論地學(xué)科研信息化環(huán)境*

文/諸云強(qiáng) 孫九林 馮 敏 宋 佳 苗 茹 潘 鵬 張金區(qū) 楊雅萍

1資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所北京100101

2河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院開封475000

3華南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院廣州510631

論地學(xué)科研信息化環(huán)境*

文/諸云強(qiáng)1孫九林1馮 敏1宋 佳1苗 茹2潘 鵬1張金區(qū)3楊雅萍1

1資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所北京100101

2河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院開封475000

3華南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院廣州510631

地學(xué)科研信息化環(huán)境（e-Geoscience）是在傳統(tǒng)地球信息科學(xué)基礎(chǔ)上，利用新一代信息化基礎(chǔ)設(shè)施和信息技術(shù)，發(fā)展起來的支撐地學(xué)創(chuàng)新研究及其政府決策服務(wù)的科學(xué)研究信息化環(huán)境。文章提出了e-Geoscience的核心要素及其概念模型，研究了e-Geoscience的典型特征，分析了在Web 2.0、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通訊、語義網(wǎng)、云計(jì)算等新技術(shù)的支撐下，e-Geoscience的技術(shù)體系：地球信息資源多源化采集、存儲(chǔ)技術(shù)、分布式/高效能地學(xué)計(jì)算技術(shù)、地學(xué)信息資源共享、精確發(fā)現(xiàn)與智能推薦技術(shù)、地學(xué)數(shù)據(jù)挖掘與可視化技術(shù)以及協(xié)同研究技術(shù)。最后討論了地學(xué)信息資源持續(xù)共享、質(zhì)量保障、智能發(fā)現(xiàn)以及e-Geoscience應(yīng)用中存在的問題與挑戰(zhàn)，并給出積極的應(yīng)對(duì)策略。

地球科學(xué)，科研信息化，科研范式，資源共享，協(xié)同創(chuàng)新

DOI 10.3969/j.issn.1000-3045.2013.04.011

1 引言

地球科學(xué)（簡稱“地學(xué)”）是以地球系統(tǒng)（包括大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈和日地空間）的過程、變化及其相互作用為研究對(duì)象的基礎(chǔ)學(xué)科，并逐漸朝向以地球系統(tǒng)整體研究的地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展[1-3]。21世紀(jì)地球科學(xué)研究具有明顯的大科學(xué)特征并賦予了更多的社會(huì)功能[4]：

一是不同時(shí)空尺度基本地球過程及其相互作用是復(fù)雜的，其時(shí)間尺度從幾秒鐘地震到幾十億年的地球環(huán)境演化，空間尺度從礦物微區(qū)到全球環(huán)境變化；二是地球過程的研究依賴于海量的科學(xué)數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)密集型的科學(xué)，更加重視應(yīng)用現(xiàn)代觀測、探測、實(shí)驗(yàn)和信息技術(shù)對(duì)基本科學(xué)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)采集、積累與分析；三是地球系統(tǒng)的整體行為涉及地球各圈層的相互作用，其自然系統(tǒng)中的物理、化學(xué)、生物過程和人文因素影響交織在一起，導(dǎo)致地球系統(tǒng)觀、整體觀的建立；四是空間技術(shù)、地球內(nèi)部探測技術(shù)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使前沿研究與高新技術(shù)發(fā)展融為一體，使一系列針對(duì)地球科學(xué)難題的國際研究計(jì)劃應(yīng)運(yùn)而生；五是自然與人文、社會(huì)科學(xué)的不斷融合，推進(jìn)“人地關(guān)系地域系統(tǒng)”研究，即圍繞“人地關(guān)系地域系統(tǒng)”探討人類活動(dòng)與環(huán)境變化的關(guān)系，尋求區(qū)域人口、資源、環(huán)境與發(fā)展相協(xié)調(diào)的途徑，為區(qū)域發(fā)展和國家生態(tài)文明建設(shè)提供理論支持和決策依據(jù)[5，6]。

中科院地學(xué)部“中國地球科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略”研究組[7]認(rèn)為：從作為一個(gè)整體的、超級(jí)學(xué)科的發(fā)展趨勢來看，地球科學(xué)研究將朝著“宏觀更宏、微觀更微、宏觀微觀相結(jié)合”的方向發(fā)展，繼續(xù)保持全球化的研究工作特點(diǎn)。全球化的研究方式不僅指各類國際研究計(jì)劃的執(zhí)行，更重要的表現(xiàn)為研究區(qū)域性問題和全國性問題離不開對(duì)全球性信息和全球其他地區(qū)、其他國家研究進(jìn)展的及時(shí)把握。越是前沿性和原創(chuàng)性的研究，這種依賴性越強(qiáng)，因?yàn)榈厍蚣捌涓魅邮且粋€(gè)整體。地球科學(xué)將更加注重同現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)各有關(guān)學(xué)科之間的交叉。廣泛采用高分辨率的觀測系統(tǒng)（地面、水面的直到空間對(duì)地觀測）、高靈敏度和高準(zhǔn)確度的分析測試系統(tǒng)（包括微粒、微量、納米級(jí)和超微量）、不同條件下的實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)、建立在動(dòng)力學(xué)及高性能計(jì)算基礎(chǔ)上的數(shù)值模擬以及數(shù)字化的地球信息系統(tǒng)。

2012年國際會(huì)議“Planet under pressure 2012-New Knowledge Towards Solutions”指出[8]：現(xiàn)有的國際全球變化研究必須進(jìn)行革命性的變革。應(yīng)對(duì)全球變化風(fēng)險(xiǎn)解決方案的尋求，不但要靠自然對(duì)地球系統(tǒng)所發(fā)生現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和規(guī)律的探究，更需要社會(huì)科學(xué)共同參與，在全球尺度可持續(xù)發(fā)展的框架下，由各個(gè)利益相關(guān)者對(duì)所面臨問題以協(xié)同設(shè)計(jì)、共同形成應(yīng)對(duì)方案的方式開展研究和應(yīng)用活動(dòng)。

綜上，現(xiàn)代地學(xué)研究正朝向“地球系統(tǒng)科學(xué)”的綜合集成研究發(fā)展，更加強(qiáng)調(diào)圈層間的相互作用，學(xué)科間的交叉集成，其研究對(duì)象是復(fù)雜的非線性巨系統(tǒng)，具有時(shí)空尺度大等特點(diǎn)，要求在全球變化的背景下開展區(qū)域集成的研究，需要不同學(xué)科、不同區(qū)域科學(xué)家之間的協(xié)同研究，甚至科學(xué)家與政府、企業(yè)之間的合作。現(xiàn)代地學(xué)研究是典型的數(shù)據(jù)密集型研究，綜合集成及其觀測、理解、模擬和預(yù)測已經(jīng)成為其基本的研究方法[5]，對(duì)獲取科學(xué)數(shù)據(jù)的新型觀測技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、處理、壓縮技術(shù)和大量復(fù)雜模型計(jì)算技術(shù)以及科學(xué)數(shù)據(jù)、資料共享的信息系統(tǒng)至關(guān)重要。

鑒于此，作者認(rèn)為：在信息資源日益豐富和信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，研究方法的創(chuàng)新至關(guān)重要，是我國地學(xué)研究趕超國際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)從地學(xué)大國走向地學(xué)強(qiáng)國的良好機(jī)遇。因此，研究構(gòu)建滿足現(xiàn)代地學(xué)研究需要的科研信息化環(huán)境（簡稱地學(xué)科研信息化環(huán)境，e-Geoscience），提供跨區(qū)域、跨學(xué)科、跨團(tuán)隊(duì)地學(xué)協(xié)同研究及其對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)、模型工具、高性能計(jì)算能力等的支撐，對(duì)于促進(jìn)地學(xué)科技創(chuàng)新和服務(wù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展非常重要和迫切。

2 地學(xué)科研信息化環(huán)境的提出

為了支撐地球科學(xué)，特別是地球系統(tǒng)科學(xué)的研究，20世紀(jì)90年代產(chǎn)生了地球信息科學(xué)（Geo-informatics或Geo-information Science）。地球信息科學(xué)是在信息科學(xué)和地球系統(tǒng)科學(xué)基礎(chǔ)上，由衛(wèi)星遙感、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)制圖與電子地圖、數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)、多媒體技術(shù)與虛擬技術(shù)等高度集成的科學(xué)技術(shù)體系，是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的信息科學(xué)和80年代興起的地球系統(tǒng)科學(xué)交叉形成的一門新興科學(xué)[9,10]。

地球信息科學(xué)強(qiáng)調(diào)地球信息的三元特征（屬性、空間、時(shí)間），在對(duì)地球系統(tǒng)及各組成部分信息流形成機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，開展地球信息采集、傳遞、存儲(chǔ)、處理、顯示與應(yīng)用的研究，認(rèn)為地球信息在流動(dòng)中不斷發(fā)生轉(zhuǎn)變和增值。地球信息科學(xué)的技術(shù)體系主要由對(duì)地觀測技術(shù)、地理信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜合集成[10]。

隨著Web 2.0、互聯(lián)網(wǎng)、智能移動(dòng)終端、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展以及科學(xué)數(shù)據(jù)的急驟性增長，海量科學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)科學(xué)研究的影響、新的科研范式等引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。2011年2月Science刊登了“數(shù)據(jù)處理（Dealing with data）”專輯，圍繞日益增長的研究數(shù)據(jù)洪流進(jìn)行研討，認(rèn)為[11]：大部分的學(xué)科領(lǐng)域正在面臨數(shù)據(jù)洪流的挑戰(zhàn)，如果能更好地組織并訪問到數(shù)據(jù)，對(duì)于科學(xué)研究來說將是巨大的機(jī)會(huì)。在地理信息領(lǐng)域，Michael F.G.[12]在Web2.0、集體智慧等背景下，提出了自發(fā)地理信息（VGI）的概念，認(rèn)為人人都是地理信息的傳感器、使用者和貢獻(xiàn)者。VGI將是傳統(tǒng)地理信息采集方法非常有效的補(bǔ)充。李德仁等[13]認(rèn)為新地理信息時(shí)代已經(jīng)到來，地理信息服務(wù)對(duì)象擴(kuò)大到大眾用戶、用戶同時(shí)是空間數(shù)據(jù)和信息的提供者、傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)從死變活、提供按需求服務(wù)等。

Jim Gray更是認(rèn)為新一代的科研范式“數(shù)據(jù)密集型范式”（The fourth paragigm of scientific research:Data-intensive science）已經(jīng)出現(xiàn)[14]。Jim Gray將科學(xué)研究范式總結(jié)為四種：第一范式產(chǎn)生于幾千年前，是以觀察和實(shí)驗(yàn)為依據(jù)的研究，可稱為經(jīng)驗(yàn)范式；第二范式產(chǎn)生于幾百年前，是以建模和歸納為基礎(chǔ)的理論學(xué)科和分析范式，可稱為理論范式；第三范式產(chǎn)生于幾十年前，是以模擬復(fù)雜現(xiàn)象為基礎(chǔ)的計(jì)算科學(xué)范式，可稱為模擬范式；第四范式今天正在出現(xiàn)，是以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，聯(lián)合理論、實(shí)驗(yàn)和模擬一體的數(shù)據(jù)密集計(jì)算的范式，數(shù)據(jù)被一起捕獲或者由模擬器生成，由軟件處理，信息和知識(shí)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，科學(xué)家使用數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析數(shù)據(jù)庫和文檔，可稱為數(shù)據(jù)密集型范式。

由此可見，相比與地球信息科學(xué)強(qiáng)調(diào)發(fā)展地球信息的采集、獲取（如全球定位系統(tǒng)GPS、對(duì)地觀測系統(tǒng)EOS），處理、分析與可視化（如地理信息系統(tǒng)GIS、虛擬地理環(huán)境等）單一技術(shù)與應(yīng)用，數(shù)據(jù)密集型時(shí)代下的科研范式，更加強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，科研人員之間的協(xié)同交流、科技資源（數(shù)據(jù)、模型、計(jì)算資源等）的開放共享、智能關(guān)聯(lián)與協(xié)同應(yīng)用。因此，數(shù)據(jù)密集型科研范式下，需要進(jìn)一步在地球信息科學(xué)的基礎(chǔ)上，研究和發(fā)展地學(xué)科研信息化環(huán)境，構(gòu)建科研人員既是地學(xué)信息資源（數(shù)據(jù)、模型、文獻(xiàn)、知識(shí)等）的使用者，更是信息資源貢獻(xiàn)者的氛圍，利用這些信息資源、工具軟件、信息化基礎(chǔ)設(shè)施等開展協(xié)同的研究，從而提升地學(xué)研究的效率和水平。

3 地學(xué)科研信息化環(huán)境的顯著特征

科研信息化環(huán)境（e-Science）作為科學(xué)研究的下一代基礎(chǔ)設(shè)施，早在1999年由John Taylor提出后，便引起了科技界的廣泛關(guān)注，發(fā)達(dá)國家和我國都啟動(dòng)了一系列相關(guān)的科技計(jì)劃[15-17]。

John Taylor[18]認(rèn)為e-Science是促使全球性的、跨學(xué)科的、大規(guī)模合作研究和資源共享成為可能的基礎(chǔ)設(shè)施。Christine L. Borgman[19]認(rèn)為e-Science的目標(biāo)是構(gòu)建一種新型的科學(xué)研究模式，該模式具有信息密集、數(shù)據(jù)密集、分布式、協(xié)作和多領(lǐng)域特征。江綿恒[20]認(rèn)為e-Science的實(shí)質(zhì)就是科學(xué)研究的信息化，是信息時(shí)代中科學(xué)研究環(huán)境和科學(xué)研究活動(dòng)的典型體現(xiàn)。桂文莊[21]認(rèn)為e-Science是信息技術(shù)滲透到科研活動(dòng)中，是在各種科研活動(dòng)中系統(tǒng)地應(yīng)用最先進(jìn)的信息技術(shù)成果，革命性地發(fā)展新的科研手段、科研模式、科研環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)新革命的途徑。錢德沛[22]認(rèn)為計(jì)算、數(shù)據(jù)、協(xié)同是科研信息化的三個(gè)基本要素。協(xié)同是現(xiàn)代科學(xué)研究的基本特征，今天的重大科學(xué)研究必須在開放的空間，通過交換信息，交流經(jīng)驗(yàn)，密切協(xié)作來解決問題。郭毅可[23]提出了科學(xué)即服務(wù)（Science as a Service）的概念，認(rèn)為科學(xué)研究的信息化旨在實(shí)現(xiàn)信息的共享，而共享信息導(dǎo)致了科學(xué)研究從封閉走向開放，從個(gè)體走向協(xié)同，從少數(shù)走向大眾。這種開放式、協(xié)同性、大眾化的科學(xué)成為網(wǎng)絡(luò)的新服務(wù)，即科學(xué)即服務(wù)。

圖1 e-Geoscience概念模型

e-Geoscience是數(shù)據(jù)密集型科研范式下，為了滿足現(xiàn)代地學(xué)研究的需要而構(gòu)建的科研信息化環(huán)境。e-Geoscience是在傳統(tǒng)地球信息科學(xué)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、高性能計(jì)算、海量存儲(chǔ)設(shè)備以及Web 2.0、云計(jì)算、移動(dòng)通訊等新一代信息化基礎(chǔ)設(shè)施和信息技術(shù)支撐下，支撐現(xiàn)代地學(xué)創(chuàng)新研究和服務(wù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展決策的科研信息化環(huán)境。

e-Geoscience的概念模型如圖1，包含了4個(gè)主客體要素：科學(xué)問題、科技資源、科研人員和管理服務(wù)人員。即在e-Geoscience中科研人員（相互間可進(jìn)行交流協(xié)作）利用科技資源（相互間可交換互操作）解決科學(xué)問題，而科技資源依靠管理人員得到有序管理與集成?？蒲腥藛T在解決科學(xué)問題的同時(shí)也將自己的科技資源貢獻(xiàn)到科研信息化環(huán)境中，從而形成“科研人員既是科技資源的使用者，又是科技資源的貢獻(xiàn)者”的可持續(xù)發(fā)展氛圍。

e-Geoscience具有以下顯著特征：

（1）e-Geoscience是地球信息科學(xué)的繼承和發(fā)展。e-Geoscience是在地球信息科學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，地球信息科學(xué)中的地球信息機(jī)理、圖像信息機(jī)理、地學(xué)信息圖譜、地學(xué)本體等理論方法以及所涉及的信息采集、處理與可視化技術(shù)體系，如對(duì)地觀測遙感技術(shù)、全球定位技術(shù)、地理信息技術(shù)等都應(yīng)是e-Geoscience的基礎(chǔ)。同時(shí)，e-Geoscience更加強(qiáng)調(diào)以科研人員需求為核心，實(shí)現(xiàn)地球信息科學(xué)技術(shù)方法的集成、信息的創(chuàng)造與共享、協(xié)同的研究。

（2）新一代信息化基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)是e-Geoscience的基礎(chǔ)。e-Geoscience必須構(gòu)建在新一代信息化基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)之上，包括：高速的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、海量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)施、高性能的超級(jí)計(jì)算環(huán)境、分布式計(jì)算、云計(jì)算等等。由于所有的活動(dòng)和應(yīng)用都需要在網(wǎng)絡(luò)上開展，因此高速的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境又是e-Geoscience基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)施和高性能超級(jí)計(jì)算環(huán)境則解決了地學(xué)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和高精度地學(xué)模擬計(jì)算的迫切需要。

（3）地學(xué)科技資源共享是e-Geoscience的核心。地學(xué)科技資源包括科技設(shè)施（實(shí)物）資源和科技信息資源。科技設(shè)施（實(shí)物）資源包括：通訊網(wǎng)絡(luò)、臺(tái)站/基地、樣地/樣品、儀器設(shè)備、存儲(chǔ)、高性能計(jì)算等基礎(chǔ)設(shè)施和硬件設(shè)備、實(shí)物資源。科技信息資源包括：科技文獻(xiàn)、科學(xué)數(shù)據(jù)、模型算法以及軟件工具等。各類科技資源之間的關(guān)系如圖2所示。長期以來，由于體制、觀念和技術(shù)的原因，地學(xué)科技資源得不到充分的共享，地學(xué)資源重復(fù)建設(shè)現(xiàn)象明顯，嚴(yán)重阻礙了地學(xué)研究的發(fā)展。因此，全球范圍內(nèi)各類地學(xué)資源的共享是開展全球性跨區(qū)域、跨學(xué)科合作研究的核心。

（4）科研人員主動(dòng)參與及開放性是e-Geosci-ence的生命力。e-Geoscience的服務(wù)對(duì)象是科研人員，因此科研人員的參與是e-Geoscience發(fā)展的生命力。一方面，基于e-Geoscience，科研人員要能夠獲取到開展科學(xué)研究所需要的各類資源，包括：數(shù)據(jù)資源、模擬模型、文獻(xiàn)知識(shí)以及強(qiáng)大的計(jì)算、存儲(chǔ)資源；更重要的是要按照Web 2.0的理念，構(gòu)建一個(gè)開放的e-Geoscience，使得科研人員能夠?qū)⒆约旱臄?shù)據(jù)、模型等資源不斷地整合到e-Geoscience中，營造科研人員既是地學(xué)資源的使用者，又是資源的貢獻(xiàn)者的氛圍和環(huán)境，只有這樣才能促進(jìn)e-Geoscience的持續(xù)發(fā)展。

（5）科研創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)是e-Geoscience的終極目標(biāo)。e-Geoscience基本功能是為全球性、跨區(qū)域、跨學(xué)科的協(xié)作研究提供信息資源和信息技術(shù)的支撐，包含：分布式地學(xué)資源的協(xié)同調(diào)度和組合應(yīng)用以及科研人員之間的協(xié)同交流等等。更重要的是e-Geoscience不斷積累和豐富各類地學(xué)信息資源與知識(shí)以及先進(jìn)、智能的數(shù)據(jù)挖掘分析工具、模擬模型等，基于這些信息資源和技術(shù)工具可以更好地發(fā)現(xiàn)地學(xué)數(shù)據(jù)背后隱含的地學(xué)規(guī)律、知識(shí)甚至是新的科學(xué)問題，從而驅(qū)動(dòng)和引領(lǐng)地學(xué)研究的發(fā)展。

圖2 地學(xué)科技資源實(shí)體及其關(guān)系

4 地學(xué)科研信息化環(huán)境技術(shù)體系

e-Geoscience技術(shù)體系如圖3所示，分為廣義和狹義兩個(gè)層面。廣義的e-Geoscience技術(shù)體系涵蓋整個(gè)地球信息的采集、獲取、存儲(chǔ)、處理、模擬分析與可視化等，由地球信息科學(xué)傳統(tǒng)技術(shù)體系和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息技術(shù)體系組成，并在不同地學(xué)研究環(huán)節(jié)中進(jìn)行有機(jī)的融合。傳統(tǒng)地球信息科學(xué)技術(shù)體系主要包括：全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感技術(shù)（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、虛擬地理環(huán)境、地理信息共享技術(shù)等?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息技術(shù)體系主要包括：Web 2.0、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通訊、語義網(wǎng)、云計(jì)算等。狹義的e-Geoscience技術(shù)體系主要指在數(shù)據(jù)密集型時(shí)代下，地球信息資源多源化采集、海量地球信息資源存儲(chǔ)、分布式計(jì)算、地學(xué)信息資源共享、智能關(guān)聯(lián)與協(xié)同應(yīng)用、地學(xué)資源可視化與虛擬現(xiàn)實(shí)以及跨區(qū)域/跨學(xué)科地學(xué)科研人員協(xié)同交流技術(shù)等。e-Geoscience技術(shù)體系的一個(gè)重要特點(diǎn)就是動(dòng)態(tài)擴(kuò)展性：一方面，地學(xué)科學(xué)問題的復(fù)雜性，要求e-Geoscience技術(shù)體系根據(jù)應(yīng)用需求不斷地?cái)U(kuò)展和增強(qiáng)；另一方面，信息技術(shù)的高速發(fā)展，也在不斷補(bǔ)充完善e-Geoscience技術(shù)體系。

傳統(tǒng)的地球信息科學(xué)技術(shù)體系在本文中不再贅述，下面重點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)密集型科研范式下e-Geoscience的技術(shù)體系進(jìn)行闡述。

4.1 泛在地球信息資源多源化采集技術(shù)

e-Geoscience的信息資源不僅包含傳統(tǒng)的野外考察、調(diào)查、監(jiān)測數(shù)據(jù)，室內(nèi)處理、測試分析與模擬數(shù)據(jù)，也包含文獻(xiàn)資料、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)頁、微博客、社交網(wǎng)絡(luò)等新媒體中的信息資源，體現(xiàn)出泛在特征。因此，e-Geoscience中的地球信息資源采集、獲取在傳統(tǒng)方法（如野外測量、自動(dòng)監(jiān)測、考察調(diào)查、統(tǒng)計(jì)、測試分析、對(duì)地觀測、深部探測等）的基礎(chǔ)上，在采集方式上進(jìn)一步發(fā)展了物聯(lián)網(wǎng)感知、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘、移動(dòng)智能終端采集等方式；在內(nèi)容上進(jìn)一步豐富為數(shù)據(jù)、照片、音視頻等的集成采集；在傳輸方式上，通過Zigbee等無線通信技術(shù)、無線電波、GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)等的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)野外觀測站點(diǎn)到數(shù)據(jù)中心的即時(shí)、高保障的傳輸?shù)取?/p>

4.2 海量地球信息資源存儲(chǔ)技術(shù)

在依靠存儲(chǔ)設(shè)備容量擴(kuò)展以及數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)等的基礎(chǔ)上，e-Geoscience應(yīng)該面向大量用戶并發(fā)訪問的需求，更加關(guān)注數(shù)據(jù)的高吞吐率、高傳輸率和安全可靠性，提出大規(guī)模數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)技術(shù)方案。如Google文件系統(tǒng)（GFS）、Apache Hadoop的HDFS，就是可擴(kuò)展的分布式文件系統(tǒng)，用于大型的、分布式的對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問的應(yīng)用，它運(yùn)行于廉價(jià)的普通硬件上，但可提供容錯(cuò)功能，可以給大量的用戶提供總體性能較高的服務(wù)，采用冗余存儲(chǔ)的方式來保證數(shù)據(jù)的可靠性。e-Geoscience中應(yīng)該重點(diǎn)解決海量地理空間數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)與高效檢索等問題。與此同時(shí)，在云計(jì)算時(shí)代，擁有海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)中心，可以通過虛擬化技術(shù)，為普通科研用戶提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)即服務(wù)（IaaS）。

圖3 e-Geoscience技術(shù)體系

4.3 分布式、高效能地學(xué)計(jì)算技術(shù)

分布式計(jì)算技術(shù)是研究如何把一個(gè)需要非常巨大的計(jì)算能力才能解決的問題分成許多小的部分，然后分配給許多計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，最后把這些計(jì)算結(jié)果綜合起來得到最終的結(jié)果。如Apache Hadoop提供的MapReduce分布式計(jì)算框架，通過Map將一個(gè)任務(wù)分解成為多個(gè)任務(wù)，利用Reduce將分解后多任務(wù)處理的結(jié)果匯總起來，得出最后的分析結(jié)果。圖4顯示的是作者基于Apache Hadoop的分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（HDFS）和計(jì)算框架（MapReduce）開發(fā)的分布式地形山影計(jì)算系統(tǒng)[24]。測試結(jié)果表明，分布式計(jì)算能夠顯著提高地形數(shù)據(jù)計(jì)算的性能，特別是在計(jì)算節(jié)點(diǎn)超過3個(gè)以上時(shí)，計(jì)算效率會(huì)大幅度提升。同時(shí)，為了提高地學(xué)計(jì)算效率，需要進(jìn)一步將地學(xué)計(jì)算模式與并行計(jì)算（多線程、多進(jìn)程、OpenMI等方法）、GPU等技術(shù)進(jìn)行緊密結(jié)合。

4.4 地學(xué)信息資源共享技術(shù)

通過國家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)、國家電子政務(wù)工程、國家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)等各類重大科學(xué)計(jì)劃和工程的推動(dòng)，我國在地學(xué)數(shù)據(jù)資源共享方面取得了長足的進(jìn)步。e-Geoscience更加關(guān)注數(shù)據(jù)共享到模型共享，甚至是知識(shí)共享的發(fā)展，提供一站式的地學(xué)資源共享。如圖5所示，作者研究構(gòu)建了以元數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)（OGC的WMS、WFS服務(wù)）、模型服務(wù)（OGC的WPS服務(wù)）等為核心的e-Geoscience原型系統(tǒng)[15]，實(shí)現(xiàn)了文獻(xiàn)資料、地學(xué)數(shù)據(jù)、模型工具的集成共享；更加關(guān)注利用Web2.0技術(shù)，充分發(fā)揮科研人員的積極性，激勵(lì)科研人員自發(fā)在e-Geoscience中發(fā)布地學(xué)資源，營造“人人都是科技資源的使用者，也是貢獻(xiàn)者”的地學(xué)科技資源共享氛圍，構(gòu)建更加高效、更加開放、更加智能、更加社會(huì)化、更加簡便的資源共享軟件[25]。

圖4 分布式地形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和山影計(jì)算系統(tǒng)

圖5 e-Geoscience原型系統(tǒng)

4.5 地學(xué)資源精確發(fā)現(xiàn)與智能推薦技術(shù)

如何精確發(fā)現(xiàn)用戶需要的地學(xué)信息資源，并把相關(guān)的資源智能推薦給用戶，是地學(xué)信息資源在爆炸式增長、大數(shù)據(jù)時(shí)代下，e-Geoscience必須考慮和解決的問題。地學(xué)信息資源精確發(fā)現(xiàn)就需要利用本體技術(shù)，對(duì)各類地學(xué)信息資源進(jìn)行語義標(biāo)識(shí)和推理；而智能推薦則需要利用關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)（Linked data）技術(shù)對(duì)各類地學(xué)資源進(jìn)行明確的語義表達(dá)和相互鏈接，同時(shí)通過用戶行為挖掘分析，將相關(guān)的數(shù)據(jù)自動(dòng)推介給用戶。

4.6 地學(xué)數(shù)據(jù)挖掘與可視化技術(shù)

“數(shù)據(jù)海量、信息缺乏”是當(dāng)前大數(shù)據(jù)時(shí)代地學(xué)研究面臨的尷尬問題。因此，需要利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從大量、不完全、有噪聲、模糊的數(shù)據(jù)中挖掘出隱含的時(shí)空分異規(guī)律、格局演變趨勢等。如利用任意形狀空間叢聚區(qū)域挖掘方法揭示疾病和犯罪空間叢聚區(qū)域[26]，利用軌跡數(shù)據(jù)挖掘方法提取城市交通時(shí)空變化模式[27]等。同時(shí)，為了快速捕獲數(shù)據(jù)背景的知識(shí)，需要采用直觀、形象、多維的可視化技術(shù)來表征地學(xué)數(shù)據(jù)和信息。如利用GIS可視化技術(shù)發(fā)現(xiàn)義烏對(duì)全國各地流動(dòng)人口吸引形成的V字型空間格局[28]，中國畜禽養(yǎng)殖存在明顯的東西疏密分界線等[29]。

4.7 地學(xué)科研人員協(xié)同研究技術(shù)

協(xié)同研究是指在虛擬e-Geoscience社區(qū)中，每個(gè)科研人員都是虛擬成員，虛擬成員之間能利用e-Geoscience中的資源協(xié)作開展合作研究，包括：利用即時(shí)通訊技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的文字、語音、視頻等的交流；進(jìn)行各類地學(xué)科技資源的共享，更重要的是資源間的協(xié)同利用，如通過e-Geoscience在線模型的執(zhí)行，驅(qū)動(dòng)后臺(tái)高性能計(jì)算資源，調(diào)用匹配的數(shù)據(jù)資源等；面向復(fù)雜應(yīng)用，利用服務(wù)鏈技術(shù)，進(jìn)行模型服務(wù)的建模集成等等。

5 地學(xué)科研信息化環(huán)境面臨的問題與對(duì)策

e-Geoscience在支撐促進(jìn)現(xiàn)代地學(xué)創(chuàng)新研究和服務(wù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展決策的同時(shí)，也面臨著一系列的問題和挑戰(zhàn)。我們必須正視這些問題和挑戰(zhàn)，尋求積極的政策機(jī)制、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、技術(shù)方法的對(duì)策，抓住機(jī)遇，切實(shí)推動(dòng)和發(fā)展e-Geoscience，助力我國從地學(xué)大國向地學(xué)強(qiáng)國的發(fā)展。

5.1 地學(xué)信息資源持續(xù)共享

地學(xué)信息資源共享是e-Geoscience的核心。盡管我國科技資源共享取得顯著的進(jìn)步，然而如何確保持續(xù)良性循環(huán)的地學(xué)信息資源共享還存在很大的挑戰(zhàn)。一方面要持續(xù)加強(qiáng)國家層面的政策引導(dǎo)，約束和規(guī)范各類科技計(jì)劃產(chǎn)生的信息資源共享；另一方面要尊重知識(shí)產(chǎn)權(quán)，采用DOI（Digital object identifier）和DCI（Data citation index）對(duì)信息資源進(jìn)行標(biāo)識(shí)引用和評(píng)價(jià)，要求用戶在成果中必須明確標(biāo)注信息來源，引用提供者要求的參考文獻(xiàn)，保障信息資源提供者的知情權(quán)、決定權(quán)和被引用權(quán)，形成信息資源擁有者自愿參與地學(xué)信息資源共享的激勵(lì)機(jī)制，發(fā)揮群體智慧才能促進(jìn)地學(xué)信息資源的持續(xù)共享。

5.2 地學(xué)信息資源質(zhì)量保障

傳統(tǒng)信息資源共享模式中，信息資源通常按照規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行匯交、集成和發(fā)布，由共享管理中心負(fù)責(zé)信息資源的質(zhì)量。在e-Geoscience中，實(shí)行“人人都是科技資源的使用者和貢獻(xiàn)者”的機(jī)制，大量科研人員的參與有利于地學(xué)信息資源的持續(xù)匯集和更新，然而如何保障科研人員共享的地學(xué)信息資源質(zhì)量是關(guān)鍵的問題。一方面要倡導(dǎo)“誰發(fā)布、誰負(fù)責(zé)”的信息資源質(zhì)量觀；另一方面要加強(qiáng)信息資源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的宣傳和貫徹及在線自動(dòng)檢查工具的應(yīng)用；尤為重要的是在Web2.0環(huán)境下，要建立網(wǎng)絡(luò)信息資源質(zhì)量同行評(píng)審、管理中心鑒定和用戶評(píng)論制度。對(duì)于通過評(píng)審和鑒定的信息資源，或者用戶好評(píng)的信息資源，進(jìn)行高信譽(yù)度的標(biāo)簽，以便用戶的使用。

5.3 地學(xué)信息資源智能發(fā)現(xiàn)

不同類型、海量的地學(xué)信息資源在e-Geoscience中不斷積累、增長時(shí)，采用傳統(tǒng)的關(guān)鍵詞匹配或分詞檢索技術(shù)，由于信息資源語義異構(gòu)等問題，會(huì)造成難以精確、快速發(fā)現(xiàn)用戶需要的信息資源問題。為此，必須加強(qiáng)地學(xué)信息資源語義互操作研究，建立地學(xué)時(shí)空本體庫、信息資源內(nèi)容本體庫、信息形態(tài)結(jié)構(gòu)本體庫等，利用關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)（Linked data）和語義推理技術(shù)，進(jìn)行各類信息資源的自動(dòng)鏈接和智能搜索，提升地學(xué)信息資源發(fā)現(xiàn)的查全率和查準(zhǔn)率。

5.4 地學(xué)科研信息化環(huán)境應(yīng)用

數(shù)據(jù)密集型時(shí)代下，大科學(xué)特征的現(xiàn)代地學(xué)研究，尤其國家生態(tài)文明建設(shè)的新要求迫切需要一個(gè)“資源豐富、功能強(qiáng)大、開放共享、按需服務(wù)、協(xié)同應(yīng)用、穩(wěn)定運(yùn)行”的地學(xué)科研信息化環(huán)境的支撐。當(dāng)前，應(yīng)該在國家層面制定或啟動(dòng)“地學(xué)科研信息化環(huán)境發(fā)展規(guī)劃或科技計(jì)劃”，在國家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)或國家科技計(jì)劃數(shù)據(jù)資源匯交的同時(shí)，推動(dòng)地學(xué)科研信息化環(huán)境的發(fā)展。當(dāng)然，我們必須清楚地認(rèn)識(shí)到：e-Geoscience是一個(gè)復(fù)雜的、漸進(jìn)的系統(tǒng)工程，不可能一蹴而就，需要地學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等不同領(lǐng)域科學(xué)家和工程師的長期努力，需要深入分析科學(xué)研究對(duì)象，建立科學(xué)問題概念模型及其對(duì)應(yīng)的信息流模型，并在應(yīng)用中不斷完善發(fā)展。

1孫樞.對(duì)我國全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究的若干思考.地球科學(xué)進(jìn)展，2005，20（1）：6-10.

2汪品先.我國的地球系統(tǒng)科學(xué)研究向何處去．地球科學(xué)進(jìn)展，2003，18（6）：837-850.

3周秀驥.對(duì)地球系統(tǒng)科學(xué)的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí).地球科學(xué)進(jìn)展，2004，19（4）：513-515.

4國家自然科學(xué)基金委員會(huì)地球科學(xué)部.地球科學(xué)的戰(zhàn)略地位及其發(fā)展趨勢和特點(diǎn).http://www.nsfc.gov.cn/ nsfc/cen/00/kxb/dqback/yxzzly/daoyan1.htm.2000.

5孫九林，林海.地球系統(tǒng)研究與科學(xué)數(shù)據(jù).北京：科學(xué)出版社，2009.

6樊杰.主體功能區(qū)戰(zhàn)略與優(yōu)化國土空間開發(fā)格局.中國科學(xué)院院刊，2013，28（2）：193-205.

7中國科學(xué)院地學(xué)部“中國地球科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略”研究組．地球科學(xué)：世紀(jì)之交的回顧與展望．中國科學(xué)院院刊，2001，（2）：101-105.

8國際地圈生物圈計(jì)劃中國全國委員會(huì)秘書處，國際全球環(huán)境變化人文因素計(jì)劃中國國家委員會(huì)秘書處，中國科協(xié)聯(lián)合國環(huán)境咨商委員會(huì)．從倫敦“重負(fù)下的星球”大會(huì)看國際全球變化研究的動(dòng)向—兼論中國全球變化研究的未來發(fā)展方向．http://wenku.baidu.com/ view/9ee111d13186bceb19e8bb29.html，2012.

9陳述彭主編.地球信息科學(xué).北京：高等教育出版社，2007.

10廖克等著.地球信息科學(xué)導(dǎo)論.北京：科學(xué)出版社，2007.

11 Science Staff.Challenges and Opportunities.Science Special Issue:Dealing with Data，2011，（331）：692-693. 12 Goodchild M F.Citizens as sensors:the world of volunteered geography.GeoJournal，2007,69（4）：211-221.

13李德仁，邵振峰.論新地理信息時(shí)代.中國科學(xué)（F輯:信息科學(xué)），2009，39（6）：579-587.

14 Tony Hey,Stewart Tansley and Kristin Tolle.The Fourth Paradigm Data-Intensive Scientific Discovery.Microsoft Research,2009.

15諸云強(qiáng)，孫九林，宋佳等.地學(xué)e-Science研究與實(shí)踐-以東北亞聯(lián)合科學(xué)考察與合作研究平臺(tái)構(gòu)建為例.地球科學(xué)進(jìn)展，2011，26(1)：66-74.

16孫坦主編.數(shù)字化科研—e-Science研究.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

17中國科學(xué)院、中華人民共和國教育部、國家自然科學(xué)基金委員會(huì).中國科研信息化藍(lán)皮書2011.北京：科學(xué)出版社，2011.

18 Hey T,TrefethenAE.The UK e-science core programme and the grid.Future Generation Computer Systems, 2002,18（8）：1017-1031.

19 Borgman C L.Data,disciplines,and scholarly publishing.Learned Publishing,2008,21（1）：29-38.

20江綿恒.科學(xué)研究的信息化：e-Science.科研信息化技術(shù)與應(yīng)用，2008，（1）：8-13.

21桂文莊.什么是e-Science?科研信息化技術(shù)與應(yīng)用，2008，（1）：1-7.

22錢德沛.科研信息化的若干思考.中國科學(xué)院科研信息化實(shí)踐與探索.北京：科學(xué)出版社，2011.

23郭毅可.科研信息化2.0：從構(gòu)造為科學(xué)研究的服務(wù)到服務(wù)化的科學(xué).中國科研信息化藍(lán)皮書2011.北京：科學(xué)出版社，2011.

24馮敏，尹芳，諸云強(qiáng)等.基于MapReduce的分布式地形數(shù)據(jù)計(jì)算研究.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，39（Sup.I）：24-27.

25諸云強(qiáng)，宋佳，馮敏等.地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享軟件研究與發(fā)展.中國科技資源導(dǎo)刊，2012，44（6）：11-16.

26 Pei T,Wan Y,Jiang Y et al．Detecting arbitrarily shaped clusters using ant colony optimization.International Journal of Geographical Information Science，2011,25（10）：1575-1595.

27 Chen J,Shaw S L,Yu H B et al.Exploratory data analysis of activity diary data：a space-time GIS approach．Journal of Transport Geography，2011,19（3）：394-404.

28 Hongsheng Li,Yingjie Wang,Jiafu Han et al.Origin Distribution Visualization of Floating Population and DeterminantsAnalysis:ACase study of Yiwu City．Procedia Environmental Sciences，2011,（7）：116-121.

29 Fu Q,Zhu Y Q,Kong Y F et al．Spatial analysis and districting of the livestock and poultry breeding in China．Journal of Geographical Sciences，2012,22（6）：1079-1100.

Study on e-Science for Geosciences

Zhu Yunqiang1Sun Jiulin1Feng Min1Song Jia1Miao Ru2Pan Peng1Zhang Jinqu3Yang Yaping1
（1 State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System,Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research,Beijing 100101，China 2 The College of Environment and Planning of Henan University,Kaifeng 475004，China 3 South China Normal University,Guangzhou 510631，China）

Scientific research paradigm has been developed from experience,theory,and computing paradigm to the Fourth Paradigm:data-intensive science.Modern geoscience research is a typical data-intensive research with obvious characteristics of big science and more social functions.So it is urgent to promot geo-information resources sharing and collaboration of cross-disciplinary,cross-regional,and cross-team in global range.To meet this need,it is the necessary choice to set up electronic supporting environment for geosciences(e-Geoscience).e-Geoscience is an electronic environment for supporting geosciences innovative research and government decision-making services that is to inherit and carry forward traditional geo-informatics science.In this paper,firstly we put forward the key elements and conceptual model of e-Geoscience,then study the typical characteristics of e-Geoscience and analyze new technologies such as Web 2.0,internet of things,mobile communication, semantic net,and cloud computing.Furthermore,the technical architecture of e-Geoscience is studied in detail which includes: multi-collection of Earth information resources,storage technology,distributed/high performance geoscience computing technology,resources sharing of geoscience information,accurate findings and intelligent recommendation technology,geoscience data mining,visualization technology,and collaborative research technology.Finally,we discuss the problems and challenges in the sustaining sharing of geoscience information,quality assurance,intelligent findings,and application of e-Geoscience. The positive coping strategies are presented in the last.

geoscience,e-Science,science paradigm,resource sharing,collaborative innovation

2013年4月20日

中科院地理科學(xué)與資源所“一三五”戰(zhàn)略科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012ZD010）；資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主部署創(chuàng)新研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(O88RA900KA)；中科院科研信息化“科技領(lǐng)域云”項(xiàng)目：全球變化生態(tài)學(xué)“科技領(lǐng)域云”的建設(shè)與應(yīng)用；國家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)：地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)

諸云強(qiáng)中科院地理科學(xué)與資源所副研究員、博士，資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，地球系統(tǒng)科學(xué)信息共享中心副主任。主要從事地學(xué)數(shù)據(jù)共享關(guān)鍵技術(shù)、地學(xué)科研信息化環(huán)境、資源環(huán)境信息系統(tǒng)研究。主持研發(fā)了分布式科學(xué)數(shù)據(jù)共享軟件和地學(xué)科研信息化環(huán)境平臺(tái)軟件等，研究成果直接應(yīng)用到國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)中，并成功推廣到生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境、環(huán)保檔案、人口健康等領(lǐng)域。E-mail:zhuyq@igsnrr.ac.cn

孫九林男，中國工程院院士，中科院地理科學(xué)與資源所研究員、博士生導(dǎo)師。兼任中國科學(xué)院信息化專家咨詢委員會(huì)主任、國家環(huán)境信息化第一屆顧問專家委員會(huì)主任、國家農(nóng)村農(nóng)業(yè)信息化示范省建設(shè)專家委員會(huì)、國家國土資源信息化咨詢委員會(huì)名譽(yù)主任等。長期從事信息科學(xué)與資源及農(nóng)業(yè)科學(xué)交叉領(lǐng)域的研究和實(shí)踐，取得多項(xiàng)開拓性的理論與應(yīng)用成果，為創(chuàng)立“國土資源及農(nóng)業(yè)信息”工程科學(xué)和國家建設(shè)做出了突出的貢獻(xiàn)。在國家層面積極倡導(dǎo)、推動(dòng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享和科研信息化環(huán)境。出版專著11部，發(fā)表論文80余篇。獲省部級(jí)以上18種獎(jiǎng)勵(lì)。E-mail:sunjl@igsnrr.ac.cn