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数字地球
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展望21世纪我们这颗行星

技术创新的新浪潮使我们能够大量地获得、存储、处理和显示关于我们行星的各种环境和文化现象信息。如此大量的信息构成了“地理坐标系”,它涉及地球表面每一个特定的地方。利用卫星对地面遥感形成“地球空间”（轨道）信息流，并将其中未经加工有用部分的数据转变成为可供使用的信息。
今天,我们经常发现我们能够得到比我们知道要做些什么更多的信息。地球资源技术卫星能够帮助我们更好地了解全球的环境就是一个典型的例子。地球资源技术卫星能够每两星期对地表进行一次完整的成像,而且它已持续收集了20多年。尽管对这类信息有着巨大的需求,但大多数图象还不能被人们使用。因此，它们只能被存储在电子数据库中。我们过去曾有过这样的农业政策，当成千上万的人们正面临饥饿死亡的时候，在中西部地窖里却存储着大量正在霉变的粮食。我们现在一方面表现出对知识的那种贪得无厌的饥饿，另一方面是大量数据目前仍然根本未被使用过。问题之一是用什么方法把信息显示出来。有人曾经说我们是否能试用计算机术语来描述人脑,然而，人脑看起来比特率比计算机低,但却具有极高的分辨率。例如,研究表明由于人脑比特率低，因此，很难在短时间记住七条以上的数据。 但是, 如果这些信息被排列在一个相互可以被识别的模型内如人类的脸或银河星系，人脑则能够同时吸收成千上万条信息。
过去我们通常利用Macintosh和Windows操作系统提供的桌面图形来进行（实现）人机对话的，事实上，这些工具现在已经不适合新的挑战。我相信我们需要一个“数字地球”，一个多种分辩率， 三维的表述方式,使我们能嵌入巨大数量的地理坐标系数据。例如,设想一位年轻孩子去本地的博物馆参观数字地球展览。在戴上显示头盔后，她看见地球从太空中出现，使用数据手套放大电子图象；使用越来越高的分辨率，看见大陆，然后是乡村、城市，最后是私人住房、树木和其他天然和人工的物质。她采用类似“魔毯骑乘”通过地形的3D视图，眼前被发现的行星区域引起她探究的兴趣。当然,地７形仅仅是她能与之相互作用的多种数据之一。利用声音识别能力系统,她能够请求关于陆地覆盖、植物和动物的物种分布、实时天气、道路、政治范围以及人口的信息。她也能使她和其它学生收集的作为全球环境的一部分信息具体化。这些信息能被天衣无缝的熔入数字地图或者地形数据。通过使用数据手套单击一个连接按钮，她能够获得她所看见的许多事物更多信息。例如，为全家去黄石国家公园渡假作准备, 她计划徒步去看天然喷泉,她刚刚阅读到关于野牛和洛矶山羊的知识。事实上,在她离开故乡的博物馆之前她能够进行虚拟旅行。她不受限制穿越空间,同样也能穿越时间。在进行虚拟地去巴黎参观卢浮宫的场景旅游之后， 她通过对时间地反向移动，学习法国的历史、细读被数字地球表面覆盖的数字化地图、新闻短片、口述历史、报纸等主要的原始资料。她向自己的电子邮件信箱发送一些有用的信息，以便今后学习。时间序列, 从这里延伸到遥远的过去,能以天、年、世纪、甚至是地质学的纪元,因为那些场合有利于她对恐龙的了解。
　　显然，没有一个政府、企业或学术界能单独从事这项工作。像全球性网络，它需要成千上万的私人、公司、大学研究者、以及政府组织的共同努力。虽然，作为数字地球的一些数据是公共信息。但数字地球也可以成为公司销售大量商用图象和有偿信息服务的数字化市场。它也可以变为一个“没有墙壁的实验室”科学家可以在这里通过研究寻求 理解人类和环境之间复杂的、相互依存的关系。
　　创建数字地球需要技术，虽然这些情节似乎有些像科幻学小说,但大多数建造数字化地球需要的技术和能力已在这里或正在开发。当然,数字地球的能力将追随时间不断地进化。我们将有能力在2005年对2020年的数字化地球进行一次原始的比较。下面一些技术是需要的:
计算科学：直到计算机的出现，实验和理论两种创造知识的方法长期以来被限制，实验科学家对所要进行研究的现象的观察太艰难，这些现象不是太小就是太大；不是太快就是太慢。它们存在要么不到10亿分之一秒要么超过10亿年。另一方面，纯粹的理论不能预报像雷雨或飞机上的空气流动那样复杂的自然现象。随着高速计算机作为新工具开始被使用，我们才能模拟那些不容易观察到的现象,并且同时能更好地理解已经观察到的数据。按这种方法,计算的科学允许我们突破实验和理论科学的局限性。 模拟和仿真将给我们对我们正在收集关于我们的行星的数据以新的洞察力。
　　大规模存储：数字化地球将要求存储1015字节的信息。稍晚于今年,国家航天航空局的星球计划将每天产生大量的有关地球的信息。幸运地是,我们继续在这个领域中制造戏剧性的改进。
　　卫星图象：早于1998年，政府已经许可提供分辨率图象处理服务的商业卫星系统开始运行 。这种服务能使地图绘制达到足够的精确的水准，而在原先绘制地图的详细资料只能通过空中摄影来获得。这种技术最先由美国情报组织开发，具有难以置信的精确性。当一家公司使用这种技术，它象一架威力无比的摄象机，在它所摄的图片上可以清楚地看到从伦敦到巴黎象汽车前灯的宽度大小的每一个物体。
　　宽带网络:数字地球所需的数据将由成千上万不同的组织维持,并非是单一的数据库。 那意味在数字化地球中正在使用的服务器将需要与高速的网络连接。由于Internet网上通讯量爆炸的驱动,电讯营运者已经在试验每秒10亿信息单位的网络。1015信息单位的网络技术是Internet的下一代的技术目标之一。不好的消息是当我们绝大多数人的家中具有这类宽带之前，为什么数字化地球建立在诸如儿童博物馆和科学博物馆那样的公共场所的接口是必须的。
　　互操作性： Internet网和全球网之所以能够取得成功，关键在于达成统一的协议。如Internet协议。数字地球也同样需要互操作性。这样，应用软件产生的地理信息就能被另一些人阅读。GIS 通过GIS协会寻找解决这些问题的途径。
　　Metadata: Metadata是指“关于数据的数据”，了解信息的名称、位置、作者或来源、数据、数据形式、分辨率等有助于建立其他的地理坐标信息系统。联邦地理数据委员会正在与产业界、州和地方政府一起开发非官方的Metadata标准。
当然,需要更进一步地技术进步来充分认识数字地球的潜力，尤其是在这些领域如自动解译图象、对来自不同渠道的数据的整合和能够从网上找到和连接关于地球上某个地点的信息的情报机构等。

潜在的应用
　　全球地理信息系统的应用有时会被我们的想象力所限制。我们可以通过目前使用的GIS和数据传感器来感受一下这些应用：
　　虚拟外交：为了支持波斯尼亚的和平谈判；五角大楼开发出一种虚拟现实场景，它能使谈判代表作一次虚拟的边界旅游。在谈判中，当塞尔维亚总统通过虚拟边界旅游看到原来的那条狭窄走廊是不切实际的之后，同意在萨拉热窝和伊斯兰教戈拉日德被占领土之间提供一条宽阔的走廊。
　　打击罪犯：莎利纳市,加利福尼亚警方已通过使用GIS跟踪犯罪模型和团伙活动来减少青少年持枪暴力犯罪。通过收集关于犯罪活动的频率和分布的信息,使城市能够迅速重新部署警力。
　　保护生态多样性：在彭德尔顿营的规划机构称：加利福尼亚地区预测人口到2010 年将由1990年的110万增加至160万。 这个地区被联邦或州政府立为被危害、威胁、或珍稀的而受保护的植物和动物超过200种。通过收集关于地形、土壤类型、年度的降雨量、植物、陆地使用、以及所有权的信息，科学家模拟不同的地区增长计划对生态多样性产生影响。
　　预报气候变化：模拟气候变化最显著的未知因素之一是全球森林的递减率. 新罕布什尔大学的研究者与巴西的同事一起工作，通过卫星图象分析,能够监控亚马孙河流域的地形变化、这样他们就能确定该流域森林递减率。这项技术现在正在被世界上其它森林地区采用。
　　增加农业的生产力：农民已经开始利用卫星图象和全球定位系统及时预防病虫害,并且把杀虫剂、化肥和水用到最需要它门的那里去。这被称为精耕细作，或称“按英寸渐进的耕作”。

未来方向
　　我们有空前的机会把有关我们社会和星球的巨量原始数据转变成有用的信息。这种数据将不仅包括高分辨率的地球卫星图象，还包括数字地图,以及经济、社会和人口统计方面的信息。如果我们成功,它将在教育、可持续发展战略、土地使用规划、农业,以及危机管理等领域产生广泛的社会和经济效益。数字地球计划能使我们对人为或自然灾害及时作出反应，或者能使我们联合起来面对长期地环境挑战。数字地球能够为用户提供漫游和搜索地理坐标信息的系统并成为生产者发布信息场地。
数字地球将由(1) “用户界面”?恢挚射?赖摹⒍喾直媛实娜??厍蛲枷蠼缑婧鸵恢盅杆俪沙さ摹⒘??牡乩硇畔⒆?晗低?2) 整合和显示来自不同渠道的信息的机制这两部分组成。与全球网相比较是建设性的.(事实上,它建立在几个重要的Ｗeb或Internet标准上)。就象Ｗeb,数字地球会随着技术的改善和信息的膨胀而日益发展.不是依靠某个组织来维持,它由成千上万个不同的组织提供使用的公共信息、商品和服务组成。正如互操作性是Ｗeb的关键一样，发现和显示不同格式的数据的能力是必需的。
我相信数字地球的开发，首先需要建立一个由政府、企业、和学术界共同参与的“试验田”。这块“试验田”将成为一些应用诸如教育、环境、解决与互操作性相关的技术问题、协作能力的联合、以及解决一些政策问题如隐私权问题等的汇聚之地。当“试验田”获得成功并推广时,在更广泛的范围内可以通过接入高速网络与数字地球进行相互作用。而进入Internet将会感受到更多的限制。
可以肯定,数字地球不是一夜之间产生的。在第一阶段,我们应该把重点放在整合我们已有的、来自不同渠道的数据。我们同样应该把引导儿童的博物馆和科学博物馆连接到高速网络上如新一代的Internet网，这样我们的孩子就能够探索我们的星球。应该鼓励大学研究员与地方学校和博物馆合作，通过汇集地方的地理坐标信息，来充实数字地球计划。其次,我们应该努力去开发一张一米分辨率的数字世界地图。最终,我们应该使有关我们行星与我们历史的大量信息集聚到我们手指尖。
在数月前,我曾计划鼓励政府、企业、学术界和非赢利组织的专家们，制定一种实现这种前景的策略。共同努力，就能有助于我们解决社会所面临的许多最紧迫的问题；鼓励我们的孩子更多地了解他们身边的世界，并促进几十亿美元的工业经济增长。


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