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数字地球的概念

自1998年初戈尔首次提出数字地球以来，全球科学界、政界对有关数字地球的问题发表了大量的论述，但到目前为此，还没有形成严格而又权威的科学定义。概括地讲，数字地球即信息化或者说数字化的地球，是“一个能嵌入海量地理信息的、多分辨率的、真实地球的三维描术”，是地球的虚拟对照体，也就是对真实地球及其相关现象统一性的数字化重现和认识，是集地球科学、信息科学、计算机科学、空间控测和数字通讯等诸多学科理论、技术于一体，以工程建设和产业化发展为导向的，旨在促进21世纪人类社会可持续发展的一项宏伟的科学体系。其核心思想，一是用数字化手段整体地处理和应用全球信息(或者说与空间位置相关的信息)，二是最大限度地利用信息资源。

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数字地球的提出及其背景 

用数字化的方式来定量地描述和研究人类居住的星球的追求由来已久。但只有进入空间时代和信息社会，科学技术飞速进步的今天，随着人造地球卫星、航天飞机、宇宙控测、遥感（RS）、全球定位系统( GPS) ,地理信息系统(GIS)、卫星通信、数字光缆、计算机网络等现代技术的成熟和应用，使有关地球的海量数据实现快速、批量地采集、整理、传输、分析、处理并用于科学预测预报，从而超越时空局限，渗透到千家万户，深刻地影响着，甚至改变人们的生产、生活和交往方式，数字化的地球才被人们认识，并作为一种知识创新的信息资源和能够增值的社会财富。因此，可以说数字地球是现代科学技术发展的必然结果，是信息科学、空间科学、数字通讯等现代科学技术与地球科学交融的前沿阵地。数字地球的提出，有着深刻的时代背景、经济背景和技术背景。从近代背景看，冷战结束后，世界的重心由苏美在政治和军事上的全面对峙变为政治多级化和经济全球化，随着全球化趋势的增强，要求人们更快地获取全球准确的信息，而全球战略的推行也必须有新的技术支撑。从经济背景看，面对即将到来的知识经济时代，“世界各国都在抓紧制定面向新世纪的发展战略，争先抢占科技、产业和经济的制高点”。从技术背景看数字地球的提出是第二次世界大战以来，特别是本世纪70年代以来的“信息革命”的一个自然的发展，是空间技术、信息技术、网络及其应用技术发展到一定阶段的产物，与数字地球最直接相关的计算机、网络、通讯、RS、 GIS、GPS、空间对地观测和地学数字技术发展迅速，并逐步与全球化连在一起，国家级、地区级和全球空间数据基础设施(NSDI、RSDI、GSDI)从90年代开始起步，已在世界范围内积累了海量的数据。美国率先提出数字地球这一战略思想也绝非偶然，而是有其极其深远的全球战略考虑。可以说数字地球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。冷战以后，随着苏联的解体，美国成为全球唯一的超级大国，从而失去了全民的共同目标和压力，面临政治和经济两个方面可持续发展的挑战。为了确保在信息时代的全球领导地位，美国在结束星球大战计划、积极推动全球对地观测计划(CEOS)和推出新一代因特网以后。将数字地球作为国家发展战略，并使之成为继信息高速公路(Information Highway)和知识经济之后各发达国家政府高度重视的战略思想。

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数字地球的战略意义 

数字地球为新世纪空间科学、信息科学和地球科学的发展提供了崭新的思路，其对人类的积极作用，无论如何想象都不会过分。信息时代的到来，正在逐步地、全方位地改变人类的生存和发展方式，未来世界和利益分配，将无不与数字地球息息相关。在未来的利益冲突中，从舆论宣传、社会导向、心理战、外交攻势、文化入侵，直到政治颠覆、军事打击，都在很大程度上依赖对数字地球的控制。可以说，数字地球将深刻地影响世界自然和社会资源的分配，在未来社会中起到举足轻重的作用，各国全球战略的成败首先取决于数字地球方面的力量对比。仅从经济的角度分析，由于自然资源的有限性，随着以计算机科学技术发展为特征的信息革命的深入，世界经济模式必然由现行的以消耗自然资源为主的工业经济模式逐步过渡到以利用信息资源为主的知识经济模式。在即将到来的知识经济为特征的信息社会中，信息是主要经济资源，数字化信息是知识经济的物质形式，而数字地球可以包容80%以上的人类信息资源。由此可见，以数字形式处理一切与空间位置相关信息为特征的数字地球，必将对形成一个广泛而又重要的产业产生决定性影响。
二、数字地球对地名管理的挑战

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地名在信息时代的重要地位 

地名作为最常用的社会公共信息之一，不仅与人们的日常生活息息相关，而且是国家行政管理、经济建设、国内外交往不可或缺的基础信息资源，地名在未来社会的重要作用将日益显现。一方面，随着国家解体、民族独立、体制变革，以及社会经济、文化的发展，新地名大量涌现；另一方面，进入信息时代，世界各国之间的联系越来越频繁和密切，国家、地区间的相互依存、相互渗透不断加深，国际合作与竞争空前广泛与激烈，地名信息的传递速度不断加快、使用频率日益提高，对不同语言文字地名之间的转译、世界地名单一罗马化、国家地名标准化以及及时、高效地收集、整理、标准化处理、传输地名信息的要求越来越高。总之，在当今世界，无论是社会交往、经济交流、信息传输，还是现代战争，都离不开地名信息。更为重要的是，在知识经济时代，信息技术是知识经济的主体，而地理信息正逐步成为信息技术的主流，地理基础信息系统建设已成为信息数字化的基础和重要发展方向。由此可见基础地理信息的战略地位。所谓基础地理信息，即通用性最强，共享需求最大，几乎为所有与地理信息有关的行业采用作为统一的空间定位和进行空间分析的基础地理单元，主要由自然地理信息中的地貌、水系、植被和人文地理信息中的地名、居民点、政区、边界、交通、大型建筑物和构筑物及其他特殊地物等要素，以及用于地理信息定位的地理坐标系网格组成。显然，地名在上述要素中基于主导地位。除了地理坐标系网格和表示地形的等高线以外，其他的基础地理信息要素离开了地名都无法独立存在，没有名称的点、线、多边形和数字是不能反映地理信息的。从上述分析，我们不难发现，地名信息是地理基础信息的基本要素，是以信息为核心的知识经济时代最基本的经济资源。正是基于对地名信息重要性和必要性认识的不断深入，世界各国都高度重视地名信息管理现代化建设，联合国地名专家组为此设立了“地名信息自动处理工作组”，专门负责地名信息建设的协调工作。在最近召开的几次国际性地名标准化会议上，对地名信息系统建设和地名信息的国际交流提出了较高的要求。世界上多数发达国家建立了国家级地名信息系统，已有100多个大型地名信息系统投入使用，美国、俄罗斯、加拿大、英国、德国、法国等国家还组织专门力量搜集、研究、译写、整理、储存国内外地名资料，不断完善地名信息系统，更新、扩充地名数据库。

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我国地名管理现状 

中国幅员辽阔、历史悠久，地名信息资源十分丰富。建国以来，党和国家高度重视地名工作，地名管理和科研取得了巨大成绩。半个世纪以来，地名管理部门以“普查”的形式为国家建设服务，在新中国的建设、发展和现代化进程中发挥了重要的作用。但是，随着国家经济和社会的发展以及学科本身的进展，“普查”阶段作为一个必不可少的历史阶段，已接近结束。寻求新的发展，为国家作出更大的贡献，是地名科研和管理工作面临的一个跨世纪的战略课题。由于种种原因，我国地名信息化建设起步晚、基础差，远远落后于发达国家。结果一方面长期积累下来的大量地名信息，由于处理手段落后，处于孤立、分散状态，因无法使用而闲置在地名管理机构的文件、档案里，无人问津；而另一方面，社会各界对地名信息的需求越来越大，却无从查询、检索，更谈不上快速传递地名信息。这就好比，一方面大量的粮食堆积在仓库里霉烂变质，另一方面很多的人在挨饿。面对上述情况，近几年有些地方地名管理部门开始尝试建立本地的小型地名数据库，但一般只有地名属性资料，没有矢量化地图，更无法实现地名属性资料与地图、多媒体资料的链接和交互式访问，仍停留在普通数据库管理的水平，而且因为没有统一技术标准，相互之间缺乏兼容性，无法实现资源共享。从总体上讲，我国地名信息化建设开发利用水平低，信息量少，发展不平衡，不具备空间分析能力，标准化程度低，其应用基本限于个别地方的地名管理部门，信息的准确、翔实、时效性较差，信息的管理、开发利用和辅助决策水平低，不能满足地名管理和社会各界的要求。公安、交通、邮电、通讯、国防、新闻出版、测绘等部门迫切希望地名主管部门尽早建立国家地名信息系统，此事已经引起民政部等有关国家部门领导的高度重视，并经予了极大的支持。

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数字地球对地名管理的挑战 

地名从人类诞生开始就已产生，作为人类识别空间位置的符号，一直伴随着人类文明的发展。传统的纸质地图、地球仪离不开地名，现代的GPS、GIS、电子地图(矢量化的数字地图和扫描形成的栅格地图)也离不开地名，数字地球更离不开地名，而且对传统的地名管理、科研、使用模式提出了严峻的挑战。数字地球最主要的基础设施建设是信息高速公路和全球空间数据基础设施(GSDI), GSDI的重要组成部分为全球基础地理信息系统( GFGIS)，而地名信息是基础地理信息的基本要素。因此，发展数字地球必须首先发展GSDI，而建设GSDI离不开地名信息。离开地名数据，GSDI就无法建设，而GSDI没有建成，数字地球就是空想。数字地球是对真实地球时空和属性的五维数字化再现及其超媒体、高速宽带网络传输，这不仅对地名的标准化、快速查询、动态管理、图表联动提出了新的要求，而且对地名数据的知识挖掘和海量地名信息的可视化、数字化，地名信息的共享和传输的高速化、网络化、安全性，以及地名所表示的地理实体的时空和属性五维集成、虚拟实现提出了严峻的挑战。从另一个角度看，数字地球是一个挑战性的国家目标，实现这一目标是国家之间综合国力的竞争和发展机遇的争夺战，在客观上对发展中国家构成了严峻的挑战：不发展数字地球，则有可能在维护国家安全和利益方面陷入被动，而发展数字地球，又需要大量的资金和技术投入，乃至倾举国之力。中国要实现经济和社会可持续发展的战略目标，形成科学技术的自主创新能力，不仅必须参与数字地球的竞争，而且要利用数字地球挑战所带来的机遇，探索适合中国国情的发展方式。数字地球是一个整体性、导向性的战略目标，其内涵非常广泛，我国现有的经济基础的技术基础都无法支撑数字地球战略的全面实施。因此，建设中国数字地球应当在现有的基础上找到一些切入点，既要结合国家和民族的根本利益，又能切实可行地做起来。对此很多专家指出，当前要重点搞好中国国家空间数据基础设施( CNSDI)建设，解决原始空间数据太多、而可用的数据太少的问题，这也是中国数字地球工程最重要、最主要的任务之一，地名信息化建设则是CNSDI的先导项目，由此可见地名数字化管理的重要性和紧迫性。
三、地名数字化管理构想

面对数字地球的挑战，尽快建立高起点、高质量、高效率的地名信息系统，最终实现地名数字化管理，已成为地名管理部门和科研机构跨世纪的战略重点。

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地名数字化管理总体目标 

第一步建立满足地名管理和地名科研及社会各界使用地名需要的中国国家地名信息系统(CGNIS)。第二步是根据数字地球的要求，进行网络集成和时空集成。“拥有联网的地理空间信息系统是数字地球的重要组成部分”，网络是数字地球不可缺少的基础和特征。网络集成就是要创建地名Web服务站点和空间数据仓库体系，建立在网络支持下的对象代理机制，实现地名数据库的动态访问、查询、检索、空间分析和政府决策，建立地名元数据和网络信息标准，确保地名数据的共享。时空集成即建立地名时空四维数据库，运用时空数据模型进行时空拓扑分析，从而实现地名的时空模拟、时空仿真、时空反演。第三步为虚拟现实(virtual Reality)，即利用计算机图形技术、仿真技术、人一机接口技术、多媒体技术及传感器技术，由计算机生成地名所代表的地理实体的模拟环境，通过多种传感设备使地名用户“投入”虚拟现实，实现用户与地名虚拟环境进行自然交互。VR基于现实，但可以超越现实，将有力的推动地名的动态模拟、仿真和规划。第四步是将地名信息系统熔入数字地球，成为数字地球的有机组成部分，同时通过网络走入千家万户。

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CGNIS建设主要任务 

CGNIS作为实现地名数字化管理的首期工程，也是实现“中国数字地球”这一国家战略目标的基础性先导项目，其建成和使用，具有重要的现实意义和深远的历史意义，必将在社会各个领域产生不可估量的社会效益和经济效益。CGNIS建设包括研究、设计系统功能，配置满足要求的硬件，研制适用的软件，制定包括地名分类代码、个体编码、译写规则在内的一系列技术标准、规范，收集地名资料并按技术标准进行不断的更新、维护等大量工作。这些工作可概括为硬件建设、软件建设、数据库建设、系统维护四个方面。（1）硬件建设即购置必要的设备，建立一个符合技术标准、安全、适用的计算机系统。主要设备包括:大容量服务器、图形工作站、若干微机组成的数据处理设备；宽幅彩色扫描仪、数字化仪、绘图仪、彩色喷墨打印机、激光打印机等输入、输出设备；大屏幕显示器和投影仪等显示设备；磁带库、光盘库、光盘刻录机等存储设备；大功率UPS稳压电源、集线器等辅助设备。上述设备可采用总线式以太网结构组成局域网，与Internet国际互联网相连，以实现资源共享，并满足多用户输入、输出，矢量化处理、编辑的要求。（2）软件建设即研制开发一个适用于地名专业需要，并且具有综合性、开放性、适应性、智能性、稳定性、安全性特色的软件，既能管理大型字符、多媒体数据库，又能管理大型地图矢量数据库，并能在这两种数据库之间进行信息交流，并随着相关软件技术的进步而不断改进、完善。软件建设除计算机编程工作外，还包括功能设计和制定地名分类代码、个体编码技术标准等大量技术工作。（3）数据库建设即收集国内外主要地名资料，加以标准化处理，输入数据库，并与相应的地图矢量化数据库链接为统一的整体。包括制定各种外语地名汉字译写、国内少数民族语地名汉字译写及地名单一罗马化等一系列标准，以及国内地名标准化的各种规范、细则。CGNIS数据库由地图矢量或栅格数据库(简称地图库)和地名属性信息资料数据库(简称属性库)两部分组成。地图库储存地名图示信息，包括地名编码、矢量或栅格数据及地图注记等。属性库储存地名文字资料、统计数字和声像等多媒体信息，包括地名的标准名称(国外和少数民族语地名除汉字译写名称外，还包括原文拼写的名称)、行政隶属、罗马字母拼写，经纬度、别名(简称、雅称、亦称)、文字说明(如历史沿革和名称来历、含义)、分类代码、地名编码(用来连接地图库)，有关统计数字、图片、录音、录像等。（4）系统维护就是对系统的软、硬件和数据库不断进行完善，保持系统的先进、准确、及时性。具体地讲就是根据用户实际工作的需要，针对系统应用中出现的新情况、新问题，吸收计算机硬件技术和地理信息系统、数据库技术的最新发展成果，及时更新硬件设备，不断推出功能更加完善、适应性更强的软件，提高数据库管理的效率，改进管理模式，在不断扩充数据库的同时，跟踪地名最新变化情况，对已有的数据库进行更新，包括数据的改变、增加、删除、数据库结构的重组等。

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CGNIS主要功能 

CGNIS主要功能设计为地名排序、统计分析、查询浏览、专题制图、系统维护5大模块，另设退出键和帮助功能。通过上述功能我们可以方便地查询各种地名文件、技术规范，为地名命名、更名提供科学的决策依据，编纂各种类型的地名录、地名辞典、行政区划表、政区地名图等图、录、典、志，设计制作地名信息多媒体光盘，在城市建立多媒体指路系统。（1）地名排序即利用属性库的信息，根据不同的需要，对地名进行多种方式的排序，包括按汉字部首、汉字笔画、汉语拼音字母、罗马字母、统计数字5种方式进行排序。（2）查询浏览即利用属性库和地图库的信息，根据不同需要，分别对地名进行数据表和地图查询检索，浏览属性库中的表格和地图库中的各种地图，包括表格查询、地图查询、表格浏览、地图浏览。为方便查询浏览设计的特殊功能主要有:用于浏览地图和空间查询的地图放大或缩小、漫游、流动注记、空间定位、单图和多图显示，地名标注、地图综合与详化、多媒体目录导航；用于属性库、地图库双向查询的图层属性查询、跨图属性查询、分区属性查询、空间位置查询、逻辑表达式查询；用于时空信息查询的历史地名空间位置查询、地名的历史变迁查询。此外，在查询浏览中，随时可以显示当前地名的多媒体信息。

 （3）统计分析即利用属性库的信息，根据不同需要，对地名进行统计分析，包括专业统计和属性分析。专业统计即对地名管理和研究常用的专名、通名进行统计分析，主要有：重名统计即统计汉字书写相同的地名；同音统计即统计罗马字母拼写相同的地名；通名统计即统计通名的使用频率。属性分析即对属性库中地名的统计字段进行统计分析，包括特征计算、频率分布、相关分析、回归分析等。（4）专题制图即利用属性库的信息进行统计分析，并将结果反映在相关的地图上，同时生成相应的数据表，包括柱状图、饼状图、分类分级统计图、百分比结构图、金字塔形图、组合图等。

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CGNIS技术指标 

第一，制定CGNIS主要规范、标准，包括：（1）地名分类代码、个体编码体系；（2）主要外国语种地名汉字译写标准；（3）国内主要少数民族语地名汉字译写及单一罗马化标准。第二，达到CGNIS设计要求的计算机编程技术，包括：（1）地名按汉字笔画、部首及罗马字母、分类编码、统计资料等关键字段排序技术；（2）地名文字信息、统计数据与地图、多媒体信息交互访问、查询、检索技术；（3）地名专业统计分析技术；（4）地名专题制图技术；（5）系统维护及地名资料更新技术。第三，数据库建设技术，包括：（1）地名地图库、属性库链接技术；（2）数据格式转换技术；（3）矢量数据、统计数字、文本资料及图片、录音、录像等多媒体信息集成技术。关键技术内容主要有：（1）地名分类代码、个体编码体系；（2）地名实体空间分析与地名属性的联动及集成技术；（3）地名汉字笔画、部首排序技术；（4）地名专业分析统计及专题制图技术；（5）地名信息数据格式转换与保密技术；（6）非常用汉字字库建设。

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CGNIS技术路线和技术手段 

在集中优势力量进行关键技术攻关的同时，收集、整理、录入国内外地名信息，采取研究、开发、应用一条龙的方式，建立实用、功能齐全、面向宏观管理和社会各界需要的运行系统。应用系统及软件的研制实行专家、专业管理人员、用户与软件研制人员相结合的方式进行。项目攻关进程主要由总体设计和标准研制、关键技术研究、数据库建设、系统集成四个阶段组成。主要技术手段包括：（1）采用面向对象的技术方法。即将复杂的系统分解成不同对象，并以消息的形式，建立对象之间的联系，使分析、设计和实现系统的方法学原理与人们认识客观世界的过程尽可能一致，以便于用户理解和接受。（2）数据挖掘和知识发现。数据挖掘和知识发现是人工智能技术与数据库技术紧密结合的产物，是严格遵循特定的步骤，反复进行人机交互，从大型数据库中识别出有效的、有用的、人们能理解的知识的过程。对数据库记录的属性字段性字段进行更高层次的归纳抽象而建立起来的属性层次关系称为概念树。利用概念树提升的方法，对CGNIS中具有复杂的多级隶属关系和时空结构关系的数据进行知识挖掘，得到高度概括的知识基表，再将其转换成知识规则，形成知识库，这将大大压缩表现、管理数据所需的空间。（3）时空数据索引与切换，基于面向对象的方法和对数据特性的分析，在系统设计中根据数据的等级、空间、时间等属性特征，为各类数据确定最为合理的时空表现方式，在不同特性的数据之间找到有机联系，并据此采用不同的信息交流和数据切换方式。按照信息内容的重要性、普遍性和紧迫性协调、优化各组成部分的表现性能和相互关系，使数据组成尽可能小的集合体，建立分级、分时、分区的多级索引，实现时间与空间信息的自由切换。（4）多媒体信息的继承与表现。CGNIS将最终实现超文本的智能化管理，采用面向对象的方法，分析和确定各媒体信息单元之间的相互关系，建立多媒体信息，为用户提供更为灵活、方便、友好的信息查询、检索手段，如过滤式查询、结构化查询，基于内容的检索和检索和基于时延敏感性媒体的检索等。

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地名数字化建设计划 

第一步，1999～2000年，明确建立CGNIS的目的、要求，研究、设计CGNIS功能；完成制定地名分类代码、个体编码体系；研制CGNIS软件；建成20万条地名属性数据库和中国百万分之一级地图数据库；进行省级地名信息系统和城市地名指路系统建设试点。第二步，2001～2005年，在地名管理和科研机构推广CGNIS，为地名管理服务；根据用户的要求，向社会各界提供专门的地名信息，必要时对CGNIS进行再开发，研制专业地名信息系统，如邮电部门地名自动查询系统；建成国内、国外各50万条地名属性数据库和世界千万分之一级、中国百万分之一级、全国省级十万分之一级、部分城市万分之一级地名地图矢量数据库。第三步，2006～2010年，将地名属性数据库扩充为200万条(国内、国外各100万条)；大多数城市建成万分之一级地名地图矢量数据库；完成网络集成、时空集成，初步建成地名实体虚拟环境。