第1章绪论
1.1 概述
随着卫星载荷精度、载荷类型的发展，遥感卫星的数量和质量不断提升。尽管影像数据存量巨大，但林业、交通、应急、农业等行业目前获得的数据支持仍不到位，主要是数据的获取环节过多、过于复杂。基于上述现状，各国逐步开展相关系统研制和应用工作，数字地球（digital Earth）是其中的典型系统。简单来说，数字地球是将遥感数据、信息与高性能计算、人工智能、云计算、大数据及虚拟现实等新一代信息技术充分结合，把卫星拍摄、解码、建模、应用等中间环节封装起来的遥感数据应用系统，采用数字地球后各类用户将缩短遥感数据的应用环节，支持人机协同、智能化提取，极大提升遥感数据应用能力。
由于应用行业较多，各行业对数字地球定义及涵盖范围各不相同。概括来说，数字地球定义包括广义和狭义两类。广义来说，数字地球是整合存储各类遥感基础影像、时空数据和应用专业数据，以及相关处理软件等合集，涵盖了数据引接、处理与可视化等环节，包括了数据、基础软件、应用软件、硬件环境等部分，是一个满足行业应用的典型信息系统。狭义来说，数字地球仅是对物理地球的数字化虚拟表达的基础数字地球，也可以称为数字地球平台，将承载正射影像图、矢量地形图、数字高程图等基础信息，为各类用户深度应用提供直观、全面、精准的基础地理信息服务；各领域可按照“平台+数据+应用”思路，集成相关专业领域的数据和应用软件，构建形成领域应用系统，也就是结合各应用领域形成“数字地球+”（图1.1）。
按照数字地球具体定义来说，各行业可基于数字地球平台开展各类应用，可构建形成“数字地球+”的应用生态。目前，数字地球在各领域应用逐步加深，本书对前期相关工作进行总结，提出统一的技术架构和应用思路，为后续数字地球在各领域的深度应用提供借鉴。
1.2 数字地球的发展历程
1.2.1 数字地球概念的提出与发展
数字地球的提出是建立在人类长期对地理相关技术成果积累的基础上，涉及地理信息科学、地球信息科学等一系列学科，这些学科的发展，为数字地球的产生打下了理论基础；对地观测系统及计算机网络的发展为数字地球提供了技术支持（闾国年等，2007）。数字地球的概念*早出现在1998年，Gore（1998）在一次演讲（The Digital Earth: Understanding Our Planet in the 21st Century）中首次正式提出数字地球的概念。Gore对数字地球下的定义：数字地球是指可以整合海量地理数据的、多分辨率的、真实地球的三维表示，并可以在其上增加与地球有关的数据，实现在不同分辨率水平上对地球进行三维浏览的虚拟地球系统（戴洪宝，2010）。Gore的数字地球创意提出了用数字化的手段来处理整个地球多方面问题的思想，数字地球的含义也随着实际应用不断发生变化。
数字地球概念的形成是一个长期的、渐进的过程，数字地球并非一个孤立的科技项目或技术目标，而是以信息高速公路（information highway）（Gore，1991）和国家空间数据基础设施（national spatial data infrastructure，NSDI）（喻永昌，1997）为依托的具有整体性、导向性的战略思想。根据Gore的粗略设想，国内许多学者对数字地球概念做了不同的解释或进一步扩充。承继成等（1998）认为数字地球是指与地球上任何一点的资源、环境、经济和社会有关的、用经纬网坐标进行组织和用计算机进行管理的、多分辨率卫星数据的搜集及海量数据存储与管理、宽带网传输和科学计算与虚拟表达的技术系统。李德仁院士指出，数字地球就是信息化的地球。它包括全部地球资料的数字化、网络化、智能化和可视化的过程在内（任怡萱，2010）。或者说，数字地球就是虚拟的地球。1999年郭华东院士将数字地球通俗地解释为“把真实的地球放进计算机里”（陈海波，2019）。杨崇俊（1999）定义数字地球是对真实地球及其相关现象的统一性的数字化重现和认识，包括构成体系的数字形式的所有空间数据和与此相关的所有文本数据，及其涉及的把数据转换成可理解的信息并可方便地获得它的一切相应的理论和技术。童庆禧院士则从其功能和作用的角度提出：“数字地球是一个以地球空间信息为基础（框架），嵌入（融合）地球各种数字信息的一个系统平台，将数据的采集、存储、处理、传输、通信等一体化，通过数字地球的信息化手段，*大限度地利用地球信息，处理和分析整体的地球科学问题，为全球资源、环境保护与利用以至教育提供的先进工具。”（冯筠等，1999）。李德仁院士指出：“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的更加广泛的概念（李德仁，1999）。”陈述彭等（2000）认为数字地球是从20世纪90年代以来，全球对地观测系统、卫星通信系统与因特网等高新技术基础之上的信息集成系统工程的统称（高敏钦等，2009），是21世纪信息社会的前奏，涉及知识产权、国际合作、数据共享等诸多社会、法律、政策变化问题；而又广泛服务于经济建设、远程教育，乃至影响国家安全、国家主权、民族团结的重大问题。陈述彭院士等认为数字地球就是信息化的地球，是一个地球信息模型，它把有关地球每一点的所有信息，按地球的地理坐标加以整理，然后构成一个全球的信息模型，通过这种方式可以了解地球上各种宏观的和微观的情况，便于人类*大限度地实现信息资源有效使用，为人类提供一种重新认知地球的新手段。李树楷等（2000）认为数字地球是一个具有名人效应的包含军事、经济、科技等内涵的综合战略性名词。李成彬（2011）认为数字地球通俗地讲就是用数字的方法将地球上的活动及整个地球环境的时空变化装入电脑，实现在网络上的流通，并使之*大限度地为人类的生存、可持续发展和日常的工作、学习、生活、娱乐服务。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，运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，并利用它作为工具来支持和改善人类活动和生活质量（赵波，2000）。综上所述，数字地球的概念百家争鸣，各有侧重。这是因为数字地球是一种应用设想，是一次技术集成创新，是一个不仅包含地球信息科学，还涉及政治、经济、哲学、社会等许多领域的开放的巨系统。
从以上内容可知，数字地球的基本概念包含以下三方面的内容。
（1）数字地球是利用数字化的三维显示技术构建的虚拟地球，或指信息化的地球，是集数字化、网络化、智能化和可视化等技术为一体的地球技术系统。
（2）数字地球的实施计划需要有各行业力量的共同协力参与，是社会的行为，需要全社会的关心和支持。
（3）数字地球引领了新的技术革命，将改变人类认识地球的方式，进一步推动社会的发展和科学技术的进步。
1.2.2 数字地球国外发展现状
随着技术发展，数字地球在国外已经得到了广泛的发展与应用。各国均秉承利用商业资源的理念，面向大数据环境，发展各自的数字地球系统，吸纳前沿科技力量，通过跨行业信息及技术共享提升地理空间数据应用能力。这方面的主要代表包括Google Earth、World Wind、Virtual Earth、SkylineGlobe、ArcGIS 等。
1.Google Earth Google Earth是Google公司开发的一款虚拟地球仪软件，它把卫星影像、航空像片和GIS 布置在一个地球的三维模型上（阳昭，2020）。Google Earth的成功之处在于不仅提供平台，也提供数据。依托Google公司在全球部署的36个数据中心及超过200万台服务器，Google Earth 提供了总计大于1000GB的城市高精度地貌与3D影像。此外，Google Earth向个人用户提供搜索、路径导航、测量标绘、信息共享、数据导入等基本功能，同时还提供街景视图、3D树木、城市夜景、3D火星、全球各地的历史影像、海底和海平面数据、具有音频和视频录制功能的简化浏览功能。Google公司充分利用其功能强大的搜索引擎和遍布世界各地的网络服务体系，实现了互联网海量遥感数据的自由
浏览、查询、测量、路径分析、定位服务等功能，将数字地球科学技术的应用普及到了网络上（聂兰仕等，2012）。Google Earth具备强劲的三维引擎和超高速率的数据压缩传输能力，具备多源影像数据和完整的分类数据库支撑，并紧密结合搜索引擎，提供快捷、免费的通用服务。
2.World Wind World Wind是美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）出品的类似EarthView 3D的鸟瞰工具，它是一个可视化地球仪，将美国国家航空航天局、美国地质调查局（United States Geological Survey，USGS）及其他网络地图服务商提供的图像通过一个三维的地球模型进行展现，还实现了月球、金星、火星、天王星的展现（贾文珏，2006）。通过这套程序的3D引擎，可以从外太空观察地球上的任何一个角落。用户可以在所观察的区域随意地缩放操作，同时可以看到地名和行政区划。World Wind是一个开放软件，允许用户修改其软件本身，通过调用微软SQL Server影像库Terrain Server来进行全球地形三维显示。World Wind*大的特性是卫星数据的自动更新能力。World Wind具有在世界范围内跟踪近期事件、天气、火灾、洪涝等情况的能力，还具有接收来自GPS接收机的数据并将其坐标显示在三维地球上的能力。图1.2为World Wind系统展示界面。
3.Virtual Earth
与Google Earth相比，微软的Virtual Earth并非单独运行的软件，而是架构于Live Search上面的一个服务网页，可方便在任意一台电脑上使用Virtual Earth。Virtual Earth 3D视图和航拍模式不同，是它的一大看点，3D视图下每个建筑物都是根据实际尺寸进行建模合成。不仅可以在任何角度观看，甚至还可以清楚地知道建筑物的比例，而这点也正是卫星地图和航拍地图难以企及的。由于Virtual Earth的3D视图中的建筑物都是实时渲染出来的，有更多的视角变化。Virtual Earth在国内的开放权限有限，对于更细节的内容，目前仅限美国本土地区用户使用。
除了基本的地址搜索服务，Virtual Earth还有几个非常实用的查询功能，如交通查询、路线查询、事故通报和路况信息查询等。同时，Virtual Earth能够通过解析用户上网的IP地址，直接定位用户地址，并在图中显示用户所在位置，图1.3为Virtual Earth展示界面。
4.SkylineGlobe
Skylinesoft公司推出的SkylineGlobe一经面世，便和Google Earth、Virtual Earth、World Wind等一道成为全球知名的虚拟三维数字地球。SkylineGlobe不仅让用户能够轻松地访问超大容量的地理信息数据库，随时获取各种实时资讯，而且还能和其他用户共享各种地理信息资源。
SkylineGlobe为公众提供免费的全球可视化平台，其*大特色就是三维可视化功能（程海洋等，2010）。如果需要构建高分辨率的三维建筑场景，可以利用SkylineGlobe软件，结合卫星影像、航空影像的地表数据完成，不过SkylineGlobe对遥感影像应用的支撑很有限。SkylineGlobe在三维场景上创建和编辑二维文本、图片、矢量数据和三维建筑模型，从标准GIS文件和空间数据库中读取各种地形叠加所需要的信息；支持自动或手动的数据集定制和用户自定义层的扩展。
5.ArcGIS ESRI作为传统的GIS平台供应商，其提供的ArcGIS应用开发包功能十分强大（倪永等，2013；汤国安等，2012），由美国环境系统研究所开发研制，是世界上*广泛的GIS软件之一，包含众多组成部分，它们构成了统一、严整、完备
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