数字地球的关键技术.ppt
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1、第四章 数字地球的关键技术,一、高分辨率卫星遥感数据的快速获取技术,高分辨率卫星遥感数据的快速获取技术主要包括两个方面:一是高分辨率数据,如1米分辨率以上的遥感数据;二是快速获取,即高时间分辨率。,卫星遥感是数字地球获取数据的主要手段。卫星遥感包括不同轨道高度、不同分辨率的气象卫星系列、海洋卫星系列、陆地卫星系列、测地卫星系列以及小卫星系列;空间分辨率从0.5米到4000米;光谱范围从紫外、可见光、红外到微波;波段可达到240个以上。,遥感卫星图,美国IKONOS 卫星,中国北京1米,分辨率由低到高的遥感影像,64米/像素,分辨率由低到高的遥感影像,32米/像素,分辨率由低到高的遥感影像,16
2、米/像素,分辨率由低到高的遥感影像,8米/像素,分辨率由低到高的遥感影像,4米/像素,分辨率由低到高的遥感影像,2米/像素,罗马梵蒂冈大教堂,0.7m,真彩色,911 遭恐怖分子袭击前后纽约世贸大楼的比较,受破坏的范围,高耸的世贸中心姊妹楼及其辅助大楼已不复存在,奋进号航天飞机外观图,60m长桅杆从航天飞机上伸出,顶端安装有另一个天线(还有一个在飞机上,这两个天线形成立体象对),SRTM 2000.2,奋进号发回的立体图,加拿大RadarSAT影像,二、海量数据的快速处理与存储技术,要对全球数据进行处理和虚拟显示,需要有超大型计算机。这样的超大型计算机目前只有少数国家才有。对于大多数国家来说,
3、只有采用多台低档计算机连网并行处理的方法来处理海量的数据。,并行计算通常是指一个任务的各个部分并行同时地进行计算,而不是顺序地执行。这种计算要求各部分的数据相关性小。如果各部分有前后的因果关系,即一个部分的计算结果(输出)必须作为另一部分的输入,则不能进行并行计算。在图像处理中,通常一幅图像的各部分的相关性小,没有时间上的因果关系,可以作并行处理。在地理空间信息处理中,有很多情况可用并行处理方法。,海量数据的存储目前依赖于分布式存储系统。分布式数据库及分布式存储建设是数据管理的趋势。不同部门、不同行业、不同地区应分别建立自己的数据库,不但为了应用的方便,而且也为数据采集、数据更新和数据处理与管
4、理的方便。不同专业的数据库应由不同专业的部门建设和管理,这样才能发挥各自的特长,避免集中式系统带来的管理困难和网络阻塞。,三、高速计算机信息网络技术,网络技术在数字地球技术中占有十分重要的地位,网络技术是确保数字地球的信息畅通和共享的必要条件。数字地球的网络技术的发展方向,主要有三大趋势:宽带化;无线化;综合化或集成化只有宽带化才能满足日益增长和海量信息的传输;只有无线化才能真正做到“网络的无处不在和无时不在”和“随时随地实现通信”的理想;只有实现综合化或集成化,才能实现自动操作所有的、分散的电子设备,才能实现自动遥控和智能化。,计算机网络,是指将空间位置不同,尤其是地理位置不同的、具有独立功
5、能的多个计算机系统,用通信技术(包括通信设备和线路)连接起来,并以网络协议、网络操作系统等网络软件实现网络资源(如硬件、软件及信息或数据等)实现共享的技术系统。,什么是计算机网络?,计算机网络类型,按通信距离的原则可以划分为局域网(LAN)和广域网(WAN);按网络的拓扑结合原则,可划分为环形网和总线形网等;按通信介质原则划分,可以分为双绞线网、同轴电缆网、光纤(Optical Fiber)网和卫星网(无线网)按信号频带占用方式为原则,可以分为基带网和宽带网,最常用的两种网络形式,现代通信技术出现了两大组合类型:一种是有线互联网(wired Internet),又称固定互联网(Stable I
6、nternet)和移动互联网(Mobile Internet)技术。这是目前最常用的两种网络形式。,有线互联网(wired Internet),又称固定互联网(Stable Internet),也就是光纤-光缆网技术。主要包括以下几种类型:狭带光缆:每条可供6万人(3万+3万)同时通话(第一代)宽带光缆:每条可供6000万人(3000万+3000万)同时通话(第二代)波分光缆:每条可供60000万人(30000万+30000万)同时通话(第三代)密集波分光缆:为第四代现代通信技术。,Internet I的最快调制解调器传输速度只有每秒56千比特Internet II传递信息的速度,将达到每秒2
7、.4吉比特Internet III,即波分复用技术网络(WDM-Internet),它可以不用铺设新的光缆,就能增加现有的网络带宽。该技术在同一条光缆上,同时发出不同的光信号,按照不同的光的颜色(即波长)传输信号。每一个信号就形成了一条能够运载各自信息流的独立通道。利用波分复用技术发送一个附加光信号,就能把带宽增加一倍。将来在同一光缆上,可以传输8种、16种、32种、40种、甚至80种波长的信号。Internet IV,(DWCDMA-Internet),密集波分复用光缆互联网。,无线互联网(移动互联网),卫星移动互联网(Sat-mobile-Internet)也叫远程移动互联网(Tele-m
8、obile-internet)。它是一种通信卫星与光纤-光缆有线互联网相结合的一种通信方式,或独立的直接和通信卫星相联结的互联网。,无线互联网(移动互联网),Teledesic计划:,Teledesic系统是美国微软(Microsoft)公司和麦考(McCaw)蜂窝通信公司提出的一项庞大的计划,耗资90亿美元,计划发射924颗卫星(其中84颗备用),其主要目标瞄准宽带业务,充分利用信息高速公路多媒体技术,建造一个覆盖全球的宽带卫星通信网“:Intemet in the sky(空中因特网,就像把光缆架设在空中一样,让任何人都能获得双向的、交互式多媒体宽带业务。,后来Teledesic系统设计经
9、过了简化,从最初的840颗卫星,减至288颗卫星,分布在12个轨道,轨道高度l375km。1998年8月,Teledesic系统同摩托罗拉公司的Celestri系统合并成一个系统,统称reledesic系统,将方案修改为120颗卫星加6颗在轨备份卫星。,短程移动互联网(移动局域网),短程移动互联网是最具有前途的移动通信技术。它需要三个基本功能:移动的计算机计算(Mobile Computing)、移动接入(Mobile Connection)及移动通信(Mobile Communication),简称3MC功能。,WAP,WAP(Wireless Application Protocal),是
10、无线通信与互联网相结合的应用平台,用户通过移动电话(手机)直接操作接入Internet-web,手机用户可通过浏览获取在线(on line)信息和E-mail等web上的服务,实现享受Web的信息资源和使用电子商务等。,WAP,WAP是一个开放的全球性的无线通信与Web相结合的应用平台,它使得拥有无线终端设备的,如移动电话或笔记本电脑用户可以方便、快捷地访问交互式接入和信息服务。WAP的工作模式与Web的工作模式接近,完全支持Internet接入。WAP还能支持多种类型的承载业务如GSM(电路交换系统)、GPRS(通用分组无线业务)、CDMA(网络扩频技术)等。,蓝牙(Blue Tooth),
11、蓝牙(Blue Tooth)是一项短程无线连接标准,旨在取代信息服务之间的有线连接,实现电子设备之间的无线互联,以便确保大多数常见的计算机和通信设备之间可以方便地进行无线通信。蓝牙是通过不同电子设备内置具有相同的协议的发射与接收设备,就可以进行一不定期范围内的无线通信,也可以在固定与移动设备通信环境之间建立连接的技术。如可以把蓝牙技术引入移动电话、笔记本电脑、掌上电脑等便携式电脑和固定的个人电脑(PC)进行交互通信;也可以与打印机、个人数字助理(PDA)、传真机(FAX)、游戏机相连接,在短距离内,无需任何电缆连接就可以实现无线通信。,第三代移动通信(3G),第三代移动通信(3G)是指传输速率
12、高达2Mb/s的宽带超媒体业务,支持高质量的语音、分组数据、多媒体业务和多用户速率的无线通信。3G作为宽带移动通信,将手机变为集语言、图像、图形、数据传输等诸多应用于一体的信息终端。移动电话不仅是一般的通话工具,而且具有个人电脑(PC)的功能,将给人类的生产和生活带来了巨大的变革。,栅格网技术,栅格计算(Grid Computing)或计算栅格(Computing Grid)又称“Great Global Grid”即GGG,简称“栅格网”或“格网”,是指用网络相连接的、分布在不同地理位置上计算机或计算机群的数据和计算资源共享应用的计算机网络技术。栅格计算并不是抛弃和取代互联网-万维网(Wor
13、ld Wide Web,即WWW),而是在它们的基础上升华为格网,而且和互联网-万维网相比,格网的性能更高、功能更强、应用更广。,传统互联网实现了计算机硬件的连通,万维网实现了网页的连通,而格网则试图实现互联网上所有的资源的全面连通,其中包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等。简单地说,格网是把整个互联网整合成一台巨大的超级计算机,实现各种资源的全面共享。,格网是利用宽带互联网或专用网络将不同地理分布的计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源、和人力资源连成一个逻辑整体,就像一台超级计算机一样,为用户提供一体化信息服务,最终实现在网络这个虚拟环境上的
14、资源共享和协同工作。信息格网与目前Web服务的主要不同之处在于,它把分布在不同地理位置上的计算设备、数据、信息、知识、软件等组织成一个逻辑整体,各个应用领域可以在此基础上进行各自的应用目的,如空间信息格网、生物信息格网。格网技术将成为引导网络进入下一波信息革命大潮的主线。其基本特征是万维网升级为格网。格网(GGG)被称为第三代互联网。(第二代:WWW)。,近年来,一些发达国家对格网的研究十分重视。SUN公司在2000年9月发行了格网引擎(Grid Engine)软件;IBM在2001年投资40亿美元开展格网计算领域的研究,计划开发超级格网计算机,其运算速度为13.万亿次秒,存储能力达600万亿
15、字节;惠普公司宣布计划推出Coolbase软件,使用户可以通过互联网共享各种计算设备;Compaq公司(康柏公司)在2001年推出了一种平台格网套装软件;Oracle公司也已开发了用于格网的软件;微软公司正在研制格网界面标准,日本政府在2002年5月投资700亿日元开发超大型格网计算机系统,其速度达300万亿次/秒;英国政府已投入1亿英镑用来研制英国国家格网;中国科学院计算技术研究所建立了专门的格网研究队伍,制定了旨在开发计算格网的“织女星计划”。,空间信息格网(SIG),所谓空间信息格网就是利用现有的空间信息基础设施、空间信息网络协议规范,为用户提供一体化空间信息应用服务的智能化信息平台。在
16、这个平台上,空间信息处理是分布式协作的和智能化的,用户可以通过单一的逻辑门户(Portal)访问所有空间信息资源。在空间信息格网中,各种空间信息资源被统一管理和使用。用户可以通过空间信息格网门户透明地使用整个网络上的空间信息资源,而不用在成千上万个网站中搜索自己想要的空间信息。,空间信息网格追求的最终目标是把Internet上的空间信息服务站点连接起来实现服务点播(Service On Demand)和一步到位的服务(One Click is Enough)。从某种意义上来说,数字地球就是一个全球性的空间信息格网,数字城市是这个全球性的空间信息格网的格网节点。,空间信息格网的研究重点,空间信息
17、格网的体系结构空间信息表示和空间元信息(Metainfo)空间信息的连通性和一致性空间信息格网安全空间信息格网的智能化等,四、超媒体与分布式空间信息系统技术,地理信息技术,3D GIS(三维地理信息系统)Com GIS(组件式GIS)Web GIS(网络GIS)TGIS(时态GIS)IGIS(智能GIS)Interoperable GIS(互操作GIS)VR GIS(虚拟现实GIS)。,五、地理信息的分布式计算,地理信息的本质特征是区域空间上的分布性,具有明显的地理参考。可以根据行政区划、自然地理区域、坐标系统、地名、地址或数码(邮政编码、电话号码)来识别它们。地理数据是分布在空间上的,对这些
18、区域上的数据的采集、管理、维护和处理是分布的、相对独立的和并行的。,对地理信息处理的基础研究已形成一门地理信息科学。对地理信息的处理涉及到广泛的学科和技术(测绘、地理、计算机、通信、认知科学、人工智能等),同时也涉及最前沿的信息处理技术,分布式计算技术就是其中之一。,目前不同的部门拥有不同的地理信息,应用部门完全可能把地理信息系统和应用系统建立在不同的分布式计算平台(DCP)上和应用不同的数据库。地理信息分布式计算要解决的问题是确定不同的分布式计算平台(DCP)之上需要建立哪些通用的地理信息服务功能,进一步在不同的分布式计算平台之间及不同的数据库之间实现信息的互操作,使地理信息技术融于主流的信
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