第1章 数字南海软件系统
1.1数字南海系统概论
数字南海系统是采用数字地球信息化技术，将整个南海及其周边国家和地区的地形、水深、海底地质、地貌结构与地层组成等三维信息、资源矿产分布信息、海洋水文、波浪潮汐海流时空变化信息，以及历史、政治、经济等信息，以数字化的三维空间数据库形式进行数据组织与存储，用虚拟现实的可视化技术通过计算机综合地表现出来，可进行相应的空间数据计算与分析研究，以此获得复杂的南海问题的技术解决方案，为我国政府、外交部门进行南海的管理与南海的研究、决策提供技术保障。
数字南海系统将整个南海数字化，并进入政府决策部门及专门科研机构的实验室，供政府决策人员和南海问题专家进行科学的分析研究决策。系统可以适时提供静态和动态的立体地理景观、卫星遥感影像、虚拟现实仿真图像、数字地图等数字化产品，还可以通过计算机网络直接为社会提供联机信息服务，为我国南海问题的研究、南海的开发管理、南海主权的维护等发挥积极的作用。
1.1.1数字南海是数字地球系统
1. 数字地球
数字地球是美国前副总统戈尔于1998年1月在加利福尼亚科学中心开幕典礼上发表的题为《数字地球——新世纪对人类星球的认识》演说时，提出的一个与GIS、网络和虚拟现实等高新技术密切相关的概念。
数字地球可以理解为对真实地球各种现象的数字化表达和认识。其核心思想是用数字化的手段来处理整个地球的自然和社会等诸方面的问题，以便更合理地利用资源，并使普通使用者能够通过简单的方式获得他想了解的地球的有关信息。其特点是存储海量地理空间数据，在计算机上实现多分辨率的数字三维地球描述，即“虚拟地球”（virtual globe）。
严格地讲，数字地球是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带，运用海量地理空间信息对地球进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的数字化三维建模，并利用它作为工具来支持和改善人类各种生产和生活质量。
（1）数字地球系统的组成
要在计算机系统上实现数字地球不是一件简单的事，它需要诸多学科，特别是信息科学技术的支撑。这其中主要包括：信息高速公路和计算机宽带高速网络技术、高分辨率卫星影像、空间信息技术与空间数据基础设施、大容量数据存储及元数据、科学计算，以及可视化和虚拟现实技术。
1）信息高速公路和计算机宽带高速网络技术：一个数字地球所需要的数据已不能通过单一的数据库来存储，而需要由成千上万的不同组织来维护。这意味着参与数字地球的服务器将需要由高速网络来连接。为此，美国前总统克林顿早在1993年2月就提出实施美国国家信息基础设施，通俗形象地称为信息高速公路，它主要由计算机服务器、网络和计算机终端组成。
2）高分辨率卫星影像：这里的分辨率指卫星遥感影像的空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率。空间分辨率指影像上所能看到的地面*小目标尺寸，用像元在地面的大小来表示。从遥感形成之初的80m，提高到30m、10m，乃至1m，军用甚至可达到10cm。光谱分辨率指成像的波段范围，波段范围越窄，波段越多，光谱分辨率就越高，现在的技术可以达到5～6nm量级，400多个波段。细分光谱可以提高自动区分和识别目标性质及组成成分的能力。时间分辨率指卫星重访周期的长短，目前一般对地观测卫星为15～25天的重访周期。通过发射合理分布的卫星星座，可以3～5天观测地球一次。
3）空间信息技术与空间数据基础设施：空间信息是指与地理分布有关的信息，经统计，世界上的事物有80%与空间分布有关，空间信息用于地球研究即为地理信息系统。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、空间数据交换标准及数字地球空间数据框架。我国在21世纪初开始抓紧建立基于 1∶50000和1∶10000比例尺的空间信息基础设施。美国、欧洲、俄罗斯和亚太地区各国也都纷纷抓紧空间数据基础设施的建设。
4）大容量数据存储及元数据：数字地球将需要存储巨大数量的信息。例如，美国国家航空航天局的行星地球计划每天产生 1TB（1012byte）的遥感影像数据。一方面， 1m分辨率遥感影像如果覆盖江苏省区域，大约就有1TB的数据，而江苏省面积仅是全国面积的1%多一点。所以要建立起中国的数字地球，仅仅是遥感影像数据就很大。这还只是一个时刻的数据量，多时相的动态数据其容量就更大了。所以需要大容量的数据存储设备和技术。另一方面，为了在海量数据中迅速找到需要的数据，元数据（metadata）库的建设是非常必要的。元数据是关于数据的数据，通过它可以了解有关数据的名称、位置和属性等信息，从而大大地减少用户寻找所需数据的时间。
5）科学计算：地球是一个复杂的巨系统，地球上发生的许多事件、变化和过程又十分复杂，其时间和空间跨度变化大小不一，差别很大，只有利用超级计算机才有能力来模拟一些不能观测到的现象。利用数据挖掘（data mining）技术，才能够更好地认识和分析所观测到的海量数据，从中找出规律和知识。科学计算能够突破实验和理论科学的限制，建模和模拟可以更加深入地探索所搜集到的有关于我们星球的数据。
6）可视化和虚拟现实技术：可视化是实现数字地球与人交互的工具，而数字地球的另一个显著的技术特点是虚拟现实技术。在数字地球中用户戴上显示头盔，就可以看见地球从太空中出现，使用开窗放大功能放大地球的数字图像；随着分辨率的不断提高，可以看见陆地，然后是乡村、城市，*后是私人住房、商店、树木和其他天然、人造景观。
虚拟现实技术为人类观察自然、了解世界提供了身临其境的感觉。*近，WebGL等三维新技术也日益普及。虚拟现实技术在摄影测量中已得到应用，近几年的数字摄影测量已经能够在计算机上建立可供量测的数字虚拟环境。当然，当前的技术是对单一物体拍摄照片，产生视差，构造立体模型。进一步的发展是对整个地球进行无缝拼接，由三维数据通过人造视差的方法，构造虚拟立体。
（2）数字地球系统的技术
数字地球的核心是地理空间信息科学，地理空间信息科学的技术体系中*基础的技术核心，是“3S”技术及其集成。“3S”是全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）和遥感（RS）的统称。没有“3S”技术的发展，现实变化中的地球是不可能以数字的方式进入计算机系统的。
1）空间定位技术：
GPS是一种现代定位方法。用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部差分与广域差分，从事后处理扩展到实时（准实时）定位与导航，绝对精度和相对精度扩展到米级、厘米级乃至亚毫米级，从而大大拓宽它的应用范围。现在，人们可以使用 GPS手机，个人的活动就可以融入数字地球中去。
2）航空航天遥感技术：当代遥感的发展主要表现在它的多传感器、高分辨率和多时相特征。遥感的高分辨率特点体现在空间分辨率、光谱分辨率和温度分辨率3个方面，空间分辨率表现为长线阵CCD成像扫描仪可以达到1～2m的空间分辨单元，光谱分辨率表现为能全面覆盖大气窗口的所有部分，如光学遥感包含可见光、近红外和短波红外区域，热红外遥感的波长为8～14mm，微波遥感波长范围为1mm～100cm，且成像光谱仪的光谱细分可以达到5～ 6nm的水平。此外，热红外辐射计的温度分辨率可从0.5K提高到0.3K乃至0.1K。
遥感的多时相特征体现在小卫星群计划的推行，可以用多颗小卫星，实现每 2～3天对地表重复一次采样，获得高分辨率成像光谱仪数据，多波段、多极化方式的雷达卫星，将能解决阴雨多雾情况下的全天候和全天时对地观测，通过卫星遥感与机载、车载遥感技术的有机结合，是实现多时相遥感数据获取的有力保证。
3）地理信息系统技术：随着“数字地球”这一概念的提出和人们对它认识的不断加深，从二维向多维动态以及网络方向发展是地理信息系统发展的主要方向，也是地理信息系统理论发展和诸多领域，如资源、环境和城市等的迫切需要。在技术发展方面，目前是发展WebGIS应用，可以实现远程寻找所需要的各种地理空间数据，而且可以进行各种地理空间分析。另一个发展方向是数据挖掘，从空间数据库中自动发现知识，用来支持遥感解译自动化和 GIS空间分析的智能化。
4）“3S”集成技术：“3S”集成是指将上述三种对地观测技术有机地集成在一起。这里所说的集成，是英文Integration的中译文，是指一种有机的结合，即在线的连接、实时的处理和系统的整体性。“3S”集成包括空基“3S”集成与地基“3S”集成。前者用空-地定位模式实现直接对地观测，主要目的是在无地面控制点（或有少量地面控制点）的情况下，实现航空航天遥感信息的直接对地定位、侦察、制导和测量等；后者是车载、舰载定位导航和对地面目标的定位、跟踪和测量等实时作业。
2. 国内外的数字地球系统
（1）Google Earth谷歌地球（Google Earth）是Google公司开发的一款虚拟地球软件，2005年 6月正式推出。它把卫星影像、航空相片和地理空间数据布置在一个地球的三维模型上。Google将*基本版本的Google Earth当作免费的软件，可以自由下载且不限时间地使用。
Google Earth的卫星影像并非单一数据来源，而是卫星影像与航拍的数据整合。其卫星影像部分来自美国数字地球（Digital Globe）公司（QuickBird商业卫星）与美国EarthSat公司（陆地卫星Landsat-7卫星居多），航拍部分的来源有英国BlueSky公司（航拍、GIS/GPS相关业务）。此外还有美国 IKONOS及法国SPOT5卫星影像。其中 SPOT5可以提供解析度为2.5m的影像，IKONOS可提供1m左右的影像，而QuickBird能够提供*高为0.61m的高精度影像，是当时全球商用的*高水平。
（2）美国航空航天局World Wind
美国航空航天局World Wind（直译为“世界风”），是美国航空航天局发布的一个开放源代码的地理科普软件，由美国航空航天局研究中心开发。它是一个可视化地球仪，将NASA、USGS，以及其他WMS（web map service）服务商提供的图像通过一个三维的地球模型展现，近期还包含了火星和月球的展现。
和谷歌地球软件一样，用户可在所观察的行星上随意地旋转、放大、缩小，同时可以看到地名和行政区划。软件还包含了一个软件包，能够浏览地图及其他由因特网上的OpenGIS Web Mapping Service提供的图像。
1.1.2数字南海系统的设计要求
1. 数字南海系统的定位与目标
数字地球系统常常按规模分为4个级别：全球级（global）、区域级（regional）、国家*（national）、局部级（local）。数字南海系统覆盖的区域经度范围为：104°～122°E；纬度范围为：0°～26°N；因此，数字南海系统的定位属于国家*（national）数字地球系统。其目标是将数字南海建成具有国际先进水平的数字地球系统工程。
2. 数字南海系统的用户
数字南海系统的建设主要服务于南海管理部门、决策部门、研究人员和社会公众四类用户。
3. 数字南海系统研究区域的范围
数字南海系统的研究区域经度范围为104°～122°E、纬度范围为0°～26°N，包括了南海整个海洋区域以及周边相关的国家与地区的部分陆地。
4. 数字南海系统包含的空间数据的类型
数字南海系统数据库中将包含的数据类型有：DLG数据、DRG数据、DEM数据、 DOM数据、地名数据、多媒体（视频、音频、图像、动画 ）数据等。
数字中国要求空间数据采用1∶100万、1∶25万、1∶5万
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