数字地球概述

1. 数字地球概述 数字地球导论讲义－1 北京大学遥感所 张雪虎 2008年9月23日

2. 课程信息 • 课程网站：http://geocoding.cn:8000/DigitalEarth2008 • 非教育网：http://www.geocoding.cn:8000/DigitalEarth2008 • 考核方式：课上小测试(50%)，课程项目(50%) • 联系方式 • 电子邮件：xuehu@pku.edu.cn； • 办公室：遥感楼425房间； • 电话：57994。 • 课程网站的功能： • 发布课程信息，包括课件PPT，参考资料等。 • 同学老师交互的平台，网站本身是一个wiki系统。 • 请大家给我发一个邮件，写一下你希望的用户名和密码，我会给大家建wiki账户。

3. 什么是数字地球？ 请大家先说说自己目前的理解… 再让我们看看美国前副总统戈尔是如何定义的…

4. 戈尔的数字地球愿景 • 设想一个小女孩来到一个数字地球陈列室，戴上头盔显示器看到一个空中的地球。 • 使用数据手套，她开始放大景物，随着分辨率的提高，她会看到大陆板块、国家、城市、最后到房屋、树木和各种自然和人造的物体。 • 在发现自己特别感兴趣的地方后，她可乘上魔毯，在三维图像中进行飞行浏览。 • 当然，地形信息只是她可以了解的多种信息中的一种。使用数字地球系统的声音识别装置，她还可以查询有关土地覆盖、植物和动物种类的分布、实时的气候、道路、行政区线，以及人口等方面的信息。在这里，她还可以看到自己以及世界各地的学生们为“全球项目”收集的环境信息。这些信息可以无缝地融入数字地图或地面数据里。 • 用数据手套继续点击超链接，她还可以获得更多的有关她所见物体的信息。比如，为了准备全家去国家黄石公园渡假，她策划一个完美的步行旅游，观看刚从书中读到的喷泉、北美野牛和巨角岩羊。甚至可以把要去步行旅游的地方从头到尾地浏览一遍。

5. 愿景继续… • 她不仅可以跨越不同的空间，也可以在时间线上奔驰。为了去参观卢浮尔宫，她先在巴黎作了一番虚拟旅游之后，又通过细读重叠在数字地球表面上的数字化地图、时事摘要、传说、报纸以及其它第一手材料，回到过去，了解法国历史。她会把其中一些信息转送到自己的Email库里，等着以后研读。这条时间线可伸回很远，从数日、数年、数世纪甚至到地质纪元，去了解恐龙的情况。

6. 数字地球的定义 Digital Earth will be a virtual representationof our planet that enables a person to explore and interact with the vast amounts of natural and cultural information gathered about the Earth.

7. 一些更基本的问题请同学们思考 • 戈尔早就下台了，为什么还要研究数字地球？ • 实现数字地球的效果会是什么的？ • 戈尔给出了他的答案。我们也不妨认真的想一想。看看戈尔的答案是否全面，是否正确。 • 我们会在最后课程总结的时候再回到这些问题上来。

8. 什么是地球的虚拟表达？ • 卫星影像 • 矢量地图 • 属性信息 • 动态模型与仿真 • 虚拟现实。。。 • 地球的虚拟表达除了和地球的特征有关外还和什么有关系吗？ • 先让我们放大看看人的视觉系统的结构和原理。

9. 视觉系统的生理结构 主视觉中枢 丘脑 数字地球中虚拟表达的决大部分东西和人类的认知有密切的关系。 所以研究和理解人类的认知过程是数字地球的基础之一。

10. 数字地球的技术框架

11. 什么是互操作（Interoperability）？ • The ability to operate in conjunction. [Oxford Dict.] • The ability of two or more systems or components to exchange information and to use the information that has been exchanged. [IEEE 1990] • The ability of a system or a product to work with other systems or products without special effort on the part of the customer. Interoperability becomes a quality of increasing importance for information technology products as the concept that “The network is the computer” becomes a reality. For this reason, the term is widely used in product marketing descriptions. [whatis.com] 分布、异构、歧义信息的自动获取处理和服务

12. 互操作会遇到哪些问题？ • 比如说我要去泰国旅行。。。 • 需要那里的地图，旅游景点，交通，住宿等信息。。。 • 从互操作的定义看我的信息系统应该可以自动的满足我的需求。。。 • 那么在我的信息系统试图满足我的需求时会遇到什么问题？ • 数据格式问题（地图格式。。。） • 数据整合问题（投影问题，时态问题。。。） • 语言问题（语义问题） • 我的信息系统如何发现这些地图数据？ • 如果我是个间谍怎么办？ • 或者是个恐怖分子怎么办？ • 我所需要的数据是否来源于一个机构？机构之间的协调怎么办？利润和责任如何分配？

13. 互操作问题的分类总结 • 技术问题 • 数据问题（格式问题，发现问题） • 实现问题（计算机语言，协议，平台。。。） • 语义问题 • 词汇的多义 • 词汇的同义 • 为什么人可以容忍这些模糊性？ • 人文因素 • 政治因素 • 领域因素 • 法律因素 • 国际因素 • 商业因素 最棘手的问题是什么？各种问题如何解决？

14. 各种问题目前的解决方法或思路 • 数据格式问题 • 标准化（例如XML） • 元数据（关于数据的数据） • 数据转换（投影变换，地址地理编码。。。） • 数据发现问题 • 集中式目录（如Clearinghouse） • 分布式目录（如UDDI） • 索引，搜索引擎（如Google） • 点对点的动态发现（如P2P方式） • 系统实现问题（计算机语言，协议，平台。。。） • 标准化（如SOAP协议） • 。。。 • 语义问题 • Ontology，OWL，SOAP2，Web2.0 • 人工智能，神经网络 • 人为导致的信息封闭问题 • ？？？法律手段？教育？ • 互操作的边界在哪里？

15. 什么是语义问题？ • 请同学们试着分析一下土地覆盖和土地利用上的一个基本概念：空地 • 告诉你某某处有一块空地，你是否知道是什么意思？ • 给你一块地你是否知道它是否是空地？ • 信息系统如何自动处理这样的问题？

16. 课程大纲 • 第一部分：数字地球与OGC参考模型（3节课） • 9月23日 数字地球简介：数字地球的历史，内涵，现况，挑战 • 9月30日 OGC参考模型之一：信息视角与管理视角 • 10月7日 OGC参考模型 之二：计算视角 • 第二部分：本体工程（7节课） • 10月14日 本体的基本概念 • 10月21日 数理逻辑基础 • 10月28日 一阶逻辑建模实例 • 11月4日 OWL建模实例 • 11月11日 SWRL建模实例 • 11月18日 Prolog简介 • 11月25日 期末项目讨论 • 第三部分：神经网络与复杂系统（5节课） • 12月2日 控制论 • 12月9日 神经元与网络基础 • 12月16日 神经网络的学习法则（建模方法） • 12月23日 视觉与语言处理的神经网络原理 • 12月30日 复杂系统科学的启示（课程总结） • 1月6日 期末项目报告

17. 数字地球参考模型 • 是数字地球的一个早期框架，是互操作系统设计的参考 • 定义系统的行为/接口以及数据的内容/编码，包括以下几个方面： • 数据与数据交换: • 要素（Features） - 覆盖（Coverages） • 元数据与目录 • 地图与可视化 • 参考系统 • 地理空间信息处理服务: • 坐标转换，地名录，地理编码，其它

18. 什么？ 怎样？ 数字地球参考模型的视角 • 抽象模型: 理论 – 设计指导 • 实现定义: 实践 – 软件 “菜谱” 抽象层次

19. 客户端 用户应用 使用转换过的 数据，图片， 地图 服务链接 地理空间处理 服务 元数据查询 与检索 中间件 Catalog Catalog Catalogs 元数据更新 直接 数据 读取 服务器 影像库 其它数据 矢量库 内容库 数字地球互操作框架

20. Continuous Discrete 地理空间信息内容

21. Direct data access Coverages Features 数据与数据交换 • 矢量数据

22. Continuous Direct data access Discrete Coverages Features 数据与数据交换 (cont.) • 栅格数据

23. Metadata search and retrieval Catalogs Metadata update 元数据与目录 • 元数据即可以描述数据，也可以描述服务

24. 参考系统

25. Access to transformed data, pictures, maps 地图与可视化

26. Access to transformed data, pictures, maps Service Chaining 地理空间信息处理服务 • 通用模型

27. Access to transformed data, pictures, maps Service Chaining (参考系统) 地理空间信息处理服务 • 坐标变换

28. Access to transformed data, pictures, maps Service Chaining 地理空间信息处理服务 • 地名录 • 其它地理空间处理服务 • 图像分类 & 特征提取 • 网络路径查询，等等。

29. 小结 • 数字地球的起源与定义 • 数字地球的研究与实现的意义 • 数字地球的关键技术与主要难题 • 互操作技术的定义 • 数字地球参考模型概述 • 作业：请大家读一下戈尔的数字地球讲话，下载安装Google Earth自己玩一玩。