美、英國(guó)家研究計(jì)劃揭示國(guó)際地球科學(xué)研究新動(dòng)向＊

張樹(shù)良

（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家科學(xué)圖書(shū)館蘭州分館／中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)信息中心，蘭州730000）

美、英國(guó)家研究計(jì)劃揭示國(guó)際地球科學(xué)研究新動(dòng)向＊

張樹(shù)良

（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家科學(xué)圖書(shū)館蘭州分館／中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)信息中心，蘭州730000）

近日，在美國(guó)最新國(guó)家研究計(jì)劃“大數(shù)據(jù)計(jì)劃”框架下，包括美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局和美國(guó)國(guó)家航空航天局在內(nèi)的美國(guó)政府主要機(jī)構(gòu)同時(shí)推出新的研究項(xiàng)目，并對(duì)現(xiàn)有研究部署做出相應(yīng)調(diào)整，此舉將帶動(dòng)包括地球科學(xué)在內(nèi)的各領(lǐng)域研究的新發(fā)展；與此同時(shí)，英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局也公布了其地球科學(xué)新領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。通過(guò)解讀這些最新的研究計(jì)劃，可以揭示出國(guó)際地球科學(xué)研究的新動(dòng)向。

國(guó)家研究計(jì)劃；研究項(xiàng)目；地球科學(xué)；大數(shù)據(jù)計(jì)劃；美國(guó)政府；英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局

1 新計(jì)劃框架下的美國(guó)地學(xué)研究新部署

2012年3月29日，美國(guó)政府宣布全面啟動(dòng)“大數(shù)據(jù)研發(fā)計(jì)劃”，該計(jì)劃旨在通過(guò)提升從大規(guī)模復(fù)雜目標(biāo)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)和解讀知識(shí)的能力，加速美國(guó)在自然科學(xué)與工程學(xué)領(lǐng)域知識(shí)發(fā)現(xiàn)的步伐，以強(qiáng)化美國(guó)國(guó)家安全，同時(shí)推動(dòng)美國(guó)教育體系改革。

整個(gè)計(jì)劃將由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）、美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院（NIH）、美國(guó)能源部（DOE）、美國(guó)國(guó)防部（DOD）、美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA）、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）等美國(guó)聯(lián)邦政府6大職能機(jī)構(gòu)聯(lián)合開(kāi)展，總投資超過(guò)2億美元。該計(jì)劃將使美國(guó)擁有從海量數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)中獲取和發(fā)現(xiàn)新知識(shí)的核心能力和關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)研究新計(jì)劃

美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局同期最新公布的美國(guó)“大數(shù)據(jù)研發(fā)計(jì)劃”框架下的8項(xiàng)新研究計(jì)劃包括：

（1）認(rèn)識(shí)和管理全球變化適應(yīng)力

研究將瞄準(zhǔn)生態(tài)適應(yīng)性科學(xué)空白，開(kāi)發(fā)生態(tài)適應(yīng)性管理的可行框架。主要內(nèi)容包括：①對(duì)目前分散的研究予以整合，克服復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)及有關(guān)系統(tǒng)非連續(xù)性研究方面的交流障礙，重新審視并考證有關(guān)非連續(xù)理論的關(guān)鍵質(zhì)疑；②確定物種邊界變化是否能夠作為表征系統(tǒng)層面生態(tài)系統(tǒng)變化的核心指標(biāo)，并指示單一系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生顯著突變的位置，同時(shí)論證有關(guān)具有最高種群數(shù)量變率的物種的具體分布非隨機(jī)性的假設(shè)；③開(kāi)發(fā)新的生物多樣性、種群規(guī)模與適應(yīng)性之間的關(guān)系模型以揭示種群數(shù)量及其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)功能響應(yīng)。

（2）全球溫帶旱地生態(tài)系統(tǒng)氣候變化及生態(tài)水文學(xué)研究

將土壤水模型與全球溫帶旱地生態(tài)系統(tǒng)日常氣象數(shù)據(jù)整合，以揭示缺水生態(tài)體系水文系統(tǒng)未來(lái)的潛在變化?；谌蚝献鞴餐芯看_定相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行模型驗(yàn)證和模擬結(jié)果解釋。項(xiàng)目的預(yù)期結(jié)果將包括：對(duì)旱地生態(tài)系統(tǒng)的重要屬性、不確定性及脆弱性的理解，以及對(duì)全球溫帶旱地生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)前及未來(lái)生態(tài)系統(tǒng)水平衡和水的可獲取性的評(píng)估結(jié)果。

（3）汞循環(huán)及其生物體累積效應(yīng)和北美西部風(fēng)險(xiǎn)研究：基于長(zhǎng)期數(shù)據(jù)集的大規(guī)模綜合研究

將基于數(shù)十年有關(guān)汞的數(shù)據(jù)記錄，開(kāi)展有關(guān)整個(gè)北美西部汞循環(huán)及生物體累積效應(yīng)的跨國(guó)研究，以量化土地使用、居住地及氣候因素對(duì)汞風(fēng)險(xiǎn)的影響。由于在該地區(qū)居民用地占到總陸地面積的60%以上，因而該研究對(duì)改進(jìn)資源管理效率、降低汞影響至關(guān)重要。

（4）物種對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)模擬：種群持久性、綜合性大型貝葉斯模型開(kāi)發(fā)

研究將拓展并整合現(xiàn)有的不同尺度及不同數(shù)據(jù)復(fù)雜程度的模型，建立統(tǒng)一模擬系統(tǒng)，評(píng)估在整個(gè)特定物種范圍內(nèi)種群對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)。該綜合模擬系統(tǒng)將具有更為靈活、功能更強(qiáng)大的分級(jí)貝葉斯模擬統(tǒng)計(jì)框架，它將整合多尺度數(shù)據(jù)，提供有關(guān)種群環(huán)境控制動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵認(rèn)識(shí)，并成為預(yù)測(cè)當(dāng)前及未來(lái)環(huán)境變化效應(yīng)的有效工具。

（5）通過(guò)流域溶解有機(jī)物的運(yùn)移，重新審視全時(shí)空尺度水循環(huán)作用

計(jì)劃將對(duì)河流流量同溶解有機(jī)物濃度與組成之間的基本關(guān)系重新進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估。重點(diǎn)將集中于借助統(tǒng)計(jì)技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬手段對(duì)不同規(guī)模流域的成熟數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并將溶解有機(jī)物的數(shù)量和質(zhì)量數(shù)據(jù)納入其中。數(shù)據(jù)整合規(guī)模將覆蓋從季度／周臨時(shí)樣本數(shù)據(jù)到流域高流量期自動(dòng)取樣數(shù)據(jù)，直至光學(xué)傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。研究旨在通過(guò)數(shù)據(jù)整合獲得對(duì)整個(gè)時(shí)空尺度流域溶解有機(jī)物的全新認(rèn)識(shí)，并進(jìn)而改進(jìn)對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物質(zhì)動(dòng)力學(xué)的理解。

（6）地震復(fù)發(fā)率及最大震級(jí)地震全球統(tǒng)計(jì)模型近期全球發(fā)生的一系列地震事件再次證明，即使是最好的地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)有連續(xù)歷史記錄以來(lái)的最高級(jí)別地震的預(yù)測(cè)，這意味著人類(lèi)預(yù)測(cè)地震的能力是有限的。計(jì)劃的目標(biāo)是重新評(píng)估發(fā)生在所有主要板塊邊界和板塊內(nèi)部環(huán)境的地震等級(jí)、發(fā)生頻率和震級(jí)分布、以及最大震級(jí)，以改進(jìn)地震預(yù)警模型，并使美國(guó)的災(zāi)害評(píng)估建立在更為強(qiáng)大的全球數(shù)據(jù)及其分析基礎(chǔ)之上。

（7）新一代生態(tài)系統(tǒng)生物指示劑微生物過(guò)程在深入揭示生態(tài)功能控制機(jī)理方面的重要性已經(jīng)激發(fā)了科學(xué)家對(duì)環(huán)境微生物學(xué)研究的關(guān)注。計(jì)劃將利用現(xiàn)有描述微生物特性和生態(tài)系統(tǒng)功能的數(shù)據(jù)庫(kù)著重開(kāi)展對(duì)微生物過(guò)程的研究，這些微生物過(guò)程將有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)功能及其在全球變化背景下的發(fā)展軌跡。研究的最終目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)能夠指示生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵微生物特征物質(zhì)，它將幫助科學(xué)家鎖定未來(lái)生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和研究的重點(diǎn)。

（8）美國(guó)纖維毛沸石分布及其對(duì)人體健康的影響研究認(rèn)識(shí)纖維毛沸石的地質(zhì)賦存狀態(tài)及其礦物學(xué)特性之間的關(guān)系對(duì)于土地使用規(guī)劃、影響管理以及降低疾病風(fēng)險(xiǎn)十分關(guān)鍵，同時(shí)也將為未來(lái)有關(guān)土地利用、開(kāi)發(fā)和公共健康等的調(diào)查研究和決策制定提供重要的指導(dǎo)。該計(jì)劃將利用空間及統(tǒng)計(jì)技術(shù)評(píng)估發(fā)病數(shù)據(jù)同與石棉／纖維沸石有關(guān)的疾病、纖維沸石礦物賦存狀態(tài)、地質(zhì)地形、人類(lèi)活動(dòng)以及氣候因素等之間的相互關(guān)系。此外，研究成果還將被用于其他相關(guān)研究以及目標(biāo)地區(qū)未來(lái)的地球科學(xué)及公共健康研究。

1.2 美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)啟動(dòng)“地球立方體”計(jì)劃

作為對(duì)整個(gè)“大數(shù)據(jù)研發(fā)計(jì)劃”的響應(yīng)，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)也同時(shí)公布了該計(jì)劃框架下的首批新的資助項(xiàng)目清單。其中地球科學(xué)領(lǐng)域正式啟動(dòng)“地球立方體”（EarthCube）項(xiàng)目，這也是美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)“面向21世紀(jì)的自然科學(xué)與工程學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施框架”計(jì)劃的重要組成部分。

“地球立方體”項(xiàng)目是一項(xiàng)具有突破性的研究計(jì)劃，旨在支持以研究共同體為中心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施的開(kāi)發(fā)，對(duì)整個(gè)地球科學(xué)領(lǐng)域的不同來(lái)源、不同獲取方式、不同結(jié)構(gòu)及不同格式的離散數(shù)據(jù)整合，“地球立方體”不僅將引發(fā)地球科學(xué)研究方式的變革，而且也將極大地促進(jìn)地球科學(xué)知識(shí)的傳播。

“地球立方體”項(xiàng)目提出的初衷是為尋求“以整體視角審視地球系統(tǒng)的創(chuàng)造并管理地球科學(xué)知識(shí)的綜合框架”，其主要意圖是：①加速知識(shí)的融匯過(guò)程；②制定一個(gè)面向空前復(fù)雜系統(tǒng)的可測(cè)度體系；③充分整合和利用新技術(shù)。項(xiàng)目的最終目的是以一種公開(kāi)、透明和綜合性的方式整合所有地球科學(xué)數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)及實(shí)踐來(lái)創(chuàng)建地球科學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施，從而極大地提升研究及教育者的知識(shí)創(chuàng)造和傳播能力。“地球立方體”將為人們?nèi)嬲J(rèn)識(shí)地球而展現(xiàn)一種全新的動(dòng)態(tài)獲取、分享和利用所有類(lèi)型數(shù)據(jù)的方式，它將通過(guò)連接不同層面的數(shù)據(jù)和信息管理（從獲取數(shù)據(jù)和信息的資源層，到數(shù)據(jù)組織與管理層，再到最頂端的基于數(shù)據(jù)創(chuàng)造知識(shí)的交互層），實(shí)現(xiàn)整個(gè)知識(shí)體系的完整性、靈活性、綜合性和易用性。數(shù)據(jù)和信息的交互性將成為“地球立方體”的基本特質(zhì)，其核心是“以人為中心”，因而它將創(chuàng)造全新的知識(shí)學(xué)習(xí)與培訓(xùn)模式，由此將有效提升公眾及決策者的知識(shí)水平，并同時(shí)增強(qiáng)其在創(chuàng)建可持續(xù)的地球系統(tǒng)的參與程度。

“地球立方體”的計(jì)劃構(gòu)建期為10年，其具體的構(gòu)建步驟及時(shí)間表為：

第一步：在線學(xué)術(shù)共同體信息庫(kù)建設(shè)（2011年8—11月）：明確需求，發(fā)展合作；

第二步：“地球立方體”專家研討（2011年11月初）：挖掘和匯集最好的思想、技術(shù)和方法，服務(wù)于滿足學(xué)術(shù)共同體的科學(xué)需求；

第三步：新一輪專家研討（2011年11中旬—2012年4月）：確定以學(xué)術(shù)共同體為中心的設(shè)計(jì)和管理架構(gòu)以及系統(tǒng)的創(chuàng)新方法；

第四步：成立次級(jí)研究組（2012年5月初）：以開(kāi)發(fā)原型系統(tǒng)為目標(biāo)，開(kāi)展進(jìn)一步的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作；

第五步：原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)（2012年5月—2013年12月）：提升系統(tǒng)性能及其有效性，使之廣泛適用于地球科學(xué)用戶，并建立以學(xué)術(shù)共同體為中心的管理機(jī)制；

第六步：超越原型系統(tǒng)（2014年—2022年）：基于原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)階段的成果和突破優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)手段。

此外，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）也將對(duì)其現(xiàn)有的地學(xué)研究計(jì)劃和項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)整和重新部署，主要包括：地球科學(xué)數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)（ESDIS）計(jì)劃、全球地球觀測(cè)系統(tǒng)體系（GEOSS）計(jì)劃、行星數(shù)據(jù)系統(tǒng)（PDS）項(xiàng)目以及地球系統(tǒng)網(wǎng)格聯(lián)盟（ESGF）項(xiàng)目。

2 英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局最新研究進(jìn)展

同期，英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（BGS）公布了其兩項(xiàng)地學(xué)新領(lǐng)域研究的重要進(jìn)展。

2.1 三維地質(zhì)學(xué)

英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局正在開(kāi)展的三維地質(zhì)學(xué)研究是基于復(fù)雜地質(zhì)學(xué)技術(shù)，對(duì)地下地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行三維模擬并動(dòng)態(tài)可視化的過(guò)程。對(duì)地下構(gòu)造的模擬可以深入揭示地質(zhì)學(xué)同環(huán)境之間的關(guān)系。

三維地質(zhì)圖能夠克服傳統(tǒng)二維平面地質(zhì)圖只能展示地質(zhì)單元及其位置的局限，全面直觀揭示特征構(gòu)造（如斷層）的深度、厚度變化、傾斜地質(zhì)單元以及地下的接觸關(guān)系。三維地質(zhì)模型不僅將實(shí)現(xiàn)地質(zhì)學(xué)專業(yè)信息的易解讀性，而且將促進(jìn)新知識(shí)的創(chuàng)造。

基于三維地質(zhì)學(xué)研究，英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局正在構(gòu)建“英國(guó)國(guó)家地質(zhì)模型（NGM）”，旨在為決策者制定未來(lái)規(guī)劃提供更為明晰可靠的信息支持?！坝?guó)國(guó)家地質(zhì)模型”項(xiàng)目的目標(biāo)是建立一整套精確的、多尺度的英國(guó)全國(guó)巖石及沉積物地下分布的地質(zhì)空間模型。預(yù)計(jì)最終建成的該模型將具有如下主要特征：

（1）特征地質(zhì)單元地質(zhì)空間精確呈現(xiàn)；

（2）自由尺度的構(gòu)造模擬、存儲(chǔ)和動(dòng)態(tài)管理；

（3）陸地與海洋地質(zhì)單元的無(wú)縫對(duì)接。

“英國(guó)國(guó)家地質(zhì)模型”的構(gòu)建將主要基于以下關(guān)鍵數(shù)據(jù)庫(kù)：全尺度數(shù)字地圖及北愛(ài)爾蘭表層地質(zhì)勘測(cè)圖；地下、海域及勘測(cè)記錄、地圖以及等高線和等厚線圖；現(xiàn)有的模型及地表數(shù)據(jù)；相關(guān)地球物理數(shù)據(jù)。此外，還包括專業(yè)分類(lèi)及術(shù)語(yǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

該國(guó)家地質(zhì)模型同時(shí)將包含英國(guó)全國(guó)垂直地層序列信息以及地質(zhì)事件信息，模型建成后將首次實(shí)現(xiàn)對(duì)異源信息的綜合一體化展示，從而形成一個(gè)統(tǒng)一整體的認(rèn)識(shí)。

2.2 系統(tǒng)地質(zhì)學(xué)

系統(tǒng)地質(zhì)學(xué)是指將地質(zhì)學(xué)視為一個(gè)相互作用的目標(biāo)實(shí)體和過(guò)程所形成統(tǒng)一體系，其目標(biāo)是在綜合性全球知識(shí)體系的“電子科學(xué)家（e－scientists）”情景下實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方面地質(zhì)信息的協(xié)同。

英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局目前正在創(chuàng)建的研究體系重點(diǎn)考慮的是如何借助地質(zhì)學(xué)計(jì)算機(jī)手段將不同地質(zhì)信息按照統(tǒng)一的模型進(jìn)行組織，該模型將固體地球呈現(xiàn)為一個(gè)完整的系統(tǒng)。

（1）系統(tǒng)的構(gòu)成

不同來(lái)源信息將以由相互關(guān)聯(lián)的、可修改的模塊所組成的系統(tǒng)架構(gòu)的形式被記錄、存儲(chǔ)和分析，由此而形成信息庫(kù)，該信息庫(kù)的構(gòu)建基于地質(zhì)學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)，同時(shí)模擬人腦的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

觀測(cè)及分析信息以適宜的形式（如文本描述和解釋、地質(zhì)圖和底層圖表、工作流、運(yùn)算規(guī)則、數(shù)據(jù)集、定量分析、模擬以及圖片等）被記錄在不同模塊中，不同模塊之間的關(guān)系、從屬、來(lái)源及其歷史也將同時(shí)被記錄。

（2）系統(tǒng)的使用

所有相關(guān)信息均能從信息庫(kù)中被選擇并抽取，并且可以作為模塊序列實(shí)現(xiàn)其之間的交流。各模塊可以是靜態(tài)或交互的，同時(shí)可以被連續(xù)或以適當(dāng)?shù)捻樞蛴枰哉故?。用戶既可以隨意按照自己的特定需要生成自己的序列或者調(diào)整展示形式，也可以通過(guò)中間環(huán)節(jié)獲取預(yù)先定義的序列，并可以靈活地選擇結(jié)果的呈現(xiàn)形式。

（3）系統(tǒng)構(gòu)建目標(biāo)

整個(gè)系統(tǒng)的最終構(gòu)建目標(biāo)是創(chuàng)建整合復(fù)雜交互信息的固體地球系統(tǒng)模型（sEsm）。該模型可能是多維地圖的形式，它包含連續(xù)的空間坐標(biāo)、時(shí)間及精度信息，以及目標(biāo)本體、過(guò)程、文本描述和注釋。

由于具有統(tǒng)一的系統(tǒng)架構(gòu)，因而系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的記錄、鏈接、更新、分析、發(fā)現(xiàn)以及追蹤，由此所產(chǎn)生的優(yōu)勢(shì)包括：記錄更完整、更全面、更連貫、所包含的信息量更大；形成更為強(qiáng)大的信息發(fā)現(xiàn)、分析及交流技術(shù)；在信息呈現(xiàn)和修改方面更為靈活。

本文在撰寫(xiě)過(guò)程中參考了文獻(xiàn)[1－5]。

[1] Whitehouse.Obama administration unveils“big data”initiative.http：∥www.whitehouse.gov／sites／default／files／microsites／ostp／big＿data＿press＿release.pdf

[2]USGS.Current projects.http：／／powellcenter.usgs.gov／current＿projects.php

[3] NSF.Earth cube guidance for the community.http：∥www.nsf.gov／pubs／2011／nsf11085／nsf11085.pdf

[4] BGS.3D geology.http：∥www.bgs.ac.uk／services／3Dgeology／home.html

[5] BGS.National geological model.http：∥www.bgs.ac.uk／research／UKGeology／nationalgeologicalmodel／home.html

The national research initiatives of US and UK reveal the new trends of international geo－science research

Zhang Shuliang
（The Lanzhou Branch of the National Science Library／The Scientific Information Center for Resources and Environment，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China）

Recently，under the new national research plan“Big Data Initiative”framework，the main departments of US government such as NSF，USGS and NASA etc.unitedly launched the new research programs and accordingly planned to adjust their current research dispositions，in result this will drive research innovation in all areas including geo－science.British Geological Survey（BGS）also declared the important progress of new research subjects in geo－science.Based on analyzing these recent national research initiatives of US and UK，the paper shows the new trends of international geo－science research.

national research initiative；research program；geo－science；Big Data Initiative；US government；British Geological Survey

P315；

D；

10.3969／j.issn.0235－4975.2012.05.001

2012－04－20。

（作者電子信箱，張樹(shù)良：zhangsl＠llas.ac.cn）