數(shù)字化技術(shù)在古生物化石開(kāi)發(fā)利用中的應(yīng)用研究

魏海芹

摘? 要：古生物化石中蘊(yùn)藏著自然世界萬(wàn)物造化的天然信息密碼，具有重要的科學(xué)、藝術(shù)、歷史價(jià)值。該文主要探討在信息化技術(shù)飛速發(fā)展的浪潮下，如何利用先進(jìn)的信息技術(shù)為古生物學(xué)的發(fā)展提供科學(xué)和先進(jìn)的方法與手段，助推化石的準(zhǔn)確鑒定、快速查找、深入研究與科普推廣。

關(guān)鍵詞：化石? 數(shù)字化? GIS? 本體? VR

中圖分類號(hào)：Q911.2;TP399-C8 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）09（b）-0008-02

古生物化石是指保存在地層中的地質(zhì)時(shí)期的古生物遺體、遺骸及其活動(dòng)遺跡、遺物的總稱[1]。古生物化石保存著大量的珍貴信息，揭示了生物的起源、發(fā)展和演變方面的重要規(guī)律信息，具備重要的科研價(jià)值?；诘貙觿澐峙c對(duì)比研究、古地理和古氣候的研究以及油氣資源、沉積礦產(chǎn)的研究方面有著極其重要的意義。我國(guó)目前已發(fā)現(xiàn)發(fā)掘出土大量的古生物化石，如何進(jìn)一步挖掘、保護(hù)與利用這些寶貴遺產(chǎn)成為目前的重要議題。作為一種不可再生資源，古生物化石的價(jià)值越來(lái)越被國(guó)家、科研人員和普通大眾所重視。

計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，為古生物化石資料的保存與開(kāi)發(fā)利用提供了一種數(shù)字化的新思路?；瘶?biāo)本數(shù)字化是化石標(biāo)本物理保護(hù)的一種重要補(bǔ)充，通過(guò)對(duì)化石資料進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)與加工處理，不僅可以擴(kuò)大化石資料的受眾范圍、保障化石資料信息的長(zhǎng)期可獲取性，同時(shí)可以借助數(shù)字化研究技術(shù)對(duì)化石資源進(jìn)行綜合分析與價(jià)值挖掘，實(shí)現(xiàn)對(duì)古生物化石資料的深度開(kāi)發(fā)研究。在這個(gè)信息技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，將古生物化石研究與數(shù)字信息化結(jié)合起來(lái)是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1? 化石資料的數(shù)字化

數(shù)字化是指，將物理形態(tài)存在的文字、符號(hào)、圖像等信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字符號(hào)并保存于計(jì)算機(jī)中。數(shù)字保存具有永久性的特點(diǎn)，因此是對(duì)現(xiàn)有物理保護(hù)的一種有益補(bǔ)充數(shù)字化不僅能實(shí)現(xiàn)實(shí)體資料永久的計(jì)算機(jī)化保存，借助網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)資源信息的共享與有效整合。

隨著古生物學(xué)幾個(gè)世紀(jì)的研究發(fā)展，人類已積累了大量的原始化石資料，這為古生物學(xué)研究提供了大量的信息資料。面對(duì)浩繁多樣的化石資料，如何進(jìn)行管理和研究利用成為一大議題。數(shù)據(jù)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海量信息的高效儲(chǔ)存、管理、查詢與利用，建立數(shù)字化的化石資料。數(shù)據(jù)庫(kù)是處理化石資料的一種有效手段。數(shù)字化存儲(chǔ)的化石資料，不僅易于管理、保存和更新，而且便于信息資源的交換共享，可以極大的擴(kuò)大信息資源的受眾面。另外，古生物化石資料非常龐雜，僅靠某一個(gè)人、某一個(gè)單位很難完成所有資料信息的管理與維護(hù)，而是需要整個(gè)古生物學(xué)界的共同努力，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)保存、管理化石資料數(shù)據(jù)，可以由多方共同合作，通過(guò)共同建設(shè)、共享使用實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的共建共享和不斷更新完善。

2? GIS助推古生物化石資料的研究

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）是一門(mén)集計(jì)算機(jī)、地圖學(xué)、地理學(xué)、測(cè)量學(xué)等多門(mén)學(xué)科為一體的交叉學(xué)科。GIS技術(shù)不僅具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能，而且還具備基于空間信息的數(shù)據(jù)查詢與分析功能。在處理具備空間屬性的數(shù)據(jù)方面，具有強(qiáng)大的功能，基于GIS技術(shù)來(lái)存儲(chǔ)、組織、查詢和顯示帶有空間屬性的信息，能夠突破傳統(tǒng)文字的單一表達(dá)模式，圖文并茂、多方面、多層次、清晰地展示在研究者面前。GIS技術(shù)以空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用地理數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析，為人類提供多時(shí)空的信息數(shù)據(jù)，從而為生產(chǎn)、科研、管理、決策等提供服務(wù)[2]。

古生物學(xué)數(shù)據(jù)主要是化石的分類信息，除了門(mén)、綱、目、科、屬、種以及亞門(mén)、亞目、超科、亞科等各級(jí)分類信息外，化石資料數(shù)據(jù)還包括時(shí)間、地域分布、化石產(chǎn)出地等信息。利用GIS技術(shù)建立古生物化石數(shù)據(jù)庫(kù)，可為用戶提供基于地理位置和屬性的可視化查詢與分析功能，用戶可以直觀、方便地查詢同一種屬不同時(shí)期的地理分布特征或同時(shí)期同區(qū)域不同種屬的生物特性，從而研究古氣候變化或古大陸漂移，或依據(jù)屬性特征研究生物種屬的變異性。

古生物學(xué)研究者在GIS技術(shù)用于生物化石資料的研究方面進(jìn)行了長(zhǎng)足的研究并取得了眾多卓著的研究成果，GBDB（Geobiodiversity Database）就是一個(gè)整合了數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS技術(shù)的以古生物學(xué)和地層學(xué)為主題的數(shù)字化科研平臺(tái)。GBDB平臺(tái)以剖面為核心，將古生物系統(tǒng)分類數(shù)據(jù)與各類地層數(shù)據(jù)等融合為一體[3]。該平臺(tái)自2007年上線以來(lái)，經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展已積累了海量的全球地層古生物數(shù)據(jù)，并在2012年和2015年分別被確立為國(guó)際地層委員會(huì)和國(guó)際古生物協(xié)會(huì)的官方數(shù)據(jù)庫(kù)。結(jié)合科學(xué)研究和生產(chǎn)應(yīng)用的需求，GBDB 平臺(tái)中已集成了地理可視化、地層可視化、野外露頭360度全景可視化、定量地層對(duì)比、古地理分析、古生物多樣性統(tǒng)計(jì)等多種分析工具，可以用以輔助開(kāi)展系統(tǒng)古生物學(xué)、演化古生物學(xué)、年代地層學(xué)、定量地層學(xué)、生物地層學(xué)、古地理學(xué)等方面的綜合研究[3]。

3? 化石資料本體構(gòu)建

化石分類鑒定是化石資料研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，分類信息是古生物學(xué)數(shù)據(jù)的一個(gè)重要方面?；Y料數(shù)據(jù)一方面包括門(mén)、綱、目、科、屬、種以及亞門(mén)、亞目、超科、亞科等各級(jí)分類信息，同時(shí)也包括鑒定特征、模式標(biāo)本存儲(chǔ)信息等。隨著出土化石越來(lái)越多、古生物研究越來(lái)越深入，古生物屬種的分類越來(lái)越細(xì)，屬性標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越復(fù)雜，化石生物屬種的鑒定難度越來(lái)越大。同時(shí)，在一些術(shù)語(yǔ)運(yùn)用上，不同的研究者之間可能會(huì)有不同的術(shù)語(yǔ)，常出現(xiàn)“一詞多義”或“一義多詞”現(xiàn)象，極大地影響了化石屬種鑒定工作的進(jìn)行。此外，由于化石記錄的不完整性以及化石保存狀態(tài)等原因，加之很多化石類群早已滅絕，很難采用現(xiàn)今的生物學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行分類學(xué)研究，或者找到與其關(guān)系相近的類群進(jìn)行比較，因此在分類歸屬上容易產(chǎn)生問(wèn)題和歧義。以上幾種問(wèn)題都導(dǎo)致了化石屬種鑒定難度的增加，而本體技術(shù)可以用作解決以上問(wèn)題的一種有效手段。

本體是共享概念模型明確的形式化規(guī)范說(shuō)明，可用于確定領(lǐng)域內(nèi)共享的詞匯，并明確定義這些詞匯間的關(guān)系。本體還具備語(yǔ)義推理能力，能根據(jù)規(guī)則自動(dòng)建立詞匯間的關(guān)聯(lián)。本體的這些特性使其被廣泛應(yīng)用于古生物資料相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)、時(shí)空數(shù)據(jù)的形式化表達(dá)和語(yǔ)義關(guān)聯(lián)應(yīng)用[4]。構(gòu)建化石資料本體一方面能夠解決術(shù)語(yǔ)不統(tǒng)一問(wèn)題，方便化石研究成果的共享與應(yīng)用;另一方面，由于本體具有語(yǔ)義推理功能，可實(shí)現(xiàn)基于語(yǔ)義的化石資料檢索，輔助化石屬種的鑒定及古生物化石資料的綜合、深入研究。

4? VR技術(shù)助力博物館走向公眾

化石博物館承擔(dān)著藏品保護(hù)與利用功能，其主要職能是征集、典藏、保存、修護(hù)、教育、娛樂(lè)、陳列和研究化石資料，向觀眾展示古生物的種類、形狀以及所生存的環(huán)境、地理、氣候等情況，是觀眾了解史前生物的主要窗口。藏品化石展覽是化石博物館的傳統(tǒng)展覽模式，隨著信息化的進(jìn)程，這種以藏品展覽為重點(diǎn)的博物館運(yùn)作模式已經(jīng)不再適應(yīng)當(dāng)前形勢(shì)下人們的需求，需要轉(zhuǎn)變思路、尋求以先進(jìn)的信息化手段開(kāi)拓全新的藏品展覽模式。

虛擬現(xiàn)實(shí)就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)相關(guān)的技術(shù)，造出一個(gè)虛擬世界，通對(duì)人的多種器官的刺激讓人感覺(jué)到在這個(gè)世界里的事物不管是從聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、還是從觸覺(jué)感覺(jué)起來(lái)都像是真的。在這個(gè)系統(tǒng)創(chuàng)造出的世界會(huì)給人以身臨其境的感覺(jué)，人們可以通過(guò)現(xiàn)實(shí)方式對(duì)虛擬世界中的事物進(jìn)行操作[5]。利用VR技術(shù)來(lái)模仿古生物滅絕時(shí)的相關(guān)場(chǎng)景，使人們對(duì)古生物和古生物所生活的古地理、古生態(tài)和古氣候有更加深刻清晰的了解和認(rèn)知。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)早就被應(yīng)用在了國(guó)外的古生物博物館展覽中，被稱為Fanta-View Magic Vision，近年來(lái)我國(guó)的古生物博物館也在積極探索將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在藏品展覽中，如遼寧古生物博物館建設(shè)的古生物數(shù)字化科普仿真博物館系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了普通陳列手段難以做到的既有縱向深入解剖，又有橫向關(guān)聯(lián)擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)展覽形式，促進(jìn)觀眾視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及其他感官和行為的配合，創(chuàng)造了嶄新的參觀體驗(yàn)，提高了參觀者觀賞、探索的興趣[6]。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于博物館藏品展覽可以增強(qiáng)化石資料的觀賞性和趣味性，全方位的展示化石資料，提升觀賞者的體驗(yàn)，吸引更多的關(guān)注者。

5? 結(jié)語(yǔ)

在信息技術(shù)應(yīng)用于古生物學(xué)研究前，化石資料研究嚴(yán)重依賴資料查找與大腦記憶，與研究者的知識(shí)儲(chǔ)備有極大關(guān)聯(lián)，研究者的絕大部分時(shí)間和精力都花在查找資料和化石屬種鑒定上，極大地限制了古生物研究工作的進(jìn)度和深度。計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速普及和飛速發(fā)展為收集、整理和研究浩瀚而復(fù)雜的古生物化石資料帶來(lái)了有利契機(jī)。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)使古生物地層資料系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)化，實(shí)現(xiàn)快捷查詢檢索，及時(shí)更新交流，達(dá)到科研成果及時(shí)共享。利用GIS技術(shù)、VR技術(shù)等先進(jìn)信息處理手段實(shí)現(xiàn)化石資料的深度研究開(kāi)發(fā)與利用。

參考文獻(xiàn)

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