A. 數字地球是什麼
近來，數字地球十分引人注意。許多專家學者就數字地球進行了討論，新聞媒體也十分重視。的確，一場席捲全球的信息技術革命已迎面而來，正在改變我們的生存觀念和思維方式，使我們從信息的獲取、存儲、處理、傳輸直至信息的顯示方式發生翻天覆地的變化。數字地球使得我們有可能把有關地球及其相關現象的大量的，多解析度的、三維的、動態的數據按地理坐標表示成可以理解的信息，以充分地利用官們。不論你在什麼地方，藉助數字地球，都可以高速地、直觀地、完整地了解地球上任何一處任何方面的信息。
數字地球將把有關地球及其相關現象的數據按地理坐標組織、整理和表示。這樣，既體現了這些數據的內在的、有機的聯系，又以地球為「綱」，便於按地理坐標檢索和使用。數字地球將包含種類多樣的信息，既有自然方面的，如地形、地貌、地質構造、礦藏分布、山脈河流、氣候特點等；又有人文方面的，如歷史沿革、風土人情、交通、文教、經濟、金融、人口等。它不僅包括全球性的中、小比例尺的空間數據，也包括大比例尺的空間數據；不僅包括地球的各類多光譜、多時相、高解析度的遙感衛星影像、航空影像，還包括有關可持續發展、農業、資源、環境、災害、人口、全球變化、城市建設、教育、軍事等等。可以說是包羅萬象，應有盡有。
正是因為數字地球具有上面提到的特點和功能，所以通過數字地球，人們可以了解到世界上任何地方最新、最全面的實時情況。因此，數字地球在許多方面具有潛在而廣泛的應用前景，如：生態環境的保護、氣候變化的預測、精細農業、減災、打擊犯罪活動、外交、國防等等。數字地球將使我們有可能對人為的和自然界的災害作出快速反應，所以必能產生廣泛的社會和經濟效益。數字地球包括三個主要的組成部分，即信息的獲取、信息的處理和信息的應用。它涉及諸多科學技術領域，其中，信息的獲取雖然主要是地球科學的任務，但需要地球科學與其他技術領域的合作；信息的處理需要地球科學和信息科學技術的共同努力；信息的應用則是地球科學服務於社會的主要內容。無論是信息的獲取，還是信息的處理和應用，都離不開計算機技術、圖像處理技術。
數字地球並非一個孤立的科技項目或一個孤立的技術目標，而是在信息高速公路和國家空間數據基礎設施的基礎上提出的一項整體性、導向性的戰略思想。數字地球在我國跨世紀的發展中，在保持和平安定的國際環境、實現經濟和社會的可持續發展和發展科學技術自主創新能力這三項戰略目標中，具有十分重要的意義。
閱讀提示：了解數字地球的概念，體會電子通信技術對社會生活的影響。
B. 什麼是數字地球
數字地球的概念最初是由美國前副總統戈爾提出,其核心內容是全球信息數字化.數字地球主要指應用地理信息系統、遙感、全球定位系統等技術,以數字的方式獲取、處理和應用關於地球自然和人文因素的空間數據,並在此基礎上解決全球各種問題.如今,信息技術革命席捲全球,使人類對地球空間數據進行處理、分析的技術手段和觀念發生了翻天覆地的變化.在這種情況下,人們可以把地理坐標集成起來,形成一個數字地球.藉助於這個數字地球,人們無論走到哪裡,都可以按地球坐標了解地球上任何一處、任何方面的信息.數字地球是對真實地球及其相關現象統一性的數字化重視和認識,核心思想有兩點:一是用數字化手段統一性處理地球問題;二是最大限度地利用信息資源. 數字地球由下列體系構成:數據獲取與更新體系、數據處理與存儲體系、信息提取與分析體系、數據與信息傳播體系、資料庫體、網路體系、專用軟體體系等.數字地球可以包容80%以上的人類信息資源,是未來信息資源的主體核心.
C. 地理信息數字化主要方法
信息來源如果能將你所在州的降雨和你所在縣上空的照片聯系起來，可以判斷出哪塊濕地在一年的某些時候會乾涸。一個GIS系統就能夠進行這樣的分析，它能夠將不同來源的信息以不同的形式應用。對於源數據的基本要求是確定變數的位置。位置可能由經度，緯度和海拔的 x，y，z坐標來標注，或是由其他地理編碼系統比如ZIP碼，又或是高速公路英里標志來表示。任何可以定位存放的變數都能被反饋到GIS。一些政府機構和非政府組織生產正在製作能夠直接訪問GIS的計算機資料庫。可以將地圖中不同類型的數據格式輸入GIS。GIS 系統同時能將不是地圖形式的數字信息轉換可識別利用的形式。例如，通過分析由遙感生成的數字衛星圖像，可以生成一個與地圖類似的有關植被覆蓋的數字信息層。同樣，人口調查或水文表格數據也可在GIS系統中被轉換成作為主題信息層的地圖形式。資料展現GIS 數據以數字數據的形式表現了現實世界客觀對象（公路，土地利用，海拔）。現實世界客觀對象可被劃分為二個抽象概念：離散對象（如房屋） 和連續的對象領域（如降雨量或海拔）。這二種抽象體在GIS系統中存儲數據主要的二種方法為：柵格（網格）和矢量。柵格（網格）數據由存放唯一值存儲單元的行和列組成。它與柵格（網格）圖像是類似的，除了使用合適的顏色之外，各個單元記錄的數值也可能是一個分類組，例如土地使用狀況，一個連續的值，或是降雨量，或是當數據不是可用時記錄的一個空值。柵格數據集的解析度取決於地面單位的網格寬度。通常存儲單元代表地面的方形區域， 但也可以用來代表其它形狀。柵格數據既可以用來代表一塊區域，也可以用來表示一個實物，實物被存儲為... 矢量數據利用了幾何圖形例如點，線（一系列點坐標），或是面（形狀決定於線）來表現客觀對象。例如，在住房細分中以多邊形來代表物產邊界，以點來精確表示位置。矢量同樣可以用來表示具有連續變化性的領域。利用等高線和不規則三角網（TIN）來表示海拔或其他連續變化的值。TIN的記錄對於這些連接成一個由三角形構成的不規則網格的點進行評估。三角形所在的面代表地形表面。利用柵格或矢量數據模型來表達現實既有優點也有缺點。柵格數據設置在面內所有的點上都記錄同一個值，而矢量格式只在需要的地方存儲數據，這就使得前者所需的存儲的空間大於後者。對於柵格數據可以很輕易地實現覆蓋的操作，而對於矢量數據來說要困難得多。矢量數據可以象在傳統地圖上的矢量圖形一樣被顯示出來，而柵格數據在以圖象顯示時顯示對象的邊界將呈現模糊狀。除了以幾何向量坐標或是柵格單元位置來表達的空間數據外，另外的非空間數據也可以被存儲。在矢量數據中，這些附加數據為客觀對象的屬性。例如，一個森林資源的多邊形可能包含一個標識符值及有關樹木種類的信息。在柵格數據中單元值可存儲屬性信息，但同樣可以作為與其他表格中記錄相關的標識符。資料擷取數據擷取——向系統內輸入數據——它占據了GIS從業者的大部分時間。有多種方法向GIS中輸入數據，在其中它以數字格式存儲。印在紙或聚酯薄膜地圖上的現有數據可以被數字化或掃描來產生數字數據。數字化儀從地圖中產生向量數據作為操作符軌跡點、線和多邊形的邊界。掃描地圖可以產生能被進一步處理生成向量數據的光柵數據。測量數據可以從測量器械上的數字數據收集系統中被直接輸入到GIS中。從全球定位系統（GPS）——另一種測量工具中得到的位置，也可以被直接輸入到GIS中。遙感數據同樣在數據收集中發揮著重要作用，並由附在平台上的多個感測器組成。感測器包括攝像機、數字掃描儀和激光雷達，而平台則通常由航空器和衛星構成。現在大部分數字數據來源於圖片判讀和航空照片。軟拷貝工作站用來數字化直接從數字圖像的立體象對中得到的特徵。這些系統允許數據以二維或三維捕捉，它們的海拔直接從用照相測量法原理的立體象對中測量得到。現今，模擬航空照片先被掃描然後再輸入到軟拷貝系統，但隨著高質量的數字攝像機越來越便宜，這一步也就可被省略了。衛星遙感提供了空間數據的另一個重要來源。這里衛星使用不同的感測器包來被動地測量從主動感測器如雷達發射出去的電磁波頻譜或無線電波的部分的反射系數。遙感收集可以進一步處理來標識感興趣的對象和類例如土地覆蓋的光柵數據。除了收集和輸入空間數據之外，屬性數據也要輸入到GIS中。對於向量數據，這包括關於表現在系統中的對象的附加信息。輸入數據到GIS中後，通常還要編輯，來消除錯誤，或進一步處理。對於向量數據必須要「拓撲正確」才能進行一些高級分析。比如說，在公路網中，線必須與交叉點處的結點相連。像反沖或過沖的錯誤也必須消除。對於掃描的地圖，源地圖上的污點可能需要從生成的光柵中消除。例如，污物的斑點可能會把兩條本不該相連的線連在一起。資料操作GIS可以執行數據重構來把數據轉換成不同的格式。例如，GIS可以通過在具有相同分類的所有單元周圍生成線，同時決定單元的空間關系，如鄰接和包含，來將衛星圖像轉換成向量結構。
由於數字數據以不同的方法收集和存儲，兩種數據源可能會不完全兼容。因此GIS必須能夠將地理數據從一種結構轉換到另一種結構。
投影系統，坐標系統與轉換
財產所有權地圖與土壤分布圖可能以不同的比例尺顯示數據。GIS中的地圖數據必須能被操作以使其與從其它地圖獲得的數據對齊或相配合。在數字數據被分析前，它們可能得經過其它一些將它們整合進GIS的處理，比如，投影與坐標變換。地球可以用多種模型來表示，對於地球表面上的任一給定點，各個模型都可能給出一套不同的坐標（如緯度，經度，海拔）。最簡單的模型是假定地球是一個理想的球體。隨著地球的更多測量逐漸累積，地球的模型也變得越來越復雜，越來越精確。事實上，有些模型應用於地球的不同區域以提供更高的精確度（如北美坐標系統，1983-NAD83-只適合在美國使用，而在歐洲卻不適用）。
投影是製作地圖的基礎部分，它是從地球的一種模型中轉換信息的數學方法，它將三維的彎曲表面轉換成二維的媒介（比如紙或電腦屏幕）。不同類型的地圖要採用不同的投影投影系統，因為每種投影系統有其自身的合適的用途。比如一種可以精確反映大陸形狀的投影會歪曲大陸的相對尺寸（翻譯的是英文的維基網路）GIS空間分析空間分析能力是GIS的主要功能，也是GIS與計算機制圖軟體相區別的主要特徵。空間分析是從空間物體的空間位置、聯系等方面去研究空間事物，以及對空間事物做出定量的描述。一般地講，它只回答What（是什麼？）、Where（在哪裡？）、How（怎麼樣？）等問題，但並不（能）回答Why（為什麼？）。空間分析需要復雜的數學工具，其中最主要的是空間統計學、圖論、拓撲學、計算幾何等[1]，其主要任務是對空間構成進行描述和分析，以達到獲取、描述和認知空間數據；理解和解釋地理圖案的背景過程；空間過程的模擬和預測；調控地理空間上發生的事件等目的。
GIS空間分析的內涵極為豐富，包括空間查詢、空間量測、疊置分析、緩沖區分析、網路分析、空間統計分類等多個方面。GIS 空間分析技術方法包括以下兩大類：
⑴空間基本分析：基於空間圖形數據的分析計算，即基於圖的分析。該分析功能與GIS 其他功能模塊有緊密聯系，技術發展也比較成熟。主要有空間信息量算、緩沖區分析、空間拓撲疊置分析、網路分析、復合分析、鄰近分析及空間聯結、空間統計分析等。
⑵空間模擬分析：也稱為專業型空間分析。該技術解決應用領域對空間數據處理與輸出的特殊要求，空間實體和關系通過專業模型得到簡化和抽象，而系統則通過模型進行分析操作。目前GIS 在該領域的研究相對落後，尚未形成一個統一的結構體系。
空間分析技術與許多學科有聯系，地理學、經濟學、區域科學、大氣、 地球物理、水文等專門學科為其提供知識和機理。
除了GIS軟體捆綁空間分析模塊外，目前也有一些專用的空間分析軟體，如GISLIB、SIM、PPA、Fragstats等。
數據建模
將濕地地圖與在機場、電視台和學校等不同地方記錄的降雨量關聯起來是很困難的。然而，GIS能夠描述 地表、地下和大氣的二維三維特徵。
例如，GIS能夠將反應降雨量的雨量線迅速制圖。
這樣的圖稱為雨量線圖。通過有限數量的點的量測可以估計出整個地表的特徵，這樣的方法已經很成熟。一張二維雨量線圖可以和GIS中相同區域的其它圖層進行疊加分析。
拓撲建模
在過去的35年，在濕地邊上有沒有任何加油站或工廠經營過？有沒有任何滿足在2英里內且高出濕地的條件的這類設施？GIS可以識別並分析這種在數字化空間數據中的這種空間關系。這些拓撲關系允許進行復雜的空間建模和分析。地理實體音的拓撲關系包括連接（什麼和什麼相連）、包含（什麼在什麼之中）、還有鄰近（兩者之間的遠近）。
網路建模
如果所有在濕地附近的工廠同時向河中排放化學物質，那麼排入濕地的污染物的數量要多久就能達到破壞環境的數量？GIS能模擬出污染物沿線性網路（河流）的擴散的路徑。諸如坡度、速度限值、管道直徑之類的數值可以納入這個模型使得模擬得更精確。網路建模通常用於交通規劃、水文建模和地下管網建模。地理信息系統工程地理信息系統工程是應用系統原理和方法，針對特定的實際應用目的和要求，統籌設計、優化、建設、評價、維護實用GIS系統的全部過程和步驟的統稱。
GIS工程具有一定的廣泛性。它是系統原理和方法在GIS工程建設領域內的具體應用。它的基本原理是系統工程，即從系統的觀點出發，立足於整體，統籌全局，又將系統分析和系統綜合有機地結合起來，採用定量的或定性與定量相結合的方法，提供GIS工程的建設模式。同時，GIS工程在很大程度上是計算機軟體系統，它在軟體設計和實現上要遵循軟體工程的原理，研究軟體開發的方法和軟體開發工具，爭取以較少的代價獲取用戶滿意的軟體產品，支持GIS工程。
GIS工程又具有相對的針對性。GIS工程總是面向具體的應用而存在，它伴隨著用戶的背景、要求、能力、用途等諸多因素而發生變化。這一方法說明GIS具有很強的功用性，另一方面則要求從系統的高度抽象出符合一般GIS工程設計和建設的思路和模式，用以指導各種GIS工程建設。
GIS工程涵蓋范圍很廣，它貫穿工程設計、優化、建設、評價、維護更新等全過程，並綜合考慮人的因素、物的因素，使其整體統籌考慮的范疇，做到"物盡其用，人盡其能"，以最小的代價取得最佳的收益。
GIS工程涉及因素眾多，概括起來可以分為硬體、軟體、數據及人。硬體是構成GIS系統的物理基礎；軟體形成GIS系統的驅動模型；數據是GIS系統的血液；人則是活躍在GIS工程中的另一個十分重要的因素，人既是系統的提出者，又是系統的設計者、建設者，同時還是系統的使用者、維護者。如果人的作用發揮得好，可以增強系統的功能，增加系統的效益，為系統增值，反之會削弱系統應有的潛能。如果說硬體、軟體、數據表現出某種層次關系的話，即軟體構築於硬體之上，數據賴以軟體而存在，那麼，人的作用就是嵌入在整個GIS工程領域之中。Geographic Information SystemJGIS is an international refereed journal dedicated to the latest advancement of Geographic Information System . The goal of this journal is to keep a record of the state-of-the-art research and promote the research work in these fast moving areas. The journal publishes the highest quality, original papers included but not limited to the fields:
JGIS是一個國際權威期刊，由美國科研出版社編輯。致力於地理信息系統（GIS）的最新進展。這本雜志的目標是要保持一個記錄的國家的最先進的研究，並促進在這些快速發展的領域的研究工作。該雜志出版最高質量的，原來的文件，包含以下領域：
地理信息系統
Cartography and Geodesy
Computational Geometry
Computer Vision Applications in GIS
Distributed, Parallel, and GPU Algorithms for GIS
Earth Observation
Environmental Geomatics — GIS, RS and Other Spatial Information Technologies
Geographical Analysis for Urban and Regional Development
Geographic Information Retrieval
GIS and Cloud Computing
GIS and High Performance Computing
Human Computer Interaction and Visualization
Image and Video Understanding
Location-Based Services
Location Privacy, Data Sharing and Security
Performance Evaluation
Photogrammetry
Similarity Searching
Social Networks and Volunteer Geographic
Spatial Analysis and Integration
Spatial and Spatio-Temporal Information Acquisition
Spatial Data Mining and Knowledge Discovery
Spatial Data Quality and Uncertainty
Spatial Data Structures and Algorithms
Spatial Data Warehousing, OLAP, and Decision Support
Spatial Information and Society
Spatial Modeling and Reasoning
Spatial Query Processing and Optimization
Spatial Semantic Web
Spatio-Temporal Data Handling
Spatio-Temporal Sensor Networks
Spatio-Temporal Stream Processing
Spatio-Textual Searching
Standardization and Interoperability for GIS
Storage and Indexing
Systems, Architectures and Middleware for GIS
Traffic Telematics
Transportation
Visual Languages and Querying
Wireless, Web, and Real-Time Applications
編輯本段GIS的發展趨勢趨於綜合性發展GIS、遙感（RS）和全球定位系統（GPS）3S集成技術的發展在世界各國引起了普遍重視。RS主要側重於信息獲取和動態監測；GIS主要是空間信息的管理、分析；GPS是空間定位、導航。GIS的綜合性發展趨勢還體現在與OA、Internet、多媒體、虛擬現實等技術的集成。開放式GISGIS數據共享和互動式操作促進GIS社會化發展。開放式GIS協會（OGC）打破當前GIS業各地區、各單位、各企業各自為營的局面，促進GIS社會化發展。產業化發展GIS產業對象主要包括：硬體、軟體、數據採集與數據轉換、電子數據、遙感信息獲取與處理、系統開發與集成、咨詢與技術服務。向組件式發展採用面向對象技術開發組件式GIS是GIS軟體發展的必然趨勢，GIS軟體的可配置性、可擴展性和開放性將更強，進行二次開發將更方便。WEB GISWebGIS是Internet技術應用於GIS開發的產物。是一個互動式的、分布式的、動態的地理信息系統，是由多個主機、多個資料庫的無線終端，並由客戶機與伺服器（HTTP伺服器及應用伺服器）相連所組成的。GIS通過WWW功能得以擴展，真正成為了一種大眾使用的工具。從WWW的任意一個節點，Internet用戶可以瀏覽WebGIS站點中的空間數據、製作專題圖，以及進行各種空間檢索和空間分析，從而使GIS進入千家萬戶。
編輯本段地理信息系統空間分析的發展趨勢GIS 技術的應用極大地促進了空間分析的需求和應用。GIS 應用的最高目標是空間決策支持，而空間決策支持的核心必然是空間分析。因此，基於GIS 的空間分析的發展方向為：由空間分析向時空分析領域拓展萬事萬物均處在一定的時空坐標系中，時間、空間和屬性是地理實體的3 個基本特徵，時空（Spatio-temporal）分析是指用於描繪隨時間動態變化的空間物體和空間現象特徵的一系列技術，其分析結果依賴於事件的時空分布。時空資料庫模型的研究起步於20 世紀90 年代，由於時空資料庫的復雜性，對它的研究目前仍處於理論階段，尚無成熟的商品化軟體平台問世，故建立在其上的時空分析進展緩慢。隨著近期計算機技術和GIS 的飛速發展，作為客觀現實世界抽象和表示的時空數據模型日漸成為人們關注的熱點課題。時空分析的有效模型基於GIS 的空間分析和CI 的融合，將該領域拓展到計算科學、統計學、數學、物理學、神經系統科學、認知學、電子工程、計算地理學等領域，使得GIS 可以將這些學科的最新成果應用於空間決策支持。另外，CI 技術之間的相互結合更加拓展了空間分析的應用領域，如模糊邏輯與模糊神經網路相結合的模糊神經網路，神經網路與遺傳演算法和免疫演算法相結合探詢網路結構和權重優化等。將CI 技術與SDA 相結合，在GIS 環境下建立時空一體化的時空過程模擬分析引擎已成為SDA 的一項重要內容。與時空分析模型高度融合由於需求和描述對象的多樣化，建模時需要考慮各種不同情況，集成多個動態模型，建立基於GIS 的統一時空分析構架（圖1）。例如，對空間地理事件的對比和評價可以用傳統的AHP 方法結合神經網路模型來綜合評價；對空間地理事件的發展趨勢如城市面積的發展演變可以通過事件驅動的模擬形式結合細胞自動機模型來描述；一些基於輸入一輸出的事件，例如時空經濟分析等可以採用「黑箱」方法（如Neural Networks 模型）或基於CI 的混合方法等。同時，將對不同領域適用的空間分析模型組織整合到一個統一框架中，結合專家經驗和先驗知識，進行有效的組織、調度和通訊，使其從環境接受感知信息，進行協同工作，執行各種智能決策行為，這也正是目前智能體（agent）所要研究和解決的問題，最終目標是使G1S與時空分析模型成為高度融合的時空決策集成平台。
編輯本段特點GIS的操作對象是空間數據空間數據包括地理數據、屬性數據、幾何數據、時間數據。GIS對空間數據的管理與操作，是GIS區別於其它信息系統的根本標志，也是技術難點之一。GIS的技術優勢在於它的空間分析能力GIS獨特的地理空間分析能力、快速的空間定位搜索和復雜的查詢功能、強大的圖形處理和表達、空間模擬和空間決策支持等，可產生常規方法難以獲得的重要信息，這是GIS的重要貢獻。GIS與地理學、測繪學聯系緊密地理學是GIS的理論依託，為GIS提供有關空間分析的基本觀點和方法。測繪學為GIS提供各種定位數據，其理論和演算法可直接用於空間數據的變換和處理。
D. 什麼是「數字地球」
所謂「數字地球」，可以理解為對真實地球及其相關現象統一的數字化重現和認識。其核心思想是用數字化的手段來處理整個地球的自然和社會活動諸方面的問題，最大限度地利用資源，並使普通百姓能夠通過一定方式方便地獲得他們所想了解的有關地球的信息，其特點是嵌入海量地理數據，實現多解析度、三維對地球的描述，即「虛擬地球」。通俗地講，就是用數字的方法將地球、地球上的活動及整個地球環境的時空變化裝入電腦中，實現在網路上的流通，並使之最大限度地為人類的生存、可持續發展和日常的工作、學習、生活、娛樂服務。
嚴格地講，數字地球是以計算機技術、多媒體技術和大規模存儲技術為基礎，以寬頻網路為紐帶，運用海量地球信息對地球進行多解析度、多尺度、多時空和多種類的三維描述，並利用它作為工具來支持和改善人類活動和生活質量。