基于數字地球的數字化戰場建設

摘 要： 數字地球在現代化的戰爭中具有重大的戰略意義。從信息處理的視角，結合信息全生命周期的處理過程闡述了對數字地球的理解；分析了數字地球的特性與數字化戰場需求之間的關系；提出了數字地球基礎平臺的層次結構；構建了基于數字地球基礎平臺的數字化戰場應用框架。該框架可以較好地滿足數字化戰場的建設需要，對其他領域的數字地球應用也具有一定的借鑒意義。

關鍵詞： 數字地球； 數字化戰場； 信息全生命周期； 數據處理

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）08?0023?04

自1998年美國前副總統戈爾提出數字地球（Digital Earth）的概念至今已十多年，在此期間，許多國家都在積極開展對數字地球的研究，國內不少科研機構也對數字地球的建設工作做了許多有益的嘗試，取得了不少的成果。但就目前而言，國內成熟的數字地球系統相對較少，而數字地球在軍事上的應用更是少見。然而，數字地球在國防建設中卻具有十分重要的意義，主要應用包括建立服務于戰略、戰術和戰役的各種軍事地理信息系統，并運用虛擬現實技術建立數字化戰場，并在此基礎上構建信息網格，將戰場所有資源全面互聯，為整個用戶提供一體化、全方位的服務。因此，建設中國的數字地球工程符合國防建設的發展方向。可以預見，未來“中國數字地球”系統的建設，對中國軍隊打贏現代戰爭具有十分重要的意義。

1 數字地球信息處理的實質

數字地球是一種可以嵌入海量空間數據的、多分辨率的、三維地球的虛擬表示。從學術的角度，指的是以空間數據為依托、以網絡為平臺、以虛擬現實技術為特征的全球信息系統。數字地球建設中的關鍵問題之一是信息的有效組織與處理，這也是數字地球建設中的難點問題，歸納起來，數字地球信息處理的實質主要體現在下述三個方面。

1.1 數字地球所存儲的是地球上的所有相關信息

數字地球是以整個地球為研究對象。地球并不是一個物理星球與生物的簡單之和，而是一個包含物理、生物、人類等諸多因素的復雜整體。數字地球主要由空間數據、文本數據、操作平臺、應用模型等組成，因此，數字地球就是要求地球上的信息全部實現數字化。空間性、數字性和整體性三者的融合統一是數字地球的根本特征，形成了它與其他信息系統的根本區別。

1.2 數字地球中存儲的是經過處理的、可理解的信息

數字地球并不是影像資料的堆積，信息需經過數字化的處理才能被計算機理解。對于數字、文本等結構化數據的數字化過程目前的技術已經比較成熟，但對于圖形、圖像等非結構化數據的數字化處理則要困難得多，存在許多需要突破的技術瓶頸。充分利用數字地球中海量數據的困難之處就在于把這些原始數據變成可以理解的信息，這是建立數字地球首先要解決的問題，即信息的采集與處理問題。數字地球就是要求地球上的信息全部實現數字化。

1.3 數字地球的信息是有序組織、可快速檢索的

為了高效地利用數字地球存儲的海量信息，必須要選擇合理的數據組織方式，以達到快速檢索和使用，這是一個信息由無序到有序的過程，是典型的數據管理問題。數據可以按地理空間順序、時間順序、對象標識順序等方式來組織。數字地球是對現有信息資源的整合，并且能夠最大限度的利用信息資源。

通過上述分析可知，數字地球是與現實世界對應的虛擬世界，其根本就是信息化的地球，其中包括地球大部分要素的數字化、智能化、可視化、網絡化的全部過程。圖1描述出了數字地球與現實世界相互作用的這一過程[1]。

由此可見，數字地球的建設包括了信息化的全部過程（即采集、處理、管理和應用），缺一不可。這個過程高度集中統一地反映到了數字地球建設過程中，因此，對信息采集、處理、管理和應用方式提出了極高的要求，對信息處理的全過程需要具有根本性的突破。從技術的角度來說，是對現代信息技術、遙感、遙測、全球定位系統、互聯網絡、仿真與虛擬技術等現代科技的高度綜合和升華。

2 數字地球與數字化戰場建設

數字化戰場[2]，又稱戰場數字化，是指以信息技術為基礎，以信息環境為依托，用數字化設備將指揮、控制、計算機、情報、電子對抗等網絡系統聯為一體，能實現各類信息資源的共享，作戰信息實時地交換，以支持指揮員、戰斗員和保障人員信息活動的整個作戰多維信息空間。數字化戰場是未來戰場的一種表現形式，是由于充分運用信息技術，實現戰場信息共享，從而形成的一種精確測算、上下貫通、密切協同的整體作戰態勢，最大限度地滿足決策者、戰斗員、戰斗支援人員和戰斗勤務保障人員對作戰實時信息的需求。數字地球軍事應用的一個很重要的領域就是數字化戰場的建設，利用數字地球建設全球或區域化的數字戰場，可以將戰場態勢感知能力提高到一個新水平，大大減少了戰爭的迷霧。數字地球與數字化戰場兩者之間的關系主要體現在兩個方面：

2.1 數字地球是數字化戰場建設的重要內容[3]

數字化戰場建設的主要內容有：戰場環境、偵察預警、信息傳輸、指揮控制、后勤保障、數字化部隊等多方面，無論哪一個方面，“信息”在其中起到了至關重要的作用。因此，要想構建一個功能強大的數字化戰場，形成高效的體系作戰能力，它的構建必須是全方位、一體化的一個過程，涉及到信息的整個生命周期，即包含了從信息的采集、處理、管理和應用的全部過程。而這恰是數字地球建設的核心內容。數字地球對各種信息特別是對空間信息的采集、處理、更新提出了極高的要求，它要求信息采集及時全面準確、信息處理快速實時、信息管理安全高效、信息應用方便快捷。

數字地球的基礎技術由遙感、遙測、地理信息系統、因特網等組成，它是建立在各種各樣的空間和非空間數據基礎之上的。隨著空間信息技術的發展，遙感等技術愈來愈成為大范圍、多尺度、多類型的海量的空間數據的獲取手段，然后再用來對各種空間和非空間數據進行存儲、管理、分析、表現和應用，這便構成了數字地球技術系統的基礎。利用計算機再把真實的地球重現出來，形成一個巨系統，它可以有效地支持包括地形地貎偵察、軍事目標跟蹤監視、飛行器定位、導航、武器制導、打擊效果偵察、戰場仿真、作戰指揮等多方面的數字化戰場的軍事應用。所以，數字地球是數字化戰場建設的重要內容。

2.2 數字化戰場的需求與數字地球的思想完全一致[4?6]

從技術上分析，數字地球具有以下三個特性：

（1）實時性。數字地球是與現實世界對應的虛擬系統，它要能及時反映現實世界的變化，所以，要求傳感設備必須能及時感知到現實的變化，并能快速的將這種變化反應到系統中。尤其對于軍事應用，這種要求必須要能達到實時的能力。比如，對于軍事打擊而言就是發現目標即打擊。

（2）全面性。數字地球存儲的是地球上的所有信息，數字地球的思想與傳統信息系統的區別就是信息的完備性，所以，信息的全面性、完整性是數字地球的另一個重要特性。

（3）互聯互通性。數字地球中的海量數據采用的是分布式存儲方式，對信息的應用和相互合作需要信息共享，高速的網絡是實現海量數據傳輸的基礎，只有計算機之間的互聯互通才能充分實現信息的共享。網絡寬帶化、業務綜合化是信息化社會通信網絡的發展方向，也是實現數字地球構想的必不可少的途徑。

從戰爭的角度來關注數字化戰場建設，其也包含以下三個特性：

（1）快速高效性。對商人而言時間就是金錢，而對軍隊時間就是生命。戰爭的勝負往往就決定在一瞬之間，快一秒則勝，慢一秒則敗，這樣的例子舉不勝舉。信息的實時性是對作戰指揮快速高效的有力保證。

（2）軍隊應急指揮的需要。戰爭具有高度的對抗性，誰也不能預測下一秒會發生什么，更不可能提前預知需要用到哪些信息，等到事情發生再去臨時收集就來不及了。所謂養兵千日，用兵一時，就是說明了有備無患這個道理。在現代戰爭中，各種信息的完備性是數字化戰場建設是必不可少的內容之一，是滿足戰時應急指揮必須要建設的內容。

（3）縮短指揮控制過程。現代戰爭的指揮控制與傳統的方式相比發生了很大的變化，指揮中心可以直接指揮連排甚至到兵，這就大大縮短了指揮控制的過程，提高了指揮控制的效率。比如，擊斃本·拉登，為保證突襲的成功，在絕密的狀態下五角大樓親自制定作戰計劃，并由中情局親自指揮并全程觀看了美海豹突擊隊行動的全部過程。系統與平臺之間的互聯互通性是這個過程的基礎。

圖2反映了數字地球特性與數字化戰場需求之間的關系。

3 基于數字地球基礎平臺的數字化戰場應用

框架

我國現有的數字地球系統在數據處理精度、數據管理能力、圖形顯示等方面還存在許多不足，部分關鍵技術缺乏自主知識產權，尚無滿足我軍數字化戰場建設需要的數字地球系統。由于數字地球涉及到的學科眾多，如全球定位系統、遙感、地理信息系統、測量學、制圖學、圖形圖像學、計算機科學與技術等多門學科，涉及到的部門也眾多，使得目前任何一個部門都無法獨立承擔起對數字地球的發展進行規劃和調控的責任，因此，站在更高的層次上對數字地球的建設工作進行統籌規劃是十分必要的[7]。鑒于軍隊組織高度統一、集中管理的特點，構建用于軍事應用的數字地球是可行的，要完成這一目標，需要統籌規劃分步實施，一是對關鍵技術的探索和研究；二是在前期關鍵技術突破的基礎之上，構建具有我軍特色的數字地球基礎平臺；三是在基礎平臺之上，建立滿足不同應用需求的軍事應用系統。這里，基礎平臺的建設是至關重要的。

數字地球基礎平臺的內容可以參照信息全生命周期的過程來進行設計，如圖3所示，即從信息的采集、處理、管理和應用所涉及到的技術和方法來搭建平臺，據此，基礎平臺的構成包括數據自動處理、信息安全、非結構化海量數據管理、數據的可視化表示四個層次。數據的自動處理重點是對高精度空間數據的處理，研究如何提高數據源處理的精度，快速產生構建數字地球所需要的高精度空間數據；信息安全重點研究在數字地球這種大互聯大互通情況下的安全解決措施及策略；非結構化海量數據管理重點研究如何對全球范圍的地形、影像、矢量等多源數據進行高效管理，實現海量數據的快速查詢和訪問，以滿足圖形實時顯示的需要；信息的可視化表示則重點研究基于虛擬現實技術的信息表示手段與方法[8]。

在數字地球基礎平臺的基礎之上，可以構建滿足數字化戰場需要的各種軍事應用，應用框架如圖4所示。該應用框架的數據源主要包括各類遙感影像空間數據，如DEM數據、DOM數據、3D模型、矢量數據等，它可以是事先獲取的靜態數據，也可以是實時傳輸獲取的動態數據，數字地球基礎平臺主要包括空間信息管理、高精度空間數據處理和圖形實時顯示三大模塊，圖形實時顯示模塊，做到瀏覽速度與數據量無關，從而實現了基于全球空間數據的實時瀏覽；高精度空間數據處理模塊，用于計算高精度的空間數據；空間信息管理模塊，采用四叉樹邏輯結構與千叉樹物理存儲結構相結合的方式對海量空間數據進行管理，支持快速的數據讀取，數據的安全管理集成在空間信息管理部分，在此框架下，可以完成針對不同數字化戰場需要的各類應用系統，如地形地貎偵察、目標跟蹤監視、導航、制導、戰場仿真、后勤保障等各類應用，還可以完成諸如，戰略規劃、指揮決策、定量定性分析、效果評估等決策分析的功能。

4 結 語

數字地球系統在現代化的戰爭中具有重大的戰略意義。本文主要從信息處理的視角，結合信息全生命周期的過程闡述了對數字地球的理解，并結合數字化戰場建設的需求，分析了數字地球與數字化戰場之間的關系，所提出的基于數字地球基礎平臺的數字化戰場應用框架，可以較好地滿足數字化戰場的建設需要。由于數字地球是一個典型的平戰結合，軍民結合的系統工程，本文所提出的框架對其他領域的數字地球應用也是具有借鑒意義的。數字地球的提出是全球信息化的必然產物，是一項長期的戰略目標，需要經過全人類的共同努力才能實現。同時，數字地球的建設與發展將加快全球信息化的步伐，在很大程度上改變人們的生活方式，并創造出巨大的社會財富，為人類社會的發展作出巨大貢獻。

參考文獻

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