问题30：物联网与数字地球是什么关系？

回答这个问题很困难，因为数字地球是一个比物联网更宏大和更深刻的命题，而物联网的应用又将数字地球概念的实现大大地推进了一步。我们不妨从数字地球概念产生的背景、定义、主要特征、作用等几个方面来诠释这个问题。

1.数字地球概念产生的背景

地球是人类赖以生存的唯一的星球。以前生活在不同国家的人们感觉相互之间的距离十分遥远，相互之间了解与交流困难，彼此之间感到陌生。进入信息社会后，随着现代通信技术与互联网的广泛应用，不同地区、不同国家、不同民族的人们之间的距离被缩短，就好像生活在一个“地球村”里一样。

在享受高度物质文明的同时，人类也十分清楚地认识到：在工业化程度快速提升的今天，世界上人口膨胀、资源短缺、生态破坏、灾害频发、疾病蔓延，这些现象不仅影响到人类的生活质量，更为严重的是破坏了子孙后代赖以生存的基础。合理开发与利用地球资源，有效地保护地球环境和资源，是人类共同的责任。

地球是一个开放的、复杂的巨系统。在信息时代，如何运用系统的方法、信息技术的手段，特别是“地球空间信息”（Geo-spatial Information）的观点与方法去描述地球、研究地球、预测地球和管理地球，保护好人类共同的家园，这是摆在全人类面前一个紧要和共同的任务。信息时代的到来正在悄然地改变着人类的生存方式，未来的发展无不与数字化与网络化相关。无论是促进各国的经济与社会的可持续发展，还是改善人类的生存环境与社会质量，都需要我们认真地研究地球与空间信息资源，数字地球（Digital Earth）的概念就是在这样的背景下产生。

2.数字地球概念的由来

数字地球这一术语是美国前副总统戈尔在1998年发表的演讲《数字地球：展望21世纪我们这颗行星》中首次提出的。他在演讲中是这样表述的：我们需要一个数字地球，即一种可以嵌入海量地理数据的、多分辨率的、真实地球的三维表示，并可以在它上面添加许多与地球相关的数据，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（如图2-32所示）。为了清晰地表明自己的设想，他用一个小学生参观地球博物馆的例子来描绘数字地球。当孩子戴上头盔，可以从太空看到地球。他通过数据手套选择自己感兴趣的地区，对地球表面的图像进行放大，提高分辨率以清晰地观察各个洲不同的地区、国家、城市，可以看到那里的房屋、树木、道路、汽车和行人。

戈尔认为，高科技的发展使人类拥有前所未有的获取、收集、处理、显示地球信息的手段，但是大量的数据并没有得到充分的处理，更谈不上充分利用了。因此，戈尔说：我们需要一个“数字地球”，它是一个用高分辨率三维空间数据描述的数字星球，数据量可能达到数亿亿个字节。

需要指出的是，数字地球的概念不是戈尔个人灵机一动的产物，它是科学发展与社会需求的必然产物。我们可以回顾这样一个过程。

● 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，西方七国集团比利时“信息技术部长会议”通过了建设全球信息社会的构想。

● 1995年，美国前总统克林顿签署“国家信息基础设施（NII）建设”的法令。

● 1994年，美国前总统克林顿签署与NII建设配套的12906行政法令，提出建设国家空间数据基础设施。

● 1996年，联合国在南非约翰内斯堡召开的“信息社会和发展大会部长级会议”讨论以互联网建设为标志的信息社会的到来对世界影响问题时，也涉及全球环境、资源、灾害与海洋信息建设的问题。

● 1998年，戈尔提出了“数字地球”的概念。

“数字地球”是一个全球性的概念，它必须由世界上很多国家联合、协调和共同研究、建设与应用。“数字地球”的概念一经提出，立即得到世界各国的响应。

1995年，在英国地理信息协会的年会AGI’95上提出了“国家地学空间数据框架（NGDF）”，并得到英国政府的支持。加拿大提出了建设“加拿大国家地学数据基础设施”（CGDI）的计划。2000年，吉隆坡会议通过了“亚太地区空间信息基础设施”（APSDI）建设的框架结构，并成立了一个区域性的合作机构。2004年，欧盟在布鲁塞尔会议上通过了“在欧共体内建设空间信息基础设施”（INSPIRE）的提案。

3.数字地球定义

从广义的角度来看，数字地球是对地球上自然界、人类社会的一切事物、现象、活动的数字化的过程，是对地球与人类活动的数字虚拟。从狭义的角度看，数字地球是通过遥感技术、地理信息系统技术、导航定位技术、计算机高性能计算技术、虚拟现实技术与通信技术，以地球信息应用为核心，整合地球与空间信息，准确地用数据描述地球，分析和模拟地球与空间的自然、社会演变的过程，科学利用地球资源，达到人、社会、自然的和谐与可持续发展的目的。

承继成先生对数字地球做出的定义是：以地球作为对象的、具有多分辨率、海量的和多种数据融合的，并可用多媒体和虚拟技术进行多维（立体和动态的）表达，具有空间化、数字化、网络化、智能化和可视化特征的技术系统。

从以上的讨论中，我们可以总结出数字地球概念的核心是：

● 使用数字化和空间化技术，用数据来准确地描述地球与空间状态信息。

● 最大限度地利用与地球相关的信息资源。

● 既可在空间维度上漫游，又可在时间维度上漫游。

● 为地球科学研究创造条件。

4.数字地球的主要特征

数字地球的主要特征表现在以下几个方面。

（1）数字地球是一门新兴交叉学科

数字地球是地球科学、信息科学与系统科学融合形成的一门新兴交叉学科。数字地球是以计算机技术、多媒体技术、卫星遥感技术、空间信息技术为基础，以覆盖全球的互联网为数据交互平台，用数字的方法将地球、地球上的活动，以及整个地球环境的空间变化存储在计算机系统之中，按照不同的应用要求与分析模型处理，实现在互联网上的传输和可视化，使之最大限度地为人类的生存、可持续发展、人类的日常工作、生活、学习和娱乐服务，用以支持和改善人类活动和生活的质量。

因此，数字地球的研究包含两个层面的问题：一是国家空间数据基础设施（NSDI）与全球空间数据基础设施（GSDI），二是数字地球的应用与服务。

（2）数字地球的应用包含了多个层次

数字地球是将地理坐标数据与人类各种信息建立关联和组织起来，存储在计算机系统中，从而构成一个全球信息模型。这些信息首先应该包括自然条件信息，如地形、地貌、地质构造、矿产、土地、山川、气象等；同时也要包括社会人文信息，如建筑、人口、军事、交通、经济、教育、科技、工农业生产、民族等信息。研究人员将这些信息有机地联系到一起，存储在计算机的数据库系统之中，按照一定的模型或算法，为用户检索和利用提供方便，使人们能够快速、形象、全面、准确地了解他所需要的地球特定地区、国家、城市或社区完整的信息，帮助用户对某一件事或某一个问题做出准确的思考和决策。

因此，数字地球的应用包含三个层次的问题：第一个层次是全球层，即以整个地球为对象，研究全球气候变化、全球植被与土地利用、生物多样化的变化、海洋环境变化、全球地形变化、全球经济发展水平监测与评估问题。第二个层次是国家层，即以一个国家为对象，研究国家的资源、环境、经济、社会、人口发展水平监测与评估问题。第三个层次是区域层，即以城市、城镇、农村、社区为对象，研究产业形态、社会发展形态、服务与管理问题。

（3）描述数字地球的信息是动态和海量的

由于描述数字地球的数据包括通过卫星遥感获取的地球地理数据，而地球表面的数据可能因为地震、飓风等因素发生突然变化，也可能因为地球变暖、海平面的升高、地球表面的地理形态而经常出现变化。同时，某个地区的道路、房屋建设等人文信息更是不断地在改变，因此描述数字地球的信息是动态的。

同时，描述数字地球的信息是海量的。为了适应不同的应用需求，地球地理数据是有不同的比例尺和分辨率的。如果要形成一张面积为56平方公里、分辨率为1米的卫星影像数据，其数据量大约为2000GB。那么，如果要建立一个全球的数字地球数据库，描述数字地球的信息将是海量的。

（4）数字地球将成为信息产业新的增长点

数字地球的研究将给信息技术提出很多新的研究课题；数字地球的应用将在互联网上产生很大的流量，需要很多更先进的地面通信与空间通信技术、装备；数字地球计划的实现将需要使用更多的高性能计算机，需要更多的并行计算的算法与应用软件。由此，数字地球计划的推进将会成为21世纪信息技术研究发展的重要推动力，将会成为信息产业发展新的增长点。

5.数字地球技术的作用

数字地球作为信息时代的一项重要的技术成果，将对人类社会与生活产生重要的影响。这些影响主要表现在以下几个方面。

（1）数字地球对全球的事务处理将有越来越重要的作用

● 数字地球在解决人类社会可持续发展问题中的作用

经济的全球化与资源环境的全球化趋势日益明显，人类在全球环境恶化时必须采取共同的应对策略，这一点在各国之间已形成共识。最典型的例子是温室效应对地球环境的影响问题。温室效应主要是由于现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气，这些燃料燃烧后放出大量的二氧化碳气体进入大气造成的。科学家预言，如果按现在的速度发展，到2050年全球温度将上升2℃～4℃，南北极的冰山将大幅度融化，导致海平面上升，一些岛屿国家和沿海城市将被淹没，其中包括几个著名的国际大城市，例如东京、纽约和悉尼。同时，由于温室效应的存在，将导致地球上的病虫害增加、气候反常、土地干旱、沙漠化面积增大。温室效应的影响是人类必须共同面对和解决的问题，因此《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》确定的“共同但有区别的责任”原则，发展中国家呼吁发达国家到2020年在1990年的温室气体排放水平上至少减排40%。显然，监测、控制二氧化碳等有害气体排放，必须依靠数字地球技术。同时，人类可以利用数字地球技术对自然资源、人口与经济发展进行规划，对灾害进行预测与防范，帮助解决好人类社会的可持续发展问题。

● 数字地球在提高人类应对突发事件能力中的作用

地球时刻面临着环境恶化、地震、海啸等突发事件的威胁，面临国家、地区或民族之间的冲突，甚至需要面临太空飞来的陨石撞击地球的事件。这些威胁虽然可能是局部的，但是会对全球产生影响。人类可以借助数字地球技术对各种数据进行分析和预测，虚拟各种突发事件的场景，提供给相关部门作为决策参考和模拟训练，提高人类预防和处置突发事件的能力。

● 数字地球在提高军队作战能力方面的作用

在现代战场上，从大气层外空间到大气层内空间，从高空到中、低空，从地面到水面和水下，到处都布满了军事监测装置和传感器。显然，数字地球技术是现代信息化条件下作战的关键技术。在海湾战争的“沙漠风暴”行动中，美国在行动之前的半年里，就调动了几十颗卫星、大量侦察飞机、预警飞机、舰载电子侦察设备，以及80多个地面侦察点，对目标进行全方位、多层次、实时地监视和侦查网，广泛搜集各种情报，为美军的作战提供了准确和及时的信息。战争开始之后，美军佩戴装备了GPS的头盔，通过无线自组网，及时获得战场信息和战斗指令。而对手在美军强大的信息压制、干扰和打击下，侦察情报与指挥通信系统失灵，导致整个作战体系瘫痪，完全处于被动挨打的局面。从这个例子可以看出，数字地球对于推动战争向精确、可控方向发展，提高多兵种协同作战能力和指挥能力极为重要。

（2）数字地球对提高国家管理和决策水平具有越来越重要的作用

● 数字地球将为国家决策提供新的手段

国家决策涉及政治、军事、外交、科技、文化，而决策正确与否很大程度上取决于决策者对国内外信息的把握。统计数据表明，80%以上的决策都与空间信息相关，因此数字地球技术无疑会为国家决策提供一种新的和有效的手段。

● 数字地球将在国家管理中发挥重要的作用

数字地球技术可以用于城市规划、市政管理、城市交通、资源与经济、环境保护、公安消防管理，以及突发公共安全事件的应急处置。政府部门的管理者可以依据数字地球技术提供的相关信息，科学地预测、规划、处置涉及城市经济与社会发展的问题，保持城市的经济发展与安全，提高决策的科学性、前瞻性与正确性。

实际上，数字地球与物联网应用的终极目标是一致的。数字地球是各国政要、不同学科的学者，以及产业界对未来信息技术更广泛、更深刻应用构想的远景规划。世界各国都将数字地球与物联网技术列入他们的中长期科学研究规划中，开展大规模和持续的研究。

6.我国数字地球研究工作的进展

数字地球概念的提出引起了我国政府与学术界的高度重视。1998年1月，北京大学、国家863计划信息获取与处理技术主题专家组与国家遥感应用工程技术中心联合召开了研讨会；在1998年11月的“资源环境信息与数字地球”研讨会的基础上，1999年1月，中国科学院地学部向国务院提交了“中国数字地球发展战略的建议”。1999年11月，第一届“数字地球国际会议”在北京召开，来自全世界20个国家的500多位科学家参加了会议，讨论了人类如何面对人口快速增长、环境恶化、资源匮乏的严峻挑战，以及全球可持续发展问题。会议发表了“数字地球北京宣言”。

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、信息产业部、国土资源部、国防科工委等11个部委组成“国家地理空间信息协调委员会”，并于2001年公布“国家空间信息基础设施发展战略研究”文件。2001年7月，国务院办公厅转发了国家发展与改革委员会等11个部委“关于促进我国国家空间信息基础设施建设和应用若干意见的通知”。

2006年5月，由中国科学家自主研发的我国第一个数字地球原型系统通过了成果鉴定，并被认为是国际上除美国之外推出的又一先进的数字地球原型系统。2006年5月，第一个由我国科学家发起、联合国际同行组建的全球性国际学术组织—国际数字地球学会（ISDE）在北京正式成立。第六届国际数字地球会议（ISDE6）于2009年9月在北京召开，这是1999年我国发起首次国际数字地球会议之后主办的又一次数字地球盛会。

虽然美国最先提出了数字地球计划，但由于美国的计划是一项耗资庞大的工程，美国自身感觉难度巨大，进展缓慢。而我国在政府的有效组织和支持下，多个学科的科学家紧密合作，经过多年的努力，在数字地球理论与应用技术研究方面已经步入国际先进行列，得到国际同行认同。到目前为止，我国已经有20多个省（自治区）、200多个城市启动了数字省区与数字城市建设工作。

数字地球与物联网的研究目标是一致的，数字地球与物联网是不同领域科学家对同一个事物与目标的不同表述，数字地球的研究为我们理解物联网的概念做出了很好的诠释。