数字地球_数字中国与数字矿区

“三S”技术数字地球、数字中国与数字矿区

吴立新(中国矿业大学北京校区)

摘要　分析了数字地球的提出、定义、意义及其对世界产生的影响;介绍了首届数字地球国际会议概况;介绍了数字中国行动计划、数字中国的内容与现实条件;讨论了建设数字矿区重要子集之一———数字矿山的必要性、内涵及其战略意义。

关键词　数字地球　数字中国　数字矿山　地理信息系统

前　言

人类生存的空间是有限的,而生存的过程(时间)是无限的。如何合理开发与利用有限空间中的有限资源来满足人类社会在无限时间中的可持续发展需求,已成为人类社会的共同主题。在即将到来的以知识经济为特征的信息社会中,信息不仅将作为一种重要的经济资源,而且将作为一种物质形式与自然资源相偶合,成为人类生存与发展的基础,并规范人类开发、加工和利用各类自然资源(包括矿产资源)的方式与方法。

采矿业是以自然资源为生产对象的古老矿业,绝大多数矿山企业还处在劳动密集性阶段,信息化程度很低。数字地球(Digital Earth,DE)和数字中国(Digital China,DC)的钟声,已经和正在敲醒一代采矿人。回顾过去,展望未来,设想21世纪的矿山模式,是一件令人激动、兴奋、同时也令人焦虑的事情。

1　DE及其带来的挑战

111　DE的提出

1998年1月31日,美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心的O GC(Open GIS Consortium)会议上作的一个题为“DE:对21世纪人类星球的认识”的讲演中指出:“我们需要一个DE,即一种可以嵌入海量地理数据、多分辩率和三维的地球表示,可以在其上添加许多与我们所处的星球有关的数据”。该项计划现由美国宇航局(NASA)协同其他部门组织实施,计划至2005年实现,到2020年正式建成。可以预见,不远的未来,DE将深刻地改变人类社会生产和生活方式,将促进社会经济的更快发展。

112　DE的定义与理解

目前对DE的理解多种多样,现列举如下:

戈尔:DE是指以地球坐标为依据的、具有多分辨率的、由海量数据组成的、能立体表达的虚拟地球。

美国DE跨部门工作小组:DE将是一种对我们的行星地球的虚拟表达,它使人们可以发掘和交互使用(explore and interact)有关地球的自然的人文信息。

通俗理解:①一个信息化的地球;②一个完全用数字表达的地球仪,即硅质地球仪;③一个超巨型的GIS;④一个没有围墙的开放实验室;⑤一个为地球科学、信息科学、社会经济学和其他相关科学提供实验条件和分析手段的试验基地。

学术理解:DE是RS、GIS、GPS、遥测、数据库、宽带网络、仿真和虚拟现实等现代科技的高度综合和升华,是当代科学技术发展的制高点。

实质内涵:DE是描述地球上各类信息的空间分布与时间序列的共同框架,是对整个真实地球及其相关现象的统一认识、数字化再现和有限交互。

众所周知,人类所生存的是空间,生存的过程标识是时间。基于统一的空间参考和时间标识的DE 就可以包含几乎所有的人类信息。因此,可以说DE 既是一种国家战略,也是一种技术体系,又是一个科学文化概念。

113　DE的意义

DE的提出,是继地理大发现和哥白尼、伽利略日心说之后,人类认识地球的第三次飞跃〔1〕,有其深刻的时代、经济和技术背景。它的提出是二战以来特别是70年代以来“信息革命”的一个自然发展,是空间技术、信息技术

、网络技术发展到一定阶段的产

物。美国在全球经济低迷的1998年率先提出DE这

一以ISH、GSDI和NSDI为依托的整体性、导向性战

略思想绝非偶然,有其极为深远的政治意义和经济

背景。DE的提出,不仅对刺激美国国内经济发展、

保持美国在科学技术方面的领先地位具有战略意

义,而且为世界科学技术的发展提供了一个更大的

舞台。

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第1期

2000年3月

矿　山　测　量　　　　　　　　　　　　　　No.1

MIN E SURV EYIN G　　　　　　　　　　　　Mar.2000

114　DE的影响

DE的提出,立即引起欧洲和其他一些国家的迅速反应,也得到了我国高层领导和科学家的关注和积极响应。1998年6月1日,江泽民主席在接见两院院士时提出了建设DE和DC的战略构想;从1998年10月开始,中国科学院学部主席团和有关部委分别多次召开了DE咨询会和研讨会,研讨了实施DC 的行动计划。北京市还提出了“数字北京(DB)”构想和实施计划,作为北京大力发展知识经济的突破口。DB是“数字城市”的具体实现和DC战略的重要组成部分。

国际竞争主要是经济竞争,而经济竞争的基础是科技实力的较量。信息时代的来临正在改变人类的生存与发展方式,未来利益的分配将无不与DE息息相关。在未来国家冲突、军事打击、外交攻势、数据入侵、舆论宣传、企业竞争等方面,将在很大程度上依赖于对DE的控制。因此,可以说DE是美国全球战略的延续和发展,是战后国际地缘政治的继续和发展,是后冷战时期全球经济大战在科学技术上的表现〔2〕。DE带给世界各国的是严峻挑战,同时也是一次发展与创新的机遇。作为一种发展战略,DE 将在世界可持续发展中发挥极其重要的作用;作为一种前沿技术系统,DE必将推动地球科学、空间科学和信息科学等相关学科与技术的飞速发展。

2　首届DE国际会议概况

211　会议组织

在千年之交的历史性时刻,中国成功举办了首届“DE国际会议(ISDE)”。1999年11月29日至12月2日,来自20个国家和地区的500余名科学家、工程师、管理人士和研究生代表齐聚北京,参加了此次会议。该次会议由中国科学院主办,有16个国家部委和3个相关国际组织参与合办,李岚清副总理出席会议开幕式并发表了讲话。

李岚清副总理在讲话中说,无论是促进社会的可持续发展,还是提高人们的生活质量;无论是推动当前科学与技术的发展,还是开拓未来知识经济的新天地,DE都具有重要意义。李岚清强调,我国政府高度重视DE的作用,实行“需求牵引、统筹规划、阶段发展、共建共享”的方针,力争在DE建设中实现跨越式发展。

212　会议报告

大会特邀中国科学院院长路甬祥院士等国内外11位专家作了主题报告,他们就DE建设战略、主要构成、关键技术和全球性合作等方面的问题进行了深入系统的论述。其中,路甬祥院长提出:要在求同存异、平等互利、友好合作的前提下,将DE发展成为全球性、公共性的科学事业。他呼吁各国科学家,应该为DE提出一个统一、多层次的科学框架结构,商定自主开发和全球共建共享的数据规范、元数据标准和信息交换协议,建立全球性的网络连接和创建透明的站点访问与导航,商讨有关系统效率与信息安全的国际协议与管理法规。国际制图协会副主席M1K onecny教授指出,DE和全球化概念正在技术上统一世界,无论经济水平、技术发展的不同和文化传统的差异,世界各国都是全球化进程中的有机组成部分。荷兰ITC教授J1V1G enderen教授认为:DE 是一个令人激动的概念,应该成为一个国际性的合作项目,而不仅仅是美国的事情;虚拟现实和RS图像是实现DE创意的关键;他还放映了NASA最新开发的“The Digital Earth”演示片,使人们更加感受到DE的时代已经来临。

会议期间,与会代表分21个小组围绕“DE的概念与显示”、“理论与技术”、“应用与潜力”三个主题报告了195篇学术论文,演示了与DE相关领域的研究进展、交换了对DE理论、技术和应用的认识、提出了对DE的期望、讨论了人类将在21世纪面临的机遇与挑战。其中,来自中国矿业大学的代表就面向M GIS和数字矿山(Digital Mine,DM)的矿业信息分类与管理〔3〕、DM及其关键技术〔4〕

、DE与矿区可持

续发展〔5〕等问题同与会代表进行了交流和讨论。

213　会议成果

闭幕式上,发表了《DE北京宣言》。《宣言》基于

DE对全球可持续发展的重要性,呼吁世界各国要对

有关DE的科学研究与开发、教育与培训、能力构建

等给予充足的投入和强力支持,重点是全球系统观

测、通讯网络、数据库开发和地学空间数据互操作;

呼吁政府、公众、个人、非政府组织以及国际组织与

机构之间的密切合作与协同,以确保发达国家与发

展中国家公平分享DE及其应用所带来的利益;今

后,每两年召开一次“DE国际会议”,于2001年在加

拿大渥太华举办第二届ISDE会议。会议还决定:成

立一个ISDE国际指导委员会,由中国科学院路甬祥

院长任主席,并由1名秘书长和1名副秘书长协助

工作,其人选分别由中国和加拿大提名产生。

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第1期　　　　　　　　　吴立新:数字地球、数字中国与数字矿山　　　　　　　　　　2000年3月

3　DC及其现状

中国目前工业化还不十分充分,但历史和经验证明:跨越式发展方式不仅是可能的和现实的,而且几乎是一个国家迅速发展、成为世界强国的必由之路。在这种跨越式发展中,抓住新的科技成果和新的生产力所提供的历史性机遇是一个重要因素。徐冠华副部长全面系统地分析并提出了中国跨越式发展DE的可能性在于〔6〕:①科学、经济和社会的发展具有高度的非线型性;②中国政府十分重视地球科学技术和信息技术的发展;③中国的信息高速公路经过十多年的建设已经取得了显著的进步,四大计算机网络已成为完善的信息传输平台;④中国已经具备或正在发展为建立DE所需的各种技术和能力。包括各类标准、规范、面向对象、空间数据仓库、虚拟现实、神经网络、专家系统、图象自动解译、多源数据融合技术等;⑤中国已经积累了大量建立DE所需的数字化数据和资料,包括各种基本地形图、专题图和城市地籍图等;⑥中国已经发射了68颗卫星,建立了多个RS卫星地面接受站、气象卫星接收站、机载对地观测平台和大量地面观测台站;⑦在国家、省、市、县的不同层次上,中国有一大批专家学者和技术人员从事与DE相关的工作。

中国进行DE建设的具体目标是要立足本国地域、海域和空域,将整个中国作为DE的技术系统实践,自主创新,建议既与国际接轨又有中国特色的DC。作者认为,DC建设应包含以下基本内容:①N II即信息高速公路硬件建设:主要是宽带光纤网和卫星宽带网建设与“三金工程”、“八纵八横”光缆网建设相协调;实现电话网、有线电视网和Internet网的三网连接;充分改造现有的通信设施,包括邮电网、教育网等〔7〕;②NSDI即信息高速公路数据建设:包括国家基础地理数据库建设以及按行业和地区建设分布式数据库〔7〕;③G eoS oft即各类地学相关软件的开发:为数据挖掘、时空分析、时空统计、时空预测、3D可视化、模拟仿真、远程操纵等开发方便简捷的软件,满足科技、教育、政府与公众等不同层次的需求;④TestBed即试验基地与示范工程建设:根据中国国情和国民经济发展需要,选择农业、海洋、交通、长江、岛屿和若干城市、矿区进行数字农业、数字海洋、数字交通、数字长江、数字城市和数字矿区建设。

到1996年底,我国光缆总长度达到100万km,计算机社会拥有量已超过1200万台,因特网用户已达到400万户,WWW站点约9906个,国际线路总容量为241Mbps的国家共用信息网络已经覆盖全国239个城市,政府上网工程迅速推进

,网上大学、网上

图书馆开始出现,国家信息化发展战略、数字化产品

发展战略和电子商务框架都在加紧研究〔6〕。目前,

我国已完成全国1∶100万和1∶25万基础地理数据

库的建设,共有5个数据层;马上开始的有1∶5万基

础地理数据库和1∶1万7大流域基础地理数据库建

设。这是DC的基础,各行业或部门要在此基础上建

立相应的行业或部门数据库。已经启动的DC试验

基地有数字海南、数字北京、数字长江等。

4　DM及其战略意义

建国以来,中国矿业经过半个世纪的快速发展,

已建成国有矿山近万座,集体矿山和其他非国有矿

山20多万座,年开采矿石量超过50亿t,从业人员

2100万,带动了300座以采矿和矿产品加工为支柱

产业的矿业城市的兴起(其中煤炭城市54座)。乡

及乡以上的矿产采选业产值占G DP的6127%(1997

年);全国固体矿产产值占世界产值的1615%(1996

年),居世界第二位,能源矿产产值占世界的911%

(1996年),居世界第三位。中国已由一个矿业弱国

跃入世界矿业大国的行列〔8〕。

但近5年业,由于市场竞争、资金投入,资源浪

费和环境压力等原因,中国矿业与矿业城市遇到了

空前的生存与发展困境,出现了矿竭城衰、减产限

产、低位运行等不良现象。尤其是煤炭工业,未来发

展形势将更为严峻。

中国矿业要走出困境,面向21世纪寻求可持续

发展,除了努力培育和发展下游产业,还要走信息化

之路,即:将电子、信息、环境科学等高新技术与采矿

工业紧密结合,推动采矿工业的新一轮技术发展与

技术创新,促进高科技现代工业技术与DE技术在矿

业开发、加工与利用过程中发挥巨大作用,进而合理

协调矿产资源开发与环境及资源保护之间的矛盾,

建立科学、合理、高效、低污染的矿业生产新局面〔9〕。

因此,实施DM战略,不仅十分必要,而且是大

势所趋。DM是对真实矿山整体及其相关现象的统

一性认识与数字化再现,是一个“硅质矿山”,是数字

矿区和DC的一个重要子集和有机组成部分。

DM的核心是在统一时间坐标与空间框架下,

科学、合理地组织各类矿山信息,将海量异质的矿山8

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信息资源进行全面、高效和有序的管理和整合〔10〕。DM的任务是在矿业信息数据仓库基础上,充分利用现代空间分析、数据采矿、知识挖掘、虚拟现实、可视化、网络、多媒体和科学计算技术,为矿产资源评估、矿山规划、开拓设计、生产安全和决策管理进行模拟、仿真和过程分析提供新的技术平台和强大工具。DM的基本特征为:以高速企业网为“路网”、以矿业数据和矿业应用模型为“货物”、以3D GM和数据挖掘为“包装”、以采矿CAD、虚似现实、仿真、科学计算与可视化为“车辆”、以多源异质矿业数据采集系统为“制造”和以M GIS为“调度”。

通过DM建设至少可以在以下四方面给矿山企业带来好处:①拓展矿山企业的生存与发展空间;②促进矿山企业组织结构的优化;③降低决策的风险性;④提高企业快速反应能力。从而使矿山企业在现代企业竞争中取胜,并更好地与矿区资源、环境和社会经济发展相协调,使矿山逐步走向可持续发展道路。

5　结　语

我国是一个采矿大国,科技含量与管理水平与世界发达采矿国家相比还存在相当大的差距。面对知识经济与DE和DC的挑战,面对当前市场经济环境下我国矿山企业处于困境现实,中国矿山的出路只有一条:抓住DE和DC带来的矿山企业改造与发展机遇,利用信息技术,改造传统产业,将DM建设与整个矿山企业的技术创新、管理改革相结合。DM 建设涉及到企业的方方面面,首先是人的思想观念与思维方式的转变,然后是企业管理体制与管理模式的变革。企业决策者、管理者和广大工程技术人员要共同参与和积极配合,必须经历阵疼,大步提升,才能再创矿山企业辉煌,实现矿山和矿区资源环境与社会经济可持续发展。

参考文献

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359—364

作者简介　吴立新,男,博士,副教授,

硕士生导师。1966年

生,现任中国矿业大学北京校区测绘与土地科学研究室副

主任、矿业信息研究中心常务副主任;中国煤炭学会青年工

作委员会委员兼秘书长,中国测绘学会矿山测量专业委员

会委员,九三学社北京市高等教育委员会委员,江苏省优秀

青年骨干教师,中国煤炭青年科技奖和全国优秀博士论文

奖获得者。现主要从事矿山开采沉陷、M GIS开发与应用、

遥感岩石力学和矿区环境与可持续发展等领域的研究与教

学。出版专著3部,发表学术论文70余篇,获省部级科技

奖励5项。

(收稿日期:1999年12月9日)

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ENG L ISH ABSTRACTS OF MAIN ARTICL ES IN THIS ISSUE

Mine Surveying E ntering the21th C entury-The paper presents a detailed description of the mine surveying op2 erations in G ermany and Russia.In line with the status quo of the related work in China,the proposals for de2 veloping the mine surveying discipline in the21th cen2 tury in China are put forward(Chen Yuheng;Feng Zhongke)

The Digital E arth,Digital China and Digital Mine-Following an analysis of the move to promote a Digital Earth,its definition,significance and global impact,the paper goes on to elaborate on the lst International Digi2 tal Earth Conference,as pects,practical conditions and action plan in China for realizing a Digital China,the necessity to develop digital mines,and its intensions and strategic significance.(Wu Lixin)

Data Communication betw een Computer and Total Sta2 tion-The paper describes the key technology for ef2 fecting data communication between the com puter and a total station.By way of example,an introduction is made to the way to develop the key source program codes with Visual Basic program design language for a G DM500total station.(Liu Xingquan)

Experimental Simulation of Multiple F ace Mining with P artial Extraction Method-Experimental study is made with similarity materials on simulation of the mining of3seams under varying spacings by using par2 tial extraction method.As a result,the laws governing the failure of the overburden and ground movement un2 der such conditions have been brought to light.Discus2 sions on seam s pacings as related to strip sizes,as well as the method for their determination are also made in de2 tail.It has been revealed that,with the use of partial ex2 traction method,the surface subsidence is in direct pro2 portion to strip extraction width and there exists no a p2parent relationship between the former and extraction thickness.This finding provides a scientific basis for solving field engineering problems.(Zhang J unying Dai Huayang et al)

N on2derivative2Dependent Solution Model For Class22 N onlinear Dynamic Optimization Design of Monitoring N etw ork-A new solution model for the design of such a monitoring network has been developed,based on the derivative2besed type of model.As an innovative devel2 opment,the model is of vital significance when viewed theoretically or from a field application point.(Tao Huaxue)

Current Status of R ational Exploitation and U tilization of Mineral R esources and T asks of Mine Surve ying Workers2Following an introduction to the current status of exploitation and development of mineral resources, the supervision and management work involved,paid u2 tilization,development strategies and related policies, and mining design and sustainable development,etc,the paper presents an analysis of the problems encountered and the author’s viewpoint on the role played by min2 ing surveyors in this field,as well as the main tasks call2 ing for imminent tackling.(Wang Yunjia)

Application and Development of G eometric Orienta2 tion2The paper elaborates on the design,computational requirement and special features of the32line orientation measurement.The method has the merits of being less in labor intensity and high in safety marginproviding an opportunity for effecting wider geometrical application and optimization of orientation technique.The paper of2 fers a certain reference value for tackling accuracy2relat2 ed problems arising in field orientation operations.(Li Y ingsen)

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