國際地球大數(shù)據(jù)領(lǐng)域 研究態(tài)勢與熱點(diǎn)趨勢

地球科學(xué)研究大氣、陸地和海洋等相關(guān)問題，已經(jīng)產(chǎn)生了大量來自衛(wèi)星觀測、地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)和其他來源的地球大數(shù)據(jù)，為地球系統(tǒng)科學(xué)深入研究帶來了新的機(jī)遇。地球大數(shù)據(jù)在未來促進(jìn)地球科學(xué)的深入發(fā)展方面具有很大潛力，將對科學(xué)發(fā)現(xiàn)做出重要貢獻(xiàn)。地球大數(shù)據(jù)具有海量、多源、異構(gòu)、多時相、多尺度、高度復(fù)雜、非平穩(wěn)、非結(jié)構(gòu)化等特點(diǎn)，為地球科學(xué)中的數(shù)據(jù)密集型研究提供了支持。地球大數(shù)據(jù)是地球科學(xué)與數(shù)據(jù)科學(xué)、信息科學(xué)等領(lǐng)域的交叉，可以通過全球變化、人地關(guān)系與環(huán)境效應(yīng)、地球圈層關(guān)系與機(jī)理等重大科學(xué)計劃積累的科學(xué)數(shù)據(jù)，驅(qū)動科學(xué)發(fā)現(xiàn)，為人類活動、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和自然資源管理等提供各種知識和決策支持。

在過去10年，數(shù)據(jù)驅(qū)動科學(xué)發(fā)現(xiàn)在地球科學(xué)研究中得到了廣泛的關(guān)注，在越來越多的資助項(xiàng)目、科學(xué)設(shè)施、共享數(shù)據(jù)集和發(fā)表的科學(xué)論文上都有所體現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)門戶、數(shù)據(jù)庫、工作平臺、統(tǒng)計模型、機(jī)器學(xué)習(xí)算法、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)共享正在成為地球科學(xué)研究的新常態(tài)。各種數(shù)據(jù)驅(qū)動科學(xué)發(fā)現(xiàn)的成功案例不斷出現(xiàn)，數(shù)據(jù)革命的巨大潛力得到顯現(xiàn)，加速了地球科學(xué)的創(chuàng)新和新發(fā)現(xiàn)，地球大數(shù)據(jù)將在未來幾十年的發(fā)展中，發(fā)揮重要的作用。

1 地球大數(shù)據(jù)總體態(tài)勢

1.1 地球大數(shù)據(jù)驅(qū)動的科學(xué)發(fā)現(xiàn)成為數(shù)據(jù)密集型科學(xué)范式的代表

近年來，數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)產(chǎn)生速度和數(shù)據(jù)種類的快速增長驅(qū)動了地球大數(shù)據(jù)發(fā)展。世界各國地球科學(xué)研究機(jī)構(gòu)部署的空間觀測衛(wèi)星、地面實(shí)驗(yàn)儀器和地球模擬器等產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲與傳輸，開發(fā)先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析軟件與知識發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)，支持科學(xué)家更多關(guān)注數(shù)據(jù)流中下游的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

云計算、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)在地球科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并取得了重要成果。在古生物學(xué)、礦物學(xué)、水資源、森林覆蓋變化和可持續(xù)發(fā)展等領(lǐng)域，都產(chǎn)生了許多由數(shù)據(jù)驅(qū)動的創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)。在地球大數(shù)據(jù)時代，人們對地球系統(tǒng)的認(rèn)識正從收集傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、理論推導(dǎo)和模擬局部物理過程轉(zhuǎn)變?yōu)槔煤屯诰虻厍虼髷?shù)據(jù)進(jìn)行知識發(fā)現(xiàn)，從而探索地球系統(tǒng)中不同關(guān)鍵信息子系統(tǒng)和生物物理變量之間的相關(guān)性和相互作用。

地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了數(shù)據(jù)密集型科學(xué)研究的階段，地球大數(shù)據(jù)已逐漸成為地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)和知識創(chuàng)新的新動力。

1.2 地球大數(shù)據(jù)發(fā)展為智慧數(shù)據(jù)生命周期帶來新變化

地球大數(shù)據(jù)不是簡單的轉(zhuǎn)儲和共享，也不僅僅依靠機(jī)器學(xué)習(xí)就能識別復(fù)雜的模式，需要應(yīng)用元數(shù)據(jù)和語義在數(shù)據(jù)生成和收集中增加更多機(jī)器可讀的結(jié)構(gòu)，開發(fā)智能算法以提高數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)和分析的進(jìn)度，幫助研究人員快速對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，并智能檢索提取重要信息。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和知識發(fā)現(xiàn)方法不再適用，未來地球大數(shù)據(jù)需要更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，有效地組織海量、時空密集的數(shù)據(jù)，使用自動匹配、智能計算，從數(shù)據(jù)中高效地挖掘知識，在數(shù)據(jù)生命周期中不斷創(chuàng)造奇跡。

2 主要國家戰(zhàn)略舉措與特點(diǎn)

近年來，世界主要國家已將大數(shù)據(jù)研究上升至國家戰(zhàn)略層面，先后部署一系列地球大數(shù)據(jù)相關(guān)重大計劃和研究項(xiàng)目，從整體視角審視地球系統(tǒng)，利用地球大數(shù)據(jù)驅(qū)動跨學(xué)科、跨尺度宏觀科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

國際地球大數(shù)據(jù)發(fā)展經(jīng)歷了一系列的大科學(xué)計劃牽引：1999 年，時任美國副總統(tǒng)戈?duì)柼岢觥皵?shù)字地球”，以及理解地球進(jìn)而管理地球的理念;2001年美國的“地球透鏡計劃”，了解地表以下1 000 m 深度的地質(zhì)狀況;2012年國際科學(xué)理事會和國際社會科學(xué)理事會發(fā)起的“未來地球”計劃，促進(jìn)自然科學(xué)與社會科學(xué)的聯(lián)系與融合;2016年聯(lián)合國教科文組織提出“化學(xué)地球”計劃，以實(shí)現(xiàn)全球地球化學(xué)大數(shù)據(jù)和知識共享。2016 年，中國科學(xué)家發(fā)起基于地球大數(shù)據(jù)的“數(shù)字絲路”國際科學(xué)計劃，通過構(gòu)建地球大數(shù)據(jù)平臺，解決區(qū)域及全球發(fā)展問題。地球大數(shù)據(jù)逐漸向更深、更廣、更精細(xì)化的方向發(fā)展，驅(qū)動地球科學(xué)的模擬與預(yù)測等相關(guān)研究。

2.1 美國：重視地球大數(shù)據(jù)的共享、算法集成和地球大數(shù)據(jù)研究培訓(xùn)

2012年，美國政府發(fā)布“大數(shù)據(jù)研發(fā)計劃”，提高從海量和復(fù)雜的數(shù)據(jù)中獲取信息與知識的能力。

隨后美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）啟動數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化及人工智能模擬的 LCMAP 計劃，監(jiān)測和分析土地覆蓋變化情況評估、植被狀況，模擬過去、現(xiàn)在和未來的地質(zhì)景觀數(shù)據(jù)。美國國家科學(xué)基金會（NSF）啟動“地球立方體”項(xiàng)目，以整體視角審視地球系統(tǒng)并管理地球科學(xué)知識的綜合框架。

美國《時域地球——美國國家科學(xué)基金會地球科學(xué)十年愿景（2020—2030 年）》提出地球科學(xué)正處于轉(zhuǎn)折時期，開放的數(shù)據(jù)資源、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以及用于分析和可視化的數(shù)據(jù)科學(xué)方法將改變地球科學(xué)研究的方式。繼續(xù)開發(fā)、整合和利用儀器設(shè)施、數(shù)據(jù)與專門知識，對不斷演變的地球進(jìn)行更深層次探索。

應(yīng)對地球大數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)，必須在算法集成、軟件開發(fā)管理、自動數(shù)據(jù)格式識別和讀取，以及數(shù)據(jù)研究培訓(xùn)方面取得進(jìn)步。

2.2 歐洲各國/組織：重視地球空間大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與數(shù)據(jù)聚合模擬

歐盟的“對地觀測計劃”“數(shù)字歐洲”“地平線計劃”，以及瑞士的“活地球模擬器項(xiàng)目”“數(shù)據(jù)立方體計劃”等，都重視數(shù)據(jù)質(zhì)量，以及數(shù)據(jù)的共享與使用，以推動歐洲處在地球空間大數(shù)據(jù)的前沿。

歐洲各國還通過建立法律框架推動地球科學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、獲取和統(tǒng)一，加強(qiáng)其科技創(chuàng)新與科研競爭力。

英國建立開放式數(shù)據(jù)研究所，加大在地球大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的支持，新建多個地球大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用中心，推進(jìn)地球大數(shù)據(jù)的發(fā)展。

未來歐洲多國將加大在人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、高性能計算和大數(shù)據(jù)方面的研究投入，以推進(jìn)地球大數(shù)據(jù)科學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用。

2.3 澳大利亞：利用“玻璃地球”計劃和“數(shù)據(jù)立方體”項(xiàng)目提升地球大數(shù)據(jù)的存儲管理與挖掘分析能力

礦業(yè)大國澳大利亞為了尋找新的礦床，1999 年首先提出了“玻璃地球”的概念，希望通過多種地質(zhì)手段、地球物理方法、地球化學(xué)方法及信息化技術(shù)，獲取海量的數(shù)據(jù)，以了解大陸地表以下 1 000 m 深度以內(nèi)的地質(zhì)狀況，利用可視化和模擬技術(shù)建立三維地質(zhì)模型，及時查詢、分析、處理所獲得的地球大數(shù)據(jù)，從而對地下的構(gòu)造、巖層、礦產(chǎn)及災(zāi)害做出正確合理的決策。這一概念提出后，世界各國紛紛效仿，開始投入大量資金實(shí)施。

近年來澳大利亞又先后啟動了“數(shù)字地球”項(xiàng)目與“數(shù)據(jù)立方體”項(xiàng)目?！皵?shù)據(jù)立方體”作為存儲、組織、管理和分析地球空間觀測數(shù)據(jù)的新解決方案，正受到越來越多的關(guān)注，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)地球空間觀測數(shù)據(jù)倉儲的全部潛力，提供對大型時空數(shù)據(jù)的訪問。

2.4 中國：利用地球大數(shù)據(jù)資源建設(shè)，驅(qū)動科學(xué)發(fā)現(xiàn)，引擎科研創(chuàng)新

2018 年，中國科學(xué)院啟動戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A 類）“地球大數(shù)據(jù)科學(xué)工程”（CASEarth），通過打造國際一流的數(shù)字地球科學(xué)平臺，實(shí)現(xiàn)地球系統(tǒng)科學(xué)的重大突破和科學(xué)發(fā)現(xiàn)。2019 年，首屆中國數(shù)字地球大會發(fā)布了地球大數(shù)據(jù)原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)到信息再到可視化模擬的全過程功能，同時也發(fā)布了全球數(shù)字地球領(lǐng)域的首部學(xué)術(shù)著作《數(shù)字地球手冊》。

2020年，第 75 屆聯(lián)合國大會期間，中國發(fā)布了《地球大數(shù)據(jù)支撐可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)報告（2020）》，為聯(lián)合國《改變我們的世界：2030年可持續(xù)發(fā)展議程》有效實(shí)施提供解決方案和科技支撐。

2020 年，中國自然資源部整合構(gòu)建了多圈層、多專業(yè)、多要素的地球科學(xué)“一張圖”大數(shù)據(jù)體系，其可為城市規(guī)劃、建設(shè)和管理提供資源、環(huán)境、生態(tài)、災(zāi)害、空間信息支撐服務(wù)。中國在國際地球大數(shù)據(jù)科學(xué)的相關(guān)研究與大科學(xué)計劃上處于引領(lǐng)地位。

3 地球大數(shù)據(jù)重點(diǎn)領(lǐng)域態(tài)勢與熱點(diǎn)

3.1 地球大數(shù)據(jù)推動地球系統(tǒng)模擬與預(yù)測的實(shí)現(xiàn)

3.1.1 地球大數(shù)據(jù)的發(fā)展和應(yīng)用促進(jìn)了多學(xué)科交叉融合深度。地球大數(shù)據(jù)學(xué)科發(fā)展需要多學(xué)科交叉：以機(jī)器學(xué)習(xí)為代表的人工智能與大數(shù)據(jù)深度融合，深度學(xué)習(xí)在計算機(jī)領(lǐng)域上的高速發(fā)展給數(shù)據(jù)集成與分析提供了新方法，地理眾源大數(shù)據(jù)的普及則加速了深度學(xué)習(xí)在科學(xué)數(shù)據(jù)上的應(yīng)用，并行計算使地球大數(shù)據(jù)計算成為可能，人工智能提高地球大數(shù)據(jù)的理解與分析，數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)使地球物理模型和虛擬模型關(guān)聯(lián)互通，以及高性能計算的發(fā)展和應(yīng)用推動地球系統(tǒng)的模擬和預(yù)測的實(shí)現(xiàn)。

3.1.2 地球大數(shù)據(jù)研究有助于提升對地球系統(tǒng)行為的預(yù)報能力。近年來，研究人員基于 24 年的觀測和再分析材料，實(shí)現(xiàn)了長達(dá) 2 天的臺風(fēng)預(yù)報，準(zhǔn)確率超過85%?；诒本?30° 以北 36 年的海冰觀測數(shù)據(jù)，獲得了北極海冰覆蓋范圍的 6 種顯著時空影響要素。地球大數(shù)據(jù)也被應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)活動等預(yù)測。例如，多家企業(yè)利用遙感大數(shù)據(jù)對礦石戶外堆放情況及儲油罐在不同太陽高度角陰影的觀測，追蹤、預(yù)測大型礦產(chǎn)和原油的供需變化，最終預(yù)測其價格波動。

3.1.3 地球大數(shù)據(jù)可以為人類活動、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和自然資源管理提供各種決策支持。以地球系統(tǒng)科學(xué)為基本理論，基于大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等新一代技術(shù)體系，通過全球統(tǒng)一數(shù)據(jù)描述、基準(zhǔn)與組織框架和數(shù)據(jù)共享機(jī)制，以及交互可視化與云服務(wù)集成等建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對地球系統(tǒng)實(shí)時感知和模擬預(yù)測，從而對生態(tài)環(huán)境建設(shè)、城鄉(xiāng)土地覆蓋變化、災(zāi)害監(jiān)測和防治、城市發(fā)展規(guī)劃、資源利用開采、人類命運(yùn)共同體建設(shè)等起到?jīng)Q策支持。

3.2 地球大數(shù)據(jù)助推科學(xué)研究縱深發(fā)展

3.2.1 為地球系統(tǒng)科學(xué)研究帶來新的機(jī)遇。從航空航天、地面深井、海洋河流等多空間尺度對地球系統(tǒng)的觀（探）測獲取空間和時間尺度上地質(zhì)、物理和化學(xué)等信息，了解和掌握自然資源、環(huán)境、災(zāi)害和生態(tài)現(xiàn)狀與變化規(guī)律，探測陸域和海域能源礦產(chǎn)資源，研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，推動地球科學(xué)新的發(fā)展。

3.2.2 推動數(shù)字地球向智慧地球轉(zhuǎn)變。越來越多的應(yīng)用研究以地球大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，著重挖掘數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系和相關(guān)性，在全球動力學(xué)研究、成巖成礦預(yù)測、地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報與災(zāi)害評估、生命的演化、古地理環(huán)境重建，以及綜合地質(zhì)信息服務(wù)平臺的建設(shè)中發(fā)揮了重要作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更智能化地洞察地球。

3.2.3 促進(jìn)科學(xué)研究向開放科學(xué)發(fā)展。開放科學(xué)已成為科學(xué)研究新的發(fā)展方向，包括對出版物的開放訪問、開放源碼軟件程序、開放數(shù)據(jù)、開放樣本和開放工作流。許多地球科學(xué)數(shù)據(jù)門戶現(xiàn)在都有 Python 或 R 包，使用戶能夠直接從工作流中搜索和訪問數(shù)據(jù)，并在地球科學(xué)中取得了各種成功應(yīng)用;未來，工作流平臺將廣泛應(yīng)用于地球科學(xué)領(lǐng)域。通過各種協(xié)議和接口，地球大數(shù)據(jù)變得更加開放、更易訪問和更易于交互，使得開放的地球大數(shù)據(jù)研究成為新常態(tài)。

3.3 地球大數(shù)據(jù)服務(wù)全球變化研究和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)

3.3.1 地球大數(shù)據(jù)服務(wù)全球變化研究。全球變化主要研究全球變化現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系，分析地球各圈層及地球系統(tǒng)中的物理過程、生物過程和化學(xué)過程的相互作用和機(jī)理，并對人類生存環(huán)境做出預(yù)測，以便人們更好地生存發(fā)展。全球變化研究系統(tǒng)工程涉及各種海量的參數(shù)與分布數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)之間的關(guān)系復(fù)雜;地球大數(shù)據(jù)發(fā)展可以描述并模擬其復(fù)雜關(guān)系，然后進(jìn)行功能分析，以支持決策和管理。地球大數(shù)據(jù)也將在碳中和相關(guān)研究與管理中發(fā)揮重大作用。

3.3.2 地球大數(shù)據(jù)促進(jìn)聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，旨在所有國家和利益攸關(guān)方攜手合作，阻止地球的退化，以可持續(xù)的方式進(jìn)行消費(fèi)和生產(chǎn)，管理地球環(huán)境和自然資源，使地球能夠滿足后代的需求，讓全球走上可持續(xù)且具恢復(fù)力的道路。通過綜合集成資源、環(huán)境、生態(tài)和生物領(lǐng)域的地球大數(shù)據(jù)，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展評價指標(biāo)體系和決策支持平臺，解決目前國際指標(biāo)體系數(shù)據(jù)缺失和質(zhì)量不高的問題，服務(wù)于聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的指標(biāo)監(jiān)測評估研究。

4 未來建議

4.1 建設(shè)跨學(xué)科和多維地球科學(xué)大數(shù)據(jù)平臺

地球大數(shù)據(jù)發(fā)展將促進(jìn)傳統(tǒng)地球科學(xué)與地理信息學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)等現(xiàn)代學(xué)科的整合。建議我國盡快建設(shè)多學(xué)科知識系統(tǒng)數(shù)字化連接新平臺，利用先進(jìn)的信息技術(shù)（如云計算、并行計算、超級計算、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、知識圖譜、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等）對快速增長、異構(gòu)、多源的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、知識發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)復(fù)雜模型的開發(fā)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)驅(qū)動和模型驅(qū)動方法的融合，為地球科學(xué)研究提供不可或缺的支持。

4.2 利用地球大數(shù)據(jù)資源建設(shè)推進(jìn)國際科技合作

大數(shù)據(jù)是新的國家戰(zhàn)略與大國博弈空間，地球科學(xué)大數(shù)據(jù)為應(yīng)對全球挑戰(zhàn)提供了基礎(chǔ)。建議我國以地球大數(shù)據(jù)資源建設(shè)為抓手，促進(jìn)各科學(xué)學(xué)科、不同利益相關(guān)者和不同地理尺度的決策者之間的對話，提供全球應(yīng)對挑戰(zhàn)的統(tǒng)一解決方案，通過國際地球科學(xué)計劃開展科技合作，模擬和預(yù)測未來全球環(huán)境變化，拓展地球系統(tǒng)研究的新發(fā)現(xiàn)，為構(gòu)建人類命運(yùn)共同體和科技外交提供支撐。

（來源：中國科學(xué)院院刊）