数字地球导论
第一章 绪论
一、基本概念
1、数字地球概念的由来
? 1996年5月，联合国在南非约翰内斯堡召开了“信息社会和发展大会的部长级会议”，
通过了互联网的建设计划，全球环境与资源管理计划，全球紧急情况管理计划等重大计划。
? 1998年1月，戈尔提出了“数字地球”的构想。
? 2000年，西方七国在日本冲绳会议上正式宣布当今社会进入“信息时代”。 4、数字地球与有关术语的关系
? 与国家空间数据基础设施（NSDI）及国家信息基础设施(NII)的关系 ? NII与NSDI均是数字地球的重要组成。
? NII又称为信息高速公路，包括了各类网络和各类标准、规范、安全和保密等规则。 ? NSDI相当于高速公路上行驶的货运与客运的各种车辆及其组织的运行规则，及客
流与物流源的状况等。
? NSII是NII与NSDI的结合。
? 与数字国家与数字地球及数字城镇的关系
? 数字地球可划分为这三个层次，分别为：全球层、国家层和城镇层 ? 与信息化、信息社会的关系
? 数字地球是信息化或信息社会建设的空间信息基础设施。
? 数字地球与国家信息化、国民经济信息化及城市信息化、地区信息化、省区信息化
密切相关。
一、基本概念
美国总统戈尔在其1998年的报告中指出：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。
数字地球的概念，可以归纳为以下三个方面：
（1）数字地球指数字化的三维显示的虚拟地球，或指信息化的地球，包括数字化、网络化、智能化与可视化的地球技术系统。
（2）实施数字地球计划，需要有政府、企业和学术界共同齐心协力参加。实施数字地球计划是社会的行为，需要全社会来关心和支持。
（3）数字地球是一次新的技术革命，将改变人类的生产和生活方式，进一步促进科学技术、经济发展和推动社会的进步。 二、国外研究现状
1、美国国家空间数据基础设施
? 1990年成立了联邦地理数据委员会（FGDC），负责协调国家空间数据基础设施的
建设。
? 1996年在芝加哥召开了NSDI发展战略会议，提出了具体的目标和任务，并进行了
详细的分工。
? 国家测绘局（NMD）主要承担全国矢量、数字高程模型等数据的生产和分发，并实
施国家定期航空摄影计划（NAPP）。
? 国家航空航天局主要负责卫星对地观测任务。
? 1999年发射了地球观测卫星EOS（地球观测系统） AM-1；与1998年发射的
Landsat-7、1999年发射的Meteor 3M/SAGⅢ及2000年发射的Jason-1、EOS PM-1等共同组成多领域收集数据和图像资料。
? 2000年2月，利用干涉雷达测量技术，仅用9天完成了80％的全球地形测量工作。 ? 1999年发射的IKONOS（伊科诺斯）卫星地面分辨率达到0.82m，Quick Bird（快
鸟）分辨率达0.32m。
2、英国的国家地学空间数据框架（NGDF）
? 1995年提出了“国家地学空间数据框架” 计划
? 目的：提高政府工作效率和效益，提供新的就业机会，促进地理信息应用市场的开
拓。
? 主要任务：
? 数据基础设施建设；
? 建立地学信息的国家标准与规范； ? 促进地学信息的应用；
? 提高数据的质量及一致性；
? 给政府部门提出地理空间信息管理的政策、法规等方面的建议。 ? 实施阶段
? 第一阶段：2001年之前，将已完成的数字化成果广泛应用； ? 第二阶段：2001年之后，开拓新的应用领域。 3、加拿大国家地学数据基础设施（CGDI）
? 主要任务
? 发展空间数据访问战略，设计相应的系统； ? 发展数据访问协议，引导数据集成； ? 建立现有数据资源的元数据库； ? 改造现有的系统和数据库； ? 增强现有设备的功能；
? 保证现有的大量数据能够有效地被访问和使用； ? 提供一个数据基准图层作为可视化的参考系统； ? 重视数据标准和规范建设标准要有实用性。 ? 主要内容
? 地学信息快速访问计划；
? 国家地理信息框架计划，集成和综合信息； ? 地学信息伙伴关系计划，促进数据共享； ? 地学信息创新计划； ? 可持续发展社区计划；
? 国家地图集计划，以满足不同用户需要。 4、欧共体空间信息基础设施（INSPIRE）
? 2004年7月欧洲议会和欧盟理事会在布鲁塞尔通过了“在欧共体内建设空间信息基
础设施指令的提案”。
? 目的：基于共同体内区域的多样性，致力于高水平的环境保护。 5、亚太地区空间信息基础设施（APSDI）
? 2000年在马来西亚吉隆坡召开了地区性的空间信息基础设施建设会议。
? 主要内容：由框架体系、技术标准、基础数据和接口网络四个核心部分组成。 四、作用和意义
1、是全球战略的一个重要组成部分,是解决两个战略目标的重要手段：
? 了解全球信息已成为十分重要的发展战略目标；
? 目前经济全球化、资源利用的全球化及环境影响的全球化已成为大家的共识。 2、是当前科技发展的制高点
? 数字地球为地球科学发展提供了现代科技平台；
? 数字地球为经济社会的可持续发展和构建和谐社会提供了必要条件。 一、地球信息理论 1、信息的基本概念 1）信息的定义
? 语言学定义：信息就是指音讯、消息。
? 哲学定义：信息是人和物质的精神实体的特征。 ? 经典自然科学定义
? 狭义信息论：信息是消息的不确定性的消除。
? 广义信息论：信息是主体对课题所掌握的全部知识。
? 一般自然科学定义：“信息是物质和能量状态的表征”等。
? 本书的定义：信息是客观世界的一切事物的性质、特征和状态的表征。 ? 信息耦合：信息之间相互影响的因果关系链所构成的信息联系。 ? 基本方式：串联耦合；并联耦合（包括直接、间接两种）；反馈耦合和信息耦合网
络。
? 信息的功能与作用
? 自然信息功能：反映客观世界的物质，能量的现象和过程的性质，特征和状态的表
征，是认识客观世界的先决条件。
? 社会信息功能：是社会现象和过程的性质、特征和状态的表征，是认识社会经济的
必要条件。
2、地球信息的基本特征 1）地球信息的定义
? 定义：地球实体与资源、环境、社会、经济的物质和能量性质、特征和状态的表征
知识。
? 性质：组成成分的物理、化学、生物和社会经济的成分，结构及属性等。 ? 特征：物质的形状、大小及各种物理的、化学的、生物的系统特征。 ? 状态：物质所处的动态或静态和时空分布的变化特征。 ? 物质：资源、环境、社会、经济等实体。
? 能量：物质的力学、磁力、电学、热学、光学、电磁波、生物、社会经济学的无形
的场。
2）地球信息的基本特征
? 属性特征：指属于物质还是能量，是资源、环境、社会还是经济类型； ? 空间特征：指所处的位置，可用地理坐标或经纬网格表示； ? 时间特征：指年、月、日的状况。
地球信息必须具备以上3个要素才能称为完善的信息。 3）地球信息的基本类型
? 地球的物质信息：有关地球组成物质的成分、结构、形状。它是由地球有形实体所
产生的信息。
? 地球的能量信息或场信息：有关地球的重力场、磁力场、电子场、电磁场、风力场、
生态场、社会及经济引力场等的性质、特征、状态的表征及其机理等。它是由地球
无形的能量或场所产生的信息。
5）地球信息流的作用和意义
? 客观世界的三大特征均需要经过信息化的处理。 ? 信息流是地球系统运行过程中最关键的。
信息流由物质流、能量流产生，它也决定了物质流和能量流的流向、流 速和流量。
? 信息流是地球信息理论的核心。
地球系统的运行过程，包括物质流和能量流及社会经济流都由信息流所 控制。
3、地球的物质信息
1）地球物质信息的基本概念
? 定义：有关地球组成物质的成分、结构、形状，包括物理的、化学的、生物的及社
会经济的物质和性质、特征和状态、表征及其机理的知识。 ? 基本特征
? 属性特征：指属于资源、环境、社会和经济及属于物理的、化学的、生物的和社会
经济的哪一种类型。
? 空间特征：主要指空间位置。
? 时间特征：主要指获取信息的时间。 2）地球物质信息的全息特征
? 全息特征：系统中，局部能映射出整体的规律。 ? D.爱佩尔推理
? 全息体：能映射出整个系统特征的子系统。
? 推理模式：适宜于从时空方面分析系统的全息联系形式。 ? 结构型推理模式、演化推理模式、综合推理模式 3）地球物质信息的记忆特征
? 生物学的贝尔定律:某些动物在胚胎发育过程中,再现或重演了动物的演化过程。 ? 树木的记忆信息:树木的年轮记录了树木的生长年代和年数;年轮的带宽和颜色反映
了当时的气候状况。
? 岩石的记忆信息:岩石的物质成分与结构特征映射了岩石生长的过程和后来环境的
变化状况。
? 土壤的记忆信息:土壤的成分与结构可以映射出气候、水文生物的状况。
? 地貌的记忆信息：地貌状况可以映射出地质的构造、岩性状况、地壳运动状况、气
候变化状况及真个环境变化的状况。
4、地球的能量信息（又称场信息） 1）地球的电磁场信息
? 基本概念：地球上任何物质的温度只要大于绝对温度－273°C，都具有电磁波辐射
特征，且不同物质具有不同的电磁波辐射特征。 ? 一般特征
? 任何地物都有电磁波辐射特征。
? 可根据电磁波特征来区分地物的类型或属性。
? 地物形状、大小及色调的差别都是地物可见光的特征。
? 不确定性：由于地物的电磁波辐射特征受物质结构、成分，环境及数据获取、处理
及介质等因素影响，因此地物的电磁波辐射特征具有不确定性。
二、地球系统理论
地球系统科学理论是地球科学理论与系统科学理论的综合。 1、关于系统的基本概念
? 一切系统都具有以下几个共同点：
? 第一，系统是由两个以上的要素组成的整体。
? 第二，系统的诸要素之间、要素与整体之间、以及整体与环境之间存在着一定的有
机联系。
? 第三，系统要素之间的联系与作用必产生一定的功能。
? 系统科学创始人贝塔朗菲(Bertalanffy) ：系统是相互作用的诸要素的综合整体。 ? Rober E Machal：系统是由两个以上相互联系、相互制约的要素或过程组成的，并
具有特定功能和行为的，而且与外界环境相互作用能自动调节和具有自组织功能的整体。
? 钱学森：系统是由两个以上、相互联系、相互制约的部分组成的具有特定功能的整
体。
2、地球系统概要 1）地球系统的定义
? 地球系统是指某一个特定时间、特定空间的由两个以上或无数个相互区别，又相互
联系、相互制约、相互作用和相互调节功能或行为的，并与外界环境相互作用的地理要素组成的整体。
? 钱学森认为：地球系统是一个开放的、复杂的巨系统。 ? 本书认为:地球系统是由无数个大小子系统组成的，复杂的，有层次结构的，开放的，
远离平衡的和具有自组织能力的巨系统。
2）地球系统的特征
? 差异性：是客观世界固有的特征。（物质、能量）
? 整体性：也是客观世界固有的一个特征。地球系统的各要素间存在着相互联系、相
互制约、相互影响的关系，这些关系构成了地球系统的整体。
3）地球系统的动力机制
? 地球内部发动机：是地球动力板块系统和地质构造运动的动力；
? 地球外部的太阳驱动发动机：是海平面上风化、侵蚀及海内部沉积的动力； ? 力学发动机：是地球自转、公转及地球引力等的动力。 ? 人为的动力（影响）：人类对地球系统的影响。 3、地球系统科学
地球系统科学：是将大气圈、水圈、岩石圈和生物作为一个相互作用的系统, 研究其物理、化学、生物机制的过程,并和人类生活、生产联系起来,认识现状和过去, 预见未来的一门学科。
? 研究对象 ? 全球变化 ? 区域模型
? 宏观调控信息系统 1）全球变化
? 研究内容
? 国际地圈生物圈计划（IGBP） ? 世界气候研究计划
? 全球环境变化中的人类因素计划（HDP）