地球系统空间观测:从科学卫星到月基平台

五十多年来,全球性对地观测已形成强大的技术能力和系统体系,在不同应用领域发挥了重要作用。随着对陆地、大气、海洋研究的深入,地球系统科学和全球变化研究正在向空间对地观测技术提出新的重大战略性需求。本文描述了面向全球变化应对、发展全球变化系列科学卫星的方案;提出面向宏观地球科学现象探测、构建月基对地观测系统的设想;同时,作为宏观地球科学现象研究的一个方向,论述了利用地球科学卫星和月基对地观测技术开展全球变化"三极"对比研究的思路。     

遥感与中国可持续发展:机遇和挑战

中国要实现可持续发展,必须积极应对资源短缺、环境恶化、海洋开发和气候变化等一系列重大资源环境问题;随着全球经济发展一体化进程加快,中国必须以全球视角研究和解决面临的资源环境问题。遥感在地球科学、环境科学、资源科学与全球变化研究中具有宏观动态的优点,是不可替代的全球观测手段,是实施可持续发展战略的基础性技术支撑。本文回顾了遥感科学技术进步的历程,总结了国际上围绕可持续发展所开展的全球遥感科学计划,分析了中国遥感现状和服务于可持续发展的前景,并结合国际上地球综合观测系统的发展态势,提出了中国遥感科学技术发展面临的挑战和机遇,进一步阐述了遥感发展面临的建立地球综合观测系统之系统、高精度遥感模型与参数反演、遥感产品真实性检验与遥感性能判据及测试系统、遥感数据与地球系统模式同化、遥感大数据与主动服务等前沿科学与技术问题。最后指出遥感要更好地服务于社会可持续发展,服务于国家的全球战略,服务于国民经济建设;必须创新遥感应用服务模式,加快遥感产业化和商业化进程;建议推进卫星观测系统的商业化,加快无人机遥感发展,促进遥感应用市场化。     

遥感与地球系统科学

地球作为一个高度复杂的非线性系统,各圈层(大气、海洋、陆地、生物、冰雪圈、固体地球)尤其是人类活动等任何组成成份的变化,都会引起地球系统的变化。人类可持续发展面临的巨大科学挑战之一是认识人类赖以生存的、复杂变化的地球系统,认识地球系统如何变化及主要驱动因素,认识地球系统未来变化趋势及如何提高对全球变化的适应能力。卫星独特的全球覆盖和日尺度的观测改变了地球科学的研究方法,它强调所能探测到的多时空尺度上的物理动力过程,在全球范围应对气候变化、能源和环境挑战具有重要作用,揭开了地球系统多学科交叉的新纪元。以地球系统的视野,抓住驱动地球系统的关键循环过程(如能量、水、生物化学循环),是当前地球系统科学的发展趋势。地球系统科学(全球变化)研究需要长期稳定、准确性较高的卫星观测数据,以水循环为例,卫星遥感具备获取全球范围水循环关键参数能力,但是系统性综合观测能力不足,整体精确性受到综合化的可靠空间数据集的限制。目前中国正在积极研制发展新型水循环卫星WCOM(Water Cycle Observation Misssion),并寄希望以此为核心传感器发起全球分布式水循环观测星座系统,进一步提高中国在国际水循环观测与地球系统科学研究方面的话语权与领先能力。     

大地测量坐标框架建立的进展与思考

坐标框架是描述地球形状及变化、表达地球空间信息的基础,也是拓展人类活动、促进社会发展的关键地球空间信息基础设施。随着空间大地测量观测技术的发展,地球科学及相关学科间的交叉渗透融合,利用其建立全球或区域坐标框架成为当前大地测量的主要任务。研究建立1毫米级坐标框架是国际大地测量学界21世纪的学科目标和重要挑战。本文以当前建立理论最完善、应用最广泛、精度最高的国际地球参考框架为例,描述了基于空间大地测量观测技术的坐标框架建立方法,阐述了全球及区域地心坐标框架建设的最新进展及局限性,最后针对建立1毫米级坐标框架的几个关键问题提出了研究思路。     

“数字地球”的支撑科学及其应用前景

数字地球是一种能嵌入巨量地球信息,对地球所做的多分辨率、三维的描述方式,创建数字地球所需要的能力和技术已经正在开发。计算机科学的迅锰发展,以空间遥感技术,地理信息系统和全球卫星定位技术为一体的空间对地观测技术的成熟,以及信息高速公路的建设,构成了创建数字地球的支撑科学和手段。数字地球在全球环境变化研究,区域可持续发展、生物多样性的保护与研究等方面将发挥巨大的作用。     

全球尺度下遥感与地理信息系统一体化软件平台研建进展

地理信息科学与技术在全球变化和地球系统科学研究中,正发挥越来越重要的作用。而在全球尺度下开展分析,必须发展用基于3维坐标进行分析,而且要具备全球尺度上的地表信息提取能力。并支持全球尺度的空间分析与应用的软件。介绍了在Google Earth基础上,开发的遥感和地理信息系统一体化软件平台：全球制图者（Global Mapper,GM）和全球分析者（Global Analyst,GA）。该平台除具备GE强大的空间数据浏览功能之外,还建立了全球地表信息采集与管理、建库与地图叠加、全球图像处理、可视化展示与球面空间分析等技术。该软件突破了传统的2维坐标分析,改变了数据获取和数据管理的方式方法,将在地球系统科学与全球变化研究中发挥重要作用。     

全球变化大数据的科学认知与云共享平台

本文是国家重点研发计划"全球变化及应对"专项之"全球变化大数据的科学认知与云共享平台"项目介绍。针对中国全球变化数据"数据海量、信息缺乏、知识难觅"的困局,项目力图通过联合中国对地观测领域、大气科学领域、气候变化研究领域的优势力量,建成具有中国特色的全球变化大数据共享平台,践行破除信息数据"深藏闺中"的壁垒。该平台将集大数据快速汇聚、大尺度产品快速生成、不确定性分析、大数据驱动的全球变化敏感因子认知于一体,一方面为中国全球变化研究提供中国区域最好的全球变化大数据集,另一方面为在国际相关活动中,掌握全球变化问题的主导权,发出中国的倡议与声音提供应有的支持。     

卫星跟踪卫星技术确定地球重力场的加速度法研究

地球重力场是地球的基本物理场,表征着地球物质空间分布、运动和变化,一直是大地测量学科的核心科学任务之一。随着卫星重力测量技术的飞速发展,21世纪初国际卫星重力探测计划,CHAMP、GRACE和GOCE先后成功实施,提供了大量高低卫星跟踪卫星、低低卫星跟踪卫星以及卫星重力梯度观测数据,为研究地球重力场精细结构和构建高精度全球重力场模型提供精确的长波信息。其中,基于卫星跟踪卫星观测值恢复高精度中长波重力场被各国学者广泛而深入地研究。在此背景下,本文研究由卫星跟踪卫星技术利用加速度法确定地球重力场模型的理论与方法。     

遥感技术在全球变化研究中的应用分析

人类社会在不断发展过程中,由于一些不适当的发展方式,对人们赖以生存的环境造成了严重破坏,对于人们的正常生活造成了一定的影响。就现阶段来说,全球变化是人类研究的重点,遥感技术是人类研究地球变化的主要方式,主要是由于其在应用过程中,具有快速、多波段、周期性、大面积覆盖等观测能力,能够有效的提高工作效率以及工作质量。文章以遥感技术的相关内容为切入点,对相关的问题进行分析,指出了遥感技术在全球变化中的地位以及作用。     

地球信息科学的路标

地球信息科学 (Geo informatics)是以地球为舞台 ,以研究人—地关系为主题 ,以服务全球变化与区域可持续发展为目标 ,将卫星应用、遥感技术、地理信息系统、电脑辅助设计与制图、多媒体与虚拟技术、互联信息网络为主体的高速全息数字化集成的科学体系 ,形成能对人流、物流、能流进行时空分析与客观调控的战略技术系统 ,是以地球系统信息为研究对象的新兴交叉科学。它依托遥感 (对地观测 )、全球定位系统、地面观测实验台站、网络数据通信、地理信息系统的技术集成 ,同时也仰仗于空间科学、信息科学、模糊数学、景观生态学等的支撑 ,是地球…     

The circular dataimage,a graph for high-resolution circular-spatial data

Abstract

Vectors and periodic phenomena, e.g. traffic versus time, have direction on a circular scale of 360°. An overview of existing methods for the display of circular-spatial and vectorial-spatial data, such as arrow plots, is given. We introduce the circular dataimage, a new type of graphic for the display of circular-spatial data. It is defined by encoding direction in a spatial display by using colors from a color wheel constructed by connecting three or more two-color gradients with color continuity at the connections. Therefore, image discontinuity from using a single-color gradient, e.g. blue–red, does not occur. High-resolution global views of ocean wind direction are used as a running example throughout the paper. Advantages and disadvantages of circular dataimages compared to arrow plots were obtained from a usability study. Circular dataimages provide for simultaneous recognition of fine structure on a small-scale and large-scale structure on a global scale.     

现代科技与现代地名工作

主要论述了与地名相关的地球信息科学、数字地球、地理信息系统、数字地图与电子地图等现代科技的发展及利用现代科技进行地堍用字和读音规范、地名信息系统、地名标志、地名技术规范、地名科研与管理等现代化地名工作问题。     

航天雷达遥感的作用与发展

本文论述了迄今为止唯一获得地球表面航天雷达图像的Seasat SAR、SIR-A及SIR-B三颗成象雷达系统在地球科学研究中的作用,对未来十年以ALMAZ ZAR、ERS-1 SAR、JERS-1 SAR、SIR-C、Radarsat SAR和EOS SAR为主的国际性主动微波遥感系统进行分析,指出研究过程中新的概念和趋势,展望了90年代航天雷达遥感技术发展及应用的前景.     

论天地一体化的大测绘--地球空间信息学

阐述了天地一体化地球空间信息学的特点,从时空信息获取、加工、管理和服务几个方面进行论述。文中指出,时空信息获取将走向天地一体和全球化,时空信息加工与处理将走向自动化、智能化和实时化,时空信息管理和分发将走向网格化,而时空信息服务将趋向大众化,并可拉动地理信息产业的形成和发展。基于这些特点,展望了天地一体化大测绘概念下国家测绘局的地位与作用。     

“大地学”背景下的GIS本科专业课改思路

研究了当前GIS产业化发展,分析了本校学科专业优势,提出了在＂大地学＂背景下的GIS本科专业课程体系的改革思路。     

Exploring the reasons for the seasons using Google Earth, 3D models,and plots

ABSTRACT

Public understanding of climate and climate change is of broad societal importance. However, misconceptions regarding reasons for the seasons abound amongst students, teachers, and the public, many of whom believe that seasonality is caused by large variations in Earth’s distance from the Sun. Misconceptions may be reinforced by textbook illustrations that exaggerate eccentricity or show an inclined view of Earth’s near-circular orbit. Textbook explanations that omit multiple factors influencing seasons, that do not mesh with students’ experiences, or that are erroneous, hinder scientifically valid reasoning. Studies show that many teachers share their students’ misconceptions, and even when they understand basic concepts, teachers may fail to appreciate the range of factors contributing to seasonal change, or their relative importance. We have therefore developed a learning resource using Google Earth, a virtual globe with other useful, weather- and climate-related visualizations. A classroom test of 27 undergraduates in a public research university showed that 15 improved their test scores after the Google Earth-based laboratory class, whereas 5 disimproved. Mean correct answers rose from 4.7/10 to 6/10, giving a paired t-test value of 0.21. After using Google Earth, students are helped to segue to a heliocentric view.     

Harnessing the power of immersive virtual reality - visualization and analysis of 3D earth science data sets

ABSTRACT

The availability and quantity of remotely sensed and terrestrial geospatial data sets are on the rise. Historically, these data sets have been analyzed and quarried on 2D desktop computers; however, immersive technologies and specifically immersive virtual reality (iVR) allow for the integration, visualization, analysis, and exploration of these 3D geospatial data sets. iVR can deliver remote and large-scale geospatial data sets to the laboratory, providing embodied experiences of field sites across the earth and beyond. We describe a workflow for the ingestion of geospatial data sets and the development of an iVR workbench, and present the application of these for an experience of Iceland’s Thrihnukar volcano where we: (1) combined satellite imagery with terrain elevation data to create a basic reconstruction of the physical site; (2) used terrestrial LiDAR data to provide a geo-referenced point cloud model of the magmatic-volcanic system, as well as the LiDAR intensity values for the identification of rock types; and (3) used Structure-from-Motion (SfM) to construct a photorealistic point cloud of the inside volcano. The workbench provides tools for the direct manipulation of the georeferenced data sets, including scaling, rotation, and translation, and a suite of geometric measurement tools, including length, area, and volume. Future developments will be inspired by an ongoing user study that formally evaluates the workbench’s mature components in the context of fieldwork and analyses activities.     

遥感云计算平台发展及地球科学应用

人类已有半个多世纪的全球历史遥感数据积累,这些不断涌现的海量遥感数据形成的遥感大数据为地球科学研究提供了丰富的数据支持;对遥感大数据快速处理、分析和挖掘是一个新的挑战。遥感云计算平台的出现为遥感大数据挖掘提供了前所未有的机遇,并彻底改变了传统遥感数据处理和分析的模式,使得全球尺度的长时间序列快速分析和应用成为可能。本文系统梳理了国内外遥感云计算平台发展现状,归纳了截止目前遥感云计算平台在地球科学领域应用的主要方向。在此基础上讨论了目前遥感云计算平台的局限性,并展望了未来需要解决的关键技术和核心问题,提出了中国遥感云计算平台发展的建议。随着人类对地球的认识需求提升,遥感云计算平台将会在地学研究中发挥更大的作用,服务于地学知识的深入及人类社会可持续发展。     

从测绘学到地球空间信息智能服务科学

回顾了从传统测绘学到当今地球空间信息智能服务科学的60年发展历程;总结了测绘学从模拟到解析再到数字化发展的3个重要阶段;介绍了GNSS、RS与GIS(3S)集成,从而形成了地球空间信息学的兴起;分析了数字地球时代地球空间信息学的发展,进而论述了当今智慧地球时代地球空间信息科学走向实时智能服务的最新进展,并对"互联网+"空间信息智能服务的3个发展水平进行了重点论述。可以肯定,在大数据时代传统的测绘学必将集通信、导航、遥感、人工智能、虚拟现实和脑认知科学之大成,发展成为地球空间信息智能服务科学,为富国强军与利民作出应有的贡献。     

虚拟地球在态势感知中的应用

地理信息科学是现代地理学与计算机信息科学之间的一个交叉学科,其主要理论、方法来源于这两门学科。随着地理信息科学自身的发展,＂虚拟地球＂的理念越来越被大家所关注。＂虚拟地球＂以基础地理信息数据为基础,集成了其它各学科的专题数据,大大地拓展了地理信息科学本学科的研究范围,吸引了众多的研究者投入到其中进行各类相关研究,产生大...