地球科學大數(shù)據(jù)的管理與共享：以英國地質調查局為例

文 蝶，黃 浩，史宇坤*，楊孫容，楊 嬌，王 媛，侯旭東，樊雋軒,3

1. 南京大學 地球科學與工程學院，南京 210023；2. 中國地質科學院 地質研究所，北京 100037；3. 內生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室 南京大學，南京 210023

進入21世紀，隨著越來越多的大型科學裝置的建設和重大科學實驗的開展，科學研究進入到一個前所未有的大數(shù)據(jù)時代（黎建輝等，2017）?？茖W大數(shù)據(jù)驅動科學研究，開始進入數(shù)據(jù)密集型科學發(fā)現(xiàn)范式的全新階段（郭華東等，2014）。在地球科學領域，研究人員掌握了來自軌道衛(wèi)星、氣象監(jiān)測儀器、生態(tài)觀測站、地震觀測站等持續(xù)監(jiān)測獲得的海量數(shù)據(jù)（Sellars et al., 2013），也積累了大量從各類科學實驗、調查研究中獲取的數(shù)據(jù)。對于這些數(shù)據(jù)，使用傳統(tǒng)的地學資料管理方式，已經越來越難以滿足研究人員甚至公眾對地學資料的高質量、高精度，以及獲取的高效率等多元化需求（趙偉等，2013）。同時，傳統(tǒng)模式也大大制約了數(shù)據(jù)的傳遞和共享，成為數(shù)據(jù)高效使用的屏障。建立更加合理高效的地學數(shù)據(jù)管理模式和共享方式，是在地球科學領域建立數(shù)據(jù)密集型科學發(fā)現(xiàn)范式的迫切需求?；谫Y料數(shù)字化基礎之上的數(shù)據(jù)庫管理和基于互聯(lián)網(wǎng)的信息共享，是已被普遍采用的數(shù)據(jù)管理和共享方式，如何加深、拓展這一模式，使之可以滿足海量數(shù)據(jù)管理、展示和傳輸?shù)囊螅堑厍蚩茖W工作者需要深入思考的問題。英國地質調查局在這一領域走在了世界最前列。20世紀九十年代以來，該局成功將其近200年來積累的海量地學數(shù)據(jù)進行了全方位的數(shù)字化，包括地質文本、圖件、實體標本、實驗測試和地質調查數(shù)據(jù)等，建立了相對完整的數(shù)據(jù)管理和共享機制。因此本文將其作為實踐地學大數(shù)據(jù)管理與共享的典范，綜合介紹該局的數(shù)據(jù)資源情況、數(shù)據(jù)管理模式和數(shù)據(jù)共享方式，以期為我國地學大數(shù)據(jù)的未來發(fā)展提供可借鑒的經驗。

1 英國地質調查局的轉型

英國地質調查局（British Geological Survey, 簡稱BGS）是由英國政府于1835年出資建造，為全球首個國家地質調查局，目前是隸屬于英國自然環(huán)境研究理事會（Natural Environment Research Council，簡稱NERC）的一個公益機構。地質調查局總部設在諾丁漢附近的基沃思，并在愛丁堡、瓦林福德、倫敦和卡迪夫設有地區(qū)辦事處。英國地質調查局一直以來的工作重點緊密圍繞國家的戰(zhàn)略需求。它目前的戰(zhàn)略計劃包括三大部分：核心戰(zhàn)略科學計劃、合作伙伴計劃和委托計劃（王立偉等，2019）。其中核心戰(zhàn)略計劃處于首要地位，主要內容是實施基礎性、公益性的地質調查任務，獲取具有重要戰(zhàn)略意義地區(qū)的環(huán)境數(shù)據(jù)，進行分析，提供適當?shù)墓蚕恚ㄌ平饦s等，2016）。

該局前身是伴隨著工業(yè)革命的進程而成立的英國地形地質調查局（Geological Ordnance Survey）。建設初期，其任務是進行系統(tǒng)的地質填圖，尋找足夠的礦產資源來支撐當時工農業(yè)的發(fā)展。之后，地形地質調查局經歷了一系列的改革、調整與創(chuàng)新，在1984年更名為英國地質調查局，工作重點從地質填圖逐漸轉向綜合的地球科學信息資源管理和共享，具體內容包括：提供高分辨率的地質圖；解釋和運用地質數(shù)據(jù)，協(xié)助政府制定相關政策；幫助公眾了解如何合理使用自然資源，應對環(huán)境的變化并減少對環(huán)境的破壞等。他們的科學研究方法，也從單一的地質調查轉變?yōu)榻Y合各種新技術和手段，通過跨學科的調查、監(jiān)測和研究來增進對固體地球系統(tǒng)的結構、性質和演化過程的理解。如今英國地調局的主要任務是對英國的大陸及大陸架區(qū)域進行系統(tǒng)測量、檢驗和研究，拓展英國的地學知識儲備，為英國政府提供地球科學方面的相關信息，并在地學相關產業(yè)和學術問題方面為英國政府、工業(yè)界、學術界和公眾提供客觀的建議。

進入大數(shù)據(jù)時代，英國地調局迅速將多年積累的豐富地學數(shù)據(jù)與先進的大數(shù)據(jù)理念和信息化技術緊密結合，快速實現(xiàn)了轉型。通過近年來系統(tǒng)、高效的數(shù)字化工作，該局地學數(shù)據(jù)已經大部分實現(xiàn)了數(shù)字化，并且向全球用戶免費開放共享。地調局基本實現(xiàn)了從傳統(tǒng)地形地質填圖機構向更加關注數(shù)據(jù)管理和應用的應用型現(xiàn)代化地學機構的轉型（張明超等，2017），成為了英國地球科學數(shù)據(jù)、信息和知識的權威提供者。

2 英國地質調查局的在線免費數(shù)據(jù)資源

英國地調局可以稱作是“英國地球科學數(shù)據(jù)的管理員”，保管著各種重要的、在許多情況下不可替代的實物資產和電子數(shù)據(jù)資源。針對這些資源，他們總體采取了“分散保管、集中服務”的地質資料管理方式（許百泉等，2013），即實物資產分散存儲，電子數(shù)據(jù)資源統(tǒng)一集成。其中，實物資產包括有各種原始的紙質檔案記錄、巖芯、巖石和化石樣品等，分散存儲在7個地點的41個倉庫中，合計占據(jù)了超過13000 m2的建筑面積和82000 m3的存儲空間，總重量超過5000 t。雖然在2010年，英國地調局將愛丁堡吉爾默頓的海洋巖芯轉移到了基沃思的英國地質資源庫（National Geological Repository, 簡稱NGR），但許多采集資料仍然高度分散。

該局絕大多數(shù)的電子數(shù)據(jù)資源，則由英國地調局經營的英國地球科學數(shù)據(jù)中心（National Geoscience Data Centre, 簡稱NGDC）進行收集和保存，統(tǒng)一集成在地調局的門戶網(wǎng)站中。迄今為止，英國地調局內的數(shù)據(jù)集已經超過400個，涵蓋了地球科學的各個方面，包括環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，各類地質學數(shù)據(jù)、檔案和照片等。這些數(shù)據(jù)集中的絕大部分可以在“開放地學”（OpenGeoscience, https://www.bgs.ac.uk/opengeoscience/home.html.）中免費檢索、瀏覽和下載?！伴_放地學”是英國地調局免費的數(shù)據(jù)共享與信息服務網(wǎng)站，開放于2009年12月，由九大模塊構成：網(wǎng)絡地圖查看器（View maps）、移動端應用（Apps）、地圖數(shù)據(jù)下載（Map data downloads）、地質體影像（Photos and images）、出版物（Publications）、巖芯和地圖掃描影像（Scanned records）、數(shù)據(jù)集（Data collections）、網(wǎng)絡服務（Web services）、相關專業(yè)軟件（Software）。其中，上文提到的實體樣品的電子數(shù)據(jù)資源，包括照片、出版物、相關數(shù)據(jù)，分別保存在地質體影像、出版物、掃描影像和數(shù)據(jù)集幾個模塊中。此外，英國地調局還廣泛與國內外地學機構合作，為其他機構建設和管理電子數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)托管于英國地調局的網(wǎng)站，也是英國地調局的重要數(shù)據(jù)資源之一。本部分將重點介紹“開放地學”中的自主在線數(shù)據(jù)庫、和合作機構共建的數(shù)據(jù)庫、地圖數(shù)據(jù)資源、地質影像照片庫GeoScenic以及實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.1 “開放地學”的在線數(shù)據(jù)庫

英國地調局的古生物、巖石礦物、地球化學標本的采集歷史悠久，僅在英國全境，即已收集了超過一千萬份的標本。英國地調局結合專業(yè)知識和數(shù)據(jù)，圍繞地質、地球物理、地球化學、水文地質學、古生物學、巖石學、礦物學等方面建立了多個數(shù)據(jù)庫（Lumsden and Haworth, 1986）。由于篇幅限制，本節(jié)將介紹巖石、鉆孔、古生物三個完善的基礎類型數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫可在“開放地學”的數(shù)據(jù)集模塊里查看。

2.1.1 巖石數(shù)據(jù)庫BGS Rock collections

現(xiàn)今的巖石實物資料庫里，巖石樣品以及相關的紙質記錄超過了一百萬份，分別保存在基沃思總部和愛丁堡分部。英國地調局中的巖石數(shù)據(jù)庫BGS Rock collections（mineralogy and petrology collection database），用于對巖石樣品的基本信息、礦物學和巖石學信息等的存儲和管理，如編號、捐贈人、巖石名稱、采集層位和產地，以及標本和薄片圖像信息等等。

此數(shù)據(jù)庫所包含的條目現(xiàn)已超過20萬條，可通過關鍵詞（如編號、巖石或所含礦物名稱、采集點等）檢索，或在1:5萬的地質圖上通過位置檢索，還可以利用GeoIndex進行檢索。GeoIndex是英國地調局開發(fā)的基于地圖的數(shù)據(jù)檢索工具，后文將詳細介紹。其中通過關鍵詞檢索的方式最為常見，例如，在數(shù)據(jù)庫中檢索編號S1234，可得到其樣品相關信息如圖1，樣品捐贈人是A. Macconachie，樣品名稱為石英角閃石黑云母玢巖（Quartz hornblende biotite porphyrite），實物資料中除了玢巖之外還附著有黑云母閃長巖（Biotite diorite）的樣品碎片，采集地點位于Dalbeattie以西兩英里的Barskeogh山，在1:5萬的Kirkcudbrihgt圖幅中可以查看產地的地質情況。較為特別的是，數(shù)據(jù)庫中提供巖石薄片從平面偏光至正交偏光轉換過程中的系列高清照片，模擬顯微鏡下真實觀察薄片的情景，幫助準確判斷薄片中的礦物種類、含量等信息。

圖1 巖石數(shù)據(jù)庫樣品檢索結果樣例Fig. 1 A sample search from the Rock collections

2.1.2 陸地和海洋巖芯數(shù)據(jù)庫

鉆孔數(shù)據(jù)是地質技術人員在野外鉆探現(xiàn)場記錄并整理的第一手技術資料，通常包含鉆孔名稱、編號、位置、類型、礦區(qū)名稱、孔口高程、終孔深度和終孔日期等基礎信息。英國地質調查局內的鉆孔數(shù)據(jù)主要分為陸地（Onshore）和海洋（Offshore）兩部分，數(shù)據(jù)庫也相應分為兩個。

陸地鉆孔資料的實物主要是巖芯和巖屑，巖芯有不連續(xù)巖芯、連續(xù)巖芯和代表性巖芯樣品，巖屑有水洗干燥巖屑和未水洗巖屑，大部分保存在基沃思。陸地鉆孔數(shù)據(jù)庫（British onshore borehole collection database）中共有超過15000條記錄，主要提供鉆孔名稱、鉆孔類型和終孔深度三類鉆孔的基礎信息，可提供鉆孔名進行簡單檢索或者使用GeoIndex檢索。

海洋鉆孔指的是通過英國大陸架（United Kingdom Continental Shelf，簡 稱UKCS）油 氣井采集的鉆孔資料，這部分數(shù)據(jù)由英國能源與氣候變化部（Department of Energy and Climate Change, 簡稱DECC）提供。實物有超過300公里的鉆芯和450萬份巖屑，目前保存在基沃思。海洋鉆孔數(shù)據(jù)庫（UKCS offshore hydrocarbon well collection）數(shù)據(jù)包括鉆孔名稱、鉆孔編號、鉆孔位置、鉆芯照片、鉆孔類型和終孔深度等，現(xiàn)擁有8000多口海洋油氣井記錄，13萬張高分辨率巖芯照片。巖芯照片分辨率為7216×5412像素，是長1 m寬0.6 m的巖芯托盤全尺寸進行200 dpi像素分辨率拍攝形成。數(shù)據(jù)庫提供井名、鉆井公司等關鍵詞檢索方式，也支持GeoIndex方式檢索。如檢索井名110/02-6，可得知該鉆井工程由Spirit energy公司執(zhí)行，獲得鉆孔位置坐標、鉆孔深度、存放地點以及所有的巖芯信息。其中1號巖芯，深度從959.51 m（3148英尺）到942.41 m（3088英尺），分置在11個托盤里，并保存有每個巖芯托盤的高清照片。

2.1.3 古生物標本數(shù)據(jù)庫PalaeoSaurus online collections database

英國地調局收藏的古生物標本超過500萬件，包括大量珍貴的模式標本，目前已經有超過15萬件的信息被收入了古生物標本數(shù)據(jù)庫PalaeoSaurus。該數(shù)據(jù)庫中包含英國寒武紀至早白堊世絕大多數(shù)的重要標本數(shù)據(jù)，包括標本入庫編號、模式標本信息、鑒定名稱、產地、所在的地圖幅編號、地層和地質時代信息等。該數(shù)據(jù)庫支持輸入化石名稱、產地等相關信息進行簡單檢索。

網(wǎng)站上還特別提供了對標本數(shù)據(jù)的用戶建議功能。網(wǎng)站注明，由于庫中所保存的標本信息來自一百多年前，且來源多樣，鑒定標準陳舊，因此數(shù)據(jù)可能存在與現(xiàn)有標準不一致的地方。用戶對有關內容有任何建議和意見，都可以直接點擊鏈接，反饋信息。這一功能的設計，可有力保障對于化石屬種分類、地質時代等信息的動態(tài)更新。

2.2 英國地調局合作的化石模式標本數(shù)據(jù)庫

英國地調局還通過與其他大學、研究所、地質調查和工業(yè)機構合作，共同管理數(shù)據(jù)，來強化科學研究。GB3D化石模式標本數(shù)據(jù)庫（GB3D Type Fossils,http://www.3d-fossils.ac.uk/）就是其中的合作典范。

該數(shù)據(jù)庫是由聯(lián)合信息系統(tǒng)委員會（Joint Information Systems Committee, 簡稱JISC）資助建立的英國館藏式化石標本數(shù)據(jù)庫，由英國地調局進行管理，其中涵蓋了英國館藏的以及在英國發(fā)現(xiàn)的化石模式標本數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫中的化石數(shù)據(jù)來自分散保存在22個合作博物館和機構中的化石標本，其中貢獻最多的博物館和機構有塞奇威克地球科學博物館、牛津大學自然歷史博物館、威爾士國家博物館、地質館員協(xié)會（The Geological Curator’s Group）和英國地調局。截止2014年9月22日，該數(shù)據(jù)庫中共存儲了精選的16400個化石標本的28000多張圖片和1800多個3D掃描圖像，包含的化石門類有頭足類、雙殼類、腕足類、節(jié)肢類、刺胞動物、棘皮類、有孔蟲、介形蟲、植物等。 “模式標本”是用來定義化石物種的一個或一組實物化石標本，保存有此物種的典型形態(tài)特征，通常在物種命名時指定。根據(jù)命名時的具體情況，模式標本有不同的類型，這在GB3D中也有詳細的注明。例如正模（Holotype）是指在命名化石時被明確指定的唯一標本；副模（Paratype）是除正模之外對形態(tài)特征可以進行補充的其他標本；新模（Neotype）是原正?；瘉G失后新添加的同種標本等等。對無法確定或者未加定義類型的模式標本，GB3D中以不確定型（Undifferentiated Type）、未定義（Not available）注明。

在面向用戶方面，GB3D數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)信息包括化石的3D數(shù)字模型、高分辨率照片、立體照片和化石元數(shù)據(jù)（位置、年代、分類標識、注冊號等）。在數(shù)據(jù)庫中，用戶可以通過化石所在的地質年代、巖石單元、分類系統(tǒng)和化石發(fā)現(xiàn)國家、位置、研究機構和注冊號等關鍵詞進行搜索。用戶也可以根據(jù)是否包括化石的圖像數(shù)據(jù)（2D、3D或立體照片等）進行篩選，并且可以選擇清單、表格或可導出的文字三種不同形式來呈現(xiàn)搜索結果，同時支持圖片、3D模型的在線展示及下載功能（包括2000分辨率的JPEG格式圖片和obj、ply格式的3D模型）。例如，搜索編號13488（圖2）的化石，得到的結果顯示化石名稱為Procerites twinhoensisArkell，屬于動物界，軟體動物門，頭足綱，菊石目。該化石是副模標本，實物由T.R.Fry在1923年采自英國威洛巴斯的Twinhoe綠色采石場，現(xiàn)保存在布里斯托大學地質收藏庫中。標本產自距今166.1～168.3 Ma的侏羅紀巴通階含鐵鮞?；?guī)r中（Bathonian: Twinhoe Ironshot Oolite）。

2.3 數(shù)字地圖數(shù)據(jù)資源

英國地質調查局的制圖能力全球領先，在超過一個半世紀里發(fā)布了種類繁多的地圖，并建立了不同的數(shù)據(jù)庫，來增強其地圖有關的知識管理和交流（Howard et al., 2009）。這些地圖以不同的采集形式分類，收入兩個獨立的數(shù)據(jù)庫中，即紙質掃描地圖數(shù)據(jù)庫（BGS maps portal）及可下載的地圖數(shù)據(jù)庫（Map data downloads），前者存儲2014年之前發(fā)表的紙質掃描地圖，后者存儲數(shù)字地圖。這兩者的數(shù)據(jù)庫架構和數(shù)據(jù)訪問方式均存在差異，將分別予以介紹。如果用戶需要絕版紙質地圖，還可以到網(wǎng)站的在線商店購買打印件。

圖2 GB3D中編號13488的化石Procerites twinhoensis展示頁面Fig. 2 The display results of specimen catalogued as 13488, Procerites twinhoensis in GB3D

2.3.1 紙質掃描地圖BGS maps portal

BGS地圖站點（BGS maps portal）的紙質掃描地圖保存在“開放地學”的巖芯和地圖掃描影像模塊中。站點存儲了英國地調局從1832年至2014年出版的超過6000份地圖和剖面圖的高分辨率掃描件，包括英格蘭、威爾士以及蘇格蘭的全部中小比例尺（1:63360/1：50000）重要地圖。所有的圖件可以按照地區(qū)或者學科主題瀏覽，學科主題分類包括地質圖、地質剖面圖、地球物理地圖、地球化學地圖、水文地質圖和其他主題小比例尺地圖。在最為常用的地質圖類中，有英國以及周圍大陸架地區(qū)1:25萬的地質圖、英國地質經典區(qū)域的1:2.5萬地質圖、英格蘭和威爾士的1:63360地質圖、1:5萬地質圖、以及各區(qū)域的1:253440地質圖等等。這些圖件可直接下載或購買打印版，進行普通的瀏覽和使用。

2.3.2 數(shù)字地圖數(shù)據(jù)Map data downloads

與紙質地圖相比，數(shù)字地圖功能強大，用戶可下載數(shù)字地圖數(shù)據(jù)至自己的系統(tǒng)中編輯使用?！伴_放地學”中的數(shù)字地圖數(shù)據(jù)集按照主題分為地質學、地質災害、地下水、能源、地球化學和地球物理六個板塊，數(shù)據(jù)可以按照ESRI Shapefile、MapInfo和KML等常用的GIS格式被用戶下載，亦可根據(jù)用戶需求提供其他格式。

地質學部分有五個可下載數(shù)據(jù)集，分別是英國地質圖數(shù)據(jù)集、鉆孔數(shù)據(jù)集、土壤母質模型（Soil parent material model）數(shù)據(jù)集、英國國家基巖柵狀圖（National bedrock fence diagram）數(shù)據(jù)集和英國地表沉積物厚度模型（Superficial deposits thickness model）數(shù)據(jù)集。其中非常特別的是地質圖數(shù)據(jù)集和基巖柵狀圖數(shù)據(jù)集。英國地質圖數(shù)據(jù)集存儲了英國數(shù)字地質圖項目（DiGMapGB）完成的英格蘭、威爾士和蘇格蘭地區(qū)的1:62.5萬、1:25萬、1:5萬和1:1萬比例地質圖的數(shù)據(jù)集，包含基巖、巖脈、地表沉積物等的性質，以及構造斷層等常用信息。其中1:62.5萬的可免費使用，1:5萬對商業(yè)使用收費，其他比例尺的均為有償使用。柵狀圖是認識地質結構和構造的一種重要手段，可用于建立三維地質模型（曾閩山等，2006）。英國國家基巖柵狀圖是在全英國范圍內建立的三維柵格狀地質截面網(wǎng)絡，可以構建起三維的地質圖（3D geology for the United Kingdom，UK3D）。這個柵狀圖分布有超過20000 km的剖面線，覆蓋了整個英國的陸地，并向海洋區(qū)域延伸出20 km，剖面向下延伸最深處為地面以下6 km。剖面線的數(shù)據(jù)由一系列的鉆孔數(shù)據(jù)以及其他單剖面數(shù)據(jù)組成，通過地質建模軟件GSI3D構建出柵格狀地質截面，形成柵狀圖。其中的鉆孔數(shù)據(jù)、單剖面數(shù)據(jù)以及構建完成的柵狀地質截面數(shù)據(jù)均可免費下載，并且單剖面數(shù)據(jù)格式還與谷歌地球匹配，便于用戶使用。通過柵狀圖構建的英國區(qū)域地質三維模型以pdf文檔的形式供用戶下載，文檔中的三維模型可以多角度、多比例自由查看，高程比例可以調節(jié)，并且所有的地層單元、地形、地表沉積物、鉆孔位置等都可以自由選擇顯示（圖3）。

地質災害圖數(shù)據(jù)集有四個部分，分別是5 km六角網(wǎng)格形式的描述六種自然災害可能性的GeoSure、1 km六角網(wǎng)格形式的采礦災害數(shù)據(jù)集、放射性元素氡的分布圖集以及全球的地震數(shù)據(jù)集。

數(shù)字地圖數(shù)據(jù)部分的其余四個板塊包括1：62.5萬的水文地質學的數(shù)據(jù)集、英國陸上煤炭資源的潛力能源數(shù)據(jù)集、不列顛群島自然地球化學基線以及重力和磁力數(shù)據(jù)集。

圖3 倫敦及泰晤士地區(qū)三維地質圖Fig. 33D geological map for London and Thames Valley

2.4 地質影像照片庫GeoScenic

GeoScenic是英國地調局建設的一個存儲和共享地球科學高質量照片的數(shù)據(jù)庫，目前包含了6萬余張照片，均來自于英國地質照片國家檔案館（National Archive of Geological Photographs），可免費用于非商業(yè)用途。該數(shù)據(jù)庫中的照片均支持原尺寸觀看，并可免費下載。這些照片均以地球科學某學科為主題，地球科學研究對象為主體呈現(xiàn)，涵蓋的主題包括巖石學、古生物學、地層學、經濟地質學、地質災害、地表景觀等等。GeoScenic保存了照片相關信息，如照片類型、拍攝地點、拍攝時間、像素分辨率以及照片內容的文字描述等（圖4）。GeoScenic支持使用主題詞檢索照片，并且照片同時在GeoIndex中，可通過其在地圖上的位置直接找到。

圖4 GeoScenic數(shù)據(jù)庫中編號為P006749的展示不整合接觸關系的野外露頭照片F(xiàn)ig. 4 The outcrop photo catalogued P006749 in GeoScenic database displaying the unconformity contact

2.5 實時監(jiān)測數(shù)據(jù)Sensor data

通過氣象站等高精度的監(jiān)測傳感器，并配合自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（automated data acquisition system，簡稱ADAS）進行自動化遙測，可以實時、高效地采集高精度信息，獲取實時監(jiān)測數(shù)據(jù)（韓子夜和薛星橋，2005）。英國地調局在“開放地學”的數(shù)據(jù)集模塊建設了實時監(jiān)測（Instrumenting the Earth）功能，收集來自英國各地以及其他國家的傳感器數(shù)據(jù)，以獲取諸如地下水溫度和水位、大氣壓力和地熱等信息。

英國地調局目前接收的數(shù)據(jù)主要來自他們的地能觀測項目、滑坡監(jiān)測項目、環(huán)境基線監(jiān)測項目等等。其中支持在線實時訪問數(shù)據(jù)的監(jiān)測點有四個，即瓦林福德河監(jiān)測點，蘭開夏郡環(huán)境基線監(jiān)測點，卡迪夫地源熱泵（Ground Source Heat Pump，簡稱GSHP）監(jiān)測點和約克郡環(huán)境基線監(jiān)測點。這些監(jiān)測點獲得的數(shù)據(jù)被實時傳輸?shù)降卣{局的中央數(shù)據(jù)存儲器中，在其中進行清洗和標準化后發(fā)布給用戶查看和使用。英國地調局對于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取和管理還在不斷地測試中，網(wǎng)站表明后續(xù)也將開放更多的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 英國地質調查局的數(shù)據(jù)共享方式

英國地調局的數(shù)據(jù)共享已有15年之久，近年來，該局致力于實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)集的融合和共享。“開放地學”通過各種在線查看器、應用程序、軟件和網(wǎng)絡服務，將各種數(shù)據(jù)集有機鏈接在一起，使得數(shù)據(jù)獲取和使用快捷、方便。這些共享服務包括有地圖查看器View maps；移動應用英國地質iGeology、農業(yè)土壤MySoil和火山災害MyVolcano；虛擬鉆孔和剖面創(chuàng)建軟件Groundhog和地質制圖集成包BGS·SIGMA等。

3.1 在線地圖查看器View maps

此模塊中包含了可以查看最近十余年制作的各類數(shù)字化地圖，主要有四類：面向大眾的英國地質圖（Geology of Britain）、適用于專業(yè)人員的地質索引圖（GeoIndex，分為陸地和海洋兩個獨立的入口）、地下水位變化圖（Groundwater levels timeline）、英國土壤信息站（UK soil observatory，UKSO）。

3.1.1 英國地質圖查看器Geology of Britain viewer

查看器中提供二維和三維兩個版本的英國地質圖，二維版本中可在線查看1:5萬至1:62.5萬的數(shù)字地質圖，有地表地質、3D模型、鉆孔和地震年表四個不同的數(shù)據(jù)模式。其中，地表地質數(shù)據(jù)展示的是地面以上地質體的基本屬性，可以查看2.6 Ma以來的地表沉積物（Superficial）和基巖（Bedrock）的情況，也就是我們通常意義的地質圖。網(wǎng)站使用地形圖和地質圖的疊加顯示方式，可以調整地質圖圖層的透明度，實現(xiàn)地質體圖層和地形圖層之間的不同疊加效果，對室內外工作提供了極大的便利。

3D模型模式提供英格堡、伊普斯威奇、懷特島、瑟羅克、約克、海德公園和溫莎七個地點部分或全部區(qū)域的3D地質模型，可在這些區(qū)域內的任意地點形成虛擬鉆孔圖（virtual borehole）、水平切面地質圖（horizontal section）以及任意兩點之間的地質剖面圖（cross section）。以約克地區(qū)為例，網(wǎng)站提供的3D地質模型覆蓋了約克以北和東部的50 km2的區(qū)域，是英國地調局于2005年根據(jù)針對Selby和York地區(qū)進行的1:1000綜合調查和模型構建計劃而建立的。模型綜合了區(qū)域內可用的鉆孔數(shù)據(jù)，可提供直至地下約50 m深度的地質信息。在該區(qū)域內點擊任意點都可以形成以該點為孔心的虛擬鉆孔剖面（圖5），并附上巖性圖例。點擊圖例中的巖石地層單位，可進一步顯示地層單元的更多詳細信息。

鉆孔模式顯示英國的陸地鉆孔分布，用戶可點擊任意鉆孔，獲得在線的鉆孔掃描文件。網(wǎng)站加載了超過一百萬條的陸地鉆孔、井眼、井筒和井的數(shù)據(jù)。地震年表模式顯示英國1956年至今每年的地震信息，包含了震中、震幅和震時，由英國地震監(jiān)測機構實時提供。

英國地質查看器的三維版本尚處于測試階段，提供可見地下基巖分布的3D瀏覽模式、僅見地表覆蓋與地上巖石的地球儀瀏覽模式以及二維瀏覽模式，每種模式下都可點擊了解任意一點的地質信息。同樣也提供地質、鉆孔分布、地震年表三種數(shù)據(jù)模式。

3.1.2 地質索引GeoIndex

GeoIndex是基于地圖的數(shù)據(jù)集檢索工具，它以地圖作為檢索基底，用戶可自行在上添加開放地學上的各類數(shù)據(jù)集。GeoIndex按照地理范圍分為兩個相對獨立的部分，陸地（Onshore，圖6a）和海洋（Offshore，圖6b）兩者各自都可引用數(shù)十個數(shù)據(jù)集，包括各類地學信息，如鉆孔、地震、滑坡、化石、水文地質、巖石樣本、地球化學和地球物理等，其中的數(shù)據(jù)每月都在更新。在網(wǎng)頁界面上，用戶可以輸入地點后導航到感興趣的地區(qū)，添加需要的數(shù)據(jù)集，查看地區(qū)內的數(shù)據(jù)集信息，通過調節(jié)數(shù)據(jù)集圖層的顯示透明度，可將數(shù)據(jù)集信息進行不同程度的疊加，生成定制化的地學信息圖，在“打印”欄形成地學索引報告（GeoIndex report）方式的文檔。用戶還可以進一步框定感興趣的區(qū)域，查看、下載該區(qū)域的數(shù)據(jù)，或者與之前的信息圖一起形成更為詳盡的報告。

3.1.3 地下水位變化圖Groundwater levels timeline

地下水位變化圖可查看從1970年至今英國不同地區(qū)每月的地下水水位情況，從極高到極低分成7個等級，分別用不同顏色的圓點標識，還可以點擊圓點查看具體的水位數(shù)據(jù)。圖上還重點提供了1976年以來的幾次重大干旱與洪水時期的地下水位視圖，所顯示的觀測點數(shù)據(jù)比其他時間要豐富。此項功能可以在移動端上使用。

3.1.4 英國土壤信息站UK soil observatory

圖5 英國地質圖查看器二維版及其3D模型數(shù)據(jù)模式（圖a為約克地區(qū)內的3D模型數(shù)據(jù)模式展示區(qū)域，紅色點為虛擬鉆孔孔心；圖b為形成的虛擬鉆孔）Fig. 5 Geology of Britain viewer under 3D model mode (a) and an example of a virtual borehole in York area (b)

英國土壤信息站是一個獨立的數(shù)據(jù)網(wǎng)站，匯集了九個研究所提供的英國土壤類型信息，整體由英國地調局開發(fā)和支持，在“開放地學”上提供的鏈接是它的地圖檢索網(wǎng)頁（UKSO Map viewer），支持在移動設備上使用。這個數(shù)據(jù)網(wǎng)站以托管的形式存在于英國地調局網(wǎng)站中。網(wǎng)頁也有2D和3D兩種版本，提供6種底圖，分別是地形圖（Topographic）、街道地圖（Streets）、開放街道地圖（OpenStreetMap）、有標注的衛(wèi)星圖像地圖（Imagery with Labels）、有標注的地形圖（Terrain with Labels）和空白地圖（Light Gray）。在底圖上通過加載不同信息的圖層，如英國農業(yè)信息、英格蘭地區(qū)作物信息、土壤多樣性等等，可以得到各種與土壤信息有關的數(shù)據(jù)分布，并且還可以按照需求自行添加外部圖層。用戶還可以對數(shù)據(jù)進行補充和修改，通過單擊“添加土壤數(shù)據(jù)”，填寫相關信息并提供支撐材料，管理人員驗證之后，更新的數(shù)據(jù)就可以在網(wǎng)站上顯示。

圖6 GeoIndex平臺界面Fig. 6 The interface of GeoIndex.

3.2 移動端應用

iGeology是英國地質調查局開發(fā)的一款智能手機應用程序，可以在手機上訪問英國地質調查局內的地圖和尋找其他的地質信息，該程序支持iOS系統(tǒng), Android系統(tǒng)和Kindle Fire平板。自2010年底推出以來，iGeology已經被來自56個國家的用戶下載了6萬多次，并在2010年9月成為iTunes上排名第一的免費教育應用。2011年7月，在圣地亞哥舉行的ESRI國際會議上，iGeology榮獲最受社區(qū)歡迎應用獎（Community Favorite Award Best Mobile App）和最佳應用第三名（Third-Place Best Mobile App）。iGeology相當于移動端的英國地質圖，它有三種地質圖層可進行選擇，包括基巖和地表沉積相結合、僅基巖或僅地表沉積的圖層。選擇了圖層后，可疊加鉆孔信息層、線性特征層等。鉆孔信息層包括超過一百萬條的陸地鉆孔、井眼、井筒和井的數(shù)據(jù)；線性特征層包括特殊的地質特征、構造或者邊界，例如，斷層和褶皺軸。添加相應的圖層之后，用戶可以輸入或點擊研究地點以獲取數(shù)據(jù)和信息。此外，iGeology在用戶互動方面極具亮點，地學專業(yè)人員可以貢獻自己的地質觀察資料，經過專家勘驗后能在地圖上對有關信息進行修訂。其他業(yè)余愛好者也可以向iGeology提交相關照片。在注冊賬號之后，用戶可以保存下載和曾提交的信息。

除iGeology以外，英國地調局還與生態(tài)與水文中心、歐盟委員會聯(lián)合研究中心和英國氣象局合作開發(fā)了mySoil，為農民、園丁和土地使用規(guī)劃者提供更好的土壤信息。應用程序mySoil提供整個歐洲的土壤屬性圖，與英國土壤觀測站一樣，主要包括溫度、PH值和優(yōu)勢作物信息。他們與美國著名的史密森博物館（Smithsonian Institution）共同開發(fā)的MyVolcano，是一個面向公眾的應用程序，用戶可以上傳火山的相關照片和描述，可以用于共同監(jiān)測全球可能的火山災害。MyVolcano現(xiàn)有1553個火山點數(shù)據(jù)和179個相關描述。

3.3 軟件Software

英國地調局開發(fā)了許多軟件工具，通過建立地學方面的模型，來更加深入地理解地球系統(tǒng)的運作。開放地學的軟件模塊包括四部分，地下水位時間序列模擬模型AquiMod，地下水流量模擬模型GISgroundwater，地質制圖集成包BGS·SIGMA和虛擬鉆孔和剖面創(chuàng)建軟件Groundhog。其中，BGS·SIGMA是一個制作數(shù)字化地圖的集成工具包，該軟件通過使用定制的數(shù)據(jù)模型和預定義的詞典，以標準化格式收集數(shù)據(jù)。并通過使用定制的數(shù)據(jù)輸入表格，收集各種地質信息、照片、草圖和注釋，并且可以將所有數(shù)據(jù)都鏈接到地圖上的相應數(shù)據(jù)點位。BGS·SIGMA有移動端（Mobile）和桌面端（Desktop）。用戶可在野外使用移動端，標定現(xiàn)場點位并鏈接捕獲的數(shù)據(jù)，回到室內，將數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)庫中，用于繪制地圖。隨著BGS·SIGMA的不斷發(fā)展，采集的數(shù)據(jù)不僅可以用于繪制地圖，還可以3D可視化軟件（例如，GeoVisionary）和Groundhog繪制虛擬鉆孔和剖面。虛擬鉆孔和剖面創(chuàng)建軟件Groundhog主要提供3D地質模型展示，目前暫停服務。

3.4 網(wǎng)絡服務技術 Web Service

網(wǎng)絡服務技術是基于標準的開放互操作技術，標準是實現(xiàn)跨系統(tǒng)、跨平臺互操作的靈魂，其思路是共同制定一系列相關標準。這些標準并不規(guī)定各單位如何存儲他們的數(shù)據(jù)（每個單位都可選擇最適合自己單位需求的方式），而是規(guī)定標準的外部接口（姜作勤，2007）。英國地調局內的網(wǎng)絡服務主要由三部分組成，網(wǎng)絡目錄服務（Catalogue Wervice for the Web，簡稱CSW），網(wǎng)絡地圖查看服務（Web Map Service，簡稱WMS），網(wǎng)絡要素下載服務（Web Feature Service，簡稱WFS）。這幾類網(wǎng)絡服務技術的標準是由開放地理空間信息聯(lián)盟（Open Geospatial Consortium, 簡稱OGC）制定。這些網(wǎng)絡服務技術也有助于英國地調局滿足歐盟的INSPIRE指令。INSPIRE是加強歐盟各部門之間環(huán)境空間數(shù)據(jù)共享的一項法案。

CSW提供基于標準的界面，以發(fā)現(xiàn)、瀏覽和查詢有關英國地調局的數(shù)據(jù)集和元數(shù)據(jù)。WMS是從地理信息中動態(tài)產生具有地理空間位置數(shù)據(jù)的地圖。WMS產生的地圖一般以圖像格式提供，如PNG、GIF 或JPEG；或按SVG（Scalable Vector Graphics）或WebCGM（Web Computer Graphics Metafile）格式提供基于矢量的圖形元素。WFS為瀏覽器提供經過地理標記語言（GML）格式封裝的地理空間數(shù)據(jù)，支持對地理要素數(shù)據(jù)的插人、更新、刪除、查詢和發(fā)現(xiàn)等操作。用戶可以利用標準的網(wǎng)絡服務技術，將數(shù)據(jù)通過混搭的方式集成到自己的GIS系統(tǒng)中。

英國地調局內支持鏈接到WMS的網(wǎng)站上進行使用的地圖相關數(shù)據(jù)集一共有九類，分別是1∶5萬的英國陸地地質數(shù)字數(shù)字地圖，1∶62.5萬的英國陸上和海上基巖和表面沉積物地質圖，1∶25萬比例的近海地質圖，1∶5萬的高分辨率地面穩(wěn)定性數(shù)據(jù)樣本，土壤特征數(shù)據(jù)，英格蘭和威爾士土壤地球化學圖集，康沃爾郡以及德文郡和薩默塞特郡部分地區(qū)的地球物理數(shù)據(jù)，英格蘭北部地區(qū)的地球物理數(shù)據(jù)，GeoIndex的數(shù)據(jù)集，英國土壤數(shù)據(jù)中污染物濃度數(shù)據(jù)，放射性元素氡的分布圖數(shù)據(jù)集。用戶可以通過WMS的網(wǎng)站將這些數(shù)據(jù)集加載到自己的制圖軟件（GIS系統(tǒng)）中，從而可以對來自不同提供商的數(shù)據(jù)進行空間可視化和比較。

用戶可以鏈接到WFS的網(wǎng)站進行使用的地圖相關數(shù)據(jù)集目前有兩個，分別是1∶100萬的OneGeology世界范圍內動態(tài)數(shù)字地質地圖數(shù)據(jù)和1∶62.5萬的英國陸地基巖數(shù)字地圖數(shù)據(jù)（Jackson, 2009）。

4 地球科學大數(shù)據(jù)的管理與共享

英國地質調查局悠久的數(shù)據(jù)采集歷史為其建設地學大數(shù)據(jù)奠定了良好的基礎，而同時他們在科技和數(shù)據(jù)管理方面及時接納新理念才是形成開放地學的根本。數(shù)字化工作同時也為他們與國際眾多地學機構和大數(shù)據(jù)研究機構之間創(chuàng)造了廣泛的合作機會，也開啟了建立全球地球科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡的進程。如今人類逐步步入大數(shù)據(jù)時代，也經歷著類似的數(shù)字化變革，而英國地調局的數(shù)字化工作正是其他地學機構可以取用的他山之石。他們的工作是“深時數(shù)字地球”（Deep-time Digital Earth，DDE）國際科學計劃的重要參考，是建立一站式全球地球科學數(shù)據(jù)匯集、服務、應用平臺的良好模板（Normile, 2019）。

英國地調局的優(yōu)質數(shù)字化經驗可總結如下：

（1）在數(shù)據(jù)管理方面，線下的地質資料庫和線上的地球科學數(shù)據(jù)中心相輔相成，共同管理實物資料和數(shù)據(jù)資源。在此基礎之上，做到資料庫的數(shù)據(jù)資源均入庫管理，并入統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源平臺——開放地學中。

（2）在數(shù)據(jù)共享方面，所有數(shù)據(jù)資源匯集到開放地學之后，還通過不同的共享和信息服務方式，例如在線查看器、應用程序、軟件和網(wǎng)絡服務等等，將所有的數(shù)據(jù)集有機鏈接在一起。最為重要的是，網(wǎng)站的所有數(shù)據(jù)集均可以在地圖上展示，并形成定制的地學信息圖。三維模型的使用，使得數(shù)據(jù)得到更高效的擴展，形成數(shù)據(jù)+模型的體系，提供了全新的地質圖展示方式，更加全面、精準地表達了地質體信息。

“深時數(shù)字地球”國際計劃旨在建立全球地學大數(shù)據(jù)的集成，有效促進知識共享，開展數(shù)據(jù)驅動下的新型地球科學研究。此計劃將實現(xiàn)在三維地質體信息的基礎上，加載高精度時間軸，以更高維度的方式展示深時地球演化歷史，為廣大地學科研人員深入探索地學奧秘提供新的視角。 英國地調局國際一流的地學大數(shù)據(jù)管理和共享經驗，為我國在國際舞臺引領“深時數(shù)字地球”國際科學計劃提供了可貴的學習案例。

致謝：本文系“深時數(shù)字地球”（Deep-time Digital Earth）大科學計劃系列成果之一。