數字黃河關鍵技術管理論文

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一、“數字地球”的基本概念

由來：1998年1月，美國前副總統戈爾在加利福尼亞科學中心發表了題為“數字地球：21世紀認識地球的方式”的報告。

要點：在三維地球的數字框架上，按照地理坐標集成有關的海量空間數據及相關信息，構建一個數字化的地球，即“數字地球”，為人們認識、改造和保護地球提供一種重要的信息源和新技術手段。

實質：數字地球是遙感、遙測、數據庫與地理信息系統、全球定位系統、互聯網絡（Internet）/萬維網（Web）、仿真與虛擬技術等現代科技的高度綜合集成和升華，是當今科技發展的制高點。

推進：“數字地球”計劃與我國的“國家信息化”或“國民經濟信息化”的戰略目標是一致的，在國內也引起了我國領導人與科技界極大的關注。“數字地球”計劃是中國21世紀信息產業發展的切入點，是我國實施可持續發展戰略的技術保障。實現“數字地球”計劃是關系到國家和國防的安危以及經濟和科技發展戰略的重大問題。

內涵與外延：“數字地球”的內涵實質上是信息化的地球，包括地球大部分要素的數字化、網絡化、智能化、可視化的全部過程。外延包括數字區域與數字行業，如數字北京、數字福建、數字鐵路、數字國土等。

數字地球的基礎技術：多種分辨率的遙感技術、快速定位技術、以計算機為核心的WebGIS與OpenGIS技術以及高速計算機通信網絡技術等。

二、“數字地球”的支撐技術

“數字地球”的學科交叉與知識融合模式可概括為：

3S（GIS/RS/GPS）+NET+VR

其中：GIS為地理信息系統；RS為遙感技術，GPS為全球定位系統；NET為網絡；VR為虛擬現實。

關鍵技術包括1m分辨率的衛星遙感技術，海量數據的快速存儲與處理技術，高速網絡技術，WebGIS與OpenGIS的互操作技術，多分辨率多維數據的融合與主體動態表達技術，仿真與虛擬技術，元數據Metadata技術。

從“數字地球”與“數字黃河”應用需求看，應重點考慮以下關鍵支撐技術：

1.空間數據共享平臺

地理空間信息具有基礎性、區域性、共享性、綜合性和分布性，已得到廣泛的重視和應用。由于缺乏協調和管理，各個系統之間是獨立的，對基礎數據進行了重復采集和數字化，系統間缺乏交流和共享，不能適應信息化和網絡化的要求，限制了地理信息的廣泛應用。

空間數據共享平臺由通信網絡、空間信息資源、空間信息處理服務和用戶操作界面構成，實現各專業部門對基礎信息和處理功能的共享，以及各專業部門信息和處理功能間的集成和融合的框架。

空間信息資源包括各種類型的數字地理空間信息和空間參考信息，具體有電子地圖、數字遙感圖像、三維空間圖形和多媒體信息等，另外還有具備空間參考屬性的屬性信息和各種統計信息。空間信息資源存儲在各種級別和規模的分布的數據庫、數字資料館和數據倉庫中。

空間信息處理服務器是連接在計算機網絡上的計算機包括超級計算機、大規模并行分布處理計算機、各種工作站和服務器，他們完成對數據庫的操作和各種空間信息處理和查詢要求，提供各種計算模型和決策支持系統。

用戶終端計算機提供對用戶友好的操作界面，使用戶不僅能通過鍵盤，還能夠通過語音和虛擬現實工具來同數字世界交互，提供對空間信息的查詢和訪問，為用戶提供決策支持，為公眾提供信息查詢。

實現地理數據共享的必要性和優點有：

①整合分離的數據源是GIS及相關工具的主要特征之一。

②通過地理數據共享可以使更多的人使用和更充分地利用已有的數據，減少重復勞動和費用。

③使大家有可能基于一個公共框架工作，既節約金錢，又產生更大的協作利益。

④GIS系統更容易集成。

⑤GIS應用開發可以把重點放在開發新的應用程序，而非僅僅是支持不同的數據格式。

2.元數據管理

Metadata是“關于數據的數據”或“關于信息的信息”，它在地理信息中用于描述地理數據集的內容、質量、表示方式、空間參照系、管理方式以及數據集的其他特征，它是實現地理空間數據集共享的核心內容之一。

它具有下列幾個意義：是用于描述信息資源的高度結構化數據；可以管理和組織信息；可以挖掘信息資源；也可以幫助人們準確地查詢所需要的信息，并在從不同的資料或組織獲取數據時，可以通過對相同的Metadata元素進行比較和對比，獲取自己所需要的信息內容。它是打開對多源數據資料進行獲取、智能分析以及運算大門的鑰匙。

基于元數據的信息共享的特點對分散在各個場所的重要信息資源可有效地利用及共享。對數據進行綜合管理。把數據安全、有效地保管在分布式的服務器群中，解決雙重投資的問題。數據保存在目錄系統中，數據所有者可以對數據直接管理。支持地圖、衛星圖像、文檔、圖表、多媒體及其他所有種類的數據形式。數據利用者通過簡易的操作界面、方便地對數據進行搜索、瀏覽和處理。登錄的數據可經由Internet。

3.空間數據倉庫

過去25年，人們使用GIS、CAD、RS等系統構建了數量驚人的數字化空間數據，并為此付出了上百億美元。如何充分有效地利用這些資源是一個重要的課題。今天，空間數據管理的需求有三種趨勢，一是組織內部訪問需求的擴大；二是一些組織開始在地圖數據中集成自己的核心業務數據并且將空間分析加入到業務流中；三是越來越多的人希望通過因特網來訪問已有的地圖數據。但是由于GIS軟件提供商多采用文件格式或自己定義的數據格式來保存地圖數據，開放式訪問地圖數據受到了嚴重的阻礙。

數據倉庫DataWarehousing指“支持管理決策過程的，面向主題的、集成的、隨時間而變化的、持久的數據集合”Harjingder1996。它是管理分布式、大量數據的，面向主題的系統，可以跨越不同數據模式的、不同版本，并對數據可進行多種面向決策的處理。它是一個把多個異構的原始數據集合融合在一起以支持結構式即席查詢、分析和決策支持的技術系統。以數據倉庫的思想來管理空間數據的系統就構成了空間數據倉庫，它有機地將數據的空間屬性和時間屬性緊密結合起來。

4.異構環境管理復雜數據對象

目前，人類在信息技術領域面臨著這樣的局面：一方面一些應用領域要求管理越來越復雜的信息，這些領域（如CAD/CAM、CIMS、CASE、GIS）數據類型眾多，具有諸如多媒體、空間數據、科學數據等復雜數據類型，這些數據類型較傳統數據復雜，因此，它們提出了用數據庫技術和系統來管理這些復雜數據的要求，以圖獲得數據庫系統所具備的許多數據管理功能，如恢復、并發控制、完整性、存儲管理等；另一方面，由于網絡技術的蓬勃發展，信息處理早已從單用戶環境發展到網絡環境，這種環境為資源、信息的共享提供了極大的方便，并且由于多機協同工作可以大大提高工作的效率。這兩者的結合要求新一代GIS能夠在異構環境中管理復雜數據對象。

5.分布式海量數據存儲技術

NFS是networkfilesystem的縮寫，這是一種在不同機器之間共享文件系統的方法，本地機器可以像使用本地硬盤一樣使用遠程文件系統。這個存儲系統，以NFS為基礎實現分布式節點的存儲空間共享，并采用三層存儲體系進行影像數據的存儲管理。

6.無級比例尺空間數據模型

無級比例尺數據管理技術是指以一個大比例尺（例如1∶5萬）空間數據庫為基礎數據源，在一定的區域內空間對象的信息量隨比例尺自動增減，從而使空間地理信息的壓縮和復現與比例尺自適應的一種信息技術。

三、“數字地球”的解決方案

“數字地球”的應用解決方案要從支撐層到行業層、區域層三個層面聯系考慮。

技術產品類型解決方案：構成數字地球應用的技術與產品支撐體系。重點解決的問題是：關鍵技術攻關與新一代產品研發。

行業領域類型解決方案：面向數字行業。重點解決的問題是數據建設、業務流程、事務處理、分析模型等標準化。

區域集成類型解決方案：面向數字區域。其重點解決的問題是戰略規劃、組織管理、數據建設、維護更新。

“數字流域”，包括“數字黃河”在內，是上述行業與區域兩者的綜合類型。要在產品與關鍵技術的支撐下，提出相關解決方案。

四、“數字黃河”的框架思考

“數字黃河”的概念框架如圖所示，包括政策、基礎、系統與應用四個層面。是一個開放型架構體系。在技術方案方面，要注重以下關鍵技術：基于元數據與分布式空間數據倉庫的信息共享平臺，元數據與業務標準體系，3S與MIS、OA、DCS高度集成的技術系統，高度融合而又條塊分明專業與區域系統，全新的前端數據采集、自動更新綜合、同步共享、快速決策與網絡模式，借鑒新一代GIS設計理念與數據模型。