摘要：本文分析了數(shù)字地球的發(fā)展及其取得的成就，探討了伴隨著IT技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)這一新的基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)計(jì)了基于全I(xiàn)P架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)的平臺框架和典型應(yīng)用，并展望了從數(shù)字地球發(fā)展到智慧地球的趨勢和美好前景。
關(guān)鍵詞：數(shù)字地球，傳感器網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)，智慧地球，數(shù)據(jù)服務(wù)，功能服務(wù)
1 數(shù)字地球及其取得的成就
前美國副總統(tǒng)阿爾·戈?duì)栐?998年提出數(shù)字地球時(shí)，為我們勾勒出一個(gè)誘人的虛擬地球景象，使真實(shí)地球作為一個(gè)虛擬地球進(jìn)入了互聯(lián)網(wǎng)，使普通老百姓，甚至一個(gè)小孩子都能方便地運(yùn)用一定的科學(xué)手段了解自己所想了解的有關(guān)地球的現(xiàn)狀和歷史，既能獲得自然方面的信息，如地形、地貌、地質(zhì)構(gòu)造、山脈河流、礦藏分布、氣候氣象等，也能獲得人文方面的信息，如經(jīng)濟(jì)、文化、金融、人口、交通、風(fēng)土人情等，真可謂“全部地球盡收眼底”[1]。這個(gè)虛擬的數(shù)字地球以空間位置為關(guān)聯(lián)點(diǎn)整合相關(guān)資源(以地理信息系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成各類數(shù)據(jù)資源)，實(shí)現(xiàn)了“秀才不出門，能知天下事”(See everything on Web)。
圖1真實(shí)地球和數(shù)字地球的關(guān)系
數(shù)字地球是一個(gè)無縫的覆蓋全球的地球信息模型，把分散在地球各地的從各種不同渠道獲取到的信息，按地球的地理坐標(biāo)組織起來，既能體現(xiàn)出地球上各種信息 (自然的、人文的、社會(huì)的)的內(nèi)在有機(jī)聯(lián)系，又便于按地理坐標(biāo)進(jìn)行檢索和利用。數(shù)字地球是信息化的地球，它包括全部地球資料的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化的過程在內(nèi)。
項(xiàng)目來源：國家973重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(No.2010CB731800)、國家863重點(diǎn)項(xiàng)目(No.2009AA121404)、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目 (N010978003)
數(shù)字地球的核心思想是用數(shù)字化手段整體性地解決地球問題并最大限度地利用信息資源。數(shù)字地球從數(shù)字化、數(shù)據(jù)構(gòu)模、系統(tǒng)仿真、決策支持一直到虛擬現(xiàn)實(shí)，是一個(gè)開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)，是一個(gè)全球綜合信息的數(shù)據(jù)系統(tǒng)工程。數(shù)字地球的特點(diǎn)是空間性、數(shù)字性和整體性，它有自己的理論體系、技術(shù)體系、應(yīng)用體系、工程體系，在這樣的數(shù)字地球上，世界各國共同建立了GEOSS(Globe Earth Observation System of Systems)系統(tǒng)，提出了十年行動(dòng)計(jì)劃，旨在從九個(gè)方面支持社會(huì)可持續(xù)發(fā)展：
(1)減少自然或人為災(zāi)害所造成的生命財(cái)產(chǎn)損失;
(2)了解環(huán)境因素對人類健康和生命的影響;
(3)改善對能源資源的管理;
(4)了解、評價(jià)、預(yù)測以及適應(yīng)氣候變異與變化;
(5)了解水循環(huán)、改善水資源的管理;
(6)改善氣象信息，天氣預(yù)報(bào)與預(yù)警;
(7)提高對陸地、海岸、海洋生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與管理;
(8)支持可持續(xù)農(nóng)業(yè)，減少全球荒漠化;
(9)了解、監(jiān)測和保護(hù)生物多樣性。
下面從十多年的發(fā)展來總結(jié)一下數(shù)字地球所取得的主要成就。
1.1數(shù)字地球?qū)崿F(xiàn)了從二維到三維的跨越
地圖長期以來被認(rèn)為是表達(dá)、傳輸和研究地理信息的最佳方式或載體，然而近年來這一觀念已被打破了。數(shù)字地球作為一個(gè)三維的地球信息模型，便被認(rèn)為是迄今為止人類掌握地球表面信息最好的方式。它的出現(xiàn)，使人類在描述和分析地表空間事物的信息上，獲得了一次飛躍——從二維到三維的突破。圖2為泰州市人民公園精細(xì)真三維模型。
圖2 泰州市人民公園真三維模型
1.2數(shù)字地球?qū)崿F(xiàn)了對地球多分辨率和多時(shí)態(tài)的觀測與分析
數(shù)字地球是用數(shù)字方式為研究地球及其環(huán)境的科學(xué)家尤其是地學(xué)家服務(wù)的重要手段。地殼運(yùn)動(dòng)、地質(zhì)現(xiàn)象、地展預(yù)報(bào)、氣象預(yù)報(bào)、土地動(dòng)態(tài)監(jiān)測、資源調(diào)查、災(zāi)害預(yù)測和防治、環(huán)境保護(hù)等等無不需要利用數(shù)字地球。而且數(shù)據(jù)的不斷積累，最終將有可能使人類能夠更好地認(rèn)識和了解我們生存和生活的這個(gè)星球，運(yùn)用海量地球信息對地球進(jìn)行多分辨率、多時(shí)空和多種類的三維描述將不再是幻想。圖3為北京市基于遙感影像的違章建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測示例性成果。由下圖的監(jiān)測成果可以看出，抓緊建立城市規(guī)劃動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，基于數(shù)字地球相關(guān)技術(shù)，加強(qiáng)對城市規(guī)劃建設(shè)情況的動(dòng)態(tài)監(jiān)管，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?！ ?/p>
圖3 北京市基于遙感影像的違章建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測
1.3數(shù)字地球?qū)崿F(xiàn)了基于圖形和基于空天地一體化實(shí)景影像的可視化和可量測
數(shù)字地球的提出推動(dòng)了基于圖形和基于影像的空間數(shù)據(jù)的三維可視化?；趫D形的三維可視化可用于三維GIS的空間分析，如通視路徑選擇、噪聲和污染模型分析。貼上真實(shí)紋理的三維地形和城市模型可用于景觀分析、構(gòu)成虛擬地理環(huán)境和數(shù)字文化遺產(chǎn)?；谟跋竦娜S實(shí)景影像模型，可構(gòu)成大面積無縫的立體正射影像和沿街道的實(shí)景影像，用于可視化和由用戶自主實(shí)施的“按需測量”[2]。兩種方法的有機(jī)結(jié)合可彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)電子地圖的不足，可直接向公安、市政、交通、導(dǎo)航、LBS等行業(yè)提供滿足需要的高精度的地圖數(shù)據(jù)、全要素信息以及厘米級分辨率的影像數(shù)據(jù)，這種“可視、可量、可挖掘”的近景影像數(shù)據(jù)即被稱為可量測的實(shí)景影像，它與網(wǎng)絡(luò)電子地圖產(chǎn)品相結(jié)合，則可搭建一個(gè)以正射影像和實(shí)景影像為主要共享數(shù)據(jù)源的“影像地球”?？闪繙y實(shí)景影像連同立體像對前方交會(huì)算法一起放在網(wǎng)上，任何終端上的用戶即可按自己的需要進(jìn)行量算和解譯。圖4為集成數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字可量測影像(DMI)和數(shù)字線劃圖(DLG)的數(shù)字城市瀏覽功能。
1.4 數(shù)字地球?qū)崿F(xiàn)了基于Web Service 的空間信息共享與智能服務(wù)
Web Service 技術(shù)是當(dāng)今信息領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的一種信息服務(wù)技術(shù)。地球空間信息領(lǐng)域利用Web Service技術(shù)可以對各種空間信息資源進(jìn)行注冊，并提供在線服務(wù)，包括：地球空間信息資源注冊服務(wù)，傳感器服務(wù)，空間信息傳輸服務(wù)，空間數(shù)據(jù)服務(wù)，空間信息處理服務(wù)，空間信息資源組合服務(wù)，空間信息服務(wù)質(zhì)量，空間信息智能搜索服務(wù)，空間信息分發(fā)服務(wù)，空間信息可視化服務(wù)等等。對各種服務(wù)資源進(jìn)行組合，可以加工提取更高級的信息，提供更智能化的服務(wù)。
數(shù)字地球作為一個(gè)空間信息集成平臺，可以集成整合來自網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的各種與地球空間信息相關(guān)的各種社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息，然后又通過Web Service技術(shù)向社會(huì)和專業(yè)部門提供智能服務(wù)。圖5 是通過虛擬數(shù)字地球 GeoGlobe集成來自NASA的每周地震觀測數(shù)據(jù)。
圖5 GeoGlobe集成來自NASA的每周地震觀測數(shù)據(jù)
采用Web Service 技術(shù)可以將分布在全球范圍內(nèi)的空間數(shù)據(jù)和處理軟件按照一定的工作流程聚合起來，通過遠(yuǎn)程訪問和遠(yuǎn)程計(jì)算，得到用戶所需要的結(jié)果，直接提供空間信息或地學(xué)知識的服務(wù)[3]。圖6所示是基于Web Service技術(shù)將美國NASA和測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的處理軟件聚合起來，得到抽象服務(wù)鏈，然后轉(zhuǎn)化為執(zhí)行鏈并調(diào)用相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式計(jì)算，得到的江西鄱陽湖地區(qū)的洪水淹沒范圍，直接展示在GeoGlobe上。 [page]
圖6 采用Web Service技術(shù)進(jìn)行聚合服務(wù)直接得到洪水淹沒范圍
1.5 數(shù)字地球通過興趣點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了與非空間信息的關(guān)聯(lián)，以服務(wù)全民
為更好地滿足各類用戶的需求，充實(shí)用戶的參與感和創(chuàng)造力，我們可以把地球上的標(biāo)志性建筑等公共興趣點(diǎn)標(biāo)注在數(shù)字地球網(wǎng)站上，同時(shí)提供用戶個(gè)性化參與標(biāo)注的功能?？梢詫⑴c人們衣食住行有關(guān)的企業(yè)的位置、圖像和網(wǎng)站信息通過Web 2.0上傳到網(wǎng)絡(luò)上。只要您感興趣，就可以查看興趣點(diǎn)的衛(wèi)星圖像、地圖、地形和3D建筑。你可以探索豐富的地理知識，保存你游覽過的地點(diǎn)并與他人分享。例如，下圖為基于實(shí)景影像標(biāo)注武漢市步行街上的魯巷廣場?！ ?/p>
圖7基于實(shí)景影像的興趣點(diǎn)標(biāo)注
數(shù)字地球直接影響到我們的生活。平時(shí)我們常說的網(wǎng)上購物、電子貨幣、電子銀行、電子商務(wù)等到時(shí)候已相當(dāng)成熟和完善。GPS與電子地圖導(dǎo)航、Google Earth和Virtual Earth等技術(shù)使人們更加真實(shí)和真正地身臨其境地到達(dá)地球上任何一個(gè)想要到達(dá)的地方，實(shí)現(xiàn)“足不出戶，可知天下事”!但同時(shí)，數(shù)字地球服務(wù)從最初的基于單純的符號、文字和二維地圖上升到三維、航空和地面多視角等多維位置服務(wù)，地理空間信息服務(wù)數(shù)據(jù)正朝著“大信息量”、“高精度”、“可視化”和“可量測”方向發(fā)展，對數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、加工、服務(wù)內(nèi)容和更新手段提出了自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化和智能化的更高要求。
2 傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)及其發(fā)展
傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一定數(shù)量的傳感器節(jié)點(diǎn)通過某種有線或無線通信協(xié)議聯(lián)結(jié)而成的測控系統(tǒng)，這些節(jié)點(diǎn)由傳感、數(shù)據(jù)處理和通信等功能模塊構(gòu)成，都安放在被測對象內(nèi)部或附近，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)與通常的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)最大的不同在于，一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由它的空間位置和傳感器類型來共同確定，而一個(gè)普通的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只由一個(gè)唯一標(biāo)示符確定。而且傳感器網(wǎng)絡(luò)具有更好的容錯(cuò)性、實(shí)時(shí)性和對環(huán)境變化的自適應(yīng)能力。與傳統(tǒng)傳感器和傳統(tǒng)測控系統(tǒng)相比，傳感器網(wǎng)絡(luò)具有明顯的優(yōu)勢。它采用點(diǎn)對多點(diǎn)的傳感器總線甚至無線連接，大大減少了電纜連線，在傳感器節(jié)點(diǎn)端即合并了模擬信號調(diào)理、數(shù)字信號處理和網(wǎng)絡(luò)通信功能，節(jié)點(diǎn)具有自檢功能，系統(tǒng)性能與可靠性明顯提升而成本明顯縮減。
2.1天-空-地一體化的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)
2006年Nature雜志發(fā)表封面論文: 2020 Vision，認(rèn)為觀測網(wǎng)將首次大規(guī)模地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地獲取現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)，觀測網(wǎng)是一個(gè)觸及現(xiàn)實(shí)世界的計(jì)算科學(xué)，將是下一個(gè)科學(xué)前沿。
為不同應(yīng)用目的而設(shè)計(jì)出的不同的遙感傳感器，對城市資源管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)測服務(wù)具有不同尺度的探測能力，而信息技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展帶來了遙感數(shù)據(jù)源的極大豐富，每天都有數(shù)量龐大的不同分辨率的遙感信息，從各種傳感器上接收下來。這些高分辨率、高光譜的遙感數(shù)據(jù)為遙感定量化、動(dòng)態(tài)化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化及利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行地球各種資源的管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)測和服務(wù)[4]。圖8是一個(gè)用智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)城市網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)的例子，城市管理員用手機(jī)上傳圖片給監(jiān)督中心以實(shí)現(xiàn)及時(shí)維修井蓋的過程?！?/p>
圖8服務(wù)于城市精細(xì)化管理的傳感器示例
作者曾提出，廣義空間信息網(wǎng)格是指在網(wǎng)格技術(shù)支撐下空間數(shù)據(jù)獲取、更新、傳輸、存儲、處理、分析、信息提取、知識發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用的新一代空間信息系統(tǒng)。廣義空間信息網(wǎng)格由智能傳感器網(wǎng)絡(luò)、基于網(wǎng)格計(jì)算的多傳感器數(shù)據(jù)—信息—知識的智能處理系統(tǒng)。其中智能傳感器網(wǎng)絡(luò)是是空間信息網(wǎng)格的數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，也是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)之一。
隨著傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信(包括無線和移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信等)技術(shù)的進(jìn)步，在上述網(wǎng)格技術(shù)和網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境下，未來的傳感器將構(gòu)成價(jià)廉、大中小型相結(jié)合、無處不在的、接觸或非接觸的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)。
Neil Gross在“地球?qū)⒏缴弦粚与娮悠?rdquo;一文中對傳感器網(wǎng)作了如下的描述：“在下一世紀(jì)(即21世紀(jì))，行星地球?qū)⒏缴弦粚与娮悠6]。它用互聯(lián)網(wǎng)作為骨架來支持和傳輸各種感知。這張皮被縫合在一起，它由上百萬個(gè)嵌入式電子測量器件組成，包括恒溫計(jì)、壓力計(jì)、污染檢測儀、攝影機(jī)、麥克風(fēng)、葡萄糖傳感器、各種心電圖機(jī)和腦電圖機(jī)等等。它們將測量和監(jiān)測城市和瀕危物種;大氣;艦船、公路和運(yùn)輸車隊(duì);人們的對話、身體乃至我們的夢境。” [page]
我們認(rèn)為智能傳感器網(wǎng)應(yīng)當(dāng)具有以下功能特點(diǎn)：
(1)它是一個(gè)無處不在的、接觸或非接觸的、具有數(shù)據(jù)采集和通信功能的傳感器網(wǎng)絡(luò);
(2)它具有一定的在線數(shù)據(jù)處理功能，以滿足實(shí)時(shí)用戶對數(shù)據(jù)加工、信息提取的實(shí)時(shí)要求;
(3)智能傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)融入全球計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)格，能根據(jù)用戶需求的不同級別，合理地調(diào)配其資源，實(shí)現(xiàn)信息傳輸、智能控制和靈性服務(wù)。
2.2物聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)化和信息化融合的產(chǎn)物
“物聯(lián)網(wǎng)”的概念于1999年提出，最初的定義為“把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識別和管理”。2005年11月17日，在突尼斯舉行的信息社會(huì)世界峰會(huì)上，國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，正式提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念。物聯(lián)網(wǎng)的定義是：通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。具體地說，就是把感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，并且被普遍連接，形成物聯(lián)網(wǎng)。
20世紀(jì)80年代，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)為代表的現(xiàn)代信息技術(shù)已取得突破性進(jìn)展，信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)已成為經(jīng)濟(jì)增長的主導(dǎo)，成為世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要推動(dòng)力量，信息化成為席卷全球的新浪潮，人類社會(huì)正在走向全新的信息經(jīng)濟(jì)時(shí)代。而信息能力也已成為衡量國家綜合國力和國際競爭力的重要標(biāo)志，提高信息化水平是國家謀求發(fā)展的必經(jīng)之路。
中國早在1999年就提出來了，不過，當(dāng)時(shí)不叫“物聯(lián)網(wǎng)”而叫傳感網(wǎng)。中科院早在1999年就啟動(dòng)了傳感網(wǎng)的研究和開發(fā)。與其它國家相比，我國的技術(shù)研發(fā)水平處于世界同一水平，具有同發(fā)優(yōu)勢和重大影響力。在國家大力推動(dòng)工業(yè)化與信息化融合的大背景下，物聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)化乃至更多行業(yè)信息化過程中一個(gè)比較現(xiàn)實(shí)的突破口。新型工業(yè)化的本質(zhì)就在于“以信息化帶動(dòng)工業(yè)化,以工業(yè)化促進(jìn)信息化”。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器的互聯(lián)互通。圖9為當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)所采用的一般架構(gòu)。
圖9物聯(lián)網(wǎng)的一般架構(gòu)
國際電聯(lián)曾預(yù)測，未來世界是無所不在的物聯(lián)網(wǎng)世界，到2017年將有7萬億傳感器為地球上的70億人口提供服務(wù)。
2.3 全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)
IP(Internet Protocol)規(guī)定了計(jì)算機(jī)在因特網(wǎng)上進(jìn)行通信時(shí)應(yīng)當(dāng)遵守的規(guī)則。任何廠家生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，只要遵守IP協(xié)議就可以與因特網(wǎng)互連互通。正是因?yàn)橛辛薎P協(xié)議，因特網(wǎng)才得以迅速發(fā)展成為世界上最大的、開放的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)。未來的網(wǎng)絡(luò)將是全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，全I(xiàn)P能無縫集成各種接入方式，將寬帶、移動(dòng)因特網(wǎng)和現(xiàn)有的無線系統(tǒng)都集成到IP層中，通過一種網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供所有通信服務(wù)，并為運(yùn)營商帶來許多好處，如節(jié)省成本、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和靈活性、提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作效率、創(chuàng)造新的收入機(jī)會(huì)等等。
物聯(lián)網(wǎng)通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。通過物聯(lián)網(wǎng)人們可以對任何感興趣的事物進(jìn)行感知和操作。物聯(lián)網(wǎng)由統(tǒng)一的編碼系統(tǒng)、智能傳感器網(wǎng)以及信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。智能傳感器網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集和事物監(jiān)督系統(tǒng)。它利用各種儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)對靜止或移動(dòng)物體的自動(dòng)識別，并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由本地網(wǎng)絡(luò)和全球互聯(lián)網(wǎng)組成，是實(shí)現(xiàn)信息管理、信息流通的功能模塊。信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是在全球互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過SAVANT管理軟件系統(tǒng)以及對象命名解析服務(wù)(ONS)和實(shí)體標(biāo)記語言(PML)實(shí)現(xiàn)全球“實(shí)物互聯(lián)”。
全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)集智能傳感網(wǎng)、智能控制網(wǎng)、智能安全網(wǎng)的特性于一體，真正做到將識別、定位、跟蹤、監(jiān)控、管理等智能化，將數(shù)字地球“秀才不出門，能知天下事”提高到了“秀才不出門，能做天下事”(Do everything on Web)的新的高度。
要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)就需要將所有需實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程互操作的人和物直接聯(lián)到互聯(lián)網(wǎng)上來，從而引發(fā)新的經(jīng)濟(jì)生長點(diǎn)。引發(fā)的主要挑戰(zhàn)是如何為智能傳感網(wǎng)和智能控制網(wǎng)建立一個(gè)智能的安全網(wǎng)。在數(shù)字地球中主要抓的是信息安全，而在物聯(lián)網(wǎng)中要解決的是物聯(lián)網(wǎng)管理、控制和操作的安全。這要比單純的信息安全有更大的難度，需要加以攻關(guān)解決。
3 從數(shù)字地球到智慧地球
3.1智慧地球的出現(xiàn)
2009年1月28日，奧巴馬就任美國總統(tǒng)后，與美國工商業(yè)領(lǐng)袖舉行了一次“圓桌會(huì)議”，作為僅有的兩名代表之一，IBM首席執(zhí)行官彭明盛首次提出“智慧地球”(Smart Earth)這一概念，建議新政府投資新一代的智慧型基礎(chǔ)設(shè)施。這一理念的主要內(nèi)容是，把新一代的IT技術(shù)充分運(yùn)用到各行各業(yè)之中，即要把傳感器裝備到我們生活中的各種物體當(dāng)中，并且連接起來，形成“物聯(lián)網(wǎng)”，并通過超級計(jì)算機(jī)和云計(jì)算將“物聯(lián)網(wǎng)”整合起來，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上數(shù)字地球與人類社會(huì)和物理系統(tǒng)的整合。在此基礎(chǔ)上，人類可以以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，從而達(dá)到“智慧”狀態(tài)。在智慧的地球上，我們將看到智慧的醫(yī)療、智慧的電網(wǎng)、智慧的油田、智慧的城市、智慧的企業(yè)等。
2009年8月7日，溫家寶總理在中科院無錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心考察時(shí)指出，傳感網(wǎng)是一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了物與物的互聯(lián)而被稱作“物聯(lián)網(wǎng)”。當(dāng)前，世界不少發(fā)達(dá)國家加大這方面投入，研究開發(fā)新技術(shù)，力圖占據(jù)領(lǐng)先位置。2009年11月3日，溫家寶總理發(fā)表了題為“讓科技引領(lǐng)中國可持續(xù)發(fā)展”的講話。溫家寶強(qiáng)調(diào)，要著力突破傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，及早部署后IP時(shí)代相關(guān)技術(shù)研發(fā)，使信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)成為推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級、邁向信息社會(huì)的“發(fā)動(dòng)機(jī)”。目前，我國也將這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展列入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃。
“物聯(lián)網(wǎng)”概念的問世，打破了之前的傳統(tǒng)思維。過去的思路一直是將物理基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施分開：一方面是機(jī)場、公路、建筑物，而另一方面是數(shù)據(jù)中心，個(gè)人電腦、寬帶等。物聯(lián)網(wǎng)，將與水、電、氣、路一樣，成為地球上的一類新的基礎(chǔ)設(shè)施。[page]
3.2 智慧地球的特征
數(shù)字地球把遙感技術(shù)、地球信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展等社會(huì)需要聯(lián)系在一起，為全球信息化提供了一個(gè)基礎(chǔ)框架。而物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。我們將數(shù)字地球與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，就可以實(shí)現(xiàn)“智慧的地球”。
把數(shù)字地球與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來所形成的“智慧地球”將具備以下一些特征：
第一，“智慧地球”包含物聯(lián)網(wǎng)
物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通訊。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該具備三個(gè)特征：
(1)全面感知，即利用RFID、傳感器、二維碼等隨時(shí)隨地獲取物體的信息;
(2)可靠傳遞，通過各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞出去;
(3)智能處理，利用云計(jì)算，模糊識別等各種智能計(jì)算技術(shù)，對海量的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，對物體實(shí)施智能化的控制。
第二，“智慧地球”面向應(yīng)用和服務(wù)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是無線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合與以往的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相比它更多的是以數(shù)據(jù)為中心。由微型傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則一般是為 了某個(gè)特定的需要設(shè)計(jì)的，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)廣泛的應(yīng)用程序不同的是無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)通常是針對某一特定的應(yīng)用，是一種基于應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測 、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息將其傳送到需要這些信息的用戶。
第三，智慧地球與物理世界融為一體
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，各節(jié)點(diǎn)內(nèi)置有不同形式的傳感器，用以測量熱、 紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號等，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等眾多我們感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以人為中心，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則是以數(shù)據(jù)為中心。
第四，智慧地球能實(shí)現(xiàn)自主組網(wǎng)、自維護(hù)
一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中可能包括成百上千或者更多的傳感節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)通過隨機(jī)撒播等方式進(jìn)行安置。對于由大量節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的傳感網(wǎng)絡(luò)而言，手工配置是不可行的。因此，網(wǎng)絡(luò)需要具有自組織和自動(dòng)重新配置能力。同時(shí)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)或者局部幾個(gè)節(jié)點(diǎn)由于環(huán)境改變等原因而失效時(shí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋺?yīng)能隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化。因此，要求網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備維護(hù)動(dòng)態(tài)路由的功能，才能保證網(wǎng)絡(luò)不會(huì)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障而癱瘓。[page]
4 智慧地球的架構(gòu)及其典型應(yīng)用
4.1 智慧地球架構(gòu)
如下圖所示，智慧地球可從以下四個(gè)層次來架構(gòu)：
(1)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備層：該層是智慧地球的神經(jīng)末梢，包括傳感器節(jié)點(diǎn)、射頻標(biāo)簽、手機(jī)、個(gè)人電腦、PDA、家電、監(jiān)控探頭。
(2)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)支撐層：包括無線傳感網(wǎng)、P2P網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)格計(jì)算網(wǎng)、云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，是泛在的融合的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)保障，體現(xiàn)出信息化和工業(yè)化的融合。
(3)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)層：Internet網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、3G等移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。
(4)應(yīng)用層：包括各類面向視頻、音頻、集群調(diào)度、數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用。
圖10智慧地球的架構(gòu)圖
4.2 智慧地球典型應(yīng)用
“智慧地球”的目標(biāo)是讓世界的運(yùn)轉(zhuǎn)更加智能化，涉及個(gè)人、企業(yè)、組織、政府、自然和社會(huì)之間的互動(dòng)，而他們之間的任何互動(dòng)都將是提高性能、效率和生產(chǎn)力的機(jī)會(huì)。隨著地球體系智能化的不斷發(fā)展，也為我們提供了更有意義的、嶄新的發(fā)展契機(jī)。
除了在國防和國家安全的應(yīng)用外，“智慧地球”在各行各業(yè)將會(huì)有著很廣泛的應(yīng)用，下面列舉一些具體的典型應(yīng)用。
(1)城市網(wǎng)格化管理與服務(wù)
“智慧的地球”可以更有效的實(shí)現(xiàn)城市網(wǎng)格化管理和服務(wù)。例如，武漢市有200多萬個(gè)部件設(shè)施，800多萬人，每年超過60萬件事情，我們可以通過智能采集數(shù)據(jù)、智能分析，將這些部件設(shè)施、人口、事件進(jìn)行有效的管理和服務(wù)。
(2)智能交通
智能交通系統(tǒng)通過對傳統(tǒng)交通系統(tǒng)的變革，提升交通系統(tǒng)的信息化、智能化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化，智能采集交通信息、流量、噪音、路面、交通事故、天氣、溫度等，從而保障人、車、路與環(huán)境之間的相互交流，進(jìn)而提高交通系統(tǒng)的效率、機(jī)動(dòng)性、安全性、可達(dá)性、經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到保護(hù)環(huán)境，降低能耗的作用。圖11為基于智慧地球的智能交通。
圖11基于智慧地球的智能交通
(3)數(shù)字家庭應(yīng)用
如下圖所示，不論我們在室內(nèi)還是在戶外，通過物聯(lián)網(wǎng)和各種接入終端，可以讓每個(gè)家庭都能感受到智慧地球的信息化成果?！ ?/p>
圖12 智慧地球的數(shù)字家庭應(yīng)用
5 結(jié)論和展望
本文總結(jié)了數(shù)字地球被提出以來所取得的成就，圍繞物聯(lián)網(wǎng)這一新的基礎(chǔ)設(shè)施，提出了從數(shù)字地球發(fā)展到智慧地球的必然趨勢。作者認(rèn)為，數(shù)字地球加上物聯(lián)網(wǎng)就可走向智慧地球。智慧地球支持人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器的參與和溝通，提供面向IP的靈性服務(wù)。作者設(shè)計(jì)了基于全I(xiàn)P架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)的平臺框架，嘗試了基于智慧地球的相關(guān)行業(yè)的典型應(yīng)用，并展望了從數(shù)字地球發(fā)展到智慧地球的美好前景。必須指出的是，要實(shí)現(xiàn)“智慧地球”，還需要我們認(rèn)真解決智慧傳感器網(wǎng)、智慧控制網(wǎng)和智慧安全網(wǎng)建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)和非技術(shù)問題。
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