数字地球导论

下一代数字地球

副总统戈尔在1998年的一次演讲之后创建了一个远景数字地球, 在刺激发展的第一一代的虚拟地球仪中扮演了一个重要角色, 典型的是谷歌地球, 取得了许多但不是所有的的视觉元素。谷歌地球的技术成果, 和第一代虚拟地球仪的功能, 和戈尔愿景相违背。与此同时, 技术的相继发展, “大数据”的时代已经到来, 公民通过科学和集体智慧和进步越来越多的从事技术, 我们已经学会了科学地认识地球系统。然而, 虽然谷歌地球刺激科学交流结果的进步, 公众对科学的认知仍然存在实质性的障碍。所有这些因素促使最初的视觉数字地球的复审和应该属于下一代的主要元素的讨论。现在在许多常规领域存在科学交流和可视化数字副本复杂的实体和系统, 在航空航天工程的设计和测试阶段, 古老城市的数字重建, 甚至在生理学、数码尸体领域它可以取代真实训练的医疗学生。数字地球的概念就是整个地球的数字复制, 出现在戈尔1992年出版的地球平衡中，并在1998年1月戈尔在加州科学中心的演讲中有了新的发展。 在世纪交替的时候, 支持先进的3 d图形已经成为个人电脑的标准, 允许实时复杂对象的操纵。演讲结束后, 克林顿政府要求NASA 形式数字地球建立办公室, 许多原型项目开始了,,2005年建立了谷歌地球服务, 一个高分辨率、数字复制的星球, 或至少是它的表面, 为人们提供一个宽带互联网连接。

对科学界的影响是直接和明显的。这是一个可以被用来提供科学数据和结果且容易利用的技术, (现在谷歌地球的科学应用在ref. 3)被审核) ，是容易消化的, 视觉形式的合作者和一般公众感知这是免

费、快速、有趣的。数字地球已经关联到任何处理表面和近地表地球的科学, 也可以用来说明和甚至从事大量人类面临的问题, 从气候变化和自然灾害战争、饥饿和贫困(例如,2009年关于数字地球的北京宣言;159.226.224.4 / isde6en /hykx11.html)。 中国社科院科学回应1999年在北京组织第一次数字地球国际研讨会, 研讨会成为两年举办一次的活动, 它已经加拿大、捷克、日本美国、中国和澳大利亚举办过。在2006年, 国际社会成立了数字地球”, 两年一次的数字地球峰会聚集在新西兰、德国、和保加利亚。在2008年, ISDE’的官方出版物, 数字地球的国际期刊上宣布建立。

数字地球的概念，分享关于可能远远超出了科学社区的科学信息, 人们有非常有限的技术技能和计算资源，视觉信息的食物链延伸到科学公共政策似乎已经触手可及了。谷歌地球引擎项目体通过戈尔提供的“大量的地理参考信息体现了这一愿景。不像“地理信息系统(GISs),它有一个非常难学的名声，促使用户直观地困难地面对空间概念的规模和地图预测, 数字地球的实现如谷歌地球避免通过完全由显示地球从太空上看(技术上一个透视图正射投影到二维屏幕平面), 通过使用最短路径测量这个曲面测量距离, 并减少规模来用简单的比喻提高或降低用户的观点。低空飞行, “魔法地毯骑”的讲话, 戈尔的演讲成就了一代又一代的地理信息系统本科学生, 可以由一个10岁的孩子在10分钟内仅仅通过使用一个家用计算机和一个下载谷歌地球的软件来创建。

总是需要一个压扁的地球, 一次看到整个地球表面, 尽管扭曲,

或在纸上呈现信息。然而, 毫无疑问, 作为一个沟通的数据工具、信息和关于表面和近地表星球的知识，虚拟地球仪比传统的地图有着巨大的优势。第一次有了这样的软件环境, 可以通过使用地理作为一种常见的关键位置来叠加信息, 显示建筑物和植被复杂三维结构, 平移和缩放按鼠标, 和可视化，在几分之一秒中快速提取物地理信息。

谷歌地球的运用已有七年, 由于最早的可比的虚拟，一个类似的时期已经消逝，, 包括NASA 的开源资源WorldWind, 武汉大学的

GeoGlobe, 中国科学院数字地球原型系统, 微软的必应地图Esri 的

ArcGIS 探险家,Unidata 集成数据观众,Digitnext 的VirtualGeo 。 自从戈尔的演讲和激励努力的愿景, 在某些情况下, 远远超出了戈尔愿景。这似乎是一个合适的时间, 因此, 为了检查第一代实现了什么, 并设想什么可实现的和什么在未来可取, 从现在(早有些过时的分析提供了在ref 。4) 另一个6或7年。同时, 这些虚拟地球仪, 尤其是谷歌地球, 从一个关键的科学研究透视画出存在十字路口的商业软件和科学的企业的一些问题。

迄今虚拟地球仪的成就

在1998年一个常见的反应到戈尔演讲集中在数据量:约5×1014平方米的表面, 像一个单个字节一样小分配给每个平方米导致在一个字节的一半之前的数据压缩。缩放下来到1米分辨率和穿过表面需要一些聪明的算法和数据结构，如果是可以实现的与标准个人电脑的一

个典型的宽带连接, 限制行为能力为本地缓存的数据。虚拟地球仪使用多种分层结构, 称为花砖离散全球网格支持快速变焦, 在服务器上预先计算好的瓷砖来避免广泛的本地计算, 并使用复杂且有助于细节管理允许的视野刷新视频利率。

其中对于用户而言，虚拟地球仪最吸引人的功能为他们的能力的扩展和适应个人的需要。谷歌的锁眼标记语言允许用户的2 d和3 d在虚拟地球上用一个品种的格式叠加, 打开门来大量的“混搭”, 在最近的每个地区构造。开源包如美国宇航局的世界风可以扩展新的代码, 谷歌的应用程序编程接口允许谷歌地球函数嵌入到用户的应用程序。

虚拟地球仪, 能够捕获和显示高海拔或地平面以下在海洋、大气科学、和地貌方面都有明显的应用。因为它的初始发射, 谷歌也提高了谷歌地球的时间尺寸, 允许显示的时间序列和使用历史基础地图。Unidata 的主题实时环境分布式数据服务项目旨在促进科学家使用集成数据查看器平台的数据共享, 包括全系列的3 d和时态支持。

然而, 这第一代虚拟地球仪有几个限制, 每个暗示着有潜在的用途。对于一个科学家, 准确性、可复制性, 和文档可能有特别的关注的问题, 尽管他们可能对公众有很少关心。一些更多的技术的局限性在本节中进行了讨论, 和下一节可能对形成强大代数字地球进行描述。

准确性、可复制性和文档

地球不符合任何简单的数学形状。大地水准面或等势面, 作为表面由海平面和其虚构的大陆之下的延伸较为容易理解, 必须通过一个

数学近似形状定义的纬度和经度, 从而测量位置。谷歌地球使用具体称为WGS84的椭球体, 一个国际标准世界大地系统, 原则上, 数字地球的表面测量应更符合标准。纬度要远离赤道, 然而经度当然要聚集在两极。

谷歌地球可以让用户在数字地球的表面添加几种类型, 在某些情况下, 把这些类型自由放在表面。拖着一个圆圈, 例如, 产生一些预期的行为，它的半径不变, 但其周长了向两极延伸，这样当地的曲率就会变得更小。然而, 有些行为是意想不到的, 包括一个逐步变化的圆面积是拖向两极的。球体的数学计算是困难的, 并且也许快捷方式正在实施, 例如, 通过在球体采取计算球或平面投影变得更难驾驭

处理不确定性的问题可能有更广泛的影响。在地球上的位置是测量结果, 因而, 通过有限的测量装置可以使其精确。这是一个历史悠久的科学原理这个原理测量应该有一个匹配他们的准确性数值精度的报告, 提供简便的原则来获得内在的不确定性估计。然而, 纬度和经度是通过谷歌地球进行常规报告到有六位小数的空间分辨率的显示。距离, 例如, 在洛杉矶和纽约, 可以测量到数厘米, 一个荒谬的精密由于缺乏一个两个扩展对象公认的距离的定义。显然该软件设计师的缺乏一个重要科学原理联系, 相反, 利用计算机系统完整的数值精度。

易接近的虚拟地球仪对快速测定纬度和经度是有吸引力基础

的。它是很容易的, 例如, 找到一个这样的位置特征，比如道路交叉口通过在虚拟地球上识别它，捕捉它的坐标。任何错误配准的图像(通过把一个图像到地球表面的不准确) 在继承被使用的任何地点, 而当

新的图像插入在虚拟世界, 任何以前注册的功能将会抵消新的记录的位置。它一个测量问题的重要认识, 位置的精确测量是不可能的。每个基本意象的新的记录, 实际上, 创建一个新的基准和一个近似

WGS84，可能不会比之前的近似。一个科学家在文档方面的广泛预计 ，比如注册过程, 时间历史, 含义。

超越时间和空间的基像的错误配准的实际数量，这取决于可用性的小, 可识别。特征位置, 可以用作参考点, 图像本身空间分辨率, 还有许多其他因素。发现意味着谷歌地球图片的错误配准是相对于陆地卫星Santa Barbara.CA ，在Santa Barbara.CA ，错误配准已经高达40米相对高质量的全球定位系统测量。当然，重要的是什么，不是错误配准的存在，因为它是必须存在的，无论如何它是大量的足以影响一个给定的应用程序，而且位置的不确定是许多不确定维中唯一能描绘地理数据。

迄今为止对Gore 愿景的成就

尽管他们代表着进步，但是今天的一代虚拟地球缺少Gore 设想的数字地球的几个关键方面。[在Gore 的演讲中，Goodhild 提供了一个更加完整的关于数字地球技术应用的系统，把它们与GIS 进行比较]。第一，鉴于Gore 的想象，一个数字地球将允许用户能及时利用历史数据探索过去和能利用计算的模型来模拟未来的场景，虚拟地球仍主要集中描述地球在它着眼于当前时间，在谷歌地球中的许多区域，老的图像是可以利用的，历史地图已经可以混搭使用Keyhole Marknp Languages 。模拟模型出户的制造和图像时序已经与虚拟地球相关联。

然而，目前为止，这是不可能的，对于一个普通的公众成员来恢复他的或她的邻居就如在一些定义任意点的过去或者用一个虚拟地球设想他的或者她的未来长相，在城市发展，气候变化，或者海平面上升发面，一些要点在未来要以最好的科学建模为基础。

第二，鉴于Gore 的想象，一个环境，在其中可以存储、搜索、和共享“海量”的与地球相关的信息，在现实中，在世界上关于数字地球并不是所有的数据都是平等地。虽然用户可以在图像基础上覆盖各种不同的数据，他或者她没有控制谷歌取得和制造可利用的图像的过程，使用条款中利用严历条件限制超过所能完成的结果，而不是利用虚拟地球，科学家制定策略共享地理数据之间往往要跟随一数据模型[或者地图学图书馆]：一个可搜索的控股目录，形式上有结构的元数据，并且机制促进挑选出来的下载数据的集合。Geoportals 提供一个单点控股进入分布式装置，虽然如此利用一个标志强调在用户执行一个成功，发现，提取，搜索过程中，使用是与用户有好的视觉是的虚拟地球不同的。

第三，谷歌地球强调形象化使它难以传递不是固有地视觉的信息，一个虚拟地球看起来像地球本身是简单直观地，容易操纵，容易理解，地势可以通过三维展示出来，而不是通过利用等高线和地图制造者采用的编码技术；利用淹没地区与固体蓝色可以让海平面上升带来的影响变得直观。然而，其他属性重要的科学，例如：温度范围，土地类型空间的变化或者植被属性，生物多样性，或者社会分配，经济，人口变量统计，都不是固有的视觉，不易用有意义的方式立即传

达，不确定性的问题甚至更多，因为没有明显直观的方式传输其重要性或意义，我们习惯看一个简单，一致的世界，而不是可能有许多矛盾的世界。

下一代的前景

自1997年Gore 的演讲规划以来，发生了几个根本改变社会和世界的数字地理信息，提到已经有使标准的消费设备可视化和操纵一个数字地球先进的宽带和3D 图形，卫星和发展迅速的接地传感器提供地理信息，鼓励一个新的信仰。第四，或者是“大数据”，强调国际合作，集中分析，无线计算资源和高端形象的科学范例，它也要求提高如那些可以容易地在虚拟地球中实现的搜索和发现技术。

一个庞大的部分信息是政府和企业所有，不能被其它的利用，或者严格的限制其使用，然而，开放数据访问的情况正变得越来越引人注目，鉴于其严重性和紧迫性，问题在全球范围内解决，推力向开放数据的原因在于它的透明度，重用行政效率和经济潜力的多个国家，他们支持政府公开通过法律和实用的措施，例如：数据成果在装置的格式和数据入口创作。普遍醋能在的GPS 已经允许任何人测量在地球表面的位置可以准确到几米和链接其他的信息，例如图片，地理位置。人群采购是现在一个地理信息的主要来源，充分体现了巨大的成功，全世界的Open street map项目和谷歌地图制造者。新型的科学公民鼓励公众参与获取物候，天气，灾害和许多其他与地球相关的现象的数据，许多这些趋势聚集在新地理这个词上，这意味着一个打破传统差别在专家和业余爱好者在世界地图和地理信息之间。感谢GPS

和一系列的网站服务，普遍公民也可以成功成为地理信息的消费者和生产者，也可以制作地图，比如那些生产的车载导航系统，有效的只在瞬间，集中在用户中，代表着从上面向下看得世界或者从地面，有用的只有为目的的时刻，很多这些服务已经被证明是有效的甚至通过一个简单的移动手机的触屏。公民作为产消者提供了一个全新的视觉作用的结果的科学应用到公民自己的周围，和在地球的未来作为一个知情的利益相关者。