第十二章地理信息系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例學(xué)習(xí)目標(biāo)·了解GIS與實(shí)際結(jié)合的應(yīng)用實(shí)例·了解GIS具體應(yīng)用的開發(fā)設(shè)計(jì)思想自20世紀(jì)60年代GIS產(chǎn)生以來，地理信息系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到與空間位置相關(guān)的各行各業(yè)。如，礦產(chǎn)、森林、草場等的資源清查；城鄉(xiāng)規(guī)劃中的城鎮(zhèn)總體規(guī)劃、土地適宜性評價、道路交通規(guī)劃、城市環(huán)境動態(tài)監(jiān)測等；災(zāi)害監(jiān)測方面，借助RS，利用GIS對森林火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報(bào)、洪水災(zāi)情的監(jiān)測、洪水淹沒損失估算等；土地清查中的土地利用現(xiàn)狀建庫、地籍管理；環(huán)境管理信息系統(tǒng)建設(shè)；城市管網(wǎng)中的供水、排水、供電、供氣及電纜系統(tǒng)；軍事領(lǐng)域作戰(zhàn)指揮中虛擬戰(zhàn)場模擬；宏觀決策方面如通過GIS系統(tǒng)支持下的土地承載力研究，可以解決土地資源與人口容量的規(guī)劃。如此眾多的應(yīng)用領(lǐng)域使GIS已經(jīng)成地學(xué)研究不可缺少的工具。本章通過兩個具體的GIS應(yīng)用實(shí)例來說明GIS與實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的結(jié)合方式和開發(fā)設(shè)計(jì)思想。第一節(jié)城市居民防空疏散指揮信息系統(tǒng)一、系統(tǒng)目標(biāo)和意義系統(tǒng)目標(biāo)是開發(fā)用于戰(zhàn)時輔助指揮、和平時期進(jìn)行疏散演習(xí)的疏散指揮系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中模擬真實(shí)的戰(zhàn)時居民疏散狀況，通過GPS系統(tǒng)與該系統(tǒng)的整合，采用鷹眼、視圖和主窗口三位一體，實(shí)現(xiàn)疏散目標(biāo)的宏觀區(qū)域定位、精準(zhǔn)定位和綜合觀察，系統(tǒng)自動通過最短或最佳路徑分析提供出發(fā)地到目的地的疏散預(yù)案，并且疏散目標(biāo)在預(yù)定的路線發(fā)生故障時可以通過系統(tǒng)分析，自動智能改變路線，這樣疏散指揮員在調(diào)度中心能夠?qū)崟r掌握城市居民的疏散狀態(tài)，做出科學(xué)的決策，達(dá)到快速安全疏散居民的目的。城市居民防空疏散指揮信息系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)城市居民防空疏散指揮管理的現(xiàn)代化、智能化、科學(xué)化，無論在戰(zhàn)爭時期還是和平時期都有重要的意義，使我們能夠防患于未然。二、系統(tǒng)的概念化設(shè)計(jì)1.系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)⑴數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了大跨度比例尺數(shù)據(jù)層的疊加顯示與管理，采用工作空間管理多個不同比例尺的數(shù)據(jù)源。①1：250000及1：5000底圖的迭加與拼接；②建立、保存本軟件系統(tǒng)相應(yīng)的工作空間；③地圖數(shù)據(jù)的分層管理；⑵數(shù)據(jù)編輯維護(hù)數(shù)據(jù)編輯包括幾何特征及屬性信息兩種類型的編輯，其中屬性信息的編輯包括對拓?fù)潢P(guān)系表中相關(guān)屬性信息的編輯，同時也可以對相關(guān)的外部屬性表進(jìn)行編輯。①點(diǎn)狀圖層的編輯；②線狀圖層的編輯；⑶空間分析功能強(qiáng)大高效的空間分析功能是該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動化與智能化的關(guān)鍵所在，也是該系統(tǒng)的核心功能。具體如下：①建立路線圖層的拓?fù)潢P(guān)系系統(tǒng)可以自動建立交通等線狀要素的拓?fù)潢P(guān)系，并能在數(shù)據(jù)修改或更新后自動重新修正新的拓?fù)潢P(guān)系。②建立疏散路線的預(yù)案路徑表（手工選擇）系統(tǒng)可以根據(jù)疏散目標(biāo)的出發(fā)地與最終目的地，手工選擇該目標(biāo)的最終疏散路線，即預(yù)案，充分體現(xiàn)了指揮員決策的重要性。③最短/最佳路徑選擇系統(tǒng)通過內(nèi)建的最短、最佳路徑算法，可以生成疏散目標(biāo)的最短或最佳疏散路徑。④當(dāng)設(shè)置相關(guān)障礙類型后，建立修正路線的路徑表（自動選擇）在疏散目標(biāo)的疏散過程中，如果發(fā)生意外情況，預(yù)定的路線不能再走時，通過在系統(tǒng)中添加故障點(diǎn)，系統(tǒng)可以智能動態(tài)提供修正的行進(jìn)路線供指揮人員參考。⑷數(shù)據(jù)顯示功能abc圖12-1數(shù)據(jù)顯示功能為了滿足指揮人員的需要，系統(tǒng)提供了多種數(shù)據(jù)顯示功能，包括主窗口顯示、多目標(biāo)跟蹤顯示、鷹眼功能、點(diǎn)放大功能①主窗口顯示（圖12-2）主窗口是城市居民防空疏散指揮信息系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)顯示窗口，隨系統(tǒng)運(yùn)行一直處于顯示狀態(tài)。圖12-2主窗口顯示②多目標(biāo)跟蹤顯示功能（圖12-1-a）在實(shí)際的居民疏散過程中，一個指揮員需要同時指揮多個疏散隊(duì)目標(biāo)進(jìn)行疏散，系統(tǒng)可以實(shí)時對多個目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，自由的在多個目標(biāo)之間進(jìn)行視窗切換，觀察它們的行進(jìn)狀態(tài)。③鷹眼顯示功能（圖12-1-b）系統(tǒng)提供了鷹眼顯示功能，可以縱覽大局，看到整個指揮現(xiàn)場全貌，動態(tài)顯示當(dāng)前目標(biāo)在整個疏散地圖中的位置。④點(diǎn)視圖（圖12-1-c）實(shí)現(xiàn)對主窗口中某一點(diǎn)的放大顯示功能，用戶可以實(shí)時自由定義放大倍數(shù)。2.工作空間的數(shù)據(jù)組織數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)源、工作空間是該系統(tǒng)中使用的3個重要的概念。“數(shù)據(jù)集”是由同種類型數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)集合，如：點(diǎn)數(shù)據(jù)集，線數(shù)據(jù)集，多邊形數(shù)據(jù)集，TIN數(shù)據(jù)集，GRID數(shù)據(jù)集，CAD數(shù)據(jù)集，NetWork數(shù)據(jù)集，文本數(shù)據(jù)集等?！皵?shù)據(jù)源”是由各種類型的數(shù)據(jù)集（如點(diǎn)、線、面類型數(shù)據(jù)，TIN、GRID、NetWork）組成的復(fù)合數(shù)據(jù)集，一個數(shù)據(jù)源可包含一個或多個各種類型的數(shù)據(jù)集，也可以同時存儲矢量數(shù)據(jù)集和柵格數(shù)據(jù)集?！肮ぷ骺臻g”用于保存用戶工作環(huán)境，包括：當(dāng)前打開的數(shù)據(jù)源（位置、別名和打開方式）、地圖、布局、符號庫、線型庫等。工作空間的數(shù)據(jù)源及其分層信息:①1:250000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)源（包含水系、居民點(diǎn)、企事業(yè)單位等地理要素）；②1:5000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)源（包含水系、居民點(diǎn)、企事業(yè)單位等地理要素）；③用戶數(shù)據(jù)源（重點(diǎn)是交通要素）。用戶數(shù)據(jù)源分層信息詳見表12-1：表12-1用戶數(shù)據(jù)源圖層名稱拓?fù)漕愋蛨D例顯示狀態(tài)交通要素網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫冀K顯示疏散對象點(diǎn)拓?fù)涫冀K顯示醫(yī)療專業(yè)隊(duì)點(diǎn)拓?fù)涫冀K顯示貨運(yùn)專業(yè)隊(duì)點(diǎn)拓?fù)涫冀K顯示客運(yùn)專業(yè)隊(duì)點(diǎn)拓?fù)涫冀K顯示調(diào)整哨點(diǎn)拓?fù)涫冀K顯示中轉(zhuǎn)站點(diǎn)拓?fù)涫冀K顯示食品站點(diǎn)拓?fù)涫冀K顯示疏散目的地點(diǎn)拓?fù)涫冀K顯示疏散指揮中心點(diǎn)拓?fù)涫冀K顯示疏散安置中心點(diǎn)拓?fù)涫冀K顯示事件發(fā)生地點(diǎn)拓?fù)涫冀K顯示3．系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)（1）系統(tǒng)菜單設(shè)計(jì)圖12-3系統(tǒng)菜單設(shè)計(jì)系統(tǒng)菜單設(shè)計(jì)采用以功能定義菜單的方法分為：項(xiàng)目管理、地圖、空間分析、屬性維護(hù)、外部數(shù)據(jù)維護(hù)、空間查詢、故障點(diǎn)、窗口、系統(tǒng)信息等9個菜單如圖12-3所示，每個菜單下設(shè)具體的菜單項(xiàng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。（2）系統(tǒng)界面布局系統(tǒng)主界面上，用工具條將相應(yīng)的常用功能體現(xiàn)出來。數(shù)據(jù)管理窗口是對數(shù)據(jù)、地圖、布局、資源的一個綜合管理窗口如圖12-4所示，采用動態(tài)調(diào)用隨時加載的形式。動態(tài)跟蹤、點(diǎn)視圖、鷹眼視圖三合一集中到一個小的視圖窗口中，也是在需要時動態(tài)加載。圖12-4是主窗口和動態(tài)窗口同時顯示的狀態(tài)。圖12-4系統(tǒng)界面布局三、系統(tǒng)開發(fā)1．系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境硬件系統(tǒng)：主機(jī)，聯(lián)想奔月2000；CPU，PⅢ800；內(nèi)存，128MB；硬盤，20GB。操作系統(tǒng)：Windows2000ProfessionalSP2。開發(fā)工具：VisualBasic6.0SP5。開發(fā)平臺：SuperMap2000組件2.系統(tǒng)開發(fā)思想整個系統(tǒng)開發(fā)采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，利用可視化開發(fā)工具VisualBasic6.0對SuperMap2000的組件進(jìn)行二次開發(fā)，包括SuperMap、SuperWkspManager、SuperTopo、SuperGridView等。圖12-5是該系統(tǒng)的功能框架圖，從宏觀上描述了系統(tǒng)的主要功能和采用的SuperMap2000組件，以及功能模塊之間的關(guān)系。圖12-6是系統(tǒng)的核心模塊“多目標(biāo)動態(tài)跟蹤”的程序流程，該模塊可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)按照預(yù)定的路線進(jìn)行疏散，并且在任意目標(biāo)的行進(jìn)路線上發(fā)生故障（道路損壞等）時，根據(jù)具體情況重新選擇新的行進(jìn)路線繼續(xù)行進(jìn)。工作空間工作空間地圖管理符號庫數(shù)據(jù)管理SuperWkspManager地圖顯示SuperMap空間分析SuperTopo動態(tài)跟蹤點(diǎn)視圖鷹眼顯示拓?fù)浣⒙窂椒治隹臻g查詢空間數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)顯示SuperGridView圖12-5系統(tǒng)功能框架圖疏散目標(biāo)前進(jìn)疏散目標(biāo)前進(jìn)重新選擇路線MdlPathAnalyst到達(dá)疏散目的地路徑選擇設(shè)定預(yù)案疏散開始(實(shí)際或模擬)路線可行是否道路故障有無到達(dá)前故障能否排除否能圖12-6動態(tài)跟蹤模塊流程圖第二節(jié)網(wǎng)絡(luò)數(shù)字土地系統(tǒng)設(shè)計(jì)隨著信息技術(shù)的發(fā)展，特別是Internet技術(shù)和應(yīng)用的廣泛傳播，又加之“數(shù)字地球”概念的提出，土地信息系統(tǒng)的形式發(fā)生了很大的變化，人們迫切期待“網(wǎng)絡(luò)數(shù)字土地系統(tǒng)”的出現(xiàn)。本節(jié)將就一個范例向大家介紹如何設(shè)計(jì)一個基于Internet/Intranet的數(shù)字土地系統(tǒng)。一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)及思路信息化是當(dāng)今時代發(fā)展的必然趨勢，同時也為土地管理部門采用現(xiàn)代信息技術(shù)提高土地管理的水平、質(zhì)量和效率提供了新的機(jī)遇同時也帶來了新的挑戰(zhàn)。利用現(xiàn)代先進(jìn)的信息技術(shù)，建立土地信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)土地管理的辦公自動化，減少土地管理人員繁雜的手工勞動，提高工作質(zhì)量和效率；及時把握土地資源的發(fā)展與變化的動態(tài)信息，摸清土地資源的家底，為管理和決策提供高效和科學(xué)的信息服務(wù)，已經(jīng)成為土地管理必不可少的手段。我們要設(shè)計(jì)的是一個地級市的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字土地系統(tǒng)，系統(tǒng)建成一個數(shù)據(jù)安全，可用性強(qiáng)，功能穩(wěn)定，配置簡單方便的空間型客戶關(guān)系管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)首先將運(yùn)行于市局內(nèi)部，以后也要將下級土地部門包括進(jìn)來。系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)土地局內(nèi)部以圖文一體化為核心的土地登記、建設(shè)用地管理、測繪、土地監(jiān)察、辦公辦文等的辦公自動化，實(shí)現(xiàn)局內(nèi)部信息資源的共享；按照政務(wù)公開原則和“窗口接辦”等管理制度的要求，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的計(jì)算機(jī)管理和監(jiān)控以及土地政策信息的發(fā)布；實(shí)現(xiàn)城市土地管理的計(jì)算機(jī)輔助決策與分析。從而促進(jìn)土地局業(yè)務(wù)管理的科學(xué)化、規(guī)范化和信息化，提高全局業(yè)務(wù)管理和決策的水平、質(zhì)量和效率。二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)1．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)的建設(shè)的總體目標(biāo)，系統(tǒng)按功能軟件構(gòu)成可分四個部分：工作流管理系統(tǒng)（WFMS）、辦公自動化系統(tǒng)（OAS）、GIS應(yīng)用系統(tǒng)（GAS）、信息發(fā)布系統(tǒng)（IPS），其結(jié)構(gòu)如圖12-7所示。工作流管理系統(tǒng)主要是對系統(tǒng)工作流程和信息流進(jìn)行調(diào)控，按照業(yè)務(wù)流程和規(guī)則，實(shí)現(xiàn)信息的路由（Route），并對工作過程和進(jìn)度進(jìn)行控制，控制GIS應(yīng)用和辦公自動化組件的調(diào)用和信息傳輸。辦公自動化系統(tǒng)為工作人員日常辦公提供各種信息處理工具，主要是文檔、表格的錄入、修改、查詢檢索、統(tǒng)計(jì)分析、輸出（屏幕顯示、打印輸出）等處理，屬傳統(tǒng)的管理信息系統(tǒng)（MIS）的范疇。GIS應(yīng)用系統(tǒng)主要是為工作人員提供業(yè)務(wù)管理所需空間數(shù)據(jù)錄入、修改、查詢檢索、統(tǒng)計(jì)分析、制圖等功能，是GIS技術(shù)針對規(guī)劃國土管理業(yè)務(wù)的應(yīng)用。辦公自動化系統(tǒng)與GIS應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際情況或場景（scene）,由工作流管理系統(tǒng)統(tǒng)一控制，集成于一體，使辦公自動化系統(tǒng)與GIS應(yīng)用系統(tǒng)對具體用戶來說是一體的、無縫的。信息發(fā)布系統(tǒng)是將土地管理有關(guān)信息Internet向公眾發(fā)布，系統(tǒng)所發(fā)布的信息包括空間信息和非空間信息。近期，信息發(fā)布主要是單向的，即土地局向社會發(fā)布信息。今后，隨著技術(shù)的發(fā)展和管理體制的變革，將考慮實(shí)現(xiàn)通過Internet實(shí)現(xiàn)信息的雙向交流，如通過Internet實(shí)現(xiàn)電子報(bào)件。工作流管理系統(tǒng)（WFMS）工作流管理系統(tǒng)（WFMS）信息發(fā)布系統(tǒng)（IPS）辦公自動化系統(tǒng)（OAS）GIS應(yīng)用系統(tǒng)（GAS）圖12-7網(wǎng)絡(luò)數(shù)字土地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖本系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖12-8所示。用戶層用戶層提供給用戶一個視覺上的界面，通過用戶層，用戶輸入數(shù)據(jù)、獲取數(shù)據(jù)。用戶層也提供一定的安全保障，確保用戶沒有機(jī)會看到機(jī)密的信息。邏輯層邏輯層是用戶層和數(shù)據(jù)層的橋梁與核心，它響應(yīng)用戶層的用戶請求，執(zhí)行任務(wù)并從數(shù)據(jù)層抓取數(shù)據(jù)，并將必要的數(shù)據(jù)傳送給用戶層。數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)層定義、維護(hù)數(shù)據(jù)的完整性、安全性，它響應(yīng)邏輯層的請求，訪問數(shù)據(jù)。這一層通常由大型的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，如Oracle、Sybase、SQLServer等。屬性數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)庫普通Web服務(wù)器和GISWeb服務(wù)器（IIS&SIS）GIS組件屬性數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)庫普通Web服務(wù)器和GISWeb服務(wù)器（IIS&SIS）GIS組件Html頁面Html頁面網(wǎng)絡(luò)數(shù)字土地系統(tǒng)用戶層邏輯層數(shù)據(jù)層圖12-8數(shù)字土地系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)示意在市局內(nèi)部采用星型局域網(wǎng)連接，然后再和Internet相連，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D（圖12-9）如下：InternetInternet交換機(jī)工作站數(shù)據(jù)服務(wù)器打印機(jī)掃描儀光盤刻錄機(jī)Web服務(wù)器防火墻瀏覽器（客戶端）瀏覽器（客戶端）瀏覽器（客戶端）瀏覽器（客戶端）圖12-9網(wǎng)絡(luò)數(shù)字土地系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D三、軟、硬件支持1．開發(fā)平臺硬件： 網(wǎng)絡(luò)100M局域網(wǎng)開發(fā)工作站CPU、PⅢ800MHz以上、內(nèi)存、128M(PC100)以上、硬盤20GB以上軟件：數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）：GIS平臺：c)操作系統(tǒng)及Internet服務(wù)平臺d)軟件開發(fā)平臺（工具）：2．運(yùn)行平臺硬件：網(wǎng)絡(luò)至少100M局域網(wǎng)Web服務(wù)器數(shù)據(jù)服務(wù)器圖形工作站用戶終端軟件a)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）：b)GIS平臺：SuperMap安裝在Web服務(wù)器上；c)操作系統(tǒng)及Internet服務(wù)平臺：Windows2000Server操作系統(tǒng)及其自帶的IIS4.0安裝在Web服務(wù)器上，Windows2000Professional（推薦）或WindowsME或Windows98安裝在客戶終端上。四、系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)及技術(shù)細(xì)節(jié)1．系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)數(shù)字土地系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)是基于B/S（Browser/Server）架構(gòu)的軟件體系。包括日常性業(yè)務(wù)，如土地登記、建設(shè)用地審批、土地征遷管理、土地監(jiān)察、土地市場管理、土地開發(fā)復(fù)墾管理、地產(chǎn)評估、土地收購儲備等子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)的功能如表12-2所示：表12-2數(shù)字土地系統(tǒng)子系統(tǒng)功能表子系統(tǒng)名稱主要功能簡介地籍調(diào)查與土地測量實(shí)現(xiàn)地籍調(diào)查的各項(xiàng)功能，包括地形修改和編輯，宗地和權(quán)利人屬性錄入與編輯，地籍調(diào)查表的生成和打印。土地登記實(shí)現(xiàn)各種土地登記（變更登記、初始登記和他項(xiàng)權(quán)利登記）業(yè)務(wù)的受理、初審、審核和審批；實(shí)現(xiàn)審批表、土地證書及登記卡、歸戶卡等打印輸出；實(shí)現(xiàn)地籍圖和宗地地圖制圖。建設(shè)用地審批土地征遷管理集體土地征用、安置補(bǔ)償費(fèi)用計(jì)算、劃撥信息的錄入、修改、查詢檢索和統(tǒng)計(jì)分析，辦理征地手續(xù)等。集體土地土地征用與拆遷信息的錄入、修改、統(tǒng)計(jì)與分析。征遷方案比選、補(bǔ)償安置費(fèi)用計(jì)算。土地市場管理國有土地收購儲備、招標(biāo)、拍賣，舊公有住房的出售，地價信息錄入、修改、查詢檢索和統(tǒng)計(jì)分析，辦理土地出讓、轉(zhuǎn)讓手續(xù)等。地價評估土地分等定級與基準(zhǔn)地價評估、地價調(diào)整、統(tǒng)計(jì)分析及公告等。土地利用規(guī)劃錄入、更新、查詢、檢索、統(tǒng)計(jì)、分析土地利用現(xiàn)狀信息（該市及其下屬的所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村各用地類型的占地面積）及土地利用規(guī)劃成果，輔助日常的土地利用規(guī)劃管理和設(shè)計(jì)、年度土地利用計(jì)劃計(jì)算機(jī)輔助編制和報(bào)表生成。土地開發(fā)復(fù)墾農(nóng)用地整理，建設(shè)用地整理，未利用土地開發(fā)，廢棄地復(fù)墾、耕地開發(fā)項(xiàng)目儲備庫管理等。土地監(jiān)察對各類信訪案件，非法用地信息審查、查處，信息的錄入、修改、查詢檢索、統(tǒng)計(jì)、分析及輸出等。工作流日常審批業(yè)務(wù)的受理資料的錄入、修改、查詢，審理信息的傳遞，審理流程的監(jiān)控，審理信息的查詢、公告，審批項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)。土地檔案管理土地檔案登錄、歸檔、調(diào)閱登記及查詢，電子檔案的歸檔。公文管理局長辦公支持對局內(nèi)外來文及局內(nèi)發(fā)文錄入、修改、查詢檢索及審批功能；為局長了解全局業(yè)務(wù)處理狀況、財(cái)政收支狀況、人員狀況，指揮各個科室協(xié)調(diào)運(yùn)作提供支持，可以通過網(wǎng)絡(luò)對全局各項(xiàng)業(yè)務(wù)進(jìn)行了解。包括業(yè)務(wù)審批和進(jìn)程監(jiān)控、收支查詢、人事查詢與安排、辦文與網(wǎng)絡(luò)自動傳文。信息發(fā)布通過窗口的大屏幕顯示系統(tǒng)、觸摸查詢系統(tǒng)及Internet發(fā)布土地管理的政策法規(guī)信息、業(yè)務(wù)審批流程及有關(guān)信息、公告及該市的各種土地信息（如城市基礎(chǔ)地理信息、基準(zhǔn)地價等），這些信息除一般的多媒體信息外，還應(yīng)包括動態(tài)的空間信息（即GIS數(shù)據(jù)）。另外通過Internet接收社會的反饋信息，如違法用地舉報(bào)、土地爭議等。系統(tǒng)管理用于用戶權(quán)限設(shè)置，系統(tǒng)的備份和恢復(fù)，數(shù)據(jù)字典和元數(shù)據(jù)管理等。這些子系統(tǒng)主要為內(nèi)部管理和業(yè)務(wù)管理服務(wù)，其中為業(yè)務(wù)管理服務(wù)的子系統(tǒng)，如地籍管理、建設(shè)用地審批、土地利用規(guī)劃、土地市場管理、征地拆遷等子系統(tǒng)將分別針對日常性業(yè)務(wù)和非日常性業(yè)務(wù)進(jìn)行開發(fā)。對于日常性業(yè)務(wù)，系統(tǒng)將通過工作流管理系統(tǒng)進(jìn)行管理，使業(yè)務(wù)子系統(tǒng)與窗口子系統(tǒng)緊密的集成。而非日常性業(yè)務(wù)對應(yīng)的模塊則相對獨(dú)立，自成體系。系統(tǒng)詳細(xì)功能如下：（1）數(shù)據(jù)編輯與更新模塊（2）顯示控制模塊（3）數(shù)據(jù)質(zhì)量控制模塊（4）查詢統(tǒng)計(jì)模塊2．?dāng)?shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)（1）原則數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的前提，是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，也是衡量系統(tǒng)好壞的一個重要的因素。在進(jìn)行土地?cái)?shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)時考慮的原則是：便于調(diào)查數(shù)據(jù)的管理維護(hù)，特別是對變更調(diào)查數(shù)據(jù)的更新和維護(hù)；結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存貯，如各種審批表及屬性數(shù)據(jù)。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用Html、Doc、PDF格式存貯，最終的存檔文檔采用PDF。通過建立空間實(shí)體之間的時間變化關(guān)系表的形式，解決地籍管理、土地利用等方面的空間實(shí)體（宗地、土地利用地塊）歷史數(shù)據(jù)的保存問題。確保數(shù)據(jù)共享性、應(yīng)用數(shù)據(jù)一致性，完備性和安全性。要處理好集中式與分布式數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)問題，采用分布式數(shù)據(jù)庫提高遠(yuǎn)程系統(tǒng)的訪問效率。要建立元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)字典。（2)組成土地管理數(shù)據(jù)可分為空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)主要以地籍圖、土地利用現(xiàn)狀圖和土地總體規(guī)劃圖等土地管理的基礎(chǔ)和專題地圖的形式存在，包括圖形和屬性數(shù)據(jù)。非空間數(shù)據(jù)主要是以各種文檔、報(bào)表和多媒體等形式存在，包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要是指有一定結(jié)構(gòu)，可以劃分出固定的基本組成要素，以表格的形式表達(dá)的數(shù)據(jù)，可用關(guān)系數(shù)據(jù)庫的表、視圖表示，如各種申請表、審批表等；而非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)是指沒有明顯結(jié)構(gòu)，無法劃分出固定的基本組成元素的數(shù)據(jù)，主要是一些文檔、多媒體數(shù)據(jù)，如申請材料、各種文件、法規(guī)等。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)管理，必須將這些數(shù)據(jù)由現(xiàn)有的模擬方式轉(zhuǎn)換為電子格式的數(shù)據(jù)，建立文檔數(shù)據(jù)庫。按數(shù)據(jù)特征分類，本數(shù)字土地系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫可分為空間數(shù)據(jù)庫、非空間數(shù)據(jù)庫，非空間數(shù)據(jù)庫又可分為非空間關(guān)系數(shù)據(jù)庫和文檔數(shù)據(jù)庫。其組成如圖12-10所示。網(wǎng)絡(luò)數(shù)字土地系統(tǒng)地籍網(wǎng)絡(luò)數(shù)字土地系統(tǒng)地籍管理數(shù)據(jù)庫建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)庫土地征遷數(shù)據(jù)庫土地利用數(shù)據(jù)庫土地監(jiān)察數(shù)據(jù)庫土地市場數(shù)據(jù)庫公文管理數(shù)據(jù)庫窗口辦文數(shù)據(jù)庫政策法規(guī)數(shù)據(jù)庫土地檔案數(shù)據(jù)庫信息發(fā)布數(shù)據(jù)庫SQLServer數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)庫SDB/DWG/E00非空間關(guān)系數(shù)據(jù)庫文檔數(shù)據(jù)庫HTML/PDF/DOC圖12-10數(shù)字土地系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組成圖五、數(shù)字土地系統(tǒng)展望隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，Internet不斷普及，GIS應(yīng)用面的不斷擴(kuò)大，應(yīng)用程度的不斷深入，數(shù)字土地系統(tǒng)將全面由局域網(wǎng)走向Internet，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和GIS技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)真正的Internet網(wǎng)絡(luò)辦公是信息化發(fā)展的需求；地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，到一定階段，地理信息系統(tǒng)應(yīng)以服務(wù)為主，不再是純粹的開發(fā)，地理信息系統(tǒng)開發(fā)商應(yīng)不斷的向用戶，提供系統(tǒng)升級服務(wù)和其他方面的服務(wù)。

第十三章3S集成技術(shù)與數(shù)字地球?qū)W習(xí)目標(biāo)·掌握3S的基本概念·了解GIS與RS集成的形式和應(yīng)用·了解GIS與GPS集成的應(yīng)用·了解3S集成技術(shù)·掌握數(shù)字地球的基本概念·了解數(shù)字地球的核心技術(shù)及其應(yīng)用·掌握國家信息基礎(chǔ)設(shè)施與國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施基本概念·了解我國國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)內(nèi)容地理信息系統(tǒng)是一個多學(xué)科集成的空間信息系統(tǒng)，遙感（RS）技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，使得遙感已經(jīng)成為GIS最主要的數(shù)據(jù)源，全球定位系統(tǒng)（GPS）則為GIS提供實(shí)時的地球空間中任意一點(diǎn)的高精度定位信息。3S（GIS、GPS、RS）的集成已經(jīng)成為GIS的發(fā)展趨勢?！皵?shù)字地球”，一個凝聚著全人類美好夢想的目標(biāo)，已經(jīng)成為風(fēng)靡全球的名詞，它提供了我們?nèi)祟愓J(rèn)識地球的一種全新的方式，對人類與自然的協(xié)調(diào)和平衡將起到不可估量的作用。數(shù)字地球的核心思想是用數(shù)字化手段統(tǒng)一的處理地球問題和最大限度的利用信息資源，它是地理信息系統(tǒng)的延伸和最終的發(fā)展歸宿。第一節(jié)3S集成技術(shù)雖然GIS在理論和應(yīng)用技術(shù)上已經(jīng)有了很大發(fā)展，但單純的GIS并不能滿足目前社會對信息快速、準(zhǔn)確更新的要求。GPS、RS的出現(xiàn)和飛速發(fā)展為GIS適應(yīng)社會的發(fā)展提供了可能性。RS目前已經(jīng)成為GIS最重要的數(shù)據(jù)源，在大面積資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測等方面發(fā)揮了重要的作用。遙感技術(shù)在空間分辨率光譜分辨率和時間分辨率上都在飛速發(fā)展和提高，擔(dān)負(fù)著越來越重要的作用。GPS是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電測時定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，可為航空、航天、陸地、海洋等方面的用戶提供不同精度的在線或離線的空間定位數(shù)據(jù)。國際上“3S”的研究和應(yīng)用開始向集成化（或一體化）方向發(fā)展。在3S集成應(yīng)用中，GPS主要用于實(shí)時、快速的提供目標(biāo)的空間位置；RS用于實(shí)時或準(zhǔn)實(shí)時的提供目標(biāo)及其環(huán)境的語義或非語義信息，發(fā)現(xiàn)地球表面上的各種變化，及時的對GIS進(jìn)行數(shù)據(jù)更新；GIS則是對多種來源的時空數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理、集成管理和動態(tài)存取，作為新的集成系統(tǒng)平臺，并為智能化數(shù)據(jù)采集提供地學(xué)知識。一、GIS與遙感的集成簡而言之，地理信息系統(tǒng)是用于分析和顯示空間數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，而遙感影像是空間數(shù)據(jù)的一種形式，類似于GIS中的柵格數(shù)據(jù)。因而，很容易在數(shù)據(jù)層次上實(shí)現(xiàn)地理信息系統(tǒng)與遙感的集成，但是實(shí)際上，遙感圖像的處理和GIS中柵格數(shù)據(jù)的分析具有較大的差異，遙感圖像處理的目的是為了提取各種專題信息，其中的一些處理功能，如圖像增強(qiáng)、濾波、分類，以及一些特定的變換處理(如陸地衛(wèi)星影像的KT變換)等，并不適用于GIS中的柵格空間分析，目前大多數(shù)GIS軟件也沒有提供完善的遙感數(shù)據(jù)處理功能，而遙感圖像處理軟件又不能很好地處理GIS數(shù)據(jù)，這需要實(shí)現(xiàn)集成的GIS。在軟件實(shí)現(xiàn)上，GIS與遙感的集成，可以有以下三個不同的層次[Ehlers]：①分離的數(shù)據(jù)庫，通過文件轉(zhuǎn)換工具在不同系統(tǒng)之間傳輸文件；②兩個軟件模塊具有一致的用戶界面和同步的顯示；③集成的最高目的是實(shí)現(xiàn)單一的、提供了圖像處理功能的GIS軟件系統(tǒng)。在一個遙感和地理信息系統(tǒng)的集成系統(tǒng)中，遙感數(shù)據(jù)是GIS的重要信息來源，而GIS則可以作為遙感圖像解譯的強(qiáng)有力的輔助工具，具體而言，有以下的應(yīng)用方面[J．C．Hinton]：1.GIS作為圖像處理工具將GIS作為遙感圖像的處理工具，可以在以下幾個方面增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的圖像處理功能：①幾何糾正和輻射糾正在遙感圖像的實(shí)際應(yīng)用中，需要首先將其轉(zhuǎn)換到某個地理坐標(biāo)系下，即進(jìn)行幾何糾正。通常幾何糾正的方法是利用采集地面控制點(diǎn)建立多項(xiàng)式擬合公式，它們可以從GIS的矢量數(shù)據(jù)庫中抽取出來，然后確定每個點(diǎn)在圖像上對應(yīng)的坐標(biāo)，并建立糾正公式。在糾正完成后，可以將矢量點(diǎn)疊加在圖像上，以判斷糾正的效果。為了完成上述功能，需要系統(tǒng)能夠綜合處理柵格和矢量數(shù)據(jù)。一些遙感影像，會因?yàn)榈匦蔚挠绊懚a(chǎn)生幾何畸變，如側(cè)視雷達(dá)(Dideways-lookingradar)圖像的疊掩(Layover)、陰影(Shadow)、前向壓縮(Foreshortening)等等，進(jìn)行糾正、解譯時需要使用DEM數(shù)據(jù)以消除畸變。此外，由于地形起伏引起光照的變化，也會在遙感圖像上表現(xiàn)出來，如陰坡和陽坡的亮度差別，可以利用DEM進(jìn)行輻射糾正，提高圖像分類的精度。②圖像分類對于遙感圖像分類，與GIS集成最明顯的好處是訓(xùn)練區(qū)的選擇，通過矢量／柵格的綜合查詢，可以計(jì)算多邊形區(qū)域的圖像統(tǒng)計(jì)特征，評判分類效果，進(jìn)而改善分類方法。此外，在圖像分類中，可以將矢量數(shù)據(jù)柵格化，并作為“遙感影像”參與分類，可以提高分類精度，例如，考慮到植被的垂直分帶特性，在進(jìn)行山區(qū)的植被分類時，可以結(jié)合DEM，將其作為一個分類變量。③感興趣區(qū)域的選取在一些遙感圖像處理中，常常需要只對某一區(qū)域進(jìn)行運(yùn)算，以提取某些特征，這需要柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)之間的相交運(yùn)算。2.遙感數(shù)據(jù)作為GIS的信息來源數(shù)據(jù)是GIS中最為重要的成分，而遙感提供了廉價的、準(zhǔn)確的、實(shí)時的數(shù)據(jù)，目前如何從遙感數(shù)據(jù)中自動獲取地理信息依然是一個重要的研究課題，包括：①線以及其他地物要素的提取在圖像處理中，有許多邊緣檢測(EdgeDetection)濾波算子，可以用于提取區(qū)域的邊界(如水陸邊界)以及線形地物(如道路、斷層等)，其結(jié)果可以用于更新現(xiàn)有的GIS數(shù)據(jù)庫，該過程類似于掃描圖像的矢量化。②DEM數(shù)據(jù)的生成利用航空立體像對(StereoImages)以及雷達(dá)影像，可以生成較高精度的DEM數(shù)據(jù)。③土地利用變化以及地圖更新利用遙感數(shù)據(jù)更新空間數(shù)據(jù)庫，最直接的方式就是將糾正后的遙感圖像作為背景底圖，并根據(jù)其進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)的編輯修改。而對遙感圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，得到的結(jié)果可以添加到GIS數(shù)據(jù)庫中。因?yàn)閳D像分類結(jié)果是柵格數(shù)據(jù)，所以通常要進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)矢量運(yùn)算；如果不進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以直接利用柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，則需要系統(tǒng)提供柵格／矢量相交檢索功能。因?yàn)檫b感圖像可以視為一種特殊的柵格數(shù)據(jù)，所以實(shí)現(xiàn)遙感和GIS的集成的工具軟件的關(guān)鍵是提供非常方便的柵格／矢量數(shù)據(jù)相互操作和相互轉(zhuǎn)換功能，但是要注意的是，由于各種因素的影響，使得從遙感數(shù)據(jù)中提取的信息不是絕對準(zhǔn)確的，在通常的土地利用分類中，90％的分類精度就是相當(dāng)可觀的結(jié)果，因而需要野外實(shí)際的考察驗(yàn)證——在這個過程中可以使用GPS進(jìn)行定位。此外，還要考慮尺度問題，即遙感影像空間分辨率和GIS數(shù)據(jù)比例尺的對應(yīng)關(guān)系，例如在實(shí)踐中，一個常見的問題是：地面分辨率為30m的TM數(shù)據(jù)，進(jìn)行幾何糾正時，需要多大比例尺的地形圖以采集地面控制點(diǎn)坐標(biāo)，而其分類結(jié)果可以用來更新多大比例尺的土地利用數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，合適的比例尺為1:5萬到1:10萬，太大則遙感數(shù)據(jù)精度不夠，過小則是對遙感數(shù)據(jù)的“浪費(fèi)”。二、GIS與全球定位系統(tǒng)的集成作為實(shí)時提供空間定位數(shù)據(jù)的技術(shù)，GPS可以與地理信息系統(tǒng)進(jìn)行集成，以實(shí)現(xiàn)不同的具體應(yīng)用目標(biāo)：1．定位主要在諸如旅游、探險(xiǎn)等需要室外動態(tài)定位信息的活動中使用。如果不與GIS集成，利用GPS接收機(jī)和紙質(zhì)地形圖，也可以實(shí)現(xiàn)空間定位；但是通過將GPS接收機(jī)連接在安裝GIS軟件和該地區(qū)空間數(shù)據(jù)的便攜式計(jì)算機(jī)上，可以方便地顯示GPS接收機(jī)所在位置并實(shí)時顯示其運(yùn)動軌跡，進(jìn)而可以利用GIS提供的空間檢索功能，得到定位點(diǎn)周圍的信息，從而實(shí)現(xiàn)決策支持。2．測量主要應(yīng)用于土地管理、城市規(guī)劃等領(lǐng)域，利用GPS和GIS的集成，可以測量區(qū)域的面積或者路徑的長度。該過程類似于利用數(shù)字化儀進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入，需要跟蹤多邊形邊界或路徑，采集抽樣后的頂點(diǎn)坐標(biāo)，并將坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過GIS記錄，然后計(jì)算相關(guān)的面積或長度數(shù)據(jù)。在進(jìn)行GPS測量時，要注意以下一些問題，首先，要確定GPS的定位精度是否滿足測量的精度要求，如對宅基地的測量，精度需要達(dá)到厘米級，而要在野外測量一個較大區(qū)域的面積，米級甚至幾十米級的精度就可以滿足要求；其次，對不規(guī)則區(qū)域或者路徑的測量，需要確定采樣原則，采樣點(diǎn)選取的不同，會影響到最后的測量結(jié)果。3．監(jiān)控導(dǎo)航用于車輛、船只的動態(tài)監(jiān)控，在接收到車輛、船只發(fā)回的位置數(shù)據(jù)后，監(jiān)控中心可以確定車船的運(yùn)行軌跡，進(jìn)而利用GIS空間分析工具，判斷其運(yùn)行是否正常，如是否偏離預(yù)定的路線，速度是否異常(靜止)等等，在出現(xiàn)異常時，監(jiān)控中心可以提出相應(yīng)的處理措施，其中包括向車船發(fā)布導(dǎo)航指令。圖13-1描述了GIS與GPS集成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，為了實(shí)現(xiàn)與GPS的集成，GIS系統(tǒng)必須能夠接收GPS接收機(jī)發(fā)送的GPS數(shù)據(jù)(一般是通過串口通信)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如通過投影變換將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為GIS數(shù)據(jù)所采用的參照系中的坐標(biāo)，最后進(jìn)行各種分析運(yùn)算，其中坐標(biāo)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示以及數(shù)據(jù)存儲是其基本功能。圖13-1GIS與GPS集成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖13-1GIS與GPS集成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型地理信息系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)記錄定位測量監(jiān)控導(dǎo)航GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)接口數(shù)據(jù)處理三、3S集成概述3S技術(shù)為科學(xué)研究、政府管理、社會生產(chǎn)提供了新一代的觀測手段、描述語言和思維工具。3S的結(jié)合應(yīng)用，取長補(bǔ)短，是一個自然的發(fā)展趨勢，三者之間的相互作用形成了“一個大腦，兩只眼睛”的框架，即RS和GPS向GIS提供或更新區(qū)域信息以及空間定位，GIS進(jìn)行相應(yīng)的空間分析如圖13-2所示，以從RS和GPS提供的浩如煙海的數(shù)據(jù)中提取有用信息，并進(jìn)行綜合集成，使之成為決策的科學(xué)依據(jù)。GIS、RS和GPS三者集成利用，構(gòu)成為整體的、實(shí)時的和動態(tài)的對地觀測、分析和應(yīng)用的運(yùn)行系統(tǒng)，提高了GIS的應(yīng)用效率。在實(shí)際的應(yīng)用中，較為常見的是3S兩兩之間的集成，如GIS／RS集成，GIS／GPS集成或者RS/GPS集成等，但是同時集成并使用3S技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例則較少。美國Ohio大學(xué)與公路管理部門合作研制的測繪車是一個典型的3S集成應(yīng)用，它將GPS接收機(jī)結(jié)合一臺立體視覺系統(tǒng)載于車上，在公路上行駛以取得公路以及兩旁的環(huán)境數(shù)據(jù)并立即自動整理存儲于GIS數(shù)據(jù)庫中。測繪車上安裝的立體視覺系統(tǒng)包括有兩個CCD攝像機(jī)，在行進(jìn)時，每秒曝光一次，獲取并存儲一對影像，并作實(shí)時自動處理。GPSGPSRSGIS圖13-23S的相互作用與集成RS、GIS、GPS集成的方式可以在不同的技術(shù)水平上實(shí)現(xiàn)，最簡單的辦法是三種系統(tǒng)分開而由用戶綜合使用，進(jìn)一步是三者有共同的界面，做到表面上無縫的集成，數(shù)據(jù)傳輸則在內(nèi)部通過特征碼相結(jié)合，最好的辦法是整體的集成，成為統(tǒng)一的系統(tǒng)。單純從軟件實(shí)現(xiàn)的角度來看，開發(fā)3S集成的系統(tǒng)在技術(shù)上并沒有多大的障礙。目前一般工具軟件的實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案是：通過支持柵格數(shù)據(jù)類型及相關(guān)的處理分析操作以實(shí)現(xiàn)與遙感的集成，而通過增加一個動態(tài)矢量圖層與GPS集成。對于3S集成技術(shù)而言，最重要的是在應(yīng)用中綜合使用遙感以及全球定位系統(tǒng)，利用其實(shí)時、準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)的能力，降低應(yīng)用成本或者實(shí)現(xiàn)一些新的應(yīng)用。3S集成技術(shù)的發(fā)展，形成了綜合的、完整的對地觀測系統(tǒng)，提高了人類認(rèn)識地球的能力；相應(yīng)地，它拓展了傳統(tǒng)測繪科學(xué)的研究領(lǐng)域。作為地理學(xué)的一個分支學(xué)科，Geomatics產(chǎn)生并對包括遙感、全球定位系統(tǒng)在內(nèi)的現(xiàn)代測繪技術(shù)的綜合應(yīng)用進(jìn)行探討和研究。同時，它也推動了其他一些相聯(lián)系的學(xué)科的發(fā)展，如地球信息科學(xué)、地理信息科學(xué)等，它們成為“數(shù)字地球”這一概念提出的理論基礎(chǔ)。第二節(jié)數(shù)字地球簡介數(shù)字地球(DE)是一定經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)上的特定時代的產(chǎn)物，1992年，美國副總統(tǒng)戈?duì)柺紫仍凇稙l臨失衡的地球》一書中從全球生態(tài)環(huán)境和氣候變化的角度提出了這一概念，但當(dāng)時并沒有得到強(qiáng)烈的響應(yīng)。6年后，他在加利福尼亞科學(xué)中心作了題為“數(shù)字地球認(rèn)識21世紀(jì)我們這顆星球（TheDigitalEarth:UnderstandingOurPlanetinthe21thCentury）”的報(bào)告,第一次比較系統(tǒng)的闡述了數(shù)字地球的概念：“我相信我們需要一個’數(shù)字地球’，即一種可以嵌入海量地理數(shù)據(jù)、多分辨率和三維的地球表示?！币?、數(shù)字地球的基本概念數(shù)字地球最終是要建立全球范圍內(nèi)以地理位置及其相互關(guān)系為基礎(chǔ)的信息框架，在該框架內(nèi)嵌入我們所能獲得的信息，是一個以信息高速公路為基礎(chǔ)，以空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施為依托而更加廣泛的概念。陳述彭院士指出：“從科學(xué)的角度講，數(shù)字地球通俗易懂，是一個面向社會的號召，實(shí)質(zhì)地說，數(shù)字地球就是要求地球上的信息全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字化”。目前國內(nèi)比較統(tǒng)一的觀點(diǎn)認(rèn)為，數(shù)字地球是指以地球作為對象的、以地理坐標(biāo)為依據(jù)，具有多分辨率、海量的和多種數(shù)據(jù)融合的，并可用多媒體和虛擬技術(shù)進(jìn)行多維表達(dá)的，具有空間化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化特征的技術(shù)系統(tǒng)。也可以說，數(shù)字地球是指數(shù)字化的虛擬地球。形象地說，數(shù)字地球是指整個地球經(jīng)過數(shù)字化之后由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來管理的技術(shù)系統(tǒng)。綜上所述，數(shù)字地球的基本概念，可以歸納為以下三個方面：數(shù)字地球是指數(shù)字化三維顯示的虛擬地球，是信息化的地球，它是包括數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化與可視化的技術(shù)系統(tǒng)；實(shí)施數(shù)字地球計(jì)劃，需要政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界共同協(xié)力參加。實(shí)施數(shù)字地球計(jì)劃是社會行為，需全社會來關(guān)心和支持。數(shù)字地球是一次新的技術(shù)革命，將改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)和生活方式，進(jìn)一步促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和推動社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步。數(shù)字地球?qū)⒉煌臻g、時間、物質(zhì)和能量的多種分辨率的有關(guān)資源、環(huán)境、社會、經(jīng)濟(jì)和人口等海量數(shù)據(jù)或信息，按地理坐標(biāo)從局部到整體，從區(qū)域到全球進(jìn)行整合、融合、顯示，并能為解決復(fù)雜生產(chǎn)實(shí)踐和知識創(chuàng)新、技術(shù)開發(fā)與理論研究提供實(shí)驗(yàn)條件和試驗(yàn)基地(包括仿真和虛擬實(shí)驗(yàn))，其意義在于它代表了當(dāng)前科技的發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)和方向。二、數(shù)字地球的核心技術(shù)為了解決數(shù)字地球中的數(shù)字化、信息化以及應(yīng)用問題，需要研究以下關(guān)鍵技術(shù)：科學(xué)計(jì)算、海量存儲、寬帶網(wǎng)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取、元數(shù)據(jù)、互操作等等。下面對這些相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡單的描述。1．信息高速公路和計(jì)算機(jī)寬帶高速網(wǎng)一個數(shù)字地球所需要的數(shù)據(jù)已不能通過單一的數(shù)據(jù)庫來存貯，而需要由成千上萬的不同組織來維護(hù)。這意味著參與數(shù)字地球的服務(wù)器將需要由高速網(wǎng)絡(luò)來連接。為此，美國前總統(tǒng)克林頓早在1993年2月就提出實(shí)施美國國家信息基礎(chǔ)設(shè)施（NII），通俗形象地稱為信息高速公路，它主要由計(jì)算機(jī)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)終端組成。美國為此計(jì)劃投入4000億美元，耗時20年。到2000年的目標(biāo)是提高生產(chǎn)率20%～40%，獲取35000億美元的效益。在Internet流量爆發(fā)性增長的驅(qū)動下，遠(yuǎn)程通信載體已經(jīng)嘗試使用10G/S的網(wǎng)絡(luò)，而每秒1015byte的因特網(wǎng)正在研究中。相信在21世紀(jì)將會有更加優(yōu)秀的寬帶高速網(wǎng)供人們使用。2．高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的快速獲取技術(shù)衛(wèi)星遙感是數(shù)字地球獲取數(shù)據(jù)的主要手段，包括不同高度、不同分辨率的陸地衛(wèi)星系列、海洋衛(wèi)星系列、氣象衛(wèi)星系列以及小衛(wèi)星系列，其分辨率從l米到4000米。遙感數(shù)據(jù)的處理包括輻射糾正、幾何糾正、增強(qiáng)、特征提取、自動分類、自動成圖、數(shù)據(jù)壓縮等等，高分辨率衛(wèi)星每天都要產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)的自動的、快速的處理以實(shí)時、準(zhǔn)確地提取信息是實(shí)現(xiàn)數(shù)字地球信息獲取的關(guān)鍵。3．地球空間數(shù)據(jù)的存儲和處理為了能夠?qū)⒌厍蛏系男畔⑦M(jìn)行數(shù)字化，除了要存儲和處理大量的遙感數(shù)據(jù)之外，還包括圖形數(shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)等等。實(shí)現(xiàn)對這些數(shù)據(jù)的查詢檢索，需要海量數(shù)據(jù)存儲管理以及快速處理技術(shù)。目前分布式數(shù)據(jù)存儲是海量數(shù)據(jù)管理的趨勢，可以避免集中式系統(tǒng)帶來的管理困難以及網(wǎng)絡(luò)擁塞；而通常采用超大型計(jì)算機(jī)或者并行計(jì)算以實(shí)現(xiàn)快速處理。4．超媒體空間信息系統(tǒng)數(shù)字地球的主要任務(wù)之一是通過因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息的共享和發(fā)布，主要通過WebGIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)；此外，數(shù)字地球應(yīng)用中包含大量多媒體數(shù)據(jù)，也需要在因特網(wǎng)上發(fā)布，形成超媒體空間信息系統(tǒng)。大量的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，這需要高帶寬網(wǎng)絡(luò)解決該問題。5．地理信息的分布式計(jì)算地理信息的特征是分布的，并且具有基礎(chǔ)性、共享性和綜合性，分布式計(jì)算可以使得地理信息應(yīng)用于社會各個領(lǐng)域。遵循OpenGIS規(guī)范，基于CORBA(或COM)體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)地理信息的分布計(jì)算，是其解決方案之一。地理信息的分布計(jì)算服務(wù)包括：①地理信息的共享領(lǐng)域服務(wù)為社會各個領(lǐng)域的應(yīng)用提供地理信息服務(wù)，提供共享和集成的基礎(chǔ)；②空間查詢服務(wù)包括通過元數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)信息檢索，屬性、幾何、空間關(guān)系等各個方面的查詢；③空間分析服務(wù)實(shí)現(xiàn)空間信息提取，地理特征分析，圖像理解，圖像開發(fā)等服務(wù)；④空間制圖服務(wù)包括空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換服務(wù)，地理注記服務(wù)，圖像處理服務(wù)，特征綜合服務(wù)，創(chuàng)建影像地圖服務(wù)等等，其目的是為了直觀的表現(xiàn)空間信息；⑤地理信息的特定任務(wù)服務(wù)為地理信息領(lǐng)域特定用戶提供有針對性的服務(wù)，主要為地理信息的獲取、地理信息的建立和維護(hù)服務(wù)，稱為地理數(shù)據(jù)的管理服務(wù)。包括地理信息生產(chǎn)，地理信息生產(chǎn)管理，地圖符號管理，信息開發(fā)利用和分析，訂購和跟蹤，信息存儲和檢索系統(tǒng)，信息交付，信息再現(xiàn)和復(fù)制，用戶支持。6．無比例尺數(shù)據(jù)庫無比例尺數(shù)據(jù)庫是指以一個大比例尺數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，在一定區(qū)域內(nèi)空間對象的信息量隨比例尺變化自動增減，即可以由大比例尺空間數(shù)據(jù)自動生成較小比例尺的數(shù)據(jù)。無比例尺數(shù)據(jù)庫的技術(shù)關(guān)鍵是自動制圖綜合，在該領(lǐng)域目前已有許多研究，但是都難以達(dá)到令人滿意的效果。7．空間數(shù)據(jù)倉庫空間數(shù)據(jù)倉庫是指支持管理和決策過程的、面向主題的、集成的和隨時間變化的、持久的和具有空間坐標(biāo)的地理數(shù)據(jù)的集合。數(shù)據(jù)倉庫的主要任務(wù)是將來源、結(jié)構(gòu)、格式不同的原始數(shù)據(jù)，首先對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、過濾與匹配、精化、標(biāo)明時間戳和確認(rèn)數(shù)據(jù)質(zhì)量的處理，即求精過程；然后再根據(jù)任務(wù)的需要，進(jìn)行數(shù)據(jù)的集成與分割、概括與聚集、預(yù)測與推導(dǎo)、翻譯與格式化、轉(zhuǎn)換與再映象處理；最后進(jìn)行數(shù)據(jù)倉庫的建模、概括、聚集、調(diào)整與確認(rèn)及建立結(jié)構(gòu)化查詢等等?？臻g數(shù)據(jù)倉庫的目的，是為了處理積累的海量空間數(shù)據(jù)，抽取有用信息，并提供決策支持。其結(jié)構(gòu)框架包括：數(shù)據(jù)源，Metadata數(shù)據(jù)源，Metadata互操作協(xié)議，數(shù)據(jù)抽取求精，Metadata創(chuàng)建與瀏覽數(shù)據(jù)倉庫，存取與檢索，Metadata管理及查詢與分析等。8．空間數(shù)據(jù)融合(Fusion)空間數(shù)據(jù)融合是指多種數(shù)據(jù)合成后，不再保存原來的數(shù)據(jù)，而產(chǎn)生了一種新的綜合數(shù)據(jù)，如假彩色合成影像。數(shù)字地球的多種數(shù)據(jù)融合，包括多種分辨率數(shù)據(jù)，多維數(shù)據(jù)以及不同類型數(shù)據(jù)的融合，并且需要將融合得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化表現(xiàn)，通常是將數(shù)據(jù)疊加在數(shù)字高程模型上，形成三維立體景觀影像。實(shí)現(xiàn)數(shù)字地球中的空間數(shù)據(jù)融合，需要地理數(shù)據(jù)互操作以及高速網(wǎng)絡(luò)的支持。9．虛擬現(xiàn)實(shí)(VR，VirtualReality)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個逼真的，具有視覺、聽覺、觸覺等效果的可交互、動態(tài)的“世界”，人們可以對該虛擬世界中的虛擬實(shí)體進(jìn)行操縱和考察，用戶與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互利用數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)頭盔、數(shù)據(jù)衣等進(jìn)行，而VR系統(tǒng)通過視覺描繪器，聽覺描繪器，觸覺描繪器使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺。在數(shù)字地球中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以非常真實(shí)地表達(dá)現(xiàn)實(shí)地理區(qū)域，而用戶可以在所選擇的地理帶內(nèi)外自由移動。目前，GIS、虛擬現(xiàn)實(shí)以及Web技術(shù)相結(jié)合的方式之一是VRML(VirtualRealityModelingLanguage，虛擬現(xiàn)實(shí)造型語言)，通過用VRML描述GIS信息，可以在因特網(wǎng)上發(fā)布空間三維數(shù)據(jù)供用戶瀏覽。10．元數(shù)據(jù)(Metadata)在創(chuàng)建數(shù)字地球的過程中，全球范圍內(nèi)對數(shù)字地理信息的需求越來越大，許多單位和個人開始生產(chǎn)、處理和修改地理數(shù)據(jù)；另外，在計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)中，在采用模型對地理實(shí)體進(jìn)行研究時，為了保證信息不被誤用，需要通過Metadata對數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的描述，這樣不僅數(shù)據(jù)生產(chǎn)者能夠充分描述數(shù)據(jù)集，用戶也可以估計(jì)數(shù)據(jù)集對其應(yīng)用目的的適用性。所以，隨著地理空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和使用者的增加，使用Metadata來描述數(shù)據(jù)，將成為一個必然的趨勢。綜上所述，數(shù)字地球技術(shù)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)獲取、存儲管理、處理和信息提取、信息共享、信息表達(dá)以及信息傳輸，下面給出了它們與上述具體技術(shù)的關(guān)系(表13-1)。表13-1數(shù)字地球技術(shù)概括三、數(shù)字地球的應(yīng)用在人類所接觸到的信息中有80%與地理位置和空間分布有關(guān)，地球空間信息是信息高速公路上的貨和車。數(shù)字地球不僅包括高分辨率的地球衛(wèi)星圖像，還包括數(shù)字地圖，以及經(jīng)濟(jì)、社會和人口等方面的信息，它的應(yīng)用正如戈?duì)柛笨偨y(tǒng)在報(bào)告中提到的有時會因?yàn)槲覀兊南胂罅Χ艿较拗?，換句話說，數(shù)字地球的應(yīng)用在很大程度上超出我們的想象，可以樂觀地說下一世紀(jì)中，數(shù)字地球?qū)⑦M(jìn)入千家萬戶和各行各業(yè)。這里只能就我們的理解提出一些現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用。1．?dāng)?shù)字地球?qū)θ蜃兓c社會可持續(xù)發(fā)展的作用全球變化與社會可持續(xù)發(fā)展已成為當(dāng)今世界人們關(guān)注的重要問題，數(shù)字化表示的地球?yàn)槲覀冄芯窟@一問題提供了非常有利的條件。在計(jì)算機(jī)中利用數(shù)字地球可以對全球變化的過程、規(guī)律、影響以及對策進(jìn)行各種模擬和仿真，從而提高人類應(yīng)付全球變化的能力。數(shù)字地球可以廣泛地應(yīng)用于對全球氣候變化，海平面變化，荒漠化，生態(tài)與環(huán)境變化，土地利用變化的監(jiān)測。與此同時，利用數(shù)字地球，還可以對社會可持續(xù)發(fā)展的許多問題進(jìn)行綜合分析與預(yù)測，如：自然資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人口增長與社會發(fā)展，災(zāi)害預(yù)測與防御等。我國是一個人口眾多，土地資源有限，自然災(zāi)害頻繁的發(fā)展中國家，十幾億人口的吃飯問題一直是至關(guān)重要的。經(jīng)過二十年的高速發(fā)展，資源與環(huán)境的矛盾越來越突出。1998年的洪災(zāi)，黃河斷流，耕地減少，荒漠化加劇，已經(jīng)引起了社會各界的廣泛關(guān)注。必須采取有效措施，從宏觀的角度加強(qiáng)土地資源和水資源的監(jiān)測和保護(hù)，加強(qiáng)自然災(zāi)害特別是洪澇災(zāi)害的預(yù)測、監(jiān)測和防御，避免第三世界國家和一些發(fā)達(dá)國家發(fā)展過程中走過的彎路。數(shù)字地球在這方面可以發(fā)揮更大的作用。2．?dāng)?shù)字地球?qū)ι鐣?jīng)濟(jì)和生活的影響數(shù)字地球?qū)⑷菁{大量行業(yè)部門、企業(yè)和私人添加的信息，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)在空間和時間分布上的研究和分析。例如國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)劃，全國鐵路、交通運(yùn)輸?shù)囊?guī)劃，城市發(fā)展的規(guī)劃，海岸帶開發(fā)，西部開發(fā)。從貼近人們的生活看，房地產(chǎn)公司可以將房地產(chǎn)信息鏈接到數(shù)字地球上；旅游公司可以將酒店、旅游景點(diǎn)，包括它們的風(fēng)景照片和錄像放入這個公用的數(shù)字地球上；世界著名的博物館和圖書館可以將其收藏以圖像、聲音、文字形式放入數(shù)字地球中；甚至商品也可以將貨架上的商店制作成多媒體或虛擬產(chǎn)品放入數(shù)字地球中，讓用戶任意挑選。另外在相關(guān)技術(shù)研究和基礎(chǔ)設(shè)施方面也將會起推動作用。因此，數(shù)字地球進(jìn)程的推進(jìn)必將對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人民生活產(chǎn)生巨大的影響。3．?dāng)?shù)字地球與精細(xì)農(nóng)業(yè)21世紀(jì)農(nóng)業(yè)要走節(jié)約化的道路，實(shí)現(xiàn)節(jié)水農(nóng)業(yè)、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)無污染農(nóng)業(yè)。這就要依托數(shù)字地球，每隔3~5天給農(nóng)民送去他們的莊稼地的高分辨率衛(wèi)星影像，農(nóng)民在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端上可以從影像圖中獲得他的農(nóng)田的長勢征兆，通過GIS作分析，制定出行動計(jì)劃，然后在車載GPS和電子地圖指引下，實(shí)施農(nóng)田作業(yè)，及時地預(yù)防病蟲害，把殺蟲劑、化肥和水用到必須用的地方，而不致使化學(xué)殘留物污染土地、糧食和種子，實(shí)現(xiàn)真正的綠色農(nóng)業(yè)。這樣一來，農(nóng)民也成了電腦的重要用戶，數(shù)字地球就這樣飛入了農(nóng)民家。到那時農(nóng)民也需要有組織，有文化，掌握高科技。4．?dāng)?shù)字地球與智能化交通（ITS）智能運(yùn)輸系統(tǒng)是基于數(shù)字地球建立國家和省、市、自治區(qū)的路面管理系統(tǒng)、橋梁管理系統(tǒng)、交通阻塞、交通安全以及高速公路監(jiān)控系統(tǒng)，并將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)、電子控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等有效地集成運(yùn)用于整個地面運(yùn)輸管理體系，而建立起的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時、準(zhǔn)確、高效的綜合運(yùn)輸和管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸工具在道路上的運(yùn)行功能智能化。從而，使公眾能夠高效地使用公路交通設(shè)施和能源。具體地說，該系統(tǒng)將采集到的各種道路交通及服務(wù)信息經(jīng)交通管理中心集中處理后，傳輸?shù)焦愤\(yùn)輸系統(tǒng)的各個用戶（駕駛員、居民、警察局、停車場、運(yùn)輸公司、醫(yī)院、救護(hù)排障等部門），出行者可實(shí)時選擇交通方式和交通路線；交通管理部門可自動進(jìn)行合理的交通疏導(dǎo)、控制和事故處理；運(yùn)輸部門可隨時掌握車輛的運(yùn)行情況，進(jìn)行合理調(diào)度。從而，使路網(wǎng)上的交通流運(yùn)行處于最佳狀態(tài)，改善交通擁擠和阻塞，最大限度地提高路網(wǎng)的通行能力，提高整個公路運(yùn)輸系統(tǒng)的機(jī)動性、安全性和生產(chǎn)效率。對于公路交通而言，ITS將產(chǎn)生的效果主要包括以下幾個方面：①提高公路交通的安全性。②降低能源消耗，減少汽車運(yùn)輸對環(huán)境的影響。③提高公路網(wǎng)絡(luò)的通行能力。④提高汽車運(yùn)輸生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益，并對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各方面都將產(chǎn)生積極的影響。⑤通過系統(tǒng)的研究、開發(fā)和普及，創(chuàng)造出新的市場。美國國會1991年頒布“冰茶法案”(ISTEA—IntermodelSurfaceTransportationEfficiencyAct)，1998年頒布“續(xù)茶法案”(NEXTEA—NationalEconomicCrossroadTransportationEfficiencyAct)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效、安全和利于環(huán)境的現(xiàn)代交通體系。5．?dāng)?shù)字地球與Cybercity基于高分辨率正射影像、城市地理信息系統(tǒng)、建筑CAD，建立虛擬城市和數(shù)字化城市，實(shí)現(xiàn)真三維和多時相的城市漫游、查詢分析和可視化。數(shù)字地球服務(wù)于城市規(guī)劃、市政管理、城市環(huán)境、城市通訊與交通、公安消防、保險(xiǎn)與銀行、旅游與娛樂等，為城市的可持續(xù)發(fā)展和提高市民的生活質(zhì)量等提供基礎(chǔ)保障。6．?dāng)?shù)字地球?yàn)閷＜曳?wù)顧名思義，數(shù)字地球是用數(shù)字方式為研究地球及其環(huán)境的科學(xué)家尤其是地學(xué)家服務(wù)的重要手段。地殼運(yùn)動、地質(zhì)現(xiàn)象、地震預(yù)報(bào)、氣象預(yù)報(bào)、土地動態(tài)監(jiān)測、資源調(diào)查、災(zāi)害預(yù)測和防治、環(huán)境保護(hù)等無不需要利用數(shù)字地球。而且數(shù)據(jù)的不斷積累，最終將有可能使人類能夠更好地認(rèn)識和了解我們生存和生活的這個星球，運(yùn)用海量地球信息對地球進(jìn)行多分辨率、多時空和多種類的三維描述將不再是幻想。7．?dāng)?shù)字地球與現(xiàn)代化戰(zhàn)爭數(shù)字地球是后冷戰(zhàn)時期“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃的一部分，在美國眼里數(shù)字地球的另一種提法是星球大戰(zhàn),是美國全球戰(zhàn)略的一部分。顯然，在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭和國防建設(shè)中，數(shù)字地球具有十分