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數(shù)字地球
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展望21世紀我們這顆行星


技術(shù)創(chuàng)新的新浪潮使我們能夠大量地獲得、存儲、處理和顯示關(guān)于我們行星的各種環(huán)境和文化現(xiàn)象信息。如此大量的信息構(gòu)成了“地理坐標系”,它涉及地球表面每一個特定的地方。利用衛(wèi)星對地面遙感形成“地球空間”（軌道）信息流，并將其中未經(jīng)加工有用部分的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成為可供使用的信息。
今天,我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)我們能夠得到比我們知道要做些什么更多的信息。地球資源技術(shù)衛(wèi)星能夠幫助我們更好地了解全球的環(huán)境就是一個典型的例子。地球資源技術(shù)衛(wèi)星能夠每兩星期對地表進行一次完整的成像,而且它已持續(xù)收集了20多年。盡管對這類信息有著巨大的需求,但大多數(shù)圖象還不能被人們使用。因此，它們只能被存儲在電子數(shù)據(jù)庫中。我們過去曾有過這樣的農(nóng)業(yè)政策，當成千上萬的人們正面臨饑餓死亡的時候，在中西部地窖里卻存儲著大量正在霉變的糧食。我們現(xiàn)在一方面表現(xiàn)出對知識的那種貪得無厭的饑餓，另一方面是大量數(shù)據(jù)目前仍然根本未被使用過。問題之一是用什么方法把信息顯示出來。有人曾經(jīng)說我們是否能試用計算機術(shù)語來描述人腦,然而，人腦看起來比特率比計算機低,但卻具有極高的分辨率。例如,研究表明由于人腦比特率低，因此，很難在短時間記住七條以上的數(shù)據(jù)。 但是, 如果這些信息被排列在一個相互可以被識別的模型內(nèi)如人類的臉或銀河星系，人腦則能夠同時吸收成千上萬條信息。
過去我們通常利用Macintosh和Windows操作系統(tǒng)提供的桌面圖形來進行（實現(xiàn)）人機對話的，事實上，這些工具現(xiàn)在已經(jīng)不適合新的挑戰(zhàn)。我相信我們需要一個“數(shù)字地球”，一個多種分辯率， 三維的表述方式,使我們能嵌入巨大數(shù)量的地理坐標系數(shù)據(jù)。例如,設想一位年輕孩子去本地的博物館參觀數(shù)字地球展覽。在戴上顯示頭盔后，她看見地球從太空中出現(xiàn)，使用數(shù)據(jù)手套放大電子圖象；使用越來越高的分辨率，看見大陸，然后是鄉(xiāng)村、城市，最后是私人住房、樹木和其他天然和人工的物質(zhì)。她采用類似“魔毯騎乘”通過地形的3D視圖，眼前被發(fā)現(xiàn)的行星區(qū)域引起她探究的興趣。當然,地７形僅僅是她能與之相互作用的多種數(shù)據(jù)之一。利用聲音識別能力系統(tǒng),她能夠請求關(guān)于陸地覆蓋、植物和動物的物種分布、實時天氣、道路、政治范圍以及人口的信息。她也能使她和其它學生收集的作為全球環(huán)境的一部分信息具體化。這些信息能被天衣無縫的熔入數(shù)字地圖或者地形數(shù)據(jù)。通過使用數(shù)據(jù)手套單擊一個連接按鈕，她能夠獲得她所看見的許多事物更多信息。例如，為全家去黃石國家公園渡假作準備, 她計劃徒步去看天然噴泉,她剛剛閱讀到關(guān)于野牛和洛磯山羊的知識。事實上,在她離開故鄉(xiāng)的博物館之前她能夠進行虛擬旅行。她不受限制穿越空間,同樣也能穿越時間。在進行虛擬地去巴黎參觀盧浮宮的場景旅游之后， 她通過對時間地反向移動，學習法國的歷史、細讀被數(shù)字地球表面覆蓋的數(shù)字化地圖、新聞短片、口述歷史、報紙等主要的原始資料。她向自己的電子郵件信箱發(fā)送一些有用的信息，以便今后學習。時間序列, 從這里延伸到遙遠的過去,能以天、年、世紀、甚至是地質(zhì)學的紀元,因為那些場合有利于她對恐龍的了解。
　　顯然，沒有一個政府、企業(yè)或?qū)W術(shù)界能單獨從事這項工作。像全球性網(wǎng)絡，它需要成千上萬的私人、公司、大學研究者、以及政府組織的共同努力。雖然，作為數(shù)字地球的一些數(shù)據(jù)是公共信息。但數(shù)字地球也可以成為公司銷售大量商用圖象和有償信息服務的數(shù)字化市場。它也可以變?yōu)橐粋�“沒有墻壁的實驗室”科學家可以在這里通過研究尋求 理解人類和環(huán)境之間復雜的、相互依存的關(guān)系。
　　創(chuàng)建數(shù)字地球需要技術(shù)，雖然這些情節(jié)似乎有些像科幻學小說,但大多數(shù)建造數(shù)字化地球需要的技術(shù)和能力已在這里或正在開發(fā)。當然,數(shù)字地球的能力將追隨時間不斷地進化。我們將有能力在2005年對2020年的數(shù)字化地球進行一次原始的比較。下面一些技術(shù)是需要的:
計算科學：直到計算機的出現(xiàn)，實驗和理論兩種創(chuàng)造知識的方法長期以來被限制，實驗科學家對所要進行研究的現(xiàn)象的觀察太艱難，這些現(xiàn)象不是太小就是太大；不是太快就是太慢。它們存在要么不到10億分之一秒要么超過10億年。另一方面，純粹的理論不能預報像雷雨或飛機上的空氣流動那樣復雜的自然現(xiàn)象。隨著高速計算機作為新工具開始被使用，我們才能模擬那些不容易觀察到的現(xiàn)象,并且同時能更好地理解已經(jīng)觀察到的數(shù)據(jù)。按這種方法,計算的科學允許我們突破實驗和理論科學的局限性。 模擬和仿真將給我們對我們正在收集關(guān)于我們的行星的數(shù)據(jù)以新的洞察力。
　　大規(guī)模存儲：數(shù)字化地球?qū)⒁�求存�?015字節(jié)的信息。稍晚于今年,國家航天航空局的星球計劃將每天產(chǎn)生大量的有關(guān)地球的信息。幸運地是,我們繼續(xù)在這個領(lǐng)域中制造戲劇性的改進。
　　衛(wèi)星圖象：早于1998年，政府已經(jīng)許可提供分辨率圖象處理服務的商業(yè)衛(wèi)星系統(tǒng)開始運行 。這種服務能使地圖繪制達到足夠的精確的水準，而在原先繪制地圖的詳細資料只能通過空中攝影來獲得。這種技術(shù)最先由美國情報組織開發(fā)，具有難以置信的精確性。當一家公司使用這種技術(shù)，它象一架威力無比的攝象機，在它所攝的圖片上可以清楚地看到從倫敦到巴黎象汽車前燈的寬度大小的每一個物體。
　　寬帶網(wǎng)絡:數(shù)字地球所需的數(shù)據(jù)將由成千上萬不同的組織維持,并非是單一的數(shù)據(jù)庫。 那意味在數(shù)字化地球中正在使用的服務器將需要與高速的網(wǎng)絡連接。由于Internet網(wǎng)上通訊量爆炸的驅(qū)動,電訊營運者已經(jīng)在試驗每秒10億信息單位的網(wǎng)絡。1015信息單位的網(wǎng)絡技術(shù)是Internet的下一代的技術(shù)目標之一。不好的消息是當我們絕大多數(shù)人的家中具有這類寬帶之前，為什么數(shù)字化地球建立在諸如兒童博物館和科學博物館那樣的公共場所的接口是必須的。
　　互操作性： Internet網(wǎng)和全球網(wǎng)之所以能夠取得成功，關(guān)鍵在于達成統(tǒng)一的協(xié)議。如Internet協(xié)議。數(shù)字地球也同樣需要互操作性。這樣，應用軟件產(chǎn)生的地理信息就能被另一些人閱讀。GIS 通過GIS協(xié)會尋找解決這些問題的途徑。
　　Metadata: Metadata是指“關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)”，了解信息的名稱、位置、作者或來源、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)形式、分辨率等有助于建立其他的地理坐標信息系統(tǒng)。聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會正在與產(chǎn)業(yè)界、州和地方政府一起開發(fā)非官方的Metadata標準。
當然,需要更進一步地技術(shù)進步來充分認識數(shù)字地球的潛力，尤其是在這些領(lǐng)域如自動解譯圖象、對來自不同渠道的數(shù)據(jù)的整合和能夠從網(wǎng)上找到和連接關(guān)于地球上某個地點的信息的情報機構(gòu)等。

潛在的應用
　　全球地理信息系統(tǒng)的應用有時會被我們的想象力所限制。我們可以通過目前使用的GIS和數(shù)據(jù)傳感器來感受一下這些應用：
　　虛擬外交：為了支持波斯尼亞的和平談判；五角大樓開發(fā)出一種虛擬現(xiàn)實場景，它能使談判代表作一次虛擬的邊界旅游。在談判中，當塞爾維亞總統(tǒng)通過虛擬邊界旅游看到原來的那條狹窄走廊是不切實際的之后，同意在薩拉熱窩和伊斯蘭教戈拉日德被占領(lǐng)土之間提供一條寬闊的走廊。
　　打擊罪犯：莎利納市,加利福尼亞警方已通過使用GIS跟蹤犯罪模型和團伙活動來減少青少年持槍暴力犯罪。通過收集關(guān)于犯罪活動的頻率和分布的信息,使城市能夠迅速重新部署警力。
　　保護生態(tài)多樣性：在彭德爾頓營的規(guī)劃機構(gòu)稱：加利福尼亞地區(qū)預測人口到2010 年將由1990年的110萬增加至160萬。 這個地區(qū)被聯(lián)邦或州政府立為被危害、威脅、或珍稀的而受保護的植物和動物超過200種。通過收集關(guān)于地形、土壤類型、年度的降雨量、植物、陸地使用、以及所有權(quán)的信息，科學家模擬不同的地區(qū)增長計劃對生態(tài)多樣性產(chǎn)生影響。
　　預報氣候變化：模擬氣候變化最顯著的未知因素之一是全球森林的遞減率. 新罕布什爾大學的研究者與巴西的同事一起工作，通過衛(wèi)星圖象分析,能夠監(jiān)控亞馬孫河流域的地形變化、這樣他們就能確定該流域森林遞減率。這項技術(shù)現(xiàn)在正在被世界上其它森林地區(qū)采用。
　　增加農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)力：農(nóng)民已經(jīng)開始利用衛(wèi)星圖象和全球定位系統(tǒng)及時預防病蟲害,并且把殺蟲劑、化肥和水用到最需要它門的那里去。這被稱為精耕細作，或稱“按英寸漸進的耕作”。

未來方向
　　我們有空前的機會把有關(guān)我們社會和星球的巨量原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成有用的信息。這種數(shù)據(jù)將不僅包括高分辨率的地球衛(wèi)星圖象，還包括數(shù)字地圖,以及經(jīng)濟、社會和人口統(tǒng)計方面的信息。如果我們成功,它將在教育、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、土地使用規(guī)劃、農(nóng)業(yè),以及危機管理等領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛的社會和經(jīng)濟效益。數(shù)字地球計劃能使我們對人為或自然災害及時作出反應，或者能使我們聯(lián)合起來面對長期地環(huán)境挑戰(zhàn)。數(shù)字地球能夠為用戶提供漫游和搜索地理坐標信息的系統(tǒng)并成為生產(chǎn)者發(fā)布信息場地。
數(shù)字地球?qū)⒂?1) “用戶界面”?恢摯射?賴�、秶恐辨聦嵞�??厙蟯枷蠼緱婧鴕恢盅桿儷沙さ�、�??牡乩硇畔⒆?晗低?2) 整合和顯示來自不同渠道的信息的機制這兩部分組成。與全球網(wǎng)相比較是建設性的.(事實上,它建立在幾個重要的Ｗeb或Internet標準上)。就象Ｗeb,數(shù)字地球會隨著技術(shù)的改善和信息的膨脹而日益發(fā)展.不是依靠某個組織來維持,它由成千上萬個不同的組織提供使用的公共信息、商品和服務組成。正如互操作性是Ｗeb的關(guān)鍵一樣，發(fā)現(xiàn)和顯示不同格式的數(shù)據(jù)的能力是必需的。
我相信數(shù)字地球的開發(fā)，首先需要建立一個由政府、企業(yè)、和學術(shù)界共同參與的“試驗田”。這塊“試驗田”將成為一些應用諸如教育、環(huán)境、解決與互操作性相關(guān)的技術(shù)問題、協(xié)作能力的聯(lián)合、以及解決一些政策問題如隱私權(quán)問題等的匯聚之地。當“試驗田”獲得成功并推廣時,在更廣泛的范圍內(nèi)可以通過接入高速網(wǎng)絡與數(shù)字地球進行相互作用。而進入Internet將會感受到更多的限制。
可以肯定,數(shù)字地球不是一夜之間產(chǎn)生的。在第一階段,我們應該把重點放在整合我們已有的、來自不同渠道的數(shù)據(jù)。我們同樣應該把引導兒童的博物館和科學博物館連接到高速網(wǎng)絡上如新一代的Internet網(wǎng)，這樣我們的孩子就能夠探索我們的星球。應該鼓勵大學研究員與地方學校和博物館合作，通過匯集地方的地理坐標信息，來充實數(shù)字地球計劃。其次,我們應該努力去開發(fā)一張一米分辨率的數(shù)字世界地圖。最終,我們應該使有關(guān)我們行星與我們歷史的大量信息集聚到我們手指尖。
在數(shù)月前,我曾計劃鼓勵政府、企業(yè)、學術(shù)界和非贏利組織的專家們，制定一種實現(xiàn)這種前景的策略。共同努力，就能有助于我們解決社會所面臨的許多最緊迫的問題；鼓勵我們的孩子更多地了解他們身邊的世界，并促進幾十億美元的工業(yè)經(jīng)濟增長。



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