内容摘要

正如戈尔所说：「地球濒临失衡，选择在我们手中。」随着人类社会发展，人类和其所赖以生存的地球之间的矛盾越来越尖锐。同时，信息化和全球化的浪潮正在席卷全球，为解决这一矛盾注入了新的力量。数字地球在这种背景下应运而生，以实现人类和资源环境间的可持续发展。本章介绍了数字地球的基本概念、基本框架、发展、技术系统及其应用。

城市从远古的「筑城为卫君，造郭以守民」走来。今天，城市作为一个地区的政治、经济、文化中心，是人类文明的辐射源和聚集地。在信息浪潮席卷全球的今天，数字城市作为城市概念和内涵的拓展，通过城市信息化更好地把握城市系统的运动状态和规律，使城市更加有利于人类的生存和可持续发展。本章阐述了数字城市的基本概念、基本框架、战略构想和规划设计，并对典型的数字城市应用工程加以介绍。

本章重点

● 数字地球的概念；

● 数字地球的基本框架；

● 数字地球的技术系统；

● 数字城市的概念；

● 数字城市的基本框架；

● 数字城市的规划设计。

11.1 数字地球简介11.1.1 数字地球的概念及发展

1998 年 1 月 31 日，美国前副总统阿尔·戈尔发表了题为「数字地球：对 21 世纪我们星球的理解（The Digital Earth：Understanding Our Planet in the 21st Century）」的演讲，首次公开提出了数字地球的概念。在该报告中，戈尔对数字地球的定义是：数字地球是指可以整合海量地理数据、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和虚拟地球系统。数字地球是迄今人类掌握地球表面信息最好的方式之一，一经提出很快就得到了广泛的认可与很多国家和地区的响应。

1.数字地球概念的形成背景

数字地球的概念并不是戈尔灵机一动冒出来的想法，其形成是一个长期的、渐进的过程，是信息技术和空间技术等科学发展的必然结果，也是在信息社会时代广泛的社会需求下应运而生的。

1991 年，美国政府智囊团首先提出了「信息社会」（Information Society）的概念。1992 年，西方七国集团在比利时的布鲁塞尔召开了「信息技术部长会议」，在会上通过了建立信息社会的原则并首次确定了全球信息社会的构想。1993 年 2 月，美国时任总统比尔·克林顿签署法令，在全美开展了俗称「信息高速公路」的「国家信息基础设施建设」（National Information Infrastructure，NII）。1994 年 4 月，比尔·克林顿又签署了行政令：建设「协调地理空间数据的获取与查询：国家空间数据基础设施（National Spatial Data Infrastructure ，NSDI）」，用以生产和提供海量的地理空间数据，并为国家信息基础设施提供配套的空间数据基础设施。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」，会上讨论了以信息高速公路为标志的信息社会的到来将引起的世界深刻的变化和国际合作问题。会议还通过了全球 Internet 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、全球卫星计划和海洋信息社会建设等重大项目。可以说，信息时代的到来为数字地球概念的提出创造了必要条件。

空间位置有关的地理信息约占信息总量的 75%～80%，而且必须有更高的标准（三维、实时、可视化等），才能满足人类的需求。在人类共同面临资源短缺、环境污染、人口爆炸与灾害频发的挑战及全球经济一体化发展趋势的今天，解决信息化社会所面临的海量数据闲置与信息饥渴同时存在的矛盾，共建、共享一个全球性的地理信息系统，保障「地球村」的可持续发展，是人们的共同愿望。地学空间信息科学的日趋成熟和 IT 技术的突飞猛进，为数字地球概念的产生创造了科学背景。美国在实现了信息高速公路和国家空间数据基础设施两个计划之后完成了通向数字地球的必要技术准备。

数字地球的提出不仅是科学发展和社会需求的必然结果，作为美国一项极富挑战性的战略思想，这一概念的提出有其深刻的政治和经济背景。在政治上，冷战结束后，各国由军事上的竞争转向经济和综合国力的竞争，美国政府为了巩固其世界霸主地位，克林顿政府于 1993 年做出一项重大决策，放弃「星球大战」和「新一代高速加能计划」，转为实施国家信息基础设施建设。可以说，美国依次提出的「星球大战」、「信息高速公路」和数字地球等计划，都是服务于美国国家发展战略目标的综合性重大计划，数字地球更是美国全球战略的延续和发展。在经济上，知识经济时代的到来使得信息技术和信息产业成为推动经济发展的主要动力，美国政府自然也期望通过数字地球这一三维的地球信息模型继续把持全球信息技术和信息产业的制高点，带动其经济发展。

2.数字地球概念的含义

1）学术定义

戈尔在提出数字地球这一概念时，只是一个粗略的设想，并没有对数字地球给出严格的科学定义。许多学者和团体据此引申做出了不同的解释或进一步扩充。

在 1998 年 6 月的美国第一次数字地球研讨会上，对数字地球提出了一个非正式、阶段性的定义：数字地球是对地球的虚拟表达，它能使人们体验和利用收集到的与地球有关的自然、文化和历史数据。

杨崇俊研究员认为，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，其核心思想是用数字化的手段整体地处理地球问题，来最大限度地利用资源。

童庆禧院士则从数字地球的功能和作用角度对其做出如下定义：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，最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、环境保护与利用乃至教育提供的先进工具。

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。

陈述彭院士则认为：与地球信息科学等学科概念和遥感等技术名词相比，数字地球更像是一项技术政策，在一定程度上涵盖了上述领域，更加通俗易懂，是一个面向社会的号召，实质地说，数字地球就是要求地球上的信息全部实现数字化。

毕思文先生提出：数字地球是指地球上的信息全部数字化之后由计算机网络来管理的技术系统，用以了解整个地球系统所涉及的信息过程，特别注意地球系统各圈层之间信息的联系和相互作用的规律。

此外，还有很多学者和研究人员也根据自己的理解，对数字地球的概念做出了相应的阐述。

当然，目前学术界对数字地球并没有一个统一的定义，但大多数人认为，数字地球是一个不仅包含地球信息、地理信息、Geomatics、遥感、GPS、Internet 等科学技术，同时还涉及政治、经济、哲学、社会学等许多领域的开放的复杂巨系统。随着数字地球的发展，其概念和定义也将进一步完善。

2）基本内涵

数字地球计划是继信息高速公路之后又一全球性的科技发展战略目标，是国家主要的信息基础设施，是信息社会的主要组成部分，是遥感、遥测、全球定位系统、互联网络（Internet）——万维网（World Wide Web）、仿真与虚拟技术等现代科技的高度综合和升华，是当今科技发展的制高点。数字地球是地球科学与信息科学的高度综合，其基本内涵可以归纳为以下几个方面。

（1）数字地球是对地球的认识方式，既是对真实的物质地球的认识，又是对以政治、军事、经济、文化为主体的抽象地球的认识，它是一个全球性的信息综合体，是为全人类实现信息的共享而建立的一个人类信息的生活空间。

（2）数字地球是把地球搬进实验室和计算机的研究领域和研究方向，它包括地球信息的获取、传输、处理和应用的全过程，涵盖从数字化、数据构模、系统仿真、决策支持一直到虚拟现实的与地球相关的方方面面的研究。

（3）数字地球是一个全球综合信息的数据系统工程，是全球共同使用空间信息的一个环节和平台，它强调数据的全球共建、共享，需要全球成千上万的部门来共同构建，是一个开放的、复杂的动态信息系统。

（4）数字地球是一种全球战略思想，涉及国家乃至全球发展的重大战略问题，其核心是用全盘数字化的信息获取、存储、传输与处理技术来控制和操纵全球性的事务，需要政府、产业部门、企业和学术界的共建共享及全社会的支持和关心。

（5）数字地球是关于地球系统的物理模型、数学模型、计算机模型和信息模型的理论体系，涵盖地球物理分析、地球时空系统分析及地球系统信息机理等方方面面的理论研究内容和方向。

（6）数字地球是一次新的技术革命，它是全球对地观测系统、卫星通信系统与 Internet 等高新技术的扩展和延伸，它改变了人类的生产和生活方式，给人类提出了许多新的挑战，将进一步促进科学技术的发展和推动社会经济的进步。

（7）数字地球是一个海量信息库，数据存储内容的扩展是其最大特点之一，它整合了地学、政务、资源、环境等各方面的与地球相关的信息，成为世界上最大的地球图书馆，是一个和地球有关的、庞大的数据库系统。

3）数字地球与有关术语的关系

（1）数字地球与 NSDI、NII 的关系。

国家信息基础设施（NII），俗称信息高速公路（information super highway），由计算机、光纤、通信卫星及其附属设施等硬件和软件及各种接口和协议等组成。1991 年 9 月，科学美国人》的一份专辑首次报告美国高级智囊团对信息社会及国家信息基础蓝图的勾画。1993 年，以国家方针的形式提出了建设国家信息基础设施的构想，这项计划很快得到了政府的批准并迅速启动。随后，世界各国也纷纷投入到本国的国家信息基础设施建设中。1994 年 9 月，美国提出了建立全球信息基础设施的倡议，为实现全球范围内的信息共享创造了条件。

美国政府报告中对国家信息基础设施的定义为：「国家信息基础设施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、数据库及日用电子产品组成的完备网络系统」。该报告还指出，「国家信息基础设施能使所有美国人享用信息，并在任何时间和地点，通过声音、数据、图形和图像相互传递信息。」国家信息基础设施在电子邮件、信息查询、信息资源共享、分布式计算、视频会议、交互式电子点播、协同工作等方面具有广泛的应用。同时，它还为推动新科技发展、促进电子商务发展、加速经济发展、促进教育事业等方面奠定了信息基础。

国家空间数据基础设施（NSDI）是继国家信息基础设施之后又一个国家级信息基础设施。地理空间信息具有基础性、区域性、共享性、综合性和分布性等特性，在各个国家和各级部门都得到广泛的重视和应用。但由于缺乏协调和管理，各个系统之间是独立和相互分离的，系统间也缺乏交流和共享，数据被重复采集，不仅浪费了大量的人力和物力，也使得各系统不能适应信息化和网络化的要求，从而限制了地理信息的广泛应用。

国家空间数据基础设施在此背景下应运而生，美国于 1994 年 4 月 13 日发布了 12906 号总统行政令，实施国家空间数据基础设施计划，由联邦地理数据委员会负责该计划的实施。国家空间数据基础设施指的是为获取、处理、存储、分发和提高使用地理空间所必需的技术、政策、标准和人力资源。其主要功能是协调基础地理空间数据集的收集、管理、分发和共享，而它的目的则是促进经济发展、改进资源管理及环境保护。而 1996 年 9 月在德国伯恩主办的国际会议上，开始了真正意义上的全球空间基础设施建设的对话，并在需要共同关心的内容和推动全球空间数据基础设施发展等方面达成共识。同时，作为全球空间数据基础设施重要组成部分的区域空间基础设施也在飞速发展。

国家空间数据基础设施主要强调地理框架数据的收集、数据政策及技术空间数据标准和数据交换站等。不过，对于空间数据的融合和互操作及空间信息的综合应用等，国家空间数据基础设施基本没有涉及。

数字地球、国家信息基础设施与国家空间数据基础设施之间的关系十分密切。

首先，NSDI 是 NII 中的重要组成部分和主要内容。被称为信息高速公路的 NII 与一般高速公路相似的地方是：不同等级的公路、各种交通标志、交通规则和各种交通车辆构成了覆盖全国、四通八达的公路网络。国家信息基础设施 NII 也包括了各类信息网络，如广域网、局域网、宽带网、有线网和无线网等，而国家空间数据基础设施 NSDI 是由 NII 连接的信息中心或数据库的节点的数据，互操作及共享的数据流及其标准与规范、政策和法规等。NSDI 就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，以及客流和物流源等。

其次，与高速公路的核心是丰富的客流中的物流资源一样， NSDI 是 NII 的核心和必不可少的组成部分。所以 NSDI 与 NII 密不可分，而且以 NSDI 为主，所以人们常把 NSDI+NII=NSII 称为国家空间信息基础设施，就是把数据改为信息。所以有很多人把数字地球与 NSDI 或 NSII 等同起来，不过实际上 NII 是国家信息系统。NSDI 是国家级的空间数据系统，NSII 是国家级的空间信息系统，即以地理坐标为基础的国家信息系统，它们都是数字地球的重要组成部分。

（2）数字地球与数字国家、数字地区及数字城镇的关系。

数字国家、数字地区和数字城市是数字地球在不同层次的具体应用。

数字地球就是从全球层次对地球的研究和应用，它以整个地球为对象，关注的是与全球地理信息相关的各种对象，如全球气候变化、全球植被与土壤利用、土地覆盖变化、生物多样性变化、全球海平面环境变化及海洋变化、全球地形变化及地壳运动监测（地震等），以及全球经济发展水平监测与评估等。

数字国家和数字地区是数字地球在国家层和地区层的具体应用，一般以一个国家或一个地区的资源、环境、经济、社会、人口等的监测与分析为研究对象，尤其对洪涝、干旱、火灾、虫灾等与地理信息相关的灾害的动态监测和防治等。此外，对于农作物种植、交通及经济状况监测也是数字国家和数字地区的重要研究对象。

数字城市是数字地球在城镇层的具体应用。城镇层的数字地球的研究对象包括信息化带动传统产业改造和升级、经济社会发展态势、管理和服务等。

（3）数字地球与信息化、信息社会的关系。

数字地球是信息社会建设的空间基础设施，是全球信息化的重要保证。数字地球不仅是获取和管理全球资源与环境等数据的主要手段，也是整合全球经济、社会和人口等数据的基础。所以数字地球与全球信息化、国家信息化、城市信息化及国民经济信息化密切相关，是其空间信息基础设施。

3.数字地球的发展

总体来说，数字地球是一个全球性的概念，需要很多国家联合起来进行协作与共同建设才能完成。自 1999 年以来，以数字地球为主题的国际会议在不同的国家和地区召开。

1999 年，在中国北京召开第一届数字地球国际会议，来自 27 个国家和地区的 500 名代表齐聚一堂，对数字地球的概念、认识、理论、技术及应用前景等进行了探讨，并发表了「北京宣言」。

2001 年，在加拿大的弗雷德里克顿市召开第二届数字地球国际会议，30 个国家 200 余名专家参加了会议，会议的主题是「超越信息的基础设施」。

2003 年，在捷克的布尔诺市召开了第三届数字地球国际会议，34 个国家的 250 余名代表参加了会议，会议的主题是「数字地球——全球可持续发展的信息资源」。

2005 年，在日本东京召开了第四届数字地球国际会议，来自 36 个国家的 345 名代表出席了会议，会议的主题是「全球共享的数字地球」。

2007 年，第五届数字地球国际会议在美国洛杉矶召开，来自 28 个国家的 390 名代表出席会议，会议的主题是「体验地球」。

2009 年，第六届数字地球国际会议在中国北京召开，来自 40 多个国家的 1000 余名代表参加了会议，会议的主题是「行动中的数字地球」。

此外，于 2006 年和 2008 年分别在新西兰和德国成功召开了第一、二届国际数字地球峰会。

而对于一个具体国家来说，主要是根据国际统一的标准和规范，建设本国的国家信息基础设施 NII 和国家空间数据基础设施 NSDI。下面挑选其中有代表性的国家和地区进行介绍。

1）国外数字地球发展状况

（1）美国国家空间数据基础设施。

作为提出数字地球概念的国家，美国非常重视对国家空间数据基础设施的研究，每年投入 10 亿 ～20 亿美元的资金，由多个重要部门共同参与 NSDI 的建设。其中，成立于 1990 年的美国联邦地理数据委员会（有 16 个部门，分为 11 个委员会和 7 个工作组）来协调国家空间数据基础设施的建设。美国地质调查局与国家测绘局负责建设国家地理空间数据框架，包括正射影像数据（DOM）、数字高程模型数据（DEM）、矢量数据（DLG）、栅格数据（DRG）、交通、水文、境界、地籍和大地控制网等的建设。该框架提供空间数据共享的基础。美国国家航空航天局主要负责卫星对地观测任务，获取翔实的空间数据和图像资料，为天气预报、气候变化预测及生态变化监测及环境变化等重大问题提供了强有力的支持。

（2）英国的国家地学空间数据框架。

英国的国家地学空间数据框架（National Geospatial Data Framework，NGDF）计划由英国地理信息协会于 1995 年的年会上提出，在英国测绘局的支持下迅速发展壮大，其目的是提高政府工作效率和效益、促进地理信息应用市场的开拓等。英国的国家地学空间数据框架主要任务包括：英国空间数据基础设施建设、建立地学信息的国家标准与规范、推动地理和地学信息的集成和应用、提高空间数据的质量及其一致性、给政府部门提供地理空间信息管理的政策、法规等方面的建议等。

（3）加拿大国家地学基础数据设施。

加拿大国家地学基础设施（Canadian Geospatial Data Infrastructure，CGDI）通过联邦、州及地方政府的合作，主要完成以下任务：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；建立现有的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，把数据提供给广大用户；保证现有的大量数据能够有效地被访问和使用；提供空间数据可视化的参考系统等。其主要内容包括：地学信息快速访问计划、国家地理信息框架计划、地学信息伙伴关系计划、地学信息创新计划、可持续发展社区计划及国家地图计划等。

（4）欧共体空间信息基础设施。

欧共体空间信息基础设施（Infrastructure for Spatial Information in Europe，INSPIRE）是在其各个成员国建立的国家空间信息基础设施（NSII）的基础上建立起来的，与各国的空间信息基础设施基础并不矛盾，它源于各国的空间信息基础设施并高于各国的空间信息基础设施。它共分为七章，各章的内容分别是总则、元数据、空间数据集和空间数据服务协作、网络服务、数据共享和重用、协调和补充措施、最终规定。

（5）亚太地区空间信息基础设施。

亚太地区是包括亚洲和美洲的太平洋沿岸国家和大洋洲的澳大利亚，以及新西兰、印度尼西亚在内的国家和地区。2000 年，在马来西亚吉隆坡召开的地区性的空间信息基础设施建设会议上，决定成立一个区域性合作机构，其常驻机构设在吉隆坡。与会者一致认识到：亚太地区空间信息基础设施（Asia Pacific Spatial Data Infrastructure，APSDI）是一个连接分布在亚太地区各国的分布式数据库网络，这些数据库在整个地区实现数据共享并服务于整个地区的经济与社会。APSDI 包括框架体系、技术标准、基础数据和接口网络四个核心部分，空间数据框架是核心中的核心。

（6）全球空间数据基础设施。

全球空间数据基础设施（Global Spatial Data Infrastructure，GSDI）成立于 1996 年，它在灵活、简单的原则下将全球一些重要国家和地区及有关的国际机构组织在一起，以实现各国的社会和环境目标，支持全球的经济目标。GSDI 的框架体系主要包括地理空间数据框架、地理空间数据交互网络、地理空间数据标准规范及地理空间数据协调管理机构四个部分。当前 GSDI 的地理空间数据框架侧重于 1:100 的全球 DEM 的生产与共享上。

GSDI 的总体发展趋势主要体现在以下几个方面：① RS、GIS、GNSS 等地学空间信息技术与 Internet 的集成发展；② 资源、环境等地理信息与航天航空对地观测（EOS）信息等多源地理空间信息的深入融合；③ 多源地理空间信息的网络集成与虚拟现实技术已成为其主导模式。

2）我国数字地球发展状况

我国政府和科技界对数字地球的发展十分重视。1998 年 1 月，中国科学院地学部向国务院提交「中国数字地球发展战略的建议」，指出数字地球是整体性的、导向性的发展战略措施，它反映了科学技术乃至经济和社会的跨世纪发展的国家目标。从我国国家目标出发，我国迫切需要一个中国数字地球或数字中国。2000 年 4 月，经国务院批准，由国家发展与改革委员会牵头，科技部、国防科工委、财政部、信息产业部、国土资源部、建设部、农业部、中国科学院、国家测绘局和解放军总装备部等 11 个部委组成国家地理空间信息协调委员会，负责研究我国空间信息基础设施和地理信息系统的发展战略等。2001 年 5 月，国家测绘局成立了「构建数字中国空间基础框架总体战略研究课题组」，提供了关于「数字中国」地理空间基础框架的总体战略、「数字省区」和数字城市地理空间基础框架等研究成果。2004 年，建设部出台了「城市数字化示范应用工程技术导则」。目前，我国已有 20 余个省（自治区）开始或正在筹建数字省，已有数百个城市启动或正在筹备城市数字化建设。

我国的空间数据基础设施，在基础地理信息强劲需求的带动下，取得了飞速发展。① 我国国家基础地理信息系统的建设，起步于 20 世纪 80 年代，完成了如下基础空间数据库的建设：全国 1:400 万、1:100 万和 1:24 万的地形和高程模型数据库、大中城市大比例尺地图 1:500 万 ～1:200 万数据库、重点江河洪水防泛区的数字高程模型数据库等。② 自从 1999 年启动《国家基础测绘设施项目》以来，我国建立了以「航空航天遥感信息数据处理系统」、「基础地理信息管理服务技术体系」、「基础地理信息数据生产技术体系」、「国家基础地理信息系统数据传输网络」4 个单项工程为骨干的从地理空间数据生产到信息服务的基础框架，使我国空间数据基础设施走上了规模化建设和实用的道路。③ 在对地观测方面，我国发射的风云一号、风云二号、资源一号及资源二号等卫星，为国家空间数据基础设施提供了数据源，并为遥感数据在国家经济建设中的利用创造了条件。④ 我国各经济专业部门针对各领域的专题地理信息数据库共超过 100 个，数据总量超过 1250GB，并且这个数字还在不断增长。

11.1.2 数字地球的组成及基本框架

数字地球作为一门新的学科分支，由三部分组成：基础理论、技术体系和应用领域。前面所提到的数字地球基础设施属于技术体系或技术系统，它们三者的关系，可以用图 11.1 所示的数字地球的框架结构来表示。而由其所衍生的数字地球的学科分支框架则如图 11.2 所示。将二者综合起来，数字地球基本体系框架结构如表 11.1 所示。