郭华东,王长林.数字地球：十五年发展与前瞻[J].中国科学院院刊,2013,(z1):59-66.

数字地球：十五年发展与前瞻

Digital Earth: Fifteen Years Experience and Perspective

郭华东
中国科学院遥感与数字地球研究所北京 100094
Guo Huadong
Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China
王长林
中国科学院遥感与数字地球研究所北京 100094
Wang Chang lin
Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China

         数字地球科学平台，新一代数字地球，数字地球2030

        digital earth science platform of the Chinese Academy of Sciences, next-generation digital earth, digital earth 2030

        “数字地球”理念产生至今已走过15年历程。以1999年和2009年分别发表的《数字地球北京宣言》为里程碑，数字地球科学技术发展纲领不断得到完善。人类正利用数字地球技术深入地认识地球、理解地球，进而合理开发和利用人类赖以生存的地球资源。7次国际数字地球会议和4次数字地球峰会的召开成功打造国际学术交流平台，促进全球发展。2012年，新一代数字地球理念应运而生，“数字地球”被赋予了新的理解与诠释，新一轮数字地球研究热潮正兴起，全球科技合作新模式将逐步建立。回顾历史，中国在应对数字地球带来的挑战方面是积极并卓有成效的。特别是在中科院的主导下，国际数字地球学会的建立，《国际数字地球学报》的创刊，中科院数字地球重点实验室的建立，数字地球科学平台的研发等，在全球数字地球发展历程中起到了重要的引领作用。面向未来，在大数据时代和数据密集型科学背景下，本文提出开展数字地球2030研究。

        Since the Digital Ea rth concept was put forth in the 19 98, research on Digital Earth has been given great attention internationally. 7 International Symposia on Digital Earth and 4 Digital Earth Summits were initiated and organized by the Chinese Academy of Sciences (CAS) and the International Society of Digital Earth (ISDE). Two Digital Earth declarations in 1999 and 2009 were produced from these meetings. The first international journal focusing on scientific Digital Earth research was inaugurated as the International Journal of Digital Earth with its editorial office located in Beijing in 2008. More emphasis and efforts have been geared toward Digital Earth applications and functionality, for instance the Digital Earth Prototype Research and the Digital Earth Science Platform of the CAS Digital Earth Key Lab. Undoubtedly, China has played and will continue to play an important role in promoting Digital Ea rth worldwide. On March 2011, the S ecretariat of the ISDE, hosted by the Institute of Remote Sensing and Digital Earth of the CAS, organized a “Digital Earth Vision 2020” working group, which included seventeen Digital Earth scientists from Australia, Canada, China, Germany, Netherlands, New Zealand, and the United States. One paper “Next Generation Digital Earth”, published in the Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) in 2012, concluded from the working group reviews progress in Digital Earth scientific discovery, analyses current work, and forecasts future developments, which is a new milestone in Digital Earth’s history. The new Digital Earth will act as the geographical framework on which to build solutions to physical, social, and cultural problems, with functionalities of satisfactory metric accuracy, inclusion of underground and underwater data, historical and time predictive models, data archiving, dynamic and interactive, improved access to current and historical data and information, incorporation of inherently non-visual data, metadata on quality, trust and uncertainty, participative in data provision, analysis and debate, includes information on place, culture, identity and networks, development is driven by application demand, and easy to use. The new Digital Earth will continue to bear in advancing humanitarian efforts and social development, to scale up programmers and drive innovations and to establish international collaborations for creating the future of Digital Earth worldwide. The deployment of technology and bold new digital earth vision in the face of problems of the earth has truly changed the way we look at the earth and yielded many benefits. Accompanied by the vision of next-generation Digital Earth, we recommend a “Digital Earth 2030 Discovery” should be unfolded through implementing specific Digital Earth researches, diversifying Digital Earth applications, and carrying out more international cooperation.

        数字地球，一个充分利用地球空间信息资源的全球性创新理念，一个合理开发利用地球资源的重要手段，一个有效保护地球环境的可持续思维，一个解决人类社会面临巨大挑战的科学方法，一个崭新的研究领域，迄今为止已走过了15年历程。数字地球的产生以建设信息化社会为初衷，随着其科学内涵的不断完善、关键技术的日新月异、科学研究的逐步深入，已在全球范围内广泛传播并纵深发展。

        1998年，美国前副总统戈尔《数字地球：认识21世纪我们所居住的星球》[1] 的报告标志着其发展的开始。“一个以地理坐标为依据，具备多分辨率的、由海量数据组成的，能立体表达的虚拟地球概念”，不单单是建设信息化时代的目标，还是紧密联系政治、科学、经济的重要创新和大胆设想。报告中列举了数字地球所需要的高性能计算、大规模存储、多源高分辨率遥感、宽带网络、互操作协议、元数据等关键技术，伴随着更深入的科学研究获得的重大突破，或在发展的基础上形成新的研究方向，或更加实用地走进人类生活。数字地球也正如报告中所预测的那样，在保护生态多样性、预报气候变化、增加农业生产力等方面产生许多实际应用，为资源的可持续发展带来广泛的社会效益和经济效益，为人类面对自然灾害时提供科学的响应机制和应急预案，并积极解决地球环境变化带来的挑战。在政府、研究机构、公司、社会团体的共同努力下，数字地球帮助人类更深入地认识地球、理解地球，进而合理开发和利用地球资源，科学地构建人类的共同家园。

        如果说戈尔提出的数字地球理念拉开了空间地球信息化社会建设的序幕，那么接下来的发展让这个理念走向了全球化。《1999数字地球北京宣言》和《2009数字地球北京宣言》的问世发出数字地球领域内专家学者、研究团体和企业的心声，代表了全球范围对数字地球重要性的共同认识，提出了数字地球建设的奋斗目标；2012年发表的“新一代数字地球”一文，检验了当时提出数字地球发展预期成果，并针对当今数字地球的发展态势，结合地球空间信息的最新成果，以更广阔的视角提出“面向2020数字地球理念”，为未来数字地球的发展指明方向。

         1999年12月，来自20个国家的500余名科学家、工程师、教育学家、管理者及企业家汇聚北京，于首届国际数字地球会议召开之际发表了《1999数字地球北京宣言》。《宣言》指出：21世纪是一个以信息和空间技术为支撑的全球知识经济的时代，强调综合全球对地观测系统、全球空间数据基础设施、全球导航与定位系统、地球空间信息基础设施及动态过程监控的重要性；认识到数字地球有助于回应人类面临的诸方面的挑战；倡议政府、科技界、企业等共同推动数字地球的发展；建议实施数字地球过程中，应优先考虑环境、灾害、资源、可持续发展与人类生活质量等方面[2]。

        2009年9月，数字地球走过10年路程之际，国际数字地球系列会议再一次回到北京，会上通过了《2009数字地球北京宣言》。《宣言》高度评价了过去10年数字地球在全球范围内取得的成就。《宣言》指出，当前，资源匮乏、能源短缺、环境恶化、灾害频发、人口增长，特别是全球变化问题正在对人类社会发展形成极大挑战。对此，数字地球应当作为当今科技发展的一个制高点和全球性战略性目标，集对地观测技术、地理信息系统、全球定位系统、网络通讯技术、虚拟现实技术、网格计算技术和地球信息科学等于一体并高度综合和升华，为应对以上挑战做出更大的贡献。《宣言》呼吁加强数字地球信息资源共享的能力，进一步发挥政府部门、科技教育界、企业界的有机联合与融合，缩小数字鸿沟，强化信息共享，让人类社会共同关注和促进数字地球的发展与未来[3]。

        随着数字地球在全球范围内的蓬勃发展，我们认识到有必要成立该领域的国际性学术组织，由中科院8名科学家联合提议的国际数字地球学会(International Society for Digital Earth, ISDE)于2006年被国务院批准在北京注册成立[4]。学会以传播数字地球理念为宗旨，致力于打造数字地球国际交流平台，促进数字地球科学技术发展，推动数字地球在经济和社会可持续发展中的应用，并旨在全球气候变化、自然灾害防治与响应、新能源探测、农业与食品安全和城市规划管理等方面发挥战略性作用。首届学会的执委会由来自12个国家和4个国际组织的26位学者组成，路甬祥院士担任学会创始主席，戈尔先生为学会顾问。可以说，学会的成立以及学会活动的开展，对数字地球的全球共识、合作交流发挥了重要的推动作用。

        国际数字地球学会中国国家委员会（CNISDE）是国际数字地球学会设在中国的学术分支机构，旨在团结广大从事数字地球研究、工作的中国籍科技人员、政府管理人员和民间社会团体，通过学会合作平台，加强与国际数字地球科学研究的交流与合作，为促进数字地球中国发展战略以及数字地球的实际应用做出贡献。中委会由35位相关领域知名科学家组成科学顾问委员会，由相关部委、高等院校、科研单位、企业中从事与数字地球相关理论、技术研究、应用开发、教学、管理等工作的62位专家学者组成中国国家委员会。

        由国际数字地球学会主办，迄今为止已在全球范围内举办了7次“国际数字地球会议”和4次数字地球峰会。作为国际化的科学交流平台，这些国际学术会议的成功召开科学地勾划出数字地球从起步到发展的宏观轨迹，为不断完善并丰富数字地球理念、大力发展数字地球关键技术、努力加强国际交流与合作、持续推动数字地球应用和服务等奠定了坚实基础。

         首届国际数字地球会议由中科院主办，联合国内外19个部门和组织于1999年在北京召开，主题是“走向数字地球”，来自26个国家和地区的500余名代表出席，会议发表了著名的《1999数字地球北京宣言》，成立了“国际数字地球会议”国际指导委员会，拉开了数字地球的发展序幕。第二、三、四届会议于2001、2003、2005年在加拿大、捷克、日本召开，以“超越信息的基础设施”、“数字地球——全球可持续发展的信息资源”和“全球共享的数字地球”为主题，不断提升数字地球的国际关注。第五届会议于2007年在美国召开，主题为“体验数字地球”，来自28个国家的390余名代表参会。历经10年的快速发展，2009年第六届国际数字地球会议回归至其起源地北京，以“行动中的数字地球”为主题，由北京市政府、科学技术部、国土资源部等19个部委和国际组织联合举办，来自40多个国家的1 000余名代表出席会议，大会一致通过了昭示数字地球发展的又一纲领性文件——《2009数字地球北京宣言》。第七届国际数字地球会议于2011年在澳大利亚召开，以“知识时代”为主题，与会人员围绕数字地球理论、数字地球技术、空间科技、自然资源管理、全球环境变化及数字城市、数字遗产等问题进行全方位研讨。第八届国际数字地球会议将于2013年8月在马来西亚召开。

        为适应数字地球科技的快速发展，同时满足学术交流的需要，在召开国际数字地球会议的间歇，又举办了数字地球峰会系列会议，前者侧重于综合研讨，后者侧重于专题研究。在2006、2008和2010年，在新西兰、德国、保加利亚先后举办了数字地球峰会，主题分别是“数字地球可持续发展”、“地理信息科学——全球变化研究的工具”和“数字地球应用于社会服务——信息共享，知识传播”。2012年，峰会再次回到新西兰，以“科技驱动的数字地球” 为主题，就数字环境、活力城市和发展中的数字化等主题展开研讨。

        《国际数字地球学报》是国际数字地球学会主办的国际性学术刊物，由学会与英国著名出版集团Taylor& Francis合作出版，编辑部设在中科院遥感与数字地球所（RADI）。《国际数字地球学报》2008年3月创刊， 2009年8月被SCI（扩展版）数据库收录，2010年影响因子达1.453，在全球23种SCI检索的遥感类期刊中排名第7位，其编委会由来自19个国家和组织的30位专家学者组成。

        作为国际数字地球领域第一本专业期刊，《国际数字地球学报》发表有关数字地球理论、技术与应用的相关文章，涉及数字地球原理与构架、可视化与数字模型、地球系统与全球数据库、数据共享、数据融合、数据挖掘、地球空间信息科学、空间技术以及数字地球技术应用，如全球环境变化等。此外，还关注数字地球技术在社会科学方面的应用，如资源信息管理、政策规划等。发表文章类型包括研究性文章、综述、快讯、书评、专栏文章以及与数字地球紧密相关的重要成果，如《2009数字地球北京宣言》、国际数字地球会议及高峰论坛的重要成果等（图1）。

        1998年11月，中科院地学部在北京召开了以“资源环境信息与数字地球”为主题的香山科学会议，开始数字地球研究。在此基础上，1999年1月向国务院提交了“中国数字地球发展战略的建议书”。建议书指出：“数字地球不是一个孤立的项目，而是一个整体性的、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”[5]。1999年12月，由中科院主办的第一届国际数字地球会议在北京召开。2007年6月，中国科学院主办了以“数字中国发展战略”为主题的又一次香山科学会议，研讨数字地球理念在中国的实现和发展。可以看出，中科院应对数字地球带来的挑战是积极的、主动的，且是引领性的，并且卓有成效。中国的数字地球建设具备一定条件[6]，为实现跨越式发展，缩小数字鸿沟，促进信息共享，中科院深入开展了一系列的数字地球科学研究。

        

        数字地球原型系统研究（DEPS/CAS）[7]是中科院知识创新工程推出的第一个以数字地球基础框架和关键技术为对象的研究项目。该项目解决了空间数据接收系统自动化处理、网格计算和工作流技术与地学计算的集成、TB级服务器群集技术、分层分幅无缝漫游方法、大规模数据标准化处理、虚拟环境下的交互操作与协同、大地形数据实时渲染与漫游、纹理信息优化与GPU加速、DEM的无损压缩、金字塔结构遥感数据快速压缩与回放等关键技术；创建了由空间数据接收、元数据、模型库、网格地学计算、空间信息库、地图服务和虚拟现实7个子系统组成的数字地球原型技术系统。它系统研究了数字地球的科学内涵和基础框架，突破了10项关键技术研究，包括：MODIS接受系统自动化处理；网格计算、工作流技术与地学计算集成；TB级服务器群集技术；分层分幅无缝漫游方法；大规模空间数据标准化处理；地学虚拟环境下的交互操作与协同；Page和LOD/CLOD技术大地形数据实时渲染与漫游；纹理信息优化与GPU加速；DEM的无损压缩技术；金字塔结构遥感数据快速压缩与回放。

         在原型系统研究基础上，依托RADI的遥感数据和科研实力[8]，RADI正在开发一个水平先进、可靠性强、开放度高的大型空间信息资源共享平台——中科院数字地球科学平台（DESP）。DESP是综合利用计算机技术、网络系统技术、地理信息系统技术、虚拟现实技术、网格计算技术、数据存储和数据库技术等建立的，实现空间数据资源服务、空间信息服务、科学研究支撑的技术平台。它以高性能计算机环境为物理核心，参照相关国家行业标准和规范，把空间数据接收、地理元数据、模型库、网格地学计算、空间信息库、地图服务和虚拟现实7个子系统科学集成，具备了海量空间数据管理、海量地形实时渲染、遥感图像数据与矢量数据协同管理、高精度三维模型交互式管理等功能，可提供数据发布与共享服务，并在数字减灾、数字环境、数字农业、数字遗产、数字奥运等领域开展科学应用[9]。

        相关国家也在开展多样的数字地球研究，无论是美国国家宇航局开发的World Wind平台，还是澳大利亚“玻璃地球”计划，以及Google Earth、Skyline、GeoGlobe等商业平台[10]的推广，都使数字地球得到越来越多的重视。数字地球的研究工作得以从新的深度和广度展开，为数字地球研究和数字地球理念创新提供基础。

         随着数字地球发展的不断深入，以数字地球为研究对象的国内外科研机构也在不断增多。中科院对地观测与数字地球科学中心的创建和中科院数字地球重点实验室的成立，在国际上起到了引领数字地球发展的作用。欧盟联合实验室环境与可持续发展研究所空间数据基础设施部门将其名字改为以“数字地球”命名的部门，美国数字地球教育中心、日本中部大学成立“国际数字地球应用科学研究中心”，欧盟成立“数字地球教育”机构。数字地球作为一门新兴的学科在探索和发展中成长和壮大。

         数字地球历经15年的发展，戈尔提出的数字地球理念已经基本实现[11]。大数据时代的到来，加速了数字地球新技术、新方法、新领域的产生，数字地球理念也在不断充实和完善。技术进步使得数字地球可视化及可操作化成为可能，但同时对数据的高效利用、信息的准确表达、模型的科学预测、可视化技术应用都提出新的要求。国际数字地球学会（ISDE）于2011年组织召开了“面向2020数字地球理念”高层研讨会，对数字地球给予了新的理解和诠释，提出了“面向2002的数字地球理念”，拉开新一代数字地球的序幕。

        到2020年，伴随世界经济的增长，全球人口总数将创新高，能源、食品及水等战略资源将面临空前压力；气候变化、生物多样性下降、水资源短缺以及化学品和碳排放对空气质量与公众健康的影响等仍将是全球所共同面对的重大威胁。新一代数字地球将为实现信息的全球共享，支持区域与人口之间稀缺资源的可持续使用和公平分配，提供科学的总体框架。在科学研究领域，新一代数字地球将为全球可持续发展提供可靠的理论基础和有效的技术支撑；它将不是单一系统，其研究也不仅局限于自然科学，将建成自然科学与社会科学结合的，多系统、跨平台、实时的地球神经网络。未来的数字地球将利用带有地理要素的物联网、云服务和云数据管理、视频和音频等多媒体智能手段和移动互联设备等关键技术，其应用和服务将会在注重功能的科学性和注重实际需求的方便性上找到一个折中的解决方案。另外，新地理（NeoGeography）[12]概念为新一代数字地球提供了新的思维。定位系统、基于位置的服务和手机通讯等技术使公众扮演着地理信息使用者和提供者的双重角色。专业用户和普通用户之间的距离不断被缩小，普通用户也能制作和使用符合自身要求的地理产品和服务。所以新一代数字地球中，公众不单是地理信息的发现者、还是科学的受益者，也是数字地球未来的实现者。新一代数字地球将会拉近大众和科学之间的距离，使得科学真正地造福于社会。

         新一代数字地球将具备以下特征：

         （1）未来“数字地球”将是一个功能强大的可视化“球体”，一种科学的地球信息组织形式。可以通过三维、四维乃至N维的方式，洞悉建筑物内部、地下或水下的信息。

         （2）它将基于历史数据和综合模型，以时间为维度呈现地球过去、现在和未来的数据和特征。

         （3）它将是对来自传感器和人类的信息流动态地、交互地开发与利用的过程，并具备数据输入输出的科学标准。

         （4）它不只提供数据，而且在数据解译、科学论证和政策制定等方面将赋予人们更大的主动权。由此将改进对地球运转机理的理解及对自然与社会协同响应的认识。

         （5）它不仅包含空间要素，而且包含覆盖地理空间和虚拟空间的地点、文化和身份等属性要素。因而，它既注重传统的空间分析，又强调网络和不同地点之间关系的理解。

         （6）它将使不同功能的应用更简便、更有效，让使用者发现位置、事件或模型参数等更多信息。

        

        数字地球指数（Digital Earth Index）是基于“需求层次”理论，用来表征每一国家的数字化发展状态，评估“数字化需求”（图2）。坐标轴x为能源消费率 （基于人口数量），它可以代表对数字产品和设备的依赖程度。坐标轴y为网络渗透率，反映为强化个人能力的先进技术利用需求。

        如果某一国家的DE指数位于曲线之上，说明该国家达到了数字需求平衡，即国家发展达到了较低的能源依赖和相对充分的先进科技的利用的状态。显然，不同国家之间在数字化发展方面的差别非常明显。非洲仅处于发展的初始阶段，亚洲、大洋洲和拉丁美洲发展相对超前，而欧洲和北美洲已经发展到很高水平。结果显示，在同一洲内，各个国家的发展水平也具有显著差异。

        如果说第一代数字地球的发展，源自对地观测技术的进步[13]，源自互联网与可视化技术的革新，源自美国前副总统的倡议，源自公司和企业等商业成果的推广，那么类似因素也将成为推动新一代数字地球发展的重要力量，并将会有更多的新技术、新手段融入。但是，我们也认识到新一代数字地球仍然面临着一定的挑战，如数据密集型时代的数据的存储、使用和管理，数据兼容和数据格式的匹配，声音、视频等多媒体和多源数据[14]带来的新技术与新应用等。挑战与机遇并存，未来将产生更多的数字地球产品、服务和实际应用，所以多平台、跨平台的数字地球基础设施建设需要科学的顶层设计、正确的发展方针、严谨的技术标准和有效的评估手段，从而建立健全一整套具有约束力的指导原则和规范。新数字地球理念的实现需要与领域内重要的国际组织建立合作并开展合作，如国科联#$TAB（ICSU）、联合国教科文组织（UNESCO）、地球观测组织（GEO）等。同时，也需要紧密联系政府、行业内公司、开源组织、基金会等团体，为数字地球的发展提供政策指导、创新思维和资金支持。

        因此，我们提议开展深入的、科学的“数字地球2030”创新研究。针对大数据时代数字地球科学研究领域面临的挑战，以多源海量对地观测数据为基础，基于海量空间数据的数据密集型地学知识发现方法，研究数字地球大数据汇聚与服务模型、数字地球数据密集型地学计算与知识发现、数字地球的地学要素呈现理论与方法等科学创新问题，深化数字地球前沿理论，发展地球信息科学。在此基础上，实现全球环境资源空间信息系统、新型数字地球模拟系统的开发，构建形成新一代数字地球科学平台和全球环境与资源空间信息保障能力。

         致谢 感谢“数字地球原型系统”和“数字地球基础理论问题研究”项目组成员，特别感谢姜昊、范湘涛和刘珍等对此文的贡献。