高分辨率卫星遥感技术课件

第三章第三章第第四四节节数字地球数字地球一、一、数字地球的含义数字地球的含义1 数字地球的概念数字地球的概念 数字地球是：数字地球是：信息化的地球信息化的地球 地球地球的的虚拟对照体虚拟对照体。数字地球将有关地。数字地球将有关地球上球上每一点的信息每一点的信息，按地球的，按地球的地理地理坐标加以整理坐标加以整理，然后构成一个全球，然后构成一个全球的的信息模型信息模型。人们可以快速、形象。人们可以快速、形象地了解地球上的地了解地球上的任何一点、任何方任何一点、任何方面面的信息，从而实现的信息，从而实现“信息就在指信息就在指尖上尖上”的梦想。的梦想。通俗地讲，通俗地讲，就是用数字的方法就是用数字的方法将地球、地球上的活动及整个将地球、地球上的活动及整个地球环境的时空变化装入电脑地球环境的时空变化装入电脑中，实现在网络上的流通，并中，实现在网络上的流通，并使之最大限度地为人类的生存、使之最大限度地为人类的生存、可持续发展和日常的工作、学可持续发展和日常的工作、学习、生活、娱乐服务。习、生活、娱乐服务。严格地讲严格地讲，数字地球是以计算机，数字地球是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带，技术为基础，以宽带网络为纽带，运用海量地球信息对地球进行多运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多尺度、多时空和多种分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，并利用它作为工类的三维描述，并利用它作为工具来支持和改善人类的活动和生具来支持和改善人类的活动和生活质量。活质量。【背景知识背景知识】数字地球的核心思想数字地球的核心思想 数字地球的核心思想：数字地球的核心思想：是用数字化是用数字化的手段来处理整个地球的自然和社会等的手段来处理整个地球的自然和社会等方面的问题，最大限度地利用资源，并方面的问题，最大限度地利用资源，并使普通百姓能够通过一定方式，方便地使普通百姓能够通过一定方式，方便地获得他们所想了解的有关地球的信息。获得他们所想了解的有关地球的信息。数字地球的特点数字地球的特点：数字地球的特点：数字地球的特点是嵌入海量地理数据，实现多分辨率、是嵌入海量地理数据，实现多分辨率、三维的地球的描述，即三维的地球的描述，即“虚拟地球虚拟地球”。【阅读指导阅读指导】“数字地球数字地球”的提的提出出“数字地球数字地球”的提出的提出特点特点技术基础技术基础应用应用时间时间人物人物著作著作1998 年年 1 月月 31 日日时任时任美国美国副总副总统的统的阿尔阿尔戈尔戈尔 数字数字地球：地球：展望展望21世纪我世纪我们这颗们这颗行星行星 是一种可以是一种可以嵌入海量地嵌入海量地理数据的、理数据的、多分辩率的多分辩率的和三维的地和三维的地球的表示，球的表示，可以在其上可以在其上添加许多与添加许多与我们所处星我们所处星球有关的数据。球有关的数据。遥感技术、遥感技术、地理信息地理信息系统、网系统、网络技术、络技术、虚拟现实虚拟现实技术技术可持续可持续发展，发展，农业、农业、灾害、灾害、资源、资源、教育等教育等方面方面2 数字地球的技术基础 要在电子计算机上实现数字地球要在电子计算机上实现数字地球不是一件简单的事，它需要诸多学科，不是一件简单的事，它需要诸多学科，特别是信息科学技术的支撑。这其中特别是信息科学技术的支撑。这其中主要包括：主要包括：信息高速公路信息高速公路与与高速网络高速网络技术技术、高分辨率卫星遥感技术高分辨率卫星遥感技术、空间空间信息技术信息技术与与空间数据基础设施空间数据基础设施、大容大容量数据存储技术量数据存储技术、可视化和虚拟现实可视化和虚拟现实技术技术、高性能计算能力高性能计算能力。（1）信息高速公路与高速网络技术）信息高速公路与高速网络技术 一个数字地球所需要的数据已不能通过单一一个数字地球所需要的数据已不能通过单一的数据库来存贮，而需要由成千上万的不同的数据库来存贮，而需要由成千上万的不同组织来维护。这意味着参与数字地球的服务组织来维护。这意味着参与数字地球的服务器将需要由高速网络来连接。为此，早在器将需要由高速网络来连接。为此，早在 1993 年年 2 月美国前总统克林顿就提出实施美月美国前总统克林顿就提出实施美国国家信息基础设施（国国家信息基础设施（Nll),通俗形象地称通俗形象地称为为“信息高速公路信息高速公路”，它主要由，它主要由计算机服务计算机服务器、网络和计算机终端器、网络和计算机终端组成。美国为此计划组成。美国为此计划投入投入 4000 亿美元，耗时亿美元，耗时 20 年。到年。到 2000 年年的目标是提高生产率的目标是提高生产率 20 一一 40%，获取，获取 35 000 亿美元的效益。亿美元的效益。在在 Internet 流量爆发性流量爆发性增长的驱动下，远程通信载体增长的驱动下，远程通信载体已经尝试使用已经尝试使用 10G/S 的网络，的网络，而每秒而每秒 1 015 byte 的因特网的因特网正在研究中。相信在正在研究中。相信在 21 世纪世纪将会有更加优秀的宽带高速网将会有更加优秀的宽带高速网供人们使用。供人们使用。信息高速公路信息高速公路 是一个集电话、电脑、是一个集电话、电脑、电视等功能于一体，能够综电视等功能于一体，能够综合传输和处理图、文、声、合传输和处理图、文、声、像等各种信息的一个全社会像等各种信息的一个全社会的立体化通信网。的立体化通信网。国际互联网国际互联网 是当前信息领域发展是当前信息领域发展最快、作用最大、影响最最快、作用最大、影响最广、公众关注程度最高的广、公众关注程度最高的通信网络，它是信息高速通信网络，它是信息高速公路的具体体现。公路的具体体现。（2）高分辨率卫星遥感技术）高分辨率卫星遥感技术 20 世纪的遥感卫星影像，在世纪的遥感卫星影像，在卫星遥感问世的卫星遥感问世的 20 多年分辨率已多年分辨率已经有了飞快的提高，这里所说的分经有了飞快的提高，这里所说的分辨率指空间分辨率、光谱分辨率和辨率指空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率。空间分辨率指影像上时间分辨率。空间分辨率指影像上所能看到的地面最小目标尺寸，用所能看到的地面最小目标尺寸，用像元在地面的大小来表示。像元在地面的大小来表示。从遥感形成之初的从遥感形成之初的 80 米，已提高到米，已提高到 30 米，米，10 米，米，5.8 米，乃至米，乃至 2 米军用甚至米军用甚至可达到可达到 10 厘米。在厘米。在 21 世纪获取世纪获取 1 米或优于米或优于 1 米的空间分辨率影像将会十分方便。光谱米的空间分辨率影像将会十分方便。光谱分辨率指成像的波段范围，处得愈细，波段分辨率指成像的波段范围，处得愈细，波段愈多，光谱分辨率就愈高，现在的技术可以愈多，光谱分辨率就愈高，现在的技术可以达到达到 5 一一 6 nm（纳米）量级，（纳米）量级，400 多个波多个波段。细分光谱可以提高自动区分和识别目标段。细分光谱可以提高自动区分和识别目标性质和组成成分的能力。时间分辨率指重访性质和组成成分的能力。时间分辨率指重访周期的长短，目前一般对地观测卫星为周期的长短，目前一般对地观测卫星为 15 一一 25 天的重访周期。通过发射合理分布的天的重访周期。通过发射合理分布的卫星星座可以卫星星座可以 3 一一 5 天观测地球一次。天观测地球一次。高分辨率卫星遥感图高分辨率卫星遥感图像在像在 21 世纪将可以优于世纪将可以优于 1 米的空间分辨率，每隔米的空间分辨率，每隔 3 一一 5 天为人类提供反映地天为人类提供反映地表动态变化的翔实数据，表动态变化的翔实数据，从而实现从而实现“秀才不出门，秀才不出门，能观天下事能观天下事”的理想。的理想。（3）空间信息技术与空间数据基础设施）空间信息技术与空间数据基础设施 空间信息是指与空间和地理分布有关的空间信息是指与空间和地理分布有关的信息，据统计，世界上的事情有信息，据统计，世界上的事情有 80 与空与空间分布有关空间信息用于地球研究即为地间分布有关空间信息用于地球研究即为地理信息系统。为了满足数字地球的要求，将理信息系统。为了满足数字地球的要求，将影像数据库、矢量图形库和数字高程模型影像数据库、矢量图形库和数字高程模型 (DEM)三库一体化管理的三库一体化管理的 GlS 软件和网络软件和网络 GPS，将在，将在 21 世纪十分成熟和普及。从而世纪十分成熟和普及。从而可实现不同层次的互操作，一个可实现不同层次的互操作，一个 GIS 应用软应用软件产生的地理信息将被另一个软件读取。件产生的地理信息将被另一个软件读取。当人们在数字地球上，进行处理、当人们在数字地球上，进行处理、发布和查询信息时，将会发现大量的信发布和查询信息时，将会发现大量的信息都与地理空间位置有关。例如，查询息都与地理空间位置有关。例如，查询两城市之间的交通连接，查询旅游景点两城市之间的交通连接，查询旅游景点和路线，购房时选择价廉而又环境适宜和路线，购房时选择价廉而又环境适宜的住宅等都需要有地理空间参考。由于的住宅等都需要有地理空间参考。由于尚未建立空间数据参考框架，致使目前尚未建立空间数据参考框架，致使目前在万维网上制作主页时还不能轻易将有在万维网上制作主页时还不能轻易将有关的信息连接到地理空间参考上。因此，关的信息连接到地理空间参考上。因此，国家空间数据基础设施是数字地球的基国家空间数据基础设施是数字地球的基础。础。(4)大容量数据存储技术 数字地球将需要存贮数字地球将需要存贮 10 1 5 字节的字节的（Quadrillions）信息。美国）信息。美国 NASA 的行的行星地球计划星地球计划 EOS 一一 AMI 1999 年上天，每天年上天，每天将产生将产生 1 000 GB（即（即 1 TB）的数据和信息，）的数据和信息，1 米分辨率影像覆盖广东省，大约有米分辨率影像覆盖广东省，大约有 1 TB 的的数据，而广东才是中国的数据，而广东才是中国的 1/53。所以要建。所以要建立起中国的数字地球，仅仅影像数据就有立起中国的数字地球，仅仅影像数据就有 53TB，这还只是一个时刻的多时相的动态，这还只是一个时刻的多时相的动态数据，其容量就更大了。目前美国的数据，其容量就更大了。目前美国的 NASA 和和 NOAA 已着手建立用原型并行机管理的可已着手建立用原型并行机管理的可存贮存贮 1 800TM 的数据中心，数据盘带的查找的数据中心，数据盘带的查找由机器手自动而快速地完成，相信在由机器手自动而快速地完成，相信在 21 世世纪，还会有新的突飞猛进。纪，还会有新的突飞猛进。(5)可视化和虚拟现实技术可视化和虚拟现实技术 可视化是实现数字地球与人交可视化是实现数字地球与人交互的窗口和工具，没有可视化技术，互的窗口和工具，没有可视化技术，计算机中的一堆数字是无任何意义计算机中的一堆数字是无任何意义的。数字地球的一个显著的技术特的。数字地球的一个显著的技术特点是虚拟现实技术。建立了数字地点是虚拟现实技术。建立了数字地球以后，用户戴上显示头盔，就可球以后，用户戴上显示头盔，就可以看见地球从太空中出现。以看见地球从太空中出现。人造虚拟现实技术在摄影测量人造虚拟现实技术在摄影测量中早已是成熟的技术，近几年的数中早已是成熟的技术，近几年的数字摄影测量的发展，已经能够在计字摄影测量的发展，已经能够在计算机上建立可供量测的数字虚拟技算机上建立可供量测的数字虚拟技术。当然，当前的技术是对同一实术。当然，当前的技术是对同一实体拍摄照片，产生视差，构造立体体拍摄照片，产生视差，构造立体模型，通常是当模型处理。进一步模型，通常是当模型处理。进一步的发展是对整个地球进行无缝拼接，的发展是对整个地球进行无缝拼接，任意漫游和放大，由三维数据通过任意漫游和放大，由三维数据通过人造视差的方法，构造虚拟立体。人造视差的方法，构造虚拟立体。(6)高性能计算能力高性能计算能力 地球是一个复杂的巨系统，地球上发地球是一个复杂的巨系统，地球上发生的许多事件、变化和过程又十分复杂生的许多事件、变化和过程又十分复杂而呈非线性特征，时间和空间的跨度变而呈非线性特征，时间和空间的跨度变化大小不等，差别很大，只有利用高速化大小不等，差别很大，只有利用高速计算机，我们今日和跨世纪的未来，才计算机，我们今日和跨世纪的未来，才有能力来模拟一些不能观测到的现象。有能力来模拟一些不能观测到的现象。利用数据挖掘（利用数据挖掘（Data Mining）技术，）技术，我们将能够更好地认识和分析所观测到我们将能够更好地认识和分析所观测到的海量数据，从中找出规律和知识。的海量数据，从中找出规律和知识。例例 1“数字地球数字地球”的出现是科技创新的出现是科技创新的又一典范。这意味着（的又一典范。这意味着（）A 科技创新日益全球化科技创新日益全球化 B 科学技术是先进生产力的科学技术是先进生产力的集中体现集中体现 C 科技的发展离不开雄厚的科技的发展离不开雄厚的经济实力经济实力 D 任何科技必然为政治服务任何科技必然为政治服务B例例 2“数字地球数字地球”的核的核心技术包括（心技术包括（）遥感技术遥感技术 全球定位系统全球定位系统 地地理信息系统理信息系统 现代通信技术现代通信技术 A B C D，A【阅读指导阅读指导】一次虚拟旅行一次虚拟旅行工具工具应用应用戴上头盔戴上头盔显示器显示器使用使用“数数据手套据手套”乘上乘上“魔魔毯毯”使用语音使用语音识别装置识别装置使用虚拟使用虚拟技术技术看到出现在太空中蔚蓝色的、美丽的地球看到出现在太空中蔚蓝色的、美丽的地球会看到大洲、国家、城市，最后是房屋、会看到大洲、国家、城市，最后是房屋、树木以及其他各种自然和人造物体树木以及其他各种自然和人造物体深入查看细节深入查看细节可以询问所在地区的土地利用，动植物种类，实时的可以询问所在地区的土地利用，动植物种类，实时的气候道路，以及人口等方面的文本、图像、视频信息气候道路，以及人口等方面的文本、图像、视频信息能够跨越时空，返回到数日、数年、能够跨越时空，返回到数日、数年、数世纪以前的环境，甚至可以与恐龙接触数世纪以前的环境，甚至可以与恐龙接触例例 3“数字地球数字地球”的组成除了地图的组成除了地图测绘系统（测绘系统（EOS）、全球定位）、全球定位系统（系统（GPS）外，还包括（）外，还包括（）A航空遥感航空遥感 B.WPS C 地理信息系统地理信息系统 D 汉字处理系统汉字处理系统C解析：解析：“数字地球数字地球”是地图测绘、航空卫星遥感、探空和深钻技是地图测绘、航空卫星遥感、探空和深钻技术的深化，是对地图测绘系统（术的深化，是对地图测绘系统（EOS）、全球定位系统）、全球定位系统（GPS）与地理信息系统（）与地理信息系统（GIS）的综合，实现地球图）的综合，实现地球图层间物质流、能量流与信息流数据的集成，便于对全球化问题层间物质流、能量流与信息流数据的集成，便于对全球化问题进行广泛研究。进行广泛研究。（二）数字地球与我们的生活（二）数字地球与我们的生活“数字城市数字城市”：从广义上说，是通过宽：从广义上说，是通过宽带多媒体信息网络、地理信息系统等基带多媒体信息网络、地理信息系统等基础设施平台，整合城市信息资源并加以础设施平台，整合城市信息资源并加以充分利用，建立电子商务、电子政务、充分利用，建立电子商务、电子政务、科技信息系统、劳动和社会保障信息系科技信息系统、劳动和社会保障信息系统等子系统，通过发展信息家电、网上统等子系统，通过发展信息家电、网上教育、远程医疗，建设信息化社区，最教育、远程医疗，建设信息化社区，最终实现城市国民经济和社会发展的全面终实现城市国民经济和社会发展的全面信息化。信息化。“数字化社区数字化社区”：顾名思义，就是通：顾名思义，就是通过数字技术将管理、服务的提供者过数字技术将管理、服务的提供者与每个住户相联结的社区。这种数与每个住户相联结的社区。这种数字化的网络系统字化的网络系统 使社区的管理者使社区的管理者与住户之间可以实时地进行各种形与住户之间可以实时地进行各种形式的信息交互，由于现代网络浏览式的信息交互，由于现代网络浏览器的先进性以及多态的表现性，加器的先进性以及多态的表现性，加上各种网络多媒体技术的应用，从上各种网络多媒体技术的应用，从而营造出了一个丰富多彩的虚拟社而营造出了一个丰富多彩的虚拟社区。区。“地球村地球村”：信息高速公路的：信息高速公路的出现，国际互联网的使用，出现，国际互联网的使用，“数字地球数字地球”的产生，的产生，“缩小缩小”了我们生活的空间，了我们生活的空间，“缩短缩短”了我们联系交往的时间，使我了我们联系交往的时间，使我们生活的世界成为一个全球性、们生活的世界成为一个全球性、同时性的同时性的“地球村地球村”。“数字化生存数字化生存”：我国：我国 IT 界有关人界有关人士这样描述未来普通人的数字化生士这样描述未来普通人的数字化生存状态：宽带将代替电话拨号的窄存状态：宽带将代替电话拨号的窄带方式成为家庭和外部信息交流的带方式成为家庭和外部信息交流的高速公路。单芯片技术产生的数字高速公路。单芯片技术产生的数字产品会不断丰富、满足用户高品质产品会不断丰富、满足用户高品质数字化生活的需要。所有产品通过数字化生活的需要。所有产品通过有线网络或无线网络联成一体并实有线网络或无线网络联成一体并实现设备之间的数据交换、资源共享现设备之间的数据交换、资源共享以及自动化控制。以及自动化控制。