摘　要　本文敘述國家信息基礎設施(NII)、國家空間數據基礎設施(NSDI)和數字地球的概念與相互關系，通過討論分析，對如何推動我國信息高科技發展提出了若干有價值的建議。
關鍵詞　國家信息基礎設施　國家空間數據基礎設施　數字地球　知識經濟

以信息技術為核心的高新技術浪潮正向我們大踏步襲來。現代信息技術不僅深刻地影響著現代科學技術、教育、工農業生產，乃至經濟建設的各個方面，而且影響著人們的生活和工作方式。計算機和因特網技術與產業不僅為發達國家帶來滾滾財富，使之近十年來經濟持續高速增長，而且為世界各國人民帶來了信息化社會的種種便利。今天的信息技術正伴隨著全球因特網技術的發展以前所未有的速度深入到世界各地的各行各業。　　
為了推進信息社會的迅速發展，美國總統克林頓1993年 2月提出了信息高速公路的概念，并簽署法令，建立全美的信息高速公路，即“國家信息基礎設施” (National Information Infrastructure,簡稱NII)。　　
為了在信息高速公路上表達地理參考，使之與地理和地球有關的空間信息得以在因特網上準確地表達、描述和查詢，需要建立全國的空間數據框架，為此克林頓總統又于1994年4月13日簽署了建立“國家空間數據基礎設施”(National Spatial Data Infrastructure,簡稱NSDI)的12906號總統令。　　
當前美國的信息高速公路和空間數據基礎設施已初見端倪。為了將信息技術推進到人們的日常工作、生活和娛樂，美國副總統戈爾又于1998年1月31日提出了“數字地球” (Digital Earth)的概念。　　
本文將闡述國家信息基礎設施、國家空間數據基礎設施和數字地球的概念與相互關系，并對我國在此領域內如何開展工作提出若干建議。

1　國家信息基礎設施(NII) 　　
國家信息基礎設施，即美國通稱的信息高速公路。它主要由計算機服務器、網絡和計算機終端組成。美國計劃投入4 000億美元，耗時20年建立NII。到2000年的目標是提高生產率20%～40%，獲得效益35 000億美元。我國的國家信息基礎設施CNII，計劃投入1 500～2 000億美元，到2020年建成。九五期間，主要抓“八金”工程。我國目前實質上使用的是中、低速網。　　
最近幾年，計算機服務器迅猛發展，它不僅使用多CPU，大容量內存，而且可以進行分布式計算和處理，使科學計算和信息檢索的效率大大提高。大規模存貯設備已越來越便宜和普及，幾千個GB的存貯裝置可以滿足一般用戶的需要，幾千個TB(1TB為1 000 GB)的數據中心才能滿足國家重大科學和經濟問題的需要。網絡硬件的發展在歐美受到極大的關注，并獲得巨額投資。網絡軟件，特別是萬維網的瀏覽器，使人們能夠在網上任意漫游，獲取人們所需要的信息，但是當大家都使用網絡時，感到網速太慢，有時甚至難以忍受。因而美國投巨資改造因特網，電訊營運者已經在試驗每秒千兆(10億信息單位)的網絡。可以想象千兆因特網的實現將為我們帶來巨大的效率。而每秒1015 bit的因特網正在研究之中。高速網絡的實現將徹底解決信息阻塞問題。與此相比較，我們國內因特網的網速仍是每秒64 K或256 K。局域網一般為每秒10 M或100 M，需要我們下大力氣迎頭趕上。　　
網絡計算機曾被認為前景看好，但是隨著PC機的性能價格比進一步提高，新一代的奔騰計算機既可作為本地的個人計算機使用，又可作為網絡終端使用。由于性能價格比的提高，PC機深入到各行各業和千家萬戶已水到渠成。　　
網絡軟件雖不能說已發展到最后階段，但已基本上解決了一般信息的發布、查詢、相互通訊、分布計算等問題。特別是萬維網的超鏈計算，使人們的時空距離大大縮短。人們可以一忽兒在美國，一忽兒在英國，一忽兒又在中國的網址上漫游獲取信息。　　
當前信息高速公路的瓶頸問題在于網絡，特別是中國這樣的第三世界國家，網速太慢，收費太高已嚴重制約著中國的信息化進程，限制著廣大用戶上網分享信息資源。 
2　國家空間數據基礎設施(NSDI) 　　
當人們進行處理、發布和查詢信息時，發現大量的信息都與地理空間位置有關。例如查詢兩城市之間的交通連接，查詢旅游景點和路線，購房時選擇價廉而又環境適宜的住宅等都需要有地理空間參考。　　
由于技術原因以及尚未建立空間數據參考框架，致使目前在萬維網上制作主頁時，還不能輕易將有關的信息連接到地理空間參考上。人們還不能在計算機上對虛擬的數字地球進行任意漫游、觀察和研究。因此，美國政府進而提出了投巨資建設國家空間數據基礎設施，并在此基礎上實現數字地球的戰略設想。 
2.1　國家空間數據基礎設施的概念　　
美國總統克林頓1994年提出的國家空間數據基礎設施屬于國家信息基礎設施的一部分，它是連接信息高速公路和數字地球的橋梁。國家空間數據基礎設施主要包括空間數據協調、管理與分發體系和機構，空間數據交換網站(Clearing house), 空間數據交換標準以及數字地球空間數據框架。　　
在國家信息中心及各省市信息中心或信息港的基礎上，需要建立專門的機構負責空間數據的管理與分發，由于空間數據資源獲取、處理和管理的特殊性，還需要有專門的機構來進行空間數據的維護、更新和開發。在美國，除了發布“建立”國家空間數據基礎設施的總統令之外，專門成立了聯邦地理數據委員會，并由內政部長負責，具體協調NSDI的開發。　　
“國家地理空間數據交換網站”(National Geo- Spatial Data Clearing House)是指地理空間數據的生產者、管理者和用戶采用電子方式相連接的一個廣域的網絡工作站。由于空間數據是海量的，空間數據的網絡服務器的存貯容量也將是巨大量的，例如一個省的1 m分辨率的影像數據將超過1 000個GB。另一方面，由于空間數據量大，要求網絡也是高速的。　　
空間數據不同于一般的事務管理和商務管理的數據。由于人們對空間現象的理解和對空間對象的定義有較大的差別，致使空間數據模型和數據結構差異較大，造成空間數據的兼容性較差。因而必須制定嚴格的空間數據交換標準，以確保各個機構生產和收集的數據都符合有關標準，使進入交換網站的空間數據得以兼容。　　
“數字地球空間數據框架”(Digital Geo-Spatial Data Framework)是NSDI的核心。它包含了最基本的空間數據集。框架的內容一般包括數字正射影像、數字地面模型、交通、水系、境界和地名注記等內容。這一空間數據框架一方面為研究和觀察地球以及地理分析提供了最基本和公用的數據集，另一方面為用戶添加各種與空間位置有關的信息提供了地理坐標參考。建立國家空間數據基礎設施投資最大的項目即是建立數字地球空間數據框架。空間數據的采集與收集是費時費錢的。例如，我國1∶1萬比例尺基礎地形圖的生產花了10～20年時間，而要將我國1∶1萬比例尺地形圖全部更新，并變為數字產品，如果不采取新的技術路線，增加大量投入，可能會花費更長的時間。屆時，空間數據框架將可能成為我國信息化社會進程的主要障礙之一。 
2.2　我國空間數據基礎設施的發展狀況　　
我國雖然沒有由國家主席或政府總理簽署的建立“中國空間數據基礎設施”的法令，但最近幾年在國家計委的支持下，國家測繪局和有關部門的協同努力，為我國的空間數據基礎設施建設作了大量的前期準備工作。國家成立了地理信息系統協會，以協調我國的地理信息系統的研究、發展與應用；成立了國家地理數據標準化委員會，統籌、協調和審定我國的地理數據標準。國家測繪局成立了國家基礎地理信息中心，大部分省、自治區、直轄市成立了相應的基礎地理信息中心，負責管理和分發全國和各省、自治區、直轄市的基礎地理信息。　　
在國家科技部和國家測繪局的支持下，由武漢測繪科技大學為主，全國許多單位參加的我國空間數據交換格式標準經過幾年的研究、討論和測試，已于1998 年10月通過了由國家測繪局主持，國家計委、國家科技部、國土資源部、中國科學院和測繪局系統專家組成的鑒定委員會的技術鑒定，可望在不久的將來成為我國的空間數據交換標準。　　
在國家計委的支持下，國家測繪局已經完成了全國1∶100萬，1∶25萬空間數據庫的建設，正在啟動全國1∶5萬，各省1∶1萬數字地球空間數據框架的建設，以及全國七大江河數字地形模型的建設。　　
然而涉及到全國1∶5萬，1∶1萬空間數據的生產和管理，投資將是巨大的。它不僅生產周期長，費用高，空間數據管理設備和網絡通訊設備也要異常先進。目前的資金投入嚴重不足，缺口相當之大。　　
按照美國建立國家空間數據基礎設施的目標和戈爾提出的數字地球的概念，將來的空間數據要基于1 m 分辨率。而這一分辨率恰好與我國1∶1萬比例尺的地形圖對應。因而從實質上說，建設我國的空間數據基礎設施還僅僅作了前期的組織和技術準備。所以國家有必要盡早立項建立我國的空間數據基礎設施。 
2.3　空間數據框架的應用　　
若將數字地球空間數據框架的最高分辨率定位在1 m左右，內容包括數字正射影像、數字地面模型、交通、水系、行政邊界和地名注記，它不僅能為各種信息提供準確的定位參考，而且這些信息本身具有巨大用途。 
2.3.1　土地動態監測
　　
我國的土地利用詳查圖是基于1∶1萬比例尺的。而得到土地利用詳查圖通常也是使用航片或1∶1萬正射影像圖調繪的。數字攝影測量技術的發展和高分辨率衛星遙感技術的發展使我們能夠比較容易和快速地得到和生產1 m分辨率的數字正射影像，將新的數字正射影像和已有的土地利用詳查圖疊合就可以自動地或人工交互式調查出土地利用變化的區域，并得到新的土地利用現狀圖。 
2.3.2　防災減災與災后重建　　
1∶1萬的數字地面模型和其他相關的空間數據對農田水利規劃，災情預報如水庫蓄水量計算、江河水流量計算、洪水模擬、災情損失評估以及災后重建如移民建鎮、退田還湖等都具有重要的參考價值。加快大比例尺空間數據的生產將對防災減災和災后重建具有重要的意義。 
2.3.3　精細農作以提高農業的生產力　　
農民利用衛星圖像、地理信息系統和全球定位系統獲取農田長勢征兆，及時地預防病蟲害，并且把殺蟲劑、化肥和水用到最需要的地方，提高農業的生產力。這被稱為精細農業。　　
高分辨率的空間數據還可以為城市和鄉村規劃，地質找礦，農業估產，汽車導航，打擊罪犯以及環境保護和監測方面發揮重要作用。 
3　數字地球 (Digital Earth) 　　
美國副總統戈爾在“數字地球——認識21世紀我們這顆星球”的報告中，比較詳盡地闡述了數字地球的概念。前面提及的空間數據基礎設施和數字地球空間數據框架與數字地球的概念基本相同。雖然戈爾提及的數字地球也以1 m分辨率的衛星影像為基礎，但是數字地球是一個以信息高速公路為基礎，以空間數據基礎設施為依托而更加廣泛的概念。　　
首先數字地球應在因特網上運行，由于數據量大，這個網應是寬帶高速網，除此之外，要開發出功能強、效率高的因特網GIS軟件。目前地理信息系統在局域網上運行能夠得心應手，但使用GIS軟件還不能像萬維網上瀏覽主頁那樣可以在全球以多種比例尺任意漫游。在GIS中使用超鏈技術，有可能解決這一問題。這樣，現有的GIS軟件的設計思想和體系結構就需要作較大的改動。　　
其次，空間數據基礎設施中，僅建立了數字地球空間數據的框架，它的信息是有限的，雖然這些信息可以有許多用途，但它是由專門部門生產的框架數據。而數字地球則容納了大量行業部門、企業和私人添加的自己的信息。例如房地產公司，它可以將房地產信息鏈接到這個框架上；旅游公司可以將酒店、旅游景點，包括它們的風景照片和錄像，放入到這一公用的數字地球上；世界著名的博物館、圖書館可以將他們的館藏通過圖形、影像、聲音、文字形式放入數字地球中；甚至商店也可以將貨架上的商品制作成多媒體或虛擬產品放入到這一數字地球的網絡中，讓用戶任意挑選。所以數字地球是一個向公眾開放的系統，它可以讓不同的用戶任意添加信息。此時，數據共享的標準和互操作性就顯得異常重要。

第三，數字地球的一個顯著的技術特點是虛擬現實技術。建立了數字地球以后，用戶戴上顯示頭盔，就可以看見地球從太空中出現，使用“用戶界面”的開窗放大數字圖像；隨著分辨率的不斷提高，他看見了大陸，然后是鄉村、城市，最后是私人住房、商店、樹木和其他天然和人造景觀；當他對商品感興趣時，可以進入商店內，欣賞商場內的衣服，并可根據自己的體型，構造虛擬自己試穿衣服。　　
虛擬現實技術為人類觀察自然，欣賞景觀，了解實體提供了身臨其境的感覺。最近幾年，虛擬現實技術發展很快。已在因特網上推出了虛擬現實語言VRML，為虛擬現實技術在因特網上實現奠定了技術基礎。實際上，人造虛擬現實技術在攝影測量中早已是成熟的技術，近幾年的數字攝影測量的發展，已經能夠在計算機上建立可供量測的數字虛擬技術。當然，當前的技術是對同一實體拍攝相片，產生視差，構造立體模型，通常是當模型處理。進一步的發展是對整個地球進行無縫拼接，任意漫游和放大，由三維數據通過人造視差的方法，構造虛擬立體。4　結論與建議　　
國家信息基礎設施是國家的信息基礎，也是國家空間數據設施的基礎，而國家空間數據基礎設施又是數字地球的基礎，發展數字地球必須首先發展國家的信息基礎設施和國家的空間數據基礎設施。中國的工業化進程曾落后于西方發達國家一百年，中國的信息化進程應當遵照“科教興國”和“知識創新”的要求，不失時機，急追直上。為此有如下建議。 
4.1　國家應加大投入，建立我國的信息高速公路網絡　　
我國已建成由光纜、微波和通訊衛星組成的通達各省、自治區、直轄市的信息網絡。但是，其速度和密度均未達到信息高速公路要求。因此，對于目前已建成的中、低速信息網應使之迅速升檔，并以各種政策鼓勵全民使用。對于高校及國家科研所等非贏利單位，應當免費提供使用。目前的問題是收費過高，使得需要上網的廣大知識分子望網興嘆，不敢利用，從而耽誤了信息高速公路網上已有的信息資源的重大價值與效益。此事如不及時解決，將會使我國在信息化進程中與西方發達國家產生新的差距。

4.2　國家應當立即設立專項建立我國的國家空間數據基礎設施　　
我國目前已由國家測繪局建成了國家1∶100萬和1∶25萬矢量化數字地圖數據庫，但由于這些數據空間分辨率較低而且急需更新，因此建立我國國家級1∶50 000和省級 1∶10 000高分辨率空間數據框架十分重要。有了這種空間框架，才能夠將我國的經濟、社會和人口統計方面的信息加載上去，解決我國的人口、資源、環境、災害等社會可持續發展的重大社會問題和有關智能化交通、土地使用規劃、精細農業、城市發展等推動國民經濟發展和人民生活質量提高的現實問題。為了保證國家空間數據框架的數據源，我國應抓緊發射高分辨衛星國土資源衛星群。 
4.3　國家應不失時機地開展有關“數字地球概念”的基礎研究　　
這些研究涉及到計算科學、超數據、大規模存貯、寬帶網絡、系統互操作性、數據共享、衛星圖像智能化處理、虛擬現實等新理論和高技術。必須多學科分工協作，聯合攻關，避免低水平重復。通過這些研究保證有關地球的各種數據進入計算機網絡，并能有效地管理、發布和應用這些數據，實現真正的數字中國和數字地球。
參考文獻
［1］　李德仁，李清泉.地球空間信息科學的興起與跨學科發展.見：周光召主編.科技進步與學科發展.北京：中國科學技術出版社，1998 
［2］　李德仁等.我國地球空間數據框架的設計思想與技術路線.武漢測繪科技大學學報，1998，23(4) 
［3］　李德仁.對地觀測新技術與社會可持續發展.見：中國科學院百名院士報告會文集.北京：科學出版社，1997