、Geo Eye、Quick Bird等衛星，利用先進的自有衛星群提供的數據，可在民間機構、地圖制作和分析、環境監測、油氣勘探、基礎設施管理、互聯網門戶網站以及導航技術領域提供影像解決方案。借助其自有衛星群及全面的影像庫(包含40億平方公里以上的地球影像和相關產品)，提供了一系列的在線和離線產品及服務。

(3)美國環境系統研究所公司

美國環境系統研究所公司(ESRI)是世界最大的地理信息系統技術提供商，致力于為全球各行業的用戶提供先進的GIS技術和全面的GIS解決方案。ESRI中國(北京)有限公司同時還為中國用戶提供遙感圖像處理解決方案和eYaImage影像壓縮工具的銷售和技術支持服務。

(4)法國信息地球公司

法國信息地球公司(INFOTERRA)是歐洲航空防務與航天公司(EADS)的全資子公司，其核心業務是地理數據的生產，主要產品“像素工廠”(Pixel Factory，PF)是一套用于大規模遙感影像生產的處理系統，主要以軟硬一體的方式銷售進行盈利，其軟件模塊包括基礎數據處理平臺，和不同載荷傳感器數據處理模塊。

(5)世紀空間

向中國及全球客戶的自主遙感衛星運控及地球空間信息大數據服務商，其主營業務為基于自主運控遙感衛星的數據獲取、處理分析及銷售和空間信息綜合應用服務。

(6)航天宏圖

國內領先的遙感和北斗導航衛星應用服務商，提供的主要產品是遙感圖像處理基礎軟件平臺PIE和北斗地圖導航基礎軟件平臺PIE-Map。

目前，數字地球已經形成了特種領域、政府、企業、大眾眾等多主體、多層次、多行業的應用格局。

(1)特種領域：應用在特種領域的各部門、各應用單位

(2)政府：應用在數字經濟，智慧城市、自然資源、交通、氣象、海洋、環保、應急等政府部門及事業單位

(3)企業：應用在石油、石化、電力等大型能源企業，公路、鐵路、航運等大型交通企業，以及建筑、航空、航天等眾多大型企業

(4)大眾應用：如數字地球網站及在線應用（如谷歌地球)

參考資料：

[1]柯長青.數字地球——新生研討課的探索與實踐

[2]王曉棟，崔偉宏.數字地球的時空維實現.地理科學進展.1999年6月第18卷第2期.

[3]中國測繪學會.郭華東院士：數字地球的10年發展與前瞻