地學(xué)領(lǐng)域科學(xué)數(shù)據(jù)處理與分析軟件自主性分析

摘要：科學(xué)數(shù)據(jù)的重要性已得到廣泛共識(shí)，隨著科學(xué)數(shù)據(jù)的不斷積累，其數(shù)據(jù)處理分析軟件的能力水平將成為科學(xué)數(shù)據(jù)能否高效發(fā)揮作用的關(guān)鍵和瓶頸。地球科學(xué)領(lǐng)域研究涉及多尺度、多類型、多來(lái)源的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)處理與分析軟件的需求極為強(qiáng)烈。本研究針對(duì)地球科學(xué)領(lǐng)域的特點(diǎn)，分析其主要數(shù)據(jù)處理和分析軟件的現(xiàn)況，辨識(shí)我國(guó)的軟件自主程度。調(diào)研分析涉及地理、海洋、地質(zhì)、大氣、生態(tài)、災(zāi)害、農(nóng)業(yè)等16個(gè)專題，選取了177個(gè)主流軟件/工具，重點(diǎn)獲取其軟件/工具名稱、概況、主要功能、應(yīng)用服務(wù)/典型案例、優(yōu)缺點(diǎn)、對(duì)標(biāo)產(chǎn)品等指標(biāo)。分析發(fā)現(xiàn)地學(xué)科學(xué)數(shù)據(jù)處理與分析領(lǐng)域軟件/工具完全開放（開源）的占三分之二，商業(yè)的、限制性的或開放程度不明確的占三分之一。主要軟件/工具開發(fā)國(guó)家有美國(guó)、中國(guó)、加拿大、英國(guó)等以及一些國(guó)際組織。從專題分布看，主要體現(xiàn)在土地退化、人口社會(huì)經(jīng)濟(jì)、知識(shí)圖譜、遙感處理等。自主保障風(fēng)險(xiǎn)較高的軟件主要在空間化、大氣、野火、凍土等專題。約三分之一的專業(yè)軟件/工具可以直接應(yīng)用到國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)中心，且可與云平臺(tái)結(jié)合。結(jié)合人工智能時(shí)代和“數(shù)據(jù)要素×”的發(fā)展，從五個(gè)方面提出加強(qiáng)我國(guó)自主科學(xué)數(shù)據(jù)處理軟件/工具的開發(fā)應(yīng)用建議。

關(guān)鍵詞：地球科學(xué)；科學(xué)數(shù)據(jù)；軟件/工具；自主性；國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)中心

1 "引言

科學(xué)數(shù)據(jù)是信息時(shí)代傳播速度最快、影響面最廣、開發(fā)利用潛力最大的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性科技資源。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，海量科學(xué)數(shù)據(jù)不斷產(chǎn)生，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為特征的科學(xué)研究方法發(fā)生了重要的范式變革[1]。在國(guó)際視野下，各國(guó)均在加強(qiáng)對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)的產(chǎn)出匯聚、共享管理和創(chuàng)新應(yīng)用。美國(guó)重視科學(xué)數(shù)據(jù)的積累和重用，在立法層面制定國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)管理的基本原則，從國(guó)家層面管理和部署科學(xué)數(shù)據(jù)工作，通過(guò)多年持續(xù)積累，形成了一批權(quán)威、長(zhǎng)序列、多尺度的科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，這些科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)在科研過(guò)程中發(fā)揮了重要作用[2]。例如，美國(guó)航空航天局（NASA） 持續(xù)進(jìn)行各類太空任務(wù)和衛(wèi)星觀測(cè)，產(chǎn)生大量對(duì)地觀測(cè)科學(xué)數(shù)據(jù)，涉及地球、太陽(yáng)系和宇宙等多個(gè)空間尺度。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS） 開發(fā)的Earth Explorer軟件可以提供衛(wèi)星、飛機(jī)和其他遙感產(chǎn)品的在線搜索服務(wù)，具有數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)更新、開放共享等特點(diǎn)。歐盟提出的“地平線2020”（Horizon2020）宣布從2017年開始全面實(shí)施科學(xué)數(shù)據(jù)開放制度，促進(jìn)知識(shí)發(fā)現(xiàn)和科研創(chuàng)新，進(jìn)一步推動(dòng)歐盟“開放科學(xué)”戰(zhàn)略[3]。日本政府在數(shù)據(jù)開放方面發(fā)展速度也較快。2011年發(fā)生的“3·11”東日本大地震促使日本政府意識(shí)到開放數(shù)據(jù)在防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域具有積極作用，推動(dòng)了政府?dāng)?shù)據(jù)開放的進(jìn)程；至2019年12月，日本內(nèi)閣會(huì)議通過(guò)了《數(shù)字政府實(shí)施計(jì)劃》，旨在到2025年建立一個(gè)使國(guó)民能夠充分享受信息技術(shù)便利的數(shù)字化社會(huì)[4]。我國(guó)也高度重視科學(xué)數(shù)據(jù)的共享和應(yīng)用。2019年6月，科技部、財(cái)政部落實(shí)《科學(xué)數(shù)據(jù)管理辦法》和《國(guó)家科技資源共享服務(wù)平臺(tái)管理辦法》的要求，組建了“國(guó)家高能物理科學(xué)數(shù)據(jù)中心”等20個(gè)國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)中心[5]，作為管理和服務(wù)數(shù)據(jù)的核心機(jī)構(gòu)。此外，在各政府部門、科研機(jī)構(gòu)也形成了一批層次不同、類型多樣的科學(xué)數(shù)據(jù)中心，為推動(dòng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享共用、提高資源利用效率發(fā)揮了積極作用[6]。2023年底，國(guó)家數(shù)據(jù)局等17部門聯(lián)合印發(fā)《“數(shù)據(jù)要素×”三年行動(dòng)計(jì)劃（2024—2026年）》，其選取科技創(chuàng)新、工業(yè)制造、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、商貿(mào)流通、交通運(yùn)輸?shù)?2個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，推動(dòng)發(fā)揮數(shù)據(jù)要素乘數(shù)效應(yīng)，釋放數(shù)據(jù)要素價(jià)值，并從提升數(shù)據(jù)供給水平、優(yōu)化數(shù)據(jù)流通環(huán)境、加強(qiáng)數(shù)據(jù)安全保障等3方面，強(qiáng)化保障支撐[7]。

科學(xué)數(shù)據(jù)的重要性已得到廣泛認(rèn)識(shí)，但隨著科學(xué)數(shù)據(jù)的不斷積累，其數(shù)據(jù)處理軟件/工具的能力逐漸成為科學(xué)數(shù)據(jù)能否發(fā)揮作用的關(guān)鍵和瓶頸。例如，在發(fā)展中國(guó)家中，尼日利亞是非洲大陸上經(jīng)濟(jì)最大的國(guó)家之一，擁有豐富的自然資源和人力資源。盡管該國(guó)政府機(jī)構(gòu)收集了大量的數(shù)據(jù)，包括人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、衛(wèi)生數(shù)據(jù)等，但由于數(shù)據(jù)處理和分析能力不足，這些數(shù)據(jù)未能充分發(fā)揮其潛在的價(jià)值[8]?？茖W(xué)數(shù)據(jù)處理和分析離不開軟件/工具，其發(fā)展水平直接決定著科學(xué)數(shù)據(jù)的應(yīng)用能力。但目前這些軟件/工具在使用過(guò)程開放程度不一，存在各種影響和限制因素。例如，Google Earth Engine（GEE） 是一種提供大規(guī)模數(shù)據(jù)處理能力的平臺(tái)，利用Google的云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，可監(jiān)測(cè)土地利用和土地覆蓋變化、研究氣候變化的影響、監(jiān)測(cè)自然災(zāi)害、分析生態(tài)系統(tǒng)變化、評(píng)估水資源變化以及提供農(nóng)業(yè)決策支持等。然而，對(duì)于大規(guī)模數(shù)據(jù)使用會(huì)涉及費(fèi)用問(wèn)題，并且某些功能受到Google平臺(tái)政策限制。ArcGIS 是一款地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，被廣泛認(rèn)為是處理地圖及地理信息的領(lǐng)先軟件之一，其特點(diǎn)包括強(qiáng)大的空間分析能力、高效的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、成熟的技術(shù)體系、穩(wěn)定的安全性以及領(lǐng)先的影像管理技術(shù)。然而，需要指出的是，ArcGIS是商業(yè)軟件，存在不開源、應(yīng)用平臺(tái)不兼容等問(wèn)題。

提升軟件的自主保障能力是發(fā)揮數(shù)據(jù)共享利用效益的關(guān)鍵，使用國(guó)產(chǎn)軟件也是提高本國(guó)數(shù)據(jù)安全的一個(gè)重要途徑。近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和數(shù)據(jù)交換的增加，對(duì)數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)的需求日益迫切。在《科學(xué)數(shù)據(jù)管理辦法》中，明確提出在“加強(qiáng)和規(guī)范科學(xué)數(shù)據(jù)管理，保障科學(xué)數(shù)據(jù)安全”的基礎(chǔ)上提高開放共享水平，該辦法也專門設(shè)立了“保密與安全”這一章節(jié)，強(qiáng)調(diào)了主管部門、法人單位和科學(xué)數(shù)據(jù)中心等主體在數(shù)據(jù)安全方面的責(zé)任和要求[9]。此外，為了落實(shí)國(guó)家安全制度，保障公民信息數(shù)據(jù)權(quán)益，我國(guó)制定了《中華人民共和國(guó)網(wǎng)絡(luò)安全法》（2017年）[10]《中華人民共和國(guó)數(shù)據(jù)安全法》（2021年）[11]《中華人民共和國(guó)個(gè)人信息保護(hù)法》（2021年）[12]等法律。國(guó)家互聯(lián)網(wǎng)信息辦公室等部門又陸續(xù)發(fā)布了《數(shù)據(jù)出境安全評(píng)估辦法》《個(gè)人信息出境標(biāo)準(zhǔn)合同辦法》《信息安全技術(shù)—個(gè)人信息安全規(guī)范》《個(gè)人信息跨境處理活動(dòng)安全認(rèn)證規(guī)范》等管理辦法及標(biāo)準(zhǔn)，全面支撐數(shù)據(jù)跨境流動(dòng)體系的構(gòu)建[13]。這些法律對(duì)數(shù)據(jù)出境等方面做出了若干原則性規(guī)定，提出了一系列合規(guī)要求，構(gòu)建起我國(guó)數(shù)據(jù)保護(hù)的監(jiān)管框架。在這些法律指導(dǎo)下，加強(qiáng)我國(guó)自主軟件和自主數(shù)據(jù)的開發(fā)和利用是對(duì)國(guó)家安全的重要支撐。地球科學(xué)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)具有突出的復(fù)雜性和多樣性，涵蓋了大氣、海洋、陸地、地球內(nèi)部、人與生態(tài)等多要素?cái)?shù)據(jù)，具有學(xué)科領(lǐng)域數(shù)據(jù)處理的典型代表性。因此，本研究針對(duì)地球科學(xué)多個(gè)專題，開展數(shù)據(jù)處理與分析軟件的自主安全現(xiàn)狀調(diào)研，并預(yù)期通過(guò)對(duì)比分析提出相應(yīng)建議。

2 "研究方法

2.1 "調(diào)研大綱

本次調(diào)研主要覆蓋以下幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：軟件/工具名稱、概況、主要功能、應(yīng)用服務(wù)/典型案例、優(yōu)缺點(diǎn)、國(guó)別及國(guó)內(nèi)對(duì)標(biāo)軟件、參考資料等。

（1）軟件/工具名稱

軟件/工具的官方規(guī)范名稱，部分有通用簡(jiǎn)稱的亦可提供。

（2）軟件/工具概況

軟件/工具的開發(fā)歷史、版本及其變化、開發(fā)維護(hù)團(tuán)隊(duì)、支持語(yǔ)言和平臺(tái)。

（3）軟件/工具的主要功能

軟件/工具的核心功能和特色，技術(shù)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用場(chǎng)景，以及其滿足特定專題領(lǐng)域的需求情況。

（4）應(yīng)用服務(wù)/典型案例

軟件在實(shí)際應(yīng)用中的具體案例，了解不同場(chǎng)景中的應(yīng)用效果和用戶反饋。

（5）優(yōu)缺點(diǎn)

客觀分析軟件的優(yōu)勢(shì)，如易用性、功能豐富、性能優(yōu)異等。指出軟件的潛在不足，如界面復(fù)雜、資源消耗大、兼容性問(wèn)題等。

（6）國(guó)別及國(guó)內(nèi)對(duì)標(biāo)軟件

介紹軟件的來(lái)源國(guó)家及其在該國(guó)的市場(chǎng)地位，

對(duì)比國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的類似軟件，分析它們的相似點(diǎn)和差異。

2.2 "軟件/工具分組

結(jié)合地球科學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域分布，對(duì)調(diào)研獲取的177個(gè)國(guó)內(nèi)外軟件/工具進(jìn)行分組，見表1所示。共包括16個(gè)專題，分別是遙感處理、土地覆蓋、海洋、地質(zhì)、大氣、生態(tài)評(píng)價(jià)、資源承載力、凍土、野火、草地、農(nóng)業(yè)、土地退化、自然災(zāi)害、人口社會(huì)經(jīng)濟(jì)、空間化以及知識(shí)圖譜。

3 "研究結(jié)果

3.1 "所屬專題分析

調(diào)研到的各專題軟件/工具如表2所示。土地覆蓋、人口社會(huì)經(jīng)濟(jì)、草地、知識(shí)圖譜、資源承載力、自然災(zāi)害、海洋、地質(zhì)、遙感處理和大氣等專題的軟件/工具數(shù)量均超過(guò)10個(gè)，反映出地學(xué)領(lǐng)域的軟件/工具發(fā)展傾向于支持綜合性應(yīng)用的場(chǎng)景。需要深度專業(yè)知識(shí)的專題，如土地退化、空間化和凍土等，則軟件/工具數(shù)量相對(duì)較少。與國(guó)際開發(fā)的軟件/工具相比，國(guó)產(chǎn)軟件主要突顯在土地退化、人口社會(huì)經(jīng)濟(jì)、知識(shí)圖譜和遙感處理等專題。這反映出我國(guó)地學(xué)研究的區(qū)域特色，即關(guān)注在生態(tài)環(huán)境、土地退化、人口社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、遙感應(yīng)用等。

土地覆蓋的主流數(shù)據(jù)產(chǎn)品庫(kù)有Radiant MLHub、ESA WorldCover、LandCoverNet等，土地覆蓋模擬模型工具有FLUS、PLUS等。這些數(shù)據(jù)和模型工具揭示了全球地表覆蓋的土地類型歷史、現(xiàn)狀及未來(lái)情景的模擬，對(duì)地球表層系統(tǒng)、環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展研究具有重要意義。自然災(zāi)害方面，現(xiàn)有的軟件/工具在模擬能力方面有很大提高，如泥石流、地震、洪水和雪崩等。它們結(jié)合了大數(shù)據(jù)分析、數(shù)值模擬和地理信息系統(tǒng)（GIS）等技術(shù)，可為決策者提供實(shí)時(shí)的災(zāi)害預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。海洋專題軟件/工具多用于分析和可視化數(shù)量龐大的海洋數(shù)據(jù)集，對(duì)于海洋生態(tài)系統(tǒng)、氣候變化和全球生物地球化學(xué)循環(huán)研究至關(guān)重要。地質(zhì)專題主要是地球科學(xué)和地質(zhì)工程領(lǐng)域中用于數(shù)據(jù)分析、建模和可視化的高級(jí)軟件/工具。它們被廣泛應(yīng)用于自然資源評(píng)估、地質(zhì)建模、環(huán)境分析和礦山規(guī)劃等多種任務(wù)中。遙感數(shù)據(jù)處理主要面向于海量科學(xué)數(shù)據(jù)的高速計(jì)算與處理，近年來(lái)遙感處理軟件與云計(jì)算、邊緣計(jì)算的深度融合使得大批量的數(shù)據(jù)資源得以高效計(jì)算。大氣專題軟件多為可對(duì)氣候模式、蒸散發(fā)、大氣成分、氣象要素等提供數(shù)據(jù)計(jì)算的平臺(tái)和方法，例如全球氣候以及近地表環(huán)境參量的模擬、下墊面復(fù)雜多樣的地表蒸散發(fā)和干旱指數(shù)計(jì)算、氣象數(shù)據(jù)反演、預(yù)估水循環(huán)能力，以及氣象災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)防能力等。農(nóng)業(yè)專題使用的軟件/工具不斷演進(jìn)，不僅可以更好地監(jiān)測(cè)農(nóng)田狀況、作物生長(zhǎng)情況和資源利用效率，還支持大規(guī)模數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和分析，提供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理決策支持。生態(tài)方面軟件在生態(tài)學(xué)研究和生態(tài)系統(tǒng)管理中發(fā)揮著重要作用。這些軟件通常用于模擬、分析、監(jiān)測(cè)和管理各種生態(tài)系統(tǒng)，以及評(píng)估人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，主要有AHP、GeoDetector、GWR、SRP等。

這些軟件/工具涉及很多交叉的應(yīng)用學(xué)科領(lǐng)域。對(duì)調(diào)研軟件/工具的概況、主要功能、應(yīng)用服務(wù)/典型案例等文本信息進(jìn)行分詞、清洗和梳理，采用了權(quán)重分析方法來(lái)深入調(diào)研軟件/工具的應(yīng)用專題領(lǐng)域（圖1）。在涉及的177個(gè)軟件/工具中，“地理”領(lǐng)域是被應(yīng)用最多的方向，詞頻超過(guò)30次。其次是生態(tài)、災(zāi)害、海洋和信息學(xué)等領(lǐng)域，這些方向的詞頻均在15次以上。從圖1可以看到地理、生態(tài)、災(zāi)害、海洋、信息、地質(zhì)、草地等領(lǐng)域具有較鮮明的主流軟件特征。而在農(nóng)業(yè)、土地利用、凍土、人口等領(lǐng)域的頻次下降，反映出軟件/工具的產(chǎn)品較少。

3.2 "所屬國(guó)家分析

調(diào)研軟件/工具主要分布在15個(gè)國(guó)家和區(qū)域，其中包括美國(guó)、中國(guó)、加拿大、英國(guó)和荷蘭等（圖2）。另有19個(gè)軟件/工具由國(guó)際組織或多國(guó)協(xié)作共同開發(fā)或運(yùn)營(yíng)。在這些國(guó)家中，美國(guó)是軟件/工具開發(fā)的巨頭，

其開發(fā)的軟件/工具占比近40%。相較之下，其他國(guó)家的軟件/工具開發(fā)相對(duì)較為有限，絕大多數(shù)國(guó)家的軟件/工具數(shù)量不超過(guò)10個(gè)（包含10個(gè)），美國(guó)在地學(xué)領(lǐng)域軟件/工具研發(fā)處于主導(dǎo)地位。歐洲在全球范圍內(nèi)軟件/工具的開發(fā)也處在較為突出地位。非洲、南美洲、“一帶一路”沿線國(guó)家缺少在地學(xué)領(lǐng)域的軟件/工具研發(fā)，呈現(xiàn)出相對(duì)較低的集中度。

3.3 "時(shí)間區(qū)域?qū)ｎ}多維分析

在開發(fā)應(yīng)用時(shí)間方面，在草地及生態(tài)專題中應(yīng)用較為廣泛的Maximum Entropy Modeling（MaxEnt） 開發(fā)時(shí)間最早，可追溯至1957年。從圖3可知，自2000年以后，軟件/工具開發(fā)呈現(xiàn)出較為集中的趨勢(shì)。對(duì)于一些新興的應(yīng)用領(lǐng)域，如知識(shí)圖譜，其相關(guān)軟件/工具的開發(fā)時(shí)間主要聚焦在2010年以后；而在遙感處理研究專題，開發(fā)時(shí)間主要集中在2005年之后。這一現(xiàn)象表明軟件/工具的開發(fā)時(shí)間與學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)密切相關(guān)。在農(nóng)業(yè)、草地等專題，大多數(shù)軟件/工具的開發(fā)時(shí)間早于2000年，并且近年幾乎沒(méi)有新的軟件/工具開發(fā)。這進(jìn)一步說(shuō)明該專題已有的軟件/工具部分較為成熟，基本可以滿足當(dāng)前需求。美國(guó)開發(fā)的軟件/工具幾乎在調(diào)研的所有應(yīng)用專題中都有涉及，其次是中國(guó)，覆蓋了11個(gè)專題。此外，許多應(yīng)用專題中有近5個(gè)國(guó)家（或國(guó)際組織）都開發(fā)了不同的軟件/工具，然而在空間化、土地退化、凍土、生態(tài)評(píng)價(jià)等專題，僅有兩個(gè)國(guó)家（或國(guó)際組織）開發(fā)了不同的軟件/工具。

3.4 "開放程度分析

軟件/工具的開放程度對(duì)于全球軟件開發(fā)的知識(shí)共享和推廣應(yīng)用影響顯著。在圖4的軟件/工具開放程度分析中，免費(fèi)的軟件/工具在地學(xué)領(lǐng)域占據(jù)大多數(shù)（占調(diào)研總體的67.8%）。美國(guó)開源/免費(fèi)的軟件/工具

達(dá)到68%，中國(guó)為57%。具體而言，針對(duì)海洋大數(shù)據(jù)處理、生態(tài)評(píng)價(jià)、凍土等大多數(shù)應(yīng)用專題，相當(dāng)一部分軟件/工具是以免費(fèi)形式提供給用戶的。然而，在地質(zhì)、資源承載力評(píng)估、自然災(zāi)害、知識(shí)圖譜等專題，一定數(shù)量的軟件需要用戶支付費(fèi)用。除此之外，調(diào)研過(guò)程中也有其他情況，如軟件/工具的特定版本或者特定用途需要支付費(fèi)用。用戶在選擇和使用時(shí)會(huì)考慮這些外部因素以衡量是否選用。

對(duì)有開發(fā)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的145個(gè)軟件/工具進(jìn)行以5年為周期的軟件/工具開源情況分析（見圖5，在統(tǒng)計(jì)過(guò)程中開放訪問(wèn)數(shù)據(jù)的平臺(tái)也視作開源）。軟件/工具總數(shù)、免費(fèi)軟件/工具以及開源軟件/工具數(shù)量整體趨勢(shì)一致，呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后減少的趨勢(shì)。可發(fā)現(xiàn)開源軟件/工具數(shù)量在2005—2009年達(dá)到了峰值，之后有所下降，這可能反映出開源社區(qū)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)高速增長(zhǎng)期后進(jìn)入了一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)或調(diào)整的階段。開源軟件的減少也可能與開發(fā)者對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)、商業(yè)化潛力和安全性等因素的重新評(píng)估有關(guān)。

3.5 "與云平臺(tái)的結(jié)合程度

對(duì)全球177款地學(xué)領(lǐng)域軟件/工具調(diào)研中，發(fā)現(xiàn)有60款軟件已經(jīng)整合了在線云平臺(tái)技術(shù)或者具備與云平臺(tái)技術(shù)結(jié)合的潛力，占到了總數(shù)的三分之一以上。這一發(fā)現(xiàn)凸顯了云計(jì)算在地學(xué)研究中的日益重要性。進(jìn)一步分析指出，中國(guó)在地學(xué)領(lǐng)域的國(guó)家級(jí)科學(xué)數(shù)據(jù)中心均擁有廣泛的軟件應(yīng)用空間，包括國(guó)家對(duì)地觀測(cè)科學(xué)數(shù)據(jù)中心、國(guó)家極地科學(xué)數(shù)據(jù)中心、國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心、國(guó)家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心、國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心、國(guó)家農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)中心、國(guó)家林業(yè)和草原科學(xué)數(shù)據(jù)中心、國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心、國(guó)家海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中心，以及國(guó)家生態(tài)科學(xué)和國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心（圖6）。遙感處理、土地覆蓋、海洋、地質(zhì)、草地、空間化以及知識(shí)圖譜專題的軟件/工具在上述11個(gè)地學(xué)領(lǐng)域國(guó)家數(shù)據(jù)中心均存在應(yīng)用方向和前景。資源承載力、農(nóng)業(yè)、土地退化專題的軟件/工具應(yīng)用面相對(duì)較窄，主要可能應(yīng)用于國(guó)家農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)中心、國(guó)家林業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)中心、國(guó)家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心以及國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心等。應(yīng)用面較廣的地學(xué)領(lǐng)域科學(xué)數(shù)據(jù)中心，如地球系統(tǒng)、對(duì)地觀測(cè)、農(nóng)業(yè)等，其可用軟件數(shù)在近100個(gè)及以上。各種軟件/工具，包括云計(jì)算平臺(tái)、隨機(jī)森林算法工具、Python等開源分析軟件以及WorldCover等數(shù)據(jù)庫(kù)，都能在這些數(shù)據(jù)中心的云計(jì)算環(huán)境中提供必要的數(shù)據(jù)、算法和技術(shù)支持。時(shí)間序列分析顯示，隨著時(shí)間的推移，越來(lái)越多的軟件和工具開始采納云平臺(tái)技術(shù)或者支持云平臺(tái)技術(shù)的開發(fā)，反映出地學(xué)領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展趨勢(shì)。

4 "討論與建議

4.1 "地學(xué)領(lǐng)域軟件/工具布局與領(lǐng)域發(fā)展

在地學(xué)領(lǐng)域的軟件/工具布局方面，存在著開源軟件發(fā)展受限、自主研發(fā)能力不足等多個(gè)方面的問(wèn)題。開源軟件雖然一度蓬勃發(fā)展（1990—2009年），但隨后出現(xiàn)增長(zhǎng)放緩的現(xiàn)象（2010—2023年），這反映出知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、商業(yè)化潛力等方面的挑戰(zhàn)。盡管在地學(xué)領(lǐng)域中土地退化、人口社會(huì)經(jīng)濟(jì)、知識(shí)圖譜、遙感處理等專題取得了一定進(jìn)展，但特定專題如大氣科學(xué)

和野火等的軟件/工具開發(fā)高度依賴國(guó)外，自主研發(fā)能力不足。從國(guó)際視角來(lái)看，美國(guó)開發(fā)的軟件/工具幾乎涉及所有調(diào)研的應(yīng)用專題，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在空間化、土地退化、凍土、生態(tài)評(píng)價(jià)等專題僅有2個(gè)國(guó)家（或國(guó)際組織）參與研發(fā)，反映出部分專題的軟件支撐度低。非洲、南美洲以及“一帶一路”沿線國(guó)家的軟件支撐度相對(duì)較弱，這可能由多個(gè)因素的影響所致，如基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字化發(fā)展不足、缺乏教育和人才培養(yǎng)水平等。此外，國(guó)內(nèi)軟件/工具開發(fā)多呈現(xiàn)出模仿國(guó)際方案的趨勢(shì)，缺乏原創(chuàng)性和創(chuàng)新性，限制了其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

建議：1）增加對(duì)開源軟件社區(qū)的支持和參與，以及加強(qiáng)科技軟件的自主研發(fā)能力，特別是在那些自主保障程度較低的關(guān)鍵專題，是提高軟件自主性的關(guān)鍵。2）鼓勵(lì)原創(chuàng)性思維和創(chuàng)新，通過(guò)獨(dú)立研發(fā)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的策略來(lái)提供多樣化和個(gè)性化的服務(wù)，從而增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。3）加強(qiáng)與國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)中心的合作，通過(guò)數(shù)據(jù)共享、云計(jì)算資源利用等方式，建立軟件/工具共享

機(jī)制，提高軟件/工具的數(shù)據(jù)處理能力和效率。

4.2 "科技軟件/工具的開放與共享發(fā)展建議

當(dāng)前的軟件/工具中有部分免費(fèi)軟件/工具，主要體現(xiàn)在海洋大數(shù)據(jù)、生態(tài)評(píng)價(jià)、凍土等應(yīng)用專題，但在地質(zhì)、資源承載力評(píng)估、自然災(zāi)害、知識(shí)圖譜等特定專題，還以商業(yè)化的軟件為主，這可能會(huì)限制特定領(lǐng)域研究者或企業(yè)的接入和使用。此外，軟件/工具的不同版本以及特定用途下的費(fèi)用問(wèn)題，增加了用戶選擇軟件時(shí)的復(fù)雜度和使用成本。這種開放程度的差異性，不僅影響用戶的使用體驗(yàn)，也可能影響到軟件的普及率和領(lǐng)域內(nèi)的研究發(fā)展。

建議：1）加強(qiáng)政府和機(jī)構(gòu)對(duì)開發(fā)免費(fèi)或低成本軟件/工具的資助和支持，尤其是在軟件依存度高的專業(yè)領(lǐng)域。2）鼓勵(lì)開發(fā)者提供多版本軟件，包括功能有限的免費(fèi)版本和高級(jí)功能的付費(fèi)版本，以滿足不同用戶的需求并促進(jìn)軟件普及，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。3）鼓勵(lì)搭建軟件共享平臺(tái)，促進(jìn)行業(yè)內(nèi)軟件/工具的交流和共享，特別是針對(duì)研究和學(xué)術(shù)用途的軟件。

4.3 "科技軟件/工具的自主保障上的展望與挑戰(zhàn)

盡管有一部分國(guó)產(chǎn)軟件產(chǎn)品在地學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用（占調(diào)研比例的26.6%），但在關(guān)鍵軟件產(chǎn)品研發(fā)中，我國(guó)面臨著缺乏具有顛覆性和革命性意義的創(chuàng)新產(chǎn)品問(wèn)題。例如，在遙感處理和地理信息數(shù)據(jù)處理軟件中的軟件/工具，大多是在國(guó)際知名云計(jì)算平臺(tái)以及空間化產(chǎn)品的影響和啟發(fā)下發(fā)展而來(lái)。這種模仿式的發(fā)展策略雖然在一定程度上促進(jìn)了國(guó)內(nèi)軟件/工具的增長(zhǎng)，但也導(dǎo)致了原創(chuàng)性和創(chuàng)新性的不足。由于這些軟件/工具在設(shè)計(jì)和功能上過(guò)度依賴于已有的國(guó)際成功方案，它們往往難以形成獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于那些影響力大的國(guó)外軟件，國(guó)產(chǎn)軟件的用戶群體規(guī)模較小，進(jìn)一步導(dǎo)致了這些軟件后期生態(tài)系統(tǒng)的建立和維護(hù)變得更為困難。這種情況不僅限制了軟件的普及和應(yīng)用，也減弱了其在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力和可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

建議：1）加強(qiáng)對(duì)國(guó)產(chǎn)軟件研發(fā)的支持，尤其是在目前參與度較低的專題，如大氣、野火等，可增加研發(fā)投入和政府政策扶持。2）鼓勵(lì)國(guó)產(chǎn)軟件/工具走向國(guó)際，提升國(guó)際影響力，通過(guò)參與國(guó)際合作項(xiàng)目、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定等方式提高軟件/工具可見度和認(rèn)可度。3）促進(jìn)學(xué)科領(lǐng)域間的國(guó)際交流和合作，鼓勵(lì)多學(xué)科融合的軟件/工具開發(fā)，提高軟件/工具的通用性和適用性。

4.4 "數(shù)據(jù)軟件發(fā)展與國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)中心的契合

本次調(diào)研的部分軟件/工具與國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)中心

的契合度存在不足。盡管部分地學(xué)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)在加強(qiáng)軟件/工具的開發(fā)和應(yīng)用方面取得了一定進(jìn)展，但是開發(fā)的力度尚不夠，尚未形成明顯的趨勢(shì)。隨著科學(xué)數(shù)據(jù)的快速增長(zhǎng)，現(xiàn)有的軟件/工具可能無(wú)法完全滿足高效處理和分析這些數(shù)據(jù)的需求。隨著時(shí)間的推移，越來(lái)越多的軟件和工具開始采納云平臺(tái)技術(shù)或支持云平臺(tái)技術(shù)的開發(fā)?，F(xiàn)有的云平臺(tái)大多起到數(shù)據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)的作用，但數(shù)據(jù)利用和開發(fā)能力還有提升空間，尤其是在數(shù)據(jù)分析、處理和應(yīng)用服務(wù)等方面。這說(shuō)明，云計(jì)算技術(shù)在國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用潛力遠(yuǎn)未被挖掘。

建議：1）加強(qiáng)軟件/工具與國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)中心的合作，特別是在數(shù)據(jù)共享、云計(jì)算資源利用等方面，提高軟件/工具的數(shù)據(jù)處理能力和效率。建議進(jìn)一步探索和優(yōu)化地學(xué)領(lǐng)域軟件與國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)中心的契合度。2）促進(jìn)軟件/工具的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化發(fā)展，以便更好地集成到國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)中心的技術(shù)體系中，提升數(shù)據(jù)利用的靈活性和便捷性。3）加強(qiáng)算法工具與數(shù)據(jù)庫(kù)的整合，推動(dòng)具體專題在開放、協(xié)作和智能化方向的發(fā)展，促進(jìn)大數(shù)據(jù)與人工智能相結(jié)合的科研范式的變革。

4.5 "國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)中心軟件/工具開發(fā)利用建議

國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)中心是我國(guó)科技基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其主要分布在地球科學(xué)、生物科學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)、農(nóng)學(xué)、林雪、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等重點(diǎn)學(xué)科領(lǐng)域，各中心根據(jù)學(xué)科領(lǐng)域特點(diǎn)建立科學(xué)數(shù)據(jù)資源體系。據(jù)2022年中國(guó)科學(xué)數(shù)據(jù)資源發(fā)展研究報(bào)告顯示[14]，截至2020年年底，20個(gè)國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)中心整合的數(shù)據(jù)總量達(dá)到104.1PB，發(fā)布共計(jì)97 093條資源目錄數(shù)據(jù)。另外，國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)中心基于所管理的學(xué)科領(lǐng)域數(shù)據(jù)，面向科研應(yīng)用的實(shí)際需求，研發(fā)和形成了一大批具有影響力的特色軟件/工具。例如，在空間科學(xué)領(lǐng)域，研發(fā)融合處理加工類、分析挖掘類、重大任務(wù)支撐類和科普傳播類軟件/工具共40個(gè)；在基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域通用、學(xué)科領(lǐng)域分析和挖掘工具近20個(gè)；在海洋領(lǐng)域研發(fā)了分析產(chǎn)品制作工具、數(shù)據(jù)自動(dòng)化清洗工具、研究數(shù)據(jù)處理工具等。許多國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)中心同時(shí)也是國(guó)際數(shù)據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)，承擔(dān)著國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)匯交、期刊論文存檔等重要作用，如國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心 ，國(guó)家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心 、國(guó)家高能物理科學(xué)數(shù)據(jù)中心 、國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心 等。隨著這些數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)量的不斷增加，其數(shù)據(jù)資源開發(fā)利用的潛力越來(lái)越大。如何挖掘這些資源，加強(qiáng)增值加工和服務(wù)，是當(dāng)前的緊迫需求。

建議：1）參考國(guó)際主流軟件的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，以加強(qiáng)自主研發(fā)能力的提升，特別是在用戶體驗(yàn)、數(shù)據(jù)安全和處理效率等方面，從而提升國(guó)家數(shù)據(jù)中心軟件/工具的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。2）培訓(xùn)和建立跨學(xué)科開發(fā)團(tuán)隊(duì)，鼓勵(lì)軟件工程師、數(shù)據(jù)科學(xué)家、地學(xué)研究者等不同背景的專家共同參與軟件/工具的開發(fā)，以確保軟件/工具更好地服務(wù)于地學(xué)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用需求。3）建立更加開放的數(shù)據(jù)和軟件/工具共享機(jī)制，鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)、高校和企業(yè)參與到國(guó)家數(shù)據(jù)中心的軟件開發(fā)和改進(jìn)工作中，共同推進(jìn)軟件/工具的創(chuàng)新和優(yōu)化。

5 "結(jié)語(yǔ)

本文面向地學(xué)科學(xué)數(shù)據(jù)處理分析工具的自主性問(wèn)題，開展了地學(xué)領(lǐng)域科學(xué)數(shù)據(jù)處理分析軟件調(diào)研與分析。通過(guò)對(duì)地學(xué)16個(gè)專題領(lǐng)域的177個(gè)軟件在總體領(lǐng)域分布、國(guó)別分布、時(shí)間演變、開放程度、與云平臺(tái)結(jié)合程度等方面分析，初步識(shí)別出現(xiàn)有軟件發(fā)展現(xiàn)狀及我國(guó)科學(xué)數(shù)據(jù)中心與這些軟件/工具之間的契合度。在此基礎(chǔ)上，從地學(xué)領(lǐng)域軟件/工具布局與領(lǐng)域發(fā)展、軟件/工具的開放與共享發(fā)展、科技軟件/工具的自主保障、軟件/工具發(fā)展與國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)中心的契合、國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)中心軟件/工具開發(fā)利用等方面提出相應(yīng)的發(fā)展建議。需要說(shuō)明的是，由于檢索語(yǔ)言和檢索方式限制，本研究調(diào)研的軟件/工具數(shù)量和范圍尚不充分，還有許多未在線的軟件/工具、多語(yǔ)言的軟件/工具以及未被搜索引擎發(fā)現(xiàn)的軟件/工具未納入統(tǒng)計(jì)，未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合實(shí)踐在更大范圍開展調(diào)研和對(duì)比。

參考文獻(xiàn)

[1] 王卷樂(lè)，王明明，石蕾，等.科學(xué)數(shù)據(jù)管理態(tài)勢(shì)及其對(duì)我國(guó)地球科學(xué)領(lǐng)域的啟示.地球科學(xué)進(jìn)展[J]，2019，34（3）：306-315.

[2] 王卷樂(lè)，石蕾，王淑強(qiáng).國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)資源管理概述[M].北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2021.

[3] 張玉娥，王永珍.歐盟科研數(shù)據(jù)管理與開放獲取政策及其啟示——以“歐盟地平線2020”計(jì)劃為例[J].圖書情報(bào)工作，2017，61（13）： 70-76.

[4] 黃雨婷，傅文奇.日本政府?dāng)?shù)據(jù)開放的政策保障及其啟示[J].數(shù)字圖書館論壇，2020（9）：9-17.

[5] 科技部財(cái)政部關(guān)于發(fā)布國(guó)家科技資源共享服務(wù)平臺(tái)優(yōu)化調(diào)整名單的通知（國(guó)科發(fā)基〔2019〕194 號(hào)）[EB/OL]. http：//www.most. gov.cn/xxgk/xinxifenlei/fdzdgknr/qtwj/qtwj2019/201906/t20190610_ 147031.html.

[6] 石蕾，高孟緒，徐波，等.歐美建設(shè)發(fā)展科學(xué)數(shù)據(jù)中心的經(jīng)驗(yàn)及對(duì)我國(guó)的啟示[J].中國(guó)科技資源導(dǎo)刊，2022，54（3）：31-36+110.

[7] 國(guó)家數(shù)據(jù)局等部門關(guān)于印發(fā)《“數(shù)據(jù)要素×”三年行動(dòng)計(jì)劃（2024—2026年）》的通知（國(guó)數(shù)政策〔2023〕11號(hào)）. [EB/OL]. https：// mp.weixin.qq.com/s/YyhLQo4lZIFNMiyupdvO1A.

[8] Oluwaseun O O， Uzochukwu B， Aderemi A. Data Analytics in Nigeria： Challenges， Opportunities and Future Directions[C]//Proceedings of the 2019 2nd International Conference on Computational Intelligence and Intelligent Systems （CIIS 2019） （pp. 110-114）. Association for Computing Machinery.

[9] 廖方宇，胡良霖，王健，等.科學(xué)數(shù)據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)研究與工作建議[J].科學(xué)通報(bào)，2024，69（9）：1142-1148.

[10] 中華人民共和國(guó)網(wǎng)絡(luò)安全法[EB/OL]. https：//www.cac.gov.cn/2016- 11/07/c_1119867116.htm？eqid=ac15f20d0001418a00000006648a8b25.

[11] 中華人民共和國(guó)數(shù)據(jù)安全法[EB/OL]. https：//www.gov.cn/xinwen/ 2021-06/11/content_5616919.htm.

[12] 中華人民共和國(guó)個(gè)人信息保護(hù)法[EB/OL]. https：//www.gov.cn/ xinwen/2021-08/20/content_5632486.htm？eqid=898a0e2f0002ace800000003648fb2c2.

[13] 王珺，周小林，沈云怡，等.科學(xué)數(shù)據(jù)跨境流動(dòng)治理的現(xiàn)狀、思考與展望[J/OL].科學(xué)通報(bào)， 2024：1-11.

[14] 國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)中心.中國(guó)科學(xué)數(shù)據(jù)資源發(fā)展研究報(bào)告[M].北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2022.

引用格式：王卷樂(lè)，李凱，段博文，蘇娜.地學(xué)領(lǐng)域科學(xué)數(shù)據(jù)處理與分析軟件自主性分析[J].農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)學(xué)報(bào)，2024，6（2）：230-240.DOI： 10.19788/j.issn. 2096-6369.000046.

CITATION： WANG JuanLe， LI Kai， DUAN BoWen， SU Na. Analysis of Autonomy in Geosciences Data Processing and Analysis Software[J]. Journal of Agricultural Big Data， 2024，6（2）：230-240. DOI： 10.19788/j.issn.2096-6369.000046.

Analysis of Autonomy in Geosciences Data Processing and Analysis Software

WANG JuanLe1，2，3*， LI Kai1，2， DUAN BoWen1， SU Na4

1. State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System， Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100101， China; 2. College of Resources and Environment， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China; 3. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application， Nanjing 210023， China; 4. Institutes of Science and Development， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China

Abstract： The importance of scientific data has been widely recognized， and as scientific data continues to accumulate， the capability of its data processing software will become a key bottleneck in determining whether scientific data can be effectively utilized. The field of Earth science involves multi-scale， multi-type， and multi-source data in research， leading to a strong demand for data processing and analysis software. This study， aimed at the characteristics of the earth science field， analyzes the current state of its main data processing and analysis software， identifies the degree of software autonomy in China， and expects to propose corresponding development suggestions. The survey covers 16 topics including geography， oceanography， geology， atmospheric sciences， ecology， disasters， agriculture， etc.， and selects 177 mainstream software/tools， focusing on obtaining indicators such as software/tool names， summaries， main functions， application services/typical cases， advantages and disadvantages， and benchmarking software. The analysis found that these software/tools in the field of geoscience data processing and analysis are completely open （open source） accounting for two-thirds， the last one-thirds are commercial， restrictive， or unknown openness. The main software/tools are developed in countries such as the United States， China， Canada， the United Kingdom， and some international organizations. From the perspective of topic distribution， this is mainly reflected in the following areas： land degradation， socio-economic demographics， knowledge graphs， and remote sensing big data processing. From the perspective of autonomy， the main high-risk software packages are mainly distributed in fields such as spatialization， atmosphere， wildfires， and permafrost. Among the surveyed software/tools， about one-third of the professional software/tool can be applied to the National Science Data Center， and can be used in Cloud Platform. Combining the era of artificial intelligence and the development of \"Data Element X\"， the future should strongly enhance the development and deployment application of China's autonomous scientific data processing software/tool from 5 perspectives.

Keywords： earth science; scientific data; software; autonomy; National Scientific Data Center