地球大數據科學：支持地球可持續(xù)發(fā)展的信息框架地理空間GIS講座課件

地球大數據科學：支持地球可持續(xù)發(fā)展的信息框架CONTENTS目錄一．數字地球學科發(fā)展二．數字地球方法體系三．地球大數據支持可持續(xù)發(fā)展0.

什么是學科外在建制：知識載體學會專業(yè)研究機構各大學的學院、學系圖書資料機構出版機構內在建制：知識系統有別于其他學科的現實問題基本概念基本理論技術、方法體系1.

數字地球：提出Amulti-resolution,three-dimensionalrepresentationoftheplanet,intowhichwecanembedvastquantitiesofgeo-referenced

data.Imagine,forexample,ayoungchildgoingtoaDigitalEarthexhibitatalocalmuseum.Afterdonningahead-mounteddisplay,sheseesEarthasitappearsfromspace.Usingadataglove,shezoomsin,usinghigherandhigherlevelsofresolution,toseecontinents,thenregions,countries,cities,andfinallyindividualhouses,trees,andothernaturalandman-madeobjects.Havingfoundanareaoftheplanetsheisinterestedinexploring,shetakestheequivalentof

a“magiccarpetride”througha3-Dvisualizationoftheterrain.–AlGore,U.S.

Vice

President

GivenattheCaliforniaScienceCenter,Los

Angeles,California,Jan.31st,

1998提出：地球可視化、虛擬化2006年5月，國際數字地球學會成立，召開首屆理事會和“全球數字地球發(fā)展論壇”2009年11月17日，國際數字地球學會正式被吸納

“地球觀測組織”成員2017年10月，國際數字地球學會成為ICSU會員2018年7月，國際科聯和國際社科聯合并，成為新的國際科學理事會，國際數字地球學會成為其聯系會員2.

數字地球：發(fā)展2.

數字地球：發(fā)展自1999年由我國發(fā)起首屆國際數字地球會議以來，已召開：10屆國際數字地球會議，分別以“走向數字地球”、“超越信息的基礎設施”、“全球可持續(xù)發(fā)展的信息資源”、“全球共享的數字地球”、“體驗數字地球”、“行動中的數字地球”、“知識時代”、“知識轉化與持續(xù)科學實踐”、“共同的藍色星球”和“數字地球，改變未來”為主題；7屆數字地球高峰會議，探討了“數字地球與可持續(xù)發(fā)展”、“地球信息科學

-

全球變化研究的工具”、“數字地球與服務社會：信息資源共享共建

”、“科技驅動的數字地球”

、“服務于可持續(xù)發(fā)展的數字地球教育”和“大數據時代的數字地球”

、“數字地球和非洲可持續(xù)發(fā)展”等主題；以及1999數字地球北京宣言

和2009數字地球北京宣言，勾劃出數字地球從起步到發(fā)展的宏觀軌跡2008年3月創(chuàng)刊，2009年8月被SCI收錄，2019年影響因子3.097國際地球科學領域的第一個大數據開放獲取刊物。國際數字地球學會、中國科學院遙感與數字地球研究所、中國科學院戰(zhàn)略性科技先導專項“地球大數據科學工程”、Taylor

&

Francis出版集團、中國科技出版?zhèn)髅焦煞萦邢薰韭摵铣霭?.

數字地球：發(fā)展數字地球經歷20年的發(fā)展，第一代數字地球的六大關鍵問題基本已經解決，當年戈爾愿景中的數字地球已經基本實現。在云計算、物聯網、大數據等新技術的推動下，在全球變化、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展需求的牽引下，國際數字地球學會(ISDE)的科學家團體提出了新一代數字地球的概念新一代數字地球不是一個單一的系統，而是多基礎設施連接的，基于開放訪問和共享的多技術平臺。具有地球神經網絡的功能，通過傳感器網絡和環(huán)境感知系統主動收集地球表面的各種信息。第四科學范式強調國際合作、數據密集型分析、巨型計算平臺和高端可視化。新一代數字地球將滿足對大數據檢索和知識發(fā)現的技術需求。?GoodchildandGuoetal.,

20122.

數字地球：發(fā)展來自傳感器和人類的信息流

→數據感知一種科學的地球信息組織形式→

數據組織基于歷史數據和綜合模型

→

數據+模型既注重傳統的空間分析,又強調網絡和不同地點之間關系的理解

→

分析挖掘對地球運轉機理的理解及對自然與社會協同響應的認識

→

服務“地球+社會”人類命運共同體跨越：數據、技術、模式、服務2.

數字地球：發(fā)展0.

什么是學科外在建制：知識載體學會專業(yè)研究機構各大學的學院、學系圖書資料中心出版機構內在建制：知識系統有別于其他學科的現實問題基本概念基本理論技術、方法體系CONTENTS目錄一．數字地球學科發(fā)展二．數字地球方法體系三．地球大數據支持可持續(xù)發(fā)展0.

概述TechnologiesneededforaDigital

EarthComputational

ScienceMass

StorageSatellite

ImageryBroadband

networksInteroperabilityMetadataApplicationConductingvirtual

diplomacyFighting

crimePreserving

biodiversityPredictingclimate

changeIncreasingagricultural

productivity–AlGore,U.S.

Vice

PresidentGivenattheCaliforniaScienceCenter,Los

Angeles,California,Jan.31st,

1998提出：地球可視化、虛擬化0.

概述數字地球以數字化的地球數據（科學數據，經濟和社會數據等）為基礎，把海量的、多分辨率的、多維的、動態(tài)的地球數據按地理坐標集成。數字地球利用對地觀測技術、地理信息系統、全球定位技術、高性能計算、網絡技術和虛擬現實等。數字地球是空間科學、信息科學和地球科學的高度綜合。數字地球為地球系統的知識創(chuàng)新和理論研究提供科學實驗條件，對未來事件或過程進行實驗，對過去系統過程進行反演。數字地球不是一個孤立的科技項目或技術目標，而是一個整體性、導向性和具有挑戰(zhàn)性的戰(zhàn)略目標，以其來引導地球科學、信息科學等領域的綜合發(fā)展。1.

對地觀測：中國1.

對地觀測：中國高分專項的實施將全面提升我國自主獲取高分辨率觀測數據的能力，加快我國空間信息應用體系的建設，推動衛(wèi)星及應用技術的發(fā)展，有力保障現代農業(yè)、防災減災、資源調查、環(huán)境保護和國家安全的重大戰(zhàn)略需求，大力支撐國土調查與利用、地理測繪、海洋和氣候氣象觀測、水利和林業(yè)資源監(jiān)測、城市和交通精細化管理、衛(wèi)生疫情監(jiān)測、地球系統科學研究等重大領域應用需求，積極支持區(qū)域示范應用，加快推動空間信息產業(yè)發(fā)展。2.

空間信息基礎設施：中國中國遙感衛(wèi)星地面站是國家重大科技基礎設施，也是國際資源衛(wèi)星地面站網成員。地面站是世界上接收與處理衛(wèi)星數量最多的機構之一，目前存有1986年以來的各類衛(wèi)星數據資料360萬景，是我國時間最長的對地觀測衛(wèi)星數據歷史檔案庫。地面站現建有密云、喀什、三亞、昆明、北極5個衛(wèi)星接收站，具有覆蓋我國全部領土和亞洲70%陸地區(qū)域的衛(wèi)星數據實時接收能力，以及全球衛(wèi)星數據的快速獲取能力。2.

空間信息基礎設施：GEOSS全球地球綜合觀測系統（GEOSS）建立一個綜合、協調和可持續(xù)的全球地球綜合觀測系統更好地認識地球系統，包括天氣、氣候、海洋、大氣、水、陸地、地球動力學、自然資源、生態(tài)系統、災害覆蓋的全球性，優(yōu)先尺度大于國家的全球/區(qū)域，體現了發(fā)達國家（包括中國）的意圖和利益。我國提出的“全球、區(qū)域和國家三個尺度GEOSS發(fā)展，以及區(qū)域GEOSS的承上啟下特殊作用”的建議得到認可并實施，尤其得到發(fā)展中國家的肯定。觀測的綜合性、連續(xù)性。系統的集成性多且約束性弱（自上而下的項目少），主要沒有強制經費投入，與GEO的自愿原則有關。核心且挑戰(zhàn)最大的就是地球觀測數據共享服務。2.

空間信息基礎設施：EOSDISEOSDIS美國國家航空航天局對地觀測數據與信息系統（EOSDIS）主要提供大氣、海洋、陸地三個系列數據產品典型代表：MODIS產品、Landsat

WELD項目系列產品、VisTrails工作流系統3.

數字地球平臺：概述大規(guī)模分布式的軟、硬件平臺，用于分析、研究地球空間數據、過程：高分辨率的遙感衛(wèi)星影像統一的空間坐標投影系統空間數據互操作標準空間數據基礎設施高性能計算、高速網絡、海量存儲可視化、虛擬現實技術商業(yè)平臺Google

EarthSkyline

GlobeMicrosoftVirtual

EarthArcGlobeEV-GlobeSuperMap

GISGeoGlobe天地圖科學平臺NasaWorldWindJPLEyeson

EarthRADI/CAS,

DEPS3.

數字地球平臺：谷歌地球谷歌地球集成全球多分辨率衛(wèi)星影像、DEM和專題數據，實現了分布式網絡環(huán)境下基于海量遙感數據的自由瀏覽、查詢、測量、路徑分析和定位服務等功能。基于KML標準格式的矢量和柵格數據疊加和顯示以及3D模型創(chuàng)建和加載的能力，為大眾和科研工作者提供了加載帶地理參考多媒體數據和科研結果的有效途徑，將數字地球科學技術的應用普及到網絡最基本用戶，實現了對普通公眾的信息服務。數據矢量數據柵格影像數據WFS、WMS、ArcSDE數據DEM數據主要功能三維空間分析空間查詢光照模擬陰影效果地形編輯網絡會商交互式繪圖3D模型加載二三維對象、符號的創(chuàng)建、編輯與加載瀏覽路徑設置、自動航行與視頻輸出查詢和加載3D網格圖層影像對比KML數據3D模型GPS數據流媒體實時信號3.

數字地球平臺：JPL

Eyes

on

the

EarthNASA噴氣推進實驗室（JPL）、加州理工學院于2010年推出的地球衛(wèi)星可視化軟件主要功能三維地球瀏覽的相關功能（平移、縮放、旋轉等）動態(tài)3D紅綠立體天文望遠鏡模式衛(wèi)星軌道計算與3D可視化全球變化相關產品數據查詢與可視化衛(wèi)星數據實時更新4.

數據共享與互操作基于OGC的地理信息元數據服務基于RDBMS實現OGC Catalogue service forWeb的方法具有標準化、輕量、擴展性強的特點成功應用于NASA,

NOAA,

USGS和GEOSS資助的多個項目中@清華大學，白玉琪4.

數據共享與互操作基于OGC的地理信息元數據服務提出了語義增強的元數據檢索方法建立了數據集本體語義模型，設計了語義搜索和元數據服務相結合的語義增強搜索模型，實現了遙感數據的可擴展的語義檢索服務以航空航天局NASA系統為例，展示了方法的科學系和有效性4.

數據共享與互操作建立了國際大型遙感數據業(yè)務系統間的集成能力提供了針對全球10大遙感數據中心共計1.9億景圖像的“一站式”聚合搜索能力遙感影像分布式檢索遙感影像分布式檢索服務（Catalogue

Federation） 全球衛(wèi)星遙感影像聚合搜索系統（CWIC）4.

數據共享與互操作全球綜合對地觀測系統（GEOSS）在全球尺度，構建有效的對地觀測資源的發(fā)現和集成方法，實現：可發(fā)現、可訪問、可互操作、可重用實現了全球尺度的對地觀測資源的分類、注冊、發(fā)現和集成訪問能GEOSS是目前全球最大的地球觀測資源共享系統，鏈接了全球183個不同類型的對地觀測數據中心，實現了10大類4.2億觀測資源的聚合搜索是世界上第一個成功的案例5.

高性能地學計算分布式、分層式、線性組織、隨時間演變的計算和存儲基礎設施泛在、異構、異質地球感知數據體系不完備、語義不清晰、性能不可擴展、算法及流程看：集成摸：管理算：處理用：服務5.

高性能地學計算統一空間基底元數據對齊分布式檢索虛擬數據服務5.

高性能地學計算空間語義相關轉換為數據組織相鄰動態(tài)剖分虛擬關聯相關項目：遙感網DataCubeDIAF5.

高性能地學計算產品語義推理規(guī)則動態(tài)映射高效處理5.

高性能地學計算5.

高性能地學計算地理信息語義的定量表達層次本體、 激活-擴散遙感需求不確定語義的定量語義可分解的算法動態(tài)組合地理信息語義的遙感數據動態(tài)關聯自適應、虛擬語義組織動態(tài)語義推理遙感算法遙感數據語義層面的分解遙感需求、算法、數據在語義層面實現動態(tài)智能映射3.

數字地球：跨越新一代數字地球MichaelF.Goodchild,HuadongGuo,et.al.,Next-generationDigitalEarth,PNAS,

2012/109(28)/11088-11094地球大數據科學Guo.

et.al.BigEarthData:anewchallengeandopportunityforDigitalEarth's

development.

Int.

J.

Digital

Earth

10(1):

1-12

(2017)Guoet.

al.,

Big

Earth

Data

science:

an

information

framework

for

asustainable

planet.

Int.

J.

Digital

Earth

13(7):

743-767

(2020)可視化、虛擬化數字地球理念，Gore,

1998在下一個十年，數字地球（地球大數據）的理論、方法體系是什么？CONTENTS目錄一．數字地球學科發(fā)展二．數字地球方法體系三．地球大數據支持可持續(xù)發(fā)展0.

什么是學科學會專業(yè)研究機構各大學的學院、學系圖書資料中心出版機構外在建制：知識載體有別于其他學科的現實問題基本概念基本理論技術、方法體系內在建制：知識系統深層次的、系統性的解決現實問題的探究，及在此探究過程中所形成的系統嚴整的知識體系0.

全球可持續(xù)發(fā)展《寂靜的春天》蕾切爾·卡遜（美），1962年1966年，美國經濟學家鮑爾?。↘enneth

E.

Boulding）在“即將到來的太空船地球經濟學”一文中，提出了宇宙飛船經濟觀：人類唯一賴以生存的最大生態(tài)系統是地球，而地球僅僅是茫茫無垠的太空中一艘小小的飛船，人口和經濟的不斷增長終將用完這一“小飛船”中的有限資源，人類的生產和消費廢棄物也終將使飛船全部污染，到那時，整個人類社會就會崩潰。可持續(xù)發(fā)展的背景0.

全球可持續(xù)發(fā)展社會指標體系運動，是指興起于20世紀60年代的歐美發(fā)達國家，后向世界范圍延伸，一些國際組織、國家和地區(qū)紛紛將社會指標作為理論研究和實踐操作的重要選擇，使社會指標體系成為一種世界性的理論和實踐潮流。其產生的根源是20世紀60年代前所形成的經濟增長至上的發(fā)展戰(zhàn)略遇到巨大挑戰(zhàn)，單純以經濟增長來衡量社會發(fā)展的指標愈來愈不適應于社會發(fā)展的需求，各類社會、生態(tài)、文化問題成為決策者必須關注的問題。美國為衡量空間發(fā)展計劃對于經濟和社會的影響，在1966年出版了《社會指標》一書，強調制定社會指標必須從開放性、社會發(fā)展相關性等角度人手。本書最初寫于1972年，是一部經典之作，曾因論點“冒天下之大不韙”而引起激烈爭議。但是幾十年過去了，一版再版，人們也逐漸認識到其價值，低碳經濟、生態(tài)足跡正在走入人們的生活。在歷經三次改版后，其更大的價值也正為人們所接受，即增長應被視為廣泛的，并不局限于地球和經濟，我們自身的心智、所從事的各類活動，如投資等，無不有此追求，而這些行為模式也有其可能的極限和過沖。（美）德內拉?梅多斯、喬根?蘭德斯、丹尼斯?梅多斯“羅馬俱樂部”可持續(xù)發(fā)展的背景0.

全球可持續(xù)發(fā)展聯合國《人類環(huán)境宣言》，1972年，闡明了與會國和國際組織所取得的七點共同看法和二十六項原則，以鼓舞和指導世界各國人民保護和改善人類環(huán)境可持續(xù)發(fā)展做為一個明確的概念，是1980年國際自然資源保護聯合會，聯合國環(huán)境規(guī)劃署、世界自然基金會共同出版的的文件《世界自然保護策略：為了可持續(xù)發(fā)展的生存資源保護》中第一次出現的?？沙掷m(xù)發(fā)展的背景0.

全球可持續(xù)發(fā)展1981年，美國布朗（Lester

R.

Brown）出版《建設一個可持續(xù)發(fā)展的社會》，提出以控制人口增長、保護資源基礎和開發(fā)再生能源來實現可持續(xù)發(fā)展。可持續(xù)發(fā)展的背景《我們共同的未來》是世界環(huán)境與發(fā)展委員會關于人類未來的報告。1987年2月，在日本東京召開的第八次世界環(huán)境與發(fā)展委員會上通過，后又經第42屆聯大辯論通過，于1987年4月正式出版0.

全球可持續(xù)發(fā)展可持續(xù)發(fā)展的共識0.

全球可持續(xù)發(fā)展2015年9月25日，聯合國可持續(xù)發(fā)展峰會在紐約總部召開，聯合國193個成員國在峰會上正式通過17個可持續(xù)發(fā)展目標，旨在轉向可持續(xù)發(fā)展道路，解決社會、經濟和環(huán)境三個維度的發(fā)展問題，具體包括：消除貧困；消除饑餓；良好健康與福祉；優(yōu)質教育；性別平等；清潔飲水與衛(wèi)生設施；廉價和清潔能源；體面工作和經濟增長；工業(yè)、創(chuàng)新和基礎設施；縮小差距；可持續(xù)城市和社區(qū)；負責任的消費和生產；氣候行動；水下生物；陸地生物；和平、正義與強大機構；促進目標實現的伙伴關系0.

全球可持續(xù)發(fā)展可持續(xù)發(fā)展的共識① 人類屬性--世界環(huán)境發(fā)展委員會《我們共同的未來》：既滿足當代人的需求又不危及后代滿足其需求的發(fā)展② 自然屬性--聯合國環(huán)境規(guī)劃署、世界自然基金會共同出版的的文件《世界自然保護策略：為了可持續(xù)發(fā)展的生存資源保護》：保護和加強環(huán)境系統的生產和更新能力③ 經濟屬性--希格斯·林達爾等：保持能夠從自然資源中不斷獲得服務的情況下，是經濟增長的凈利益最大化④ 社會屬性—聯合國環(huán)境規(guī)劃署、世界自然保護同盟：當生產不超過維持生態(tài)系統涵容能力的情況

下，改善人類生活品質⑤ 科技屬性—美國世界能源研究所：可持續(xù)發(fā)展就是建立極少廢料和污染的工藝和技術系統0.

全球可持續(xù)發(fā)展社會可持續(xù)發(fā)展經濟可持續(xù)發(fā)展生態(tài)可持續(xù)發(fā)展人口、經濟、社會、資源、環(huán)境相互協調要與自然、環(huán)境、資源、生態(tài)的承載力相協調提高效益、節(jié)約資源、減少污染1.

地球大數據支持可持續(xù)發(fā)展2006年，Gore推出了自己參與制作和演出的紀錄片《難以忽視的真相》(An

Inconvenient

Truth)，主要講述了工業(yè)化對全球氣候變暖和人類生存的影響。此片在西方國家引起了廣大的回響，并獲得2007年第79屆奧斯卡金像獎的最佳紀錄片與最佳電影歌曲獎。2007年度諾貝爾和平獎由美國前副總統Gore與聯合國政府間氣候變化專業(yè)委員會（IPCC）分享。獲獎理由是，“在創(chuàng)造以及傳遞有關人為氣候變化知識上所付出的巨大努力，以及在解決氣候變化問題所需要的各種度量上所打下的堅實基礎”。理念升華：應對全球變化、謀求人類福祉實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，保障人口、社會、資源、環(huán)境、經濟的持續(xù)健康發(fā)展，可持續(xù)發(fā)展的能力建設是最為重要的我們必須認識到這是一個地球空間、社會空間、以及知識空間的巨型復雜系統亟需戰(zhàn)略體系、新型機制、理論方法支撐來調查、分析、評估、決策地球大數據科學解決什么問題？就是以數字化手段，連接物理空間、社會空間、和知識空間，構建一個數字化的信息框架，以復雜系統的思考方式