数字地球与地理信息技术的关系

地理信息系统__谈天说地讲测绘

地理信息系统——GIS

车载卫星导航仪

说话工夫，黄金周即将来临，这正是旅游的好时光。小J的爸爸妈妈正好趁这个长假好好放松一下，有一天晚餐的时候，全家聚在一起，商量如何度假。

小J对黄金周期间乘飞机或火车长途旅行已经不感兴趣，于是，意见很快得到统一，决定自驾车出游，免得跟着旅游团，像走马灯似的，弄得很紧张。至于去哪儿嘛，爷爷提了个建议，为了给小J增长点感性知识，干脆旅游的专题就定在“明亡清兴寻踪游”。这一说，全家人一致举手通过。

好在爸爸和妈妈驾驶技术都挺娴熟，一路上轮流开车，谁都不觉得累，车上新安装的导航设备，正好派上用场。走哪条路，投宿哪家宾馆，在哪家餐馆就餐，这些全不用自己操心。爷爷呢，除了介绍沿途风景名胜以外，专给小J介绍历史知识，特别是明亡清兴那一段历史的许多典故，还饱览了沿途现代化建设的辉煌成就。这真是从古至今，从历史到地理，时空交叉快速穿梭，让小J目不暇接，大饱眼福。

令小J印象最深刻的是兴城火车站广场上那尊袁崇焕的塑像，他在像前伫立很久，舍不得离开。小J在寻思什么？是赞赏这位明末的名将站在宁远卫的城墙上指挥战士用红衣大炮猛轰努尔哈赤率领的精锐铁骑？还是可怜这位战功卓著的统帅蒙冤在北京街头惨遭剐刑？假如，崇祯不是一位蠢得连忠奸都分不清的昏君，他会落得在景山那棵树上悬吊自尽的下场吗？明亡清兴是阶级矛盾和民族矛盾交替发展带来的结局，但统治者的昏庸和腐败，无疑是促使朝代更替的催化剂。

努尔哈赤在17世纪统一了女真各部，1616年建立了后金政权，先定都赫图阿拉（今新宾老城），后迁都辽阳“东京城”，1625年又迁往沈阳，建立沈阳宫殿，奠定了清朝的基业。八旗铁骑就是在不断的激战中发展壮大起来的，不少战役都是以少胜多，努尔哈赤依仗的不仅仅是勇敢，更靠的是足智多谋。

在游览跟兴城隔海相望的菊花岛时，小J不得不叹服在宁远吃了败仗的八旗铁骑，竟能趁海水结冰期间冲上菊花岛，占领了明军的后勤大本营，足见清军的剽悍。这座美丽的岛屿，唐朝称桃花浦，明清称觉华岛。

而号称“天下第一关”的山海关，更是一座古战场。当小J参观完孟姜女庙，登上雄踞的城楼时，放眼长城内外，他在按照爷爷讲的故事，追踪吴三桂联合多尔衮，合击大顺军的历史尘埃。他不由得寻思，假如大顺军在攻占北京后，某些首领不搞腐败，吴三桂会死心塌地去投降清军吗？那么，历史又将怎样演变呢？

爷爷说得好，改朝换代，有其变迁的必然性，也有其偶然性。

翠绿的青山，蔚蓝的海水，在关里关外这片狭长的海岸带上，数千年来征战不断。

当黄金周结束时，全家人各有所获，而对小J来说，除去观光以外，他不仅感受了现代化建设带来的飞速变化，还从历史的教训中得到一点启迪，那就是，顺应时代潮流者兴旺，而逆时代潮流者必然败亡。

使这次自助游进展顺利的是，车载GPS导航仪真正成了向导，特别是在等级低的公路网上旅行时，在路标不够完善的条件下，的确给驾驶员带来意想不到的方便。

返程途中，小J突发奇想，他望着车载导航仪问：“爷爷，无人驾驶飞机早就有了，国外正在研制无人驾驶汽车，咱们国家在这方面有什么举措呀？”

“样车已经出来了，是上海交通大学研制的，这是一辆4座敞篷车，车长3米，宽1.4米，高1.7米，外表不起眼，可乘客上车后不需要人工驾驶，只要按下有关景点的按钮，汽车便会将乘客安全地带到公园内乘客想去的地方。据说，这种车将在2010年上海世博会上亮相。”

“这辆无人驾驶车有啥诀窍呢？”

“上海交通大学研制的无人驾驶车是有灵性的，算是一台智能车，车上有‘眼睛’，就是安装在车头上的俯视摄像头，专门识别道上的白线交通标志，用来保持行驶的方向。安装在摄像头旁边的激光雷达就好比是车的‘鼻子’，可以闻到前方80米以内有没有行人或其他的车辆。车的两侧，安装了左右超声传感器，就像给车配上了‘耳朵’，能听到周围的声音。而装在车头底部的磁传感器可以‘触摸’到埋在道路上的磁钉，好比是‘手’。”

“爷爷，单有这些能行吗？这车还得有‘脑子’呀。”

“对啦，安装在车辆内部的微型计算机就好比是车的‘小脑’，专门收集‘眼睛’、‘鼻子’、‘耳朵’和‘手’的信息来决定行驶和避让，而执行驶往程序中预设好的各个景点命令的，是设在远处的遥控指挥中心，也就是说，这是车的‘大脑’。”

“爷爷，我听着好像是在封闭条件下的无人驾驶系统，这辆车恐怕不能上公路行驶吧！”

“别着急呀！这叫静态无人驾驶系统。如果要驶上公路，就应该是动态无人驾驶系统，‘大脑’和‘小脑’就不能分开了，那时，得将电子地图输入车中的电脑，‘眼睛’得识别红绿灯及各种交通标志，再配上GPS，那就可以成为一台想去哪就去哪的无人驾驶车了。可是乘坐这样的车，还要具备什么条件呢？”

小J脱口而出：“首先，得向电脑输入目的地三维坐标，还有，通往目的地的道路必须钉上磁钉。爷爷，我说得对吗？”

爷爷点点头：“从静态到动态，无人驾驶系统还有一段路必须走！”

3S中的生力军

小J过去在电视屏幕上看到过电子地图。这次黄金周旅游中，他又见到了由GPS和电子地图结合而成的车载导航设备。

电子地图把小J带到了一个崭新的领域，渐渐引起了小J的兴趣。

有一天，小J终于按捺不住，朝爷爷揭开了话题：“看惯了纸图，乍一看电子地图还觉得怪有意思的！爷爷，这纸图和电子地图仅仅在形式上不同吗？”

爷爷说：“在回答你的问题之前，先得弄清楚电子地图的来历。电子地图是伴随电子计算机诞生的，由于计算机辅助制图使数字化测图成为可能。前面你已经了解到，作为小比例尺地图编绘基础的地形图，其数据来源有两种，一种是早期经典测绘的模式从地面直接采集；另一种就是从航空相片或遥感相片上采集。纸图的生产流程是，当原图确定以后，通过制版印刷，出版后一旦成为纸图，图面上的信息就固定下来了，如果随着时间的推移，信息中有了变化，就得修改原图，然后再制版印刷，出版成新的纸图再交付使用。因为纸图上的负载量有限，所以地形图的纸图上所表现的信息量需要挑选和综合，由于容纳不下太多的信息，各专业部门需要利用时，还要以地形图为蓝本，再测绘成容纳专业部门所需信息的图，这就是纸图中专题图的由来。如果需要进行综合利用时，就首先要将专题图印在透明的膜片上，再套合在地图上，才能综合分析。所以，统计起来就很不方便，特别是在汇总面积和容积时，不得不借助类似求积仪等简单量具进行粗略的估算。而这些，对于计算机辅助绘制的电子地图来说，都成了小菜一碟，不在话下。因为，计算机制图依据的是地理信息的三维坐标，所以，凡是表现在图面上的图形，其面积和容积都可以利用其数学模型进行解析计算，统计的速度跟计算机的运算速度相匹配，而且精度高。”

“我听懂了，电子地图由于计算机的存储功能，信息量是可以大量增加的。”

“能海量存储，由于在电子地图上，图像可以叠加，这就免去了利用纸图作综合分析时，需要利用专题图透明膜片叠加时的不便。于是，利用电子地图作平台，将大量地理信息进行叠加的地理信息系统就诞生了，简称GIS，可以说，GIS是从计算机辅助制图发展起来的。”

“又冒出一个带‘S’的缩略词。我听爸爸妈妈老提起‘3S’，爷爷已经给我介绍过RS和GPS，再加上GIS，正好凑成‘3S’。”

“GIS的英文全称是Geographic Information System，照字面直译，就是地理信息系统。”

“这词组里的第一个词是地理，跟地理教科书中的内容一样吗？”

“地理教科书中讲述的地理，是指地理空间，而在GIS中，要探讨的是与地理空间相关的数据，这数据能动态反映出某些现象、目标、过程或结果的定性或定量的资料，这些具有空间特征的数据可以是图形、图像、表格、声音、文字、符号、数字等形式。数据的特点主要是空间位置和时间属性两种，前者可以指的是绝对位置，如大地坐标系的三维坐标，也可以是以某些参照系统相关的相对位置，后一种属性是指地理对象、事件和现象发生的时刻，或指数据获得的时间，所以GIS研究分析的地理数据是动态的。”

“爷爷，我听明白了，这GIS中的数据是四维的。”

“时效性有些还非常重要，例如城市的公共卫生事件预警指挥系统，这是以电子地图为基础，建立起传染病疫情、突发公共卫生事件、疾病监测资料、医疗卫生机构的分布、症状监测、人口状况、相关法律法规等33个数据库。这个系统，可以在大屏幕上通过电子地图，迅速查到传染病突发地的地理位置，到达的最佳路线以及周围3千米内的各种基本情况，有利于医务人员在最短时间内开展流行病的调查及划定疫区。当预警系统在数据库统计分析中得到的数据超过警戒值时，就会发出预警信号。可见，GIS的时间属性非常重要。”

“爷爷，这第二个词指的是信息，对吗？”

“是的，在GIS中，信息来源于数据，但比数据更高级。因为，我们可以从信息中更好地认识和理解客观世界的规律，这是管理、分析、决策、生产、建设现实世界的依据。在GIS中，主要是指地理信息和地学信息两类。地理信息是指地理现象和地理特征之间的关系。而地学信息不仅包括地球表面地理空间的信息，还包括地球岩石圈、水圈、大气圈等信息。”

“都说现今已进入信息时代，怎样理解信息在发展生产力方面的重要性呢？”

“同样冶炼一吨钢，我们消耗的能源要比发达国家高得多，这就说明，钢的冶炼方面技术含量存在差异，这里既有设备（硬件）方面的差距，也有工艺（软件）方面的差距，而软件主要是信息。就拿计算机的生产来说，核心部分芯片的原料是硅，从原始的石英砂粒经过加工提炼成工业硅，知识的增值是500倍，而发展到生产出成品电路，知识的增值量提高到原始石英砂粒的107。咱们国家的出口产品中，有不少是属于劳动密集型产品，如果今后能迅速提高产品的技术含量，那出口创汇的能力就会很快翻番啦。”

“原来是这样！”

“原始人在170万年以前就出现了，但形成社会大约是在100万年以前，当时人类从采集野果发展到利用棍棒及石器进行捕鱼狩猎，直到大约公元前8000年，在这段占人类历史99％的时间里，由四处觅食到学会了简单的劳动，人类知识的贡献率大概只占3％～5％，处于初级阶段。从公元前8000年到公元1780年，人类已经掌握了青铜和铁的冶炼技术，用来制造生产工具和生活器皿，人类学会开荒种地，进入农业时期，主要的生产资料是土地，生产力就是农民的劳动力，此时知识的贡献率已提高到10％～15％，这段时期在人类历史的长河中约占1％，人类在劳动中积累起来的知识，已经对生产力的发展起到推动的作用。自从英国的瓦特改造原始蒸汽机后，引起了产业革命，人类逐渐发明了机器，也就有了安装机器的工厂和开机器的工人，从小作坊发展到大产业时，出现了管理层，包括机器的设计者，于是，劳动力分成了体力劳动者和脑力劳动者，这段时期通常认为是由1781—1950年。工业生产需要原料，扩大再生产便需要注入资金，为了使商品求得市场，需要对产品不断更新，竞争需要知识和技术，所以，工业时期虽然占人类历史的时间仅0.22％。而对知识的依赖却上升到20％～30％，比例明显上升了。进入信息时代以后，生产力发展，主要依靠知识和技术，对知识和技术的依靠程度已提高到60％～80％，特别是信息技术，使自然资源或生产资料的附加值越来越大，成为社会经济发展的主体。”

“既然瓦特改造的蒸汽机带动了产业革命，是不是电子计算机的出现，便揭开了信息时代的序幕？”

“是的，信息的采集、加工离不开数字化，海量数据的存储需要数据库。这些，不仅需要计算机，而且需要网络，只有通过信息高速公路，才能做到数据共享，使信息技术更好地为生产建设服务。所以，离开电子计算机和信息高速公路，则信息技术无从谈起，这就是第三个词System（系统）的含义。综合起来说，GIS具有以下特征：GIS是采用电子计算机，对空间信息进行采集、管理、存储、分析、显示、输出的系统，能立足于地理空间的数据，对复杂的地理空间进行描述、抽象、分析、模拟、预测和优化，不仅可以认识复杂的地学现象，还可以探索发生这些现象的过程和原因，为各种用户提供空间信息的服务。”

“爷爷，人们为了建立GIS，在地球上到处采集数据还不够，又发展到太空去采集；除了采集地球的数据以外，又采集月球等卫星，还有行星甚至于银河系以外。GIS仅仅是信息系统中的一个部分，真的很重要吗？”

“在信息时代，GIS是基础。你想呀，大到探索宇宙的奥秘，小到了解每座建筑物的属性，离开GIS能行吗？在军事上，从星球大战到局部战争中每次小的战斗，都需要掌握双方军事目标的四维坐标。预报自然灾害时，要预测灾害可能波及的范围，好采取得力的措施将损失减少到最低程度。一项工程建设更离不开GIS，就以水电站来说，究竟利大还是弊多，在论证时要加以量化，这对决策非常重要，可以减少盲目性。这些例子不胜枚举。你看看，在信息时代，离了GIS能行吗？”

“GIS是由数字堆积起来的，想不到这些不起眼的数字能有这么多妙用！”

“不错！GIS是由数字建立起来的，关键是，建立起GIS不是为了欣赏，而是为了应用。不断地更新，不断地应用，使GIS保持鲜活的生命力。通过对GIS进行空间分析去发现这些空间数据中包含的空间关系、空间模式和空间规律，验证已经概括的论点是否正确，并引发新的假设，使之逐步产生新的理论。这就是通过分析—总结—再分析—再总结，螺旋式地上升，使应用更具科学性。这些分析的手段，在GIS应用时，主要有查询操作、推理操作、量算、描述、总结和模拟等。GIS所采集的数据是原料，而通过这些操作发掘出来的知识，才是宝贵的精髓。”

“既然GIS这么重要，究竟是什么时候开始的呢？”

“在20世纪50年代，测绘工作者开始利用电子计算机来进行机助制图，地理工作者则借助电子计算机来汇总地理信息，作为决策的依据。到了1956年，奥地利测绘部门首先利用电子计算机建立起地籍数据库。到20世纪60年代末，加拿大建立了世界上第一个地理信息系统（CGIS，加拿大地理信息系统），应用于自然资源的管理和规划。紧接着，美国的哈佛大学研究出SYMAP系统软件。20世纪70年代以后，磁盘的出现，使大量数据的录入、储存、检索和输出成为可能，而屏幕的诞生、图形显示及人机对话的功能，使GIS的软件开发得到迅猛的发展，开始关注数据的标准格式，并着重研究空间数据处理的算法、数据结构和数据库管理的方法。20世纪80年代后，微型电子计算机和图形工作站的出现，使GIS的推广应用逐步普及，而信息高速公路的发展，更使GIS的应用得到迅速推广。”

小J说：“我听明白了，GIS的发展，跟电子计算机诞生和发展是紧密相关的。可是，这GIS最基本的数据包括哪些呢？”

“最基本的GIS数据是根据研究目标的性质而收集的一些数据资料，主要有5种，各类统计调查数据；野外测量数据，包括GPS、全站仪等所测的数字化数据；已有地图数字化；遥感数字图像；修改或转换已有数据库资料。”

“爷爷，野外测量数据的输入好理解，这图像数据怎样数字化呀？”

“一般采取扫描数字化的方式，直接用扫描仪将图形（地形图、专题图）和图像（遥感相片）扫描输入到计算机，以像元信息进行存储表示。也可以采用手扶跟踪数字化仪，将已有图形作为底图，对某些需要的信息进行跟踪数字化，这种方式可以有选择的余地，但作业很慢。”

“图形和图像的数字化也不难理解，可有些描述实体属性的资料如何数字化呢？”

“这就需要采用代码的方式，编码基本上有两种方法，一种为层次分类编码法，如土地利用类型，可以分林地、园地、耕地、草地等作为第一层，而第二层又可以从耕地中分出水稻田、玉米地等，在第三层中，又可以从水稻田中分出早稻田或晚稻田，这种编码有从属和层次关系。另一种编码方法为多源分类编码法，根据分类特征分别编码。”

“GIS的数据来源，既有图形，又有图像，数据结构也是多种多样的吧？”

“最常用的数据结构可以分为矢量数据结构和栅格数据结构两种，都可以用来描述空间实体的点、线、面3种基本类型。”

“我想，图形数据采用矢量数据结构最方便。”

“为什么？”

“因为地图都有坐标系，地理空间实体在地图上都被抽象地用点、线、面表示，每个点都有唯一的坐标值，所以，计算机最容易识别、储存和处理。”

“但这里要注意的是，在GIS的数据结构中，对点、线、面3种不同地理抽象要素的表达或编码有不同的处理方式。第一种是点要素，每个点要素均需记录其坐标值及属性代码；第二种是线要素，其矢量表达方式是记录两个或一组点的坐标加属性代码来实现，线要素具有直线性质的如电力线、通讯线、管网线，属于弧线的如河流、公路、铁路等；第三种是面要素，其矢量表达是记录多边形轮廓上一系列点的坐标，并加面域的属性代码。面要素更重要的是必须表达其拓扑特征，所以面要素的表达比较复杂。”

“爷爷，什么叫拓扑特征？”

“拓扑（TOPOLOGICAL）是‘关于形状的研究’的意思，拓扑关系是反映空间要素与要素类型之间关系的数据模型，是保证描述空间数据完整性的规则。点、线、面都是拓扑元素。其中，拓扑点元素可以是孤立的点，也可以是线的端点、面的首尾点或链的连接点等；拓扑线元素指两结点之间的有序弧段，包括链、弧或线段；而拓扑面元素是指由弧段或线段组成的多边形。常见的拓扑关系有相离、邻接、相交、包含及重合5种。”

“爷爷刚才还提到一种数据结构叫栅格，这‘栅格’是不是跟‘像元’差不多呀？”

“是的！栅格数据结构是最简单的空间数据结构，这栅格是大小相等，紧密相连的，每个点由行、列号确定其位置，并表明其属性。”

“每个栅格表示一点的位置，这好理解，那线和面如何用栅格表示呢？”

“线要素用具有方向的连续相邻栅格的集合来表示，而聚集在一起的相邻栅格的集群就可以表示面要素了。”

“栅格形式都是正方形吗？”

“栅格的形式除正方形外，还有等边三角形、菱形和正六边形等形式。当然，用得最多的还是正方形。”

“为什么？”

“因为正方形网格与矩阵形式相同，其行与列数目相等。”

“可栅格是二维的，而GIS的数据是多维的，除高程外，还有时间，这多维数据，采用栅格结构时怎么处理？”

“用分层的办法就可以按栅格结构处理多维的数据。”

“爷爷，好像从遥感图像获取栅格数据最方便，因为像元就是栅格。除此以外，还能从何处获取栅格数据？”

“既然从遥感图像中可以获取栅格数据，那现成的图形采用扫描也同样可以得到栅格数据。目前用得比较普遍的，是对地图进行扫描，根据分辨单元的大小，将连续的地图线划离散化为若干栅格单元，栅格单元属性值对应于地图上有关区域的颜色（即灰度），而栅格在地面上所对应的位置则由行列号来确定，这行列号可以转换为地图上的坐标系统。”

“矢量数据和栅格数据相互转换方便吗？”

“将矢量数据栅格化，采用分层的办法就可以了，转换比较容易。但将栅格数据转换成矢量数据就比较困难了。在GIS进行操作复杂的模型运算时，采用栅格数据比较方便。”

“原来是这样！”

数字地球

这次，爷爷将小J引领到一个数字世界，小J除了在课余时间从网络上了解GIS的最新信息外，还注意从爷爷的藏书中检索有关GIS的专著。有一天他正在浏览《数字地球导论》，他终于知道，“数字地球”是美国继“星球大战”和“信息高速公路”之后又一全球性的战略计划。

再往下看，他终于明白了，“数字地球（Digital Earth）”是在克林顿主政时期副总统戈尔（Al Gore）于1998年1月31日在加利福尼亚州科学中心召开的GIS协会年会上首先提出的，由美国的NASA带头组织实施。具体地说，数字地球是指以地理坐标为依据，具有多分辨率、海量数据，能够立体显示的虚构地球。

我国的陈述彭院士说：“数字地球就是要求地球上的信息全部实现数字化。”

通俗地说，数字地球是指整个地球经数字化之后由计算机网络来管理的信息系统。

既然走进了数字世界，小J想从爷爷那里弄清楚几个最主要的问题。

小J的问题是从核心部分开始的。他问道：“爷爷，能不能给我讲讲数字地球的核心技术有哪些？”

爷爷回答：“这数字地球的核心技术最主要的是计算技术。你想呀，数字是很简单的，三维也好，四维也好，但要对实时的数字进行分析，并对迅速变化的复杂现象进行仿真或虚拟实验，再进一步从中获得新的知识和理论，就需要计算技术来支撑。数字地球中涉及的图形大多是不规则曲线，这与计算机辅助设计CAD所涉及的规则图形大不相同，所以，数字地球所建立的数学模型要比CAD复杂得多，这就是将计算技术放在数字地球核心技术首位的理由。当然，发展计算技术，离不开基础科学数学的理论研究。”

“我真的难以想象，数字地球中有些数学模型该有多复杂！”

“第二项核心技术就是海量存储。”

“海量存储，意思是要具有像海水那么多数据的存储能力，是吗？”

“英文原意是‘Mass Storage’，直译是大规模存储，这大规模究竟要多大呢？‘海量’！这想象力就够丰富的啦。举个例子吧，美国宇航局（NASA）每天产生的信息量就达1000G字节，这就要电子计算机的存储和处理能力在1015字节以上。这是目前的信息量，今后的信息量肯定越来越多。从1957年第一颗人造卫星上天以来，每年发射的卫星数量越来越多，目前，已经达到每年平均超过150次发射，这么多的卫星发回来的信息量该有多大呀！”

“那只有高速的超级电子计算机才能办到。”

“这第三项核心技术就是卫星图像，要求图像具有1米的分辨率，这在过去只有航空图像才能达到这种程度，目前，商业卫星已经可以做到了。”

“我知道了，这就是爷爷以前介绍过的RS。”

“说得对，这里指的卫星图像是商业卫星提供的信息。第四项核心技术就是宽带网络。网络的传输速度要求每秒10G，将来要求达到每秒103G。”

“为什么要那样高的传输速度呢？”

“这是因为数字地球的数据库很多，不是简单地用一个数据库所能容纳的，不但有无数个，而且是分布在不同地点的。仅NASA就有12个数据中心，约50个数据库。所以，高速网络就成为连接这些分布式数据库的重要路径。”

“爷爷，这一点容易理解。”

“数字地球的第五项核心技术就是互操作，其中的Web GIS是立足于网络的GIS管理、开发、处理和应用的技术系统，而Open GIS是GIS的开放、集成、合作及人机和谐的标准规范。”

“这项核心技术是使GIS在应用方面能互相操作，对吗？”

“是的，这项核心是使一种应用软件产生的地理信息能被另一种软件读取，可以进行不同层次的互相操作。还有第六项核心技术就是‘元数据（Metadata）’。”

“这名词真新鲜！”

“这指的是‘数据的数据’或‘管理数据的数据’。”

“我想，这是用来管理海量数据的。”

“通过‘元数据’，可以了解有关数据的名称、位置、来源、日期、数据格式以及分辨率等信息。”

“爷爷，海量信息每天要更新一次，这就需要特殊的快速处理方式吧？”

“那当然，如果把数字地球的全部信息存储，磁盘的容量要达到1017字节以上，而采用纳米技术制造硬盘，可以使容量得到提高。还有，激光全息存储及蛋白质存储等方面的研究也取得了进展，而目前的办法主要是在超级计算机上并行计算，或按分布式在多台计算机上处理。”

“并行计算怎么进行？”

“这种高性能的并行计算机系统，通常由多个CPU进行紧耦合，通过总线和交叉开关来共享存储器，这种处理机属于多指令流多数据流结构，可以形成大型机和巨型机，我国研制的‘曙光一号’并行计算机就是这种类型。”

“分布式多台计算机处理数据好理解，就像蚂蚁啃骨头。”

“你这比喻倒挺有意思。分布式计算机系统由于价格比的原因，要比超级计算机系统成本低得多，将多台微机通过互联网连接起来的多计算机系统，其中各个资源单元既相互协同又高度自治，能在全系统中宏观地管理资源，动态地进行任务分配。”

“这么说，对分布式计算机系统来说，网络的作用显得很重要。”

“这就要提及国家信息基础设施（NII），又称信息高速公路。这是一个能够给用户随时提供大容量信息的，由通信网络、计算机、数据库以及日用电子产品组成的网络系统，使用户能享用信息，并在任何地点和时间，通过声音、数据、图像和影像相互传递信息。具体地说，信息高速公路就是指万维网和互联网。万维网的英文名称是World Wide Web，又称WWW，也称Web，直译是‘世界宽带网’。”

“怪不得上网时常用到3个W。”

“这是信息高速公路的初级形态，又称为超媒体网络，是由视卡、Fox-Modem卡、视频设备的计算机和光缆网络或卫星通信网络所组成的，可传输、存储和处理静态和动态的文字、图形和音响的技术系统，属于开放的超媒体计算机网络系统。”

“我知道，Internet称为‘互联网’。”

“对！又称‘国际网’，这是由多个不同的网络通过统一的网络协议和通用的地址体系实现互联互通，采用开放式的网络组织起来，网上的信息也是由世界各地的自愿者提供的，在进入某个国家或地区时，信息可以筛选。互联网有三层结构，就是用户驱动网、区域网和骨干网。对于骨干网来说，一个国家内由多个网络组成，在美国就有国家科学基金网（NSF-NET）、国防部网（Milnet）、NASA网（NSI），我国有中国科学院网、教育部网等。”

“我听明白了，互联网是在协议的基础上建立起来的。”

“所以，互联网是国际性的计算机广域网，能够基于Windows NT或基于UNIX的网络相互连接起来，形成‘网络的网络’。”

“互联网需要用光缆连接起来才能传输信息，穷乡僻壤咋办？”

“这就要说到无线网络系统。”

“好极啦！这样一来，不仅能覆盖全球各个角落，而且能将信息高速公路延伸到外层空间，谁想出了这么个好主意？”

“比尔•盖茨（Bill Gates），美国微软公司的总裁。他在1997年提出了建立全球通信网络（Teledesic）计划，要建立一个由840颗低地球轨道卫星组成的网络，从1999年开始发射卫星，在21世纪初建成，全球的覆盖率可达到99％，在偏僻地区也能使用无线电通讯技术。这项计划使发展中国家深受其益，印度的许多偏远乡村利用无线网络发展数字农业，使第一产业得到快速发展。”

“卫星通信网跟地面的互联网有联系吗？”

“当然，这是将卫星通信网高速度的传输技术跟互联网相接，可以进行电话会议、无线寻呼、传真和语言通信。卫星通信网的宽带通信频率采用数字技术，地面用户的天线最小的仅需15厘米，用户不但可在地面，而且可以在车上、船上或飞机上接通卫星互联网络，拨打无线电话，也可以将小型天线与便携式计算机相连，通过拨通提供互联网服务机构的电话，进入互联网。”

“爷爷，咱们国家的信息基础设施建得怎么样？”

“咱们国家的信息基础设施称为金桥网‘信息中速国道’，这是以光纤、卫星、微波、程控、无线移动等多种通信方式，形成天地一体的网络结构。中国的互联网在北京、上海和广州设置有国际出口中继线，实现与国际互联网的对接。中国的国家信息基础设施简称China NII。”

“这NII是国家信息基础设施的缩略词吗？”

“NII的全称是National Information Infrastructure。”

“我懂了，将各国的NII互相连接，形成全球的互联网，才能使数字地球的信息在全球畅通传输。”

“知道了NII之后，还应该了解国家空间数据基础设施NSDI，英文全称是National Spatial Data Infrastructure，这项设施的基本概念，美国总统克林顿在1994年发布的12906号执行令中说明得很清楚了，那就是地学空间数据的获取、处理、访问、分发以及有效利用所需的技术、政策、标准和人力资源。”

“地学空间数据具体指什么内容呢？”

“是指标识地球表面的自然或人工建筑要素及境界的地理位置和特征信息。具体地说，就是大地测量控制、正射影像、数字高程、交通、水文、行政单元和地籍信息。”

“这些都好理解，大地测量控制提供地理信息定位的依据，其余信息都可以利用RS通过测绘获取信息，这数字高程是什么意思？”

“数字高程提供地形的信息，建立数字高程模型，使虚拟的地球具有三维图像。”

“陆地好办，数字高程也包括广义的海洋吗？”

“当然，不然如何看清大陆架和海沟呢？数字高程的概括，一般在地球表面每隔2弧秒划分方格，在方格线的交点上获取地球表面的高程，陆地指的是海拔，海底指的是水深，由这些数字可以建立地表的高程模型。”

“国家空间数据信息量非常庞大，许多数据库的建立，肯定不是个别人或个别单位能够完成的，大家蜂拥而上，不会乱套吗？”

“这里就体现出政府行政管理的重要性，政府的主要职责就是制定这些空间数据基础设施的标准与规范。在GIS的空间数据开始建库时，软件商品化的时间有先后，要素识别代码肯定也是不统一的，还有像正射影像的反射率编码标准、投影的几何标准、水文数据的分类识别代码、地块与地块的测量描述标准等，都需要统一的标准，只有按规范逐步进行，才能便于相互利用，这跟测绘要按统一的标准和规范去作业的道理是一样的。但标准与规范的重要性是当GIS发展到一定程度以后才逐渐被人们所重视的，这涉及数据共享的问题。”

“既然已经形成这种局面，如何补救呢？”

“首先是坐标系的转换，过去的空间定位，经度为X，纬度为D，高度为H，时间为T，构成框架的四维坐标，采用标准椭球体作为参照来定义经纬度，并以大地水准面来定义高度。现在大多数国家采用地心坐标，由X、Y、Z以及时间T构成四维坐标，两种坐标系统的转换，可用GPS实测的重合点作为媒介，实现坐标系的转换。”

“这一点，爷爷在讲GPS的时候已经介绍过了。”

“另外就是要涉及地理信息的互操作，这里有两类问题，一类是实现空间数据的转换，另一类是考虑数据处理的互操作。前一类称为互操作的低层次，主要是通过3种办法来实现：用关联表直接转换，直接将输入数据转换成输出数据；用转换器直接转换，转换器是内部数据模型，对输入数据的类型及数值按照转换规则来转换；按空间数据转换标准来转换。而后一类的互操作得采用新的软件来实现，那就是自由交换地理信息的软件和协作运行地理信息的处理软件。为了使不同的地理信息系统之间能够实现互操作，最理想的方法是通过公共接口来实现。”

“这公共接口是什么？”

“公共接口相当于一种规程，这是已经达成共识必须遵守的统一标准。这样一来，对不同数据格式、不同数据处理的各种地理信息系统，通过公共接口可以互相联系，实现信息共享。因此，才能实现开放式的地理信息系统，即Open GIS。”

“爷爷曾经提到的‘虚拟地球’是怎么回事？”

“这里要解释一下什么叫‘虚拟技术’，就是用计算机来生成一个具有视觉、听觉或触觉的真实世界，面对这个世界，人可以与之互动。这门技术的全称是虚拟现实，英文称为Virtual Reality。”

“这倒是挺稀奇！”

“虚拟现实系统目前基本上有3种类型。第一种称为‘视频映射’系统，这类系统用常规计算机的显示器来表达虚拟世界，从屏幕上看到的虚拟世界，看起来特逼真，这种类型比较方便，仅使用计算机就可以实现。第二种称为‘沉浸式’系统，这种类型就比较复杂，需要运用头盔式、手套式和盔甲式的显示器和传感器加以配合，使人的视觉、听觉、触觉等可以沉浸在这个虚拟世界中进行互动。”

“这种类型的头盔、手套和盔甲我在介绍科技的电视节目中看到过，原来是一种虚拟技术！”

“沉浸式虚拟技术还可以利用多个大型投影设备制造出一个虚拟的房间或其他环境，使观众有一种亲临其境的感觉。”

“这第三种虚拟技术是什么？”

“第三种称为‘分布式’系统，这是一种多媒体虚拟系统，可以通过互联网，从分散存在不同地点的分布式数据库中，调取数据，使得用户的感觉与真实世界中的远程遥感器连接起来，形成一体的感觉。”

“这些虚拟技术跟地理信息系统结合起来，就产生了‘虚拟地球’，是这样吗？”

“在20世纪的90年代，美国就有了虚拟技术与地理信息系统相结合的可视化虚拟实验系统。接着，瑞典设计完成VR-GIS技术，这种技术运用虚拟现实建立模拟的语言（VRMI），可以不用数字化头盔、手套或盔甲，在PC机上将虚拟现实技术和地理信息系统结合起来，使用户能看到三维立体，具有视觉与听觉，而没有触觉或嗅觉，确切地讲，这是一种仿真技术。”

“这种技术有什么用处呢？”

“用处大着呢，首先，可以对地球系统的各种现象或过程进行虚拟实验。例如，对分子结构、晶体结构、基因图谱进行模拟；对宇宙构造、地球构造、火山构造等进行模拟；对地球系统的运动现象过程进行模拟、冰川消融过程的模拟、大气污染过程……”

“爷爷说的太大了，能举点具体的例子吗？”

“你看过的《侏罗纪公园》影片，就用到了虚拟技术，那里面，恐龙的形象活灵活现。还有，关于龙卷风的影视作品，不仅显示了龙卷风的灾难，也还原了龙卷风的形成过程。所以，虚拟地理信息系统不仅是一门综合性的技术，也需要有丰富的想象力，可以说，这是艺术与技术完美的结合。”

“爷爷讲的数字地球主要是美国和一些发达国家的经验，我国对数字地球感兴趣吗？”

“‘数字地球’不是一个孤立的项目，这是一项整体性的战略目标。中国的‘数字地球’是以完整的地球和数字地球的技术系统作为研究对象，重点放在感兴趣的地区，但我们要掌握全球研究的技术能力，主要是了解技术发展水平与趋势。”

“GIS仅仅是研究数字地球吗？”

“地球是众多星球中的一个，而且是我们所居住的星球，当然要格外关注。GIS按研究对象的规格来分，除数字地球外，还有数字国家、数字省（区）、数字城市，甚至是数字企业。按专业来分，就有数字水系、数字交通、数字农业等。”

“爷爷，我们关于‘数字中国’已经建设到什么程度？”

“‘数字中国’是一项巨大的信息工程，既是国家行为，也是社会行为，需要政府、学校、科研单位共同协作完成，作为信息社会建设的重要组成部分。在国家信息基础设施（NII）方面，主要是宽带光纤网和卫星宽带网的建设，要实现电话网、有线电视网与互联网相联接。在国家空间数据基础设施（NSDI）的建设方面，按行业和地区进行分布式数据库和信息系统的建设，全国基础数据库的建设，已经完成全国1∶100万和1∶25万基础数据库的建设，共有5个数据层，已经开始建库的有1∶5万基础数据库和七大流域1∶1万基础数据库。在GIS的标准化、规范化方面，由政府主管部门抓紧制订。这项信息工程建设，对今后资源调查、环境监测、防灾避灾、城市管理、区域规划、经济研究和社会调查必将作出巨大的贡献。”

GIS的应用

这些日子，小J对数字地球的知识装满一脑子，可静下来一寻思，那些都属于方法、内容、结构等，总结起来都是理论上的东西。他隐隐约约地觉得，这对一个国家的政府很重要，比如，打起仗来，这信息战离得开3S吗？再说了，政府要规划个什么经济区之类的，没有GIS支撑能行吗？所有这些都是政府科学决策的依据嘛！可对老百姓的日常生活来说，能沾多大的边呀？而仔细一回想，爷爷也零零碎碎地提起过，比如在网上购房，从观看房子、商谈价格到办理房产手续，这一切都不用离开住所。其他的网上购物，爸爸妈妈早已当成了生活琐事，这都可以归在数字商业，或者说电子商务方面。还有，印度的农民依靠NII，潜心数字农业，改变了贫穷的面貌，这是在电视上见到过的。类似的例子，我国农民的例子也很多，在有些产地，水果和蔬菜的收成挺好，可在当地供大于购，销路成了问题，农民上网调查，产销联系上了，卖了个好价钱。这些多少都跟百姓的生活贴点边，仅凭这些，这GIS的作用，也没有爷爷说得那么玄呀。

小J憋不住了，就得问。有一天，他终于开口了：“爷爷，关于GIS的作用，我也零零星星听到一些，就像瞎子摸象似的，一会儿摸着耳朵，一会儿摸到长鼻子，再待会儿，摸到的是大腿，至于整个大象，似乎没摸全，我最感兴趣的是，这GIS跟我们的日常生活关系密切吗？”

“GIS是系统工程，不是一朝一夕能够建成的，对于数字城市来说，可以从一所大厦、一户家庭做起。数字家庭实际上就是智能家庭。就是利用先进的仪器设备与计算机系统来控制家庭的供水温度、空调、照明、防火、安全、多媒体、音响、通信等。推广开来，就能涉及一座大厦、一个小区，甚至整座城市的管理，只不过复杂程度不同而已，道理是一样的，这就可以看出，GIS不是高不可攀的系统，它就在我们身边。”

“数字城市要输入哪些数据呢？”

“主要是城市的基础设施，包括建筑物和构筑物；城市的交通，包括地面、地下及空中交通；城市的金融业，包括银行、保险公司及交易所；城市的各类产业，除了第一、第二、第三产业外，还包括信息产业；城市的文教卫生设施，如学校、研究单位、医院、博物馆、科技馆、媒体、运动设施及名胜古迹；安全保卫方面包括公安、消防；政府管理部门包括各级政府、海关税务，还有地籍资料；城市规划与管理包括地质、地貌、气象、水文及自然灾害，还有城市监测及城市规划资料等。”

“这真是包罗万象呀！这些数据库是按有关专业分散建立的吧？”

“是的，将电话网、有线电视网与互联网实现三网相连，再通过网络将分散的和分布式数据库与信息系统连接起来，建立互操作平台，建立数据仓库与交换中心，还有数据处理平台，使多种数据能够融合与立体表达，使用仿真与虚拟技术，实现数据共享。由江苏省测绘局和江苏省旅游局共同建设的‘网上游南京’，基于互联网，采用计算机图形技术、遥感数据处理技术和三维地理信息技术，重点突破非投入虚拟现实和网络三维图形的关键技术，应用于南京虚拟可视化平台。目前，江苏省基础地理信息中心已经完成中山陵、原总统府、夫子庙及雨花台四处景点，可供网上旅游。”

“爷爷，网上购物属于电子商务的范畴，好像跟GIS没什么关系吧？”

“有关系呀，超级市场兴起时确实很好，它简化了商品的流通环节，商品从工厂农场生产出来后直接在超级市场上与消费者见面，免去了流通环节多重代理商的层层加价，但超级市场必须要消费者亲自去选购才能做成交易。国外的超级市场必须建立庞大的停车场，这对城市昂贵的土地资源来说，压力挺大。有了网上购物后，通过虚拟市场购物就方便多了，不需要亲临超市。但货物得送上门去，这样，GIS就派上用场了，如何将顾客们订购的商品送上门，这有个最佳线路的选择问题。再说，居民上街，到目的地选择什么交通工具？如何换乘？通过GIS都能找到最佳的选择。就像比尔•盖茨提出的‘数字神经系统’，GIS可以帮助人们去‘思考’，特别是对建设工程进行论证时，GIS能从中筛选出最佳的方案，这对城市的发展是至关重要的。从数字家庭到数字小区、数字城市……这就是未来人类社会的发展模式。”

“爷爷，数字农业是怎么回事？”

“数字农业是指运用数字地球技术，包括遥感（RS）技术、遥测（TM）技术、GPS技术、计算机网络技术、地理信息系统（GIS）技术等信息技术；土壤快速分析，自动喷灌与滴灌技术及自动耕作与收获技术；还有中、小农田直接与农业生产和管理相结合的高新技术系统。一句话，数字农业体现了农业的现代化。”

“数字农业包括哪些具体内容？”

“数字农业的数据库应存储的数据为：基础地理数据，就是1∶5000或1∶10000的地形数据，自然水系、人工灌溉系统、道路、村庄、农机站、仓库及土地利用数据；土地与土壤数据，包括100平方米为单位的土壤厚度、土壤成分与质地、土壤肥力、每年施肥的种类与数量的数据；气候要素数据；作物病虫害资料及防治措施与效果的数据；历年作物种植的种类、管理方法及产量数据；历年农业管理措施及效果评估等。”

“这好像都是数字农业的基础数据，还得补充别的数据吧？”

“还得从数字地球中融合有关地区的GIS数据，建立有关的系统。首先，可以从预测预报中知道天气灾害的预报，这种预报的信息可以来自气象卫星的云图及当地气象站的预报，对危害农业作物生长的天气灾害及时采取预防措施。预测预报还涉及病虫害的信息，结合以往的虫害史，进行严密监控，将灾害控制在最小范围。通过遥感及遥测的信息，对农产品的产量进行预测。例如，国外有一家从事数字农业的服务公司根据卫星信息，可以提供种植状况的征候图，再结合GIS提出诊断结果图，最后根据决策系统制定行动方案图，农场就可以结合GIS与GPS作出科学的决策。”

“爷爷，我在电视节目中有时能见到发达国家的农田是采用滴灌与喷灌，这跟GIS有关系吗？”

“有啊！这可以从GIS中得到土壤湿度的信息，以此来调整滴溉与喷灌的水量及频率。另外，在GIS及GPS的支持下可用于农业机械遥控系统，使耕地、播种、施肥、收割、烘干及入库实现自动化。国外已经出现了适应数字农业生产的带产量图自动作业的谷物收割机，实施变量处方的播种机、施肥机和施药机等。还有，数字农业包含的领域很广，有农、林、牧、种、养等专业，还包括加工和销售。所以说，数字农业又称为智能农业。智能农业的技术思想，早在20世纪70年代在发达国家应用于奶牛场的管理信息中，根据奶牛的产奶量调剂配料已取得成功。目前，在自动化设施园艺业的发展和养殖业中动物生长预测模型与配料，环境调控自动化系统的结合，农产品的储藏保鲜，生物资源开发过程中保持高价值和高品质的产品等，已逐步应用信息科技前沿的成就，主要是生物信息的实时检测、机器视觉、模型控制、遗传算法与神经网络技术相结合的生物对象模式识别技术。”

“爷爷刚才说的好像比较适合于大型的农场，农业的数字化，必将提高农产品数量和质量，生产的规模和生产的管理，都应该跟现代化的技术相适应，对吗？”

“是的，中国长期以来是个农耕社会，满足于自给自足，养成闭关自守的模式。英国《泰晤士报》北京分社社长马珍，英文名字叫Jane Macartney，这位女记者1979年来到北京，30年来，目睹了中国改革开放以来翻天覆地的变化。而她的祖先乔治•马戛尔尼（George Macartney）伯爵作为大英帝国的特使，于1793年率领庞大的使团，乘坐当时最先进的‘狮子’号军舰，来向大清皇朝的乾隆皇帝祝寿，当时两大文明强国的首次接触，就因为三拜九叩的‘礼仪之争’闹成了僵局，当乾隆皇帝得知英国特使亮出通商及驻使的真实目的时，乾隆勃然大怒，下令逐出来使，乾隆当时哪知道，在紧闭国门的时候，却错过了一次与世界潮流融合的难得机遇。而在47年后，英国人发动了鸦片战争，用坚船利炮轰开了古老中国的大门。作为乔治•马戛尔尼后代的马珍，却和中国人民一起，亲历了中国改革开放以来世界瞩目的巨变。”

“改革开放已30年，咱们国家发展真快，粮食不但能养活13亿人口，而且节省了大量农业劳动力，大批农民工成了城市建设的主力军，这变化真大！”

“国外发达国家在农业方面的发展也很快，据美国两位学者统计，1930年，一个美国农民生产的粮食可以提供平均9.8个人所需的食品，而到1988年，这个数字已提高到养活128人，现在当然不止是这个数字了。所以，数字农业带来的将是城镇化的趋势。”

“我听明白了，数字地球是不断丰富库存量的GIS，开始时，可以根据覆盖全球的卫星提供的遥感资料来建立数据库，这些资料虽然每日可以更新一次，但数据比较粗略。而不断建设的数字国家、数字城市、数字农业等，却不断给GIS的数据库增加精细的内容。不断采集，不断充实，实现数据共享，使我们感到，GIS就在我们身边。”

“这就是GIS能保持鲜活生命的原因。”