地球科學(xué)大數(shù)據(jù)研究主題演化與影響力分析
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中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 1998?年時任美國副總統(tǒng)戈爾提出數(shù)字地球概念——將數(shù)字地球看成是對地球的三維多分辨率表示，并能放入大量地理數(shù)據(jù)。自此，地球大數(shù)據(jù)概念和相關(guān)研究開始走進大眾視野。而在科學(xué)研究領(lǐng)域，地球大數(shù)據(jù)的研究及其應(yīng)用其實早已開始。1954?年，基于系列海洋數(shù)據(jù)分析了熱比容偏差；1959?年，基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)對大氣進行分析；隨著美國陸地（Landsat）系列衛(wèi)星的發(fā)射，1976?年起地球科學(xué)與大數(shù)據(jù)相關(guān)研究論文明顯增多，大多為基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展分析，主要應(yīng)用于地質(zhì)和礦產(chǎn)資源勘探、作物面積和土地利用分類估算、大氣成分和云層狀況研究、冰凍預(yù)報、衛(wèi)星和遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)等。
隨著計算機互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、空間信息技術(shù)、高分辨率衛(wèi)星影像、大數(shù)據(jù)處理與存儲技術(shù)、科學(xué)計算及可視化、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等現(xiàn)代信息科技的迅猛發(fā)展，地球大數(shù)據(jù)的深入應(yīng)用將對全球和各國的科技、經(jīng)濟和社會生活產(chǎn)生巨大影響。因此，地球大數(shù)據(jù)相關(guān)理論與技術(shù)方法研究成為當(dāng)前研究熱點領(lǐng)域。本文基于文獻計量方法，對地球大數(shù)據(jù)研究主題演化與影響力進行分析，以期為相關(guān)領(lǐng)域研究提供參考。
數(shù)據(jù)源與研究方法
利用“地球科學(xué)”和“大數(shù)據(jù)”主題組合檢索策略構(gòu)建檢索詞和檢索式（廣義的），采集文獻覆蓋面廣與影響力大的科學(xué)引文索引（SCI）和社會科學(xué)引文索引（SSCI）數(shù)據(jù)庫的所有文獻數(shù)據(jù)（截至?2021?年?7?月?20?日）。經(jīng)過對機構(gòu)和關(guān)鍵詞等信息的清洗，并經(jīng)專家識別排除不相關(guān)文獻后，利用多種可視化分析工具，定量分析地球大數(shù)據(jù)研究的現(xiàn)狀與研究主題變化情況。
地球大數(shù)據(jù)研究總體科研產(chǎn)出分析
全球地球大數(shù)據(jù)論文增長趨勢
地球大數(shù)據(jù)研究年發(fā)文量變化可以反映出其研究變遷與研究熱度。圖?1?展示了全球地球大數(shù)據(jù)相關(guān)研究年度發(fā)文量的變化趨勢。數(shù)據(jù)顯示，1990?年以前，地球大數(shù)據(jù)相關(guān)研究論文還非常少；1991—2000?年，論文數(shù)量開始保持小幅增長；2000?年以來，論文增長進入快車道；2017?年之后更呈現(xiàn)暴發(fā)式增長態(tài)勢。
地球大數(shù)據(jù)研究論文占全球論文比重可以更直觀地反映該領(lǐng)域受全球關(guān)注程度。圖?2?統(tǒng)計了?1954—2020?年地球大數(shù)據(jù)相關(guān)論文占?SCI/SSCI?年出版論文的比重，1990?年以后，地球大數(shù)據(jù)相關(guān)研究論文占全球論文比重呈現(xiàn)逐步增長的態(tài)勢；特別是?2012?年之后，增長更加迅猛；2020?年，地球大數(shù)據(jù)相關(guān)研究論文占全球比重已達到?0.25%。
全球國家與機構(gòu)的科研影響力分析
地球大數(shù)據(jù)相關(guān)研究論文主要分布在全球近?200個國家/地區(qū)。表?1?基于論文總被引頻次列出論文影響力最高的?15?個國家/地區(qū)及其論文數(shù)、篇均被引頻次、論文數(shù)全球占比和近?10?年（2011—2021?年）美國科技信息研究所基本科學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫（ESI）前?1%?高被引論文全球占比。美國涉及地球科學(xué)的大數(shù)據(jù)研究（廣義領(lǐng)域）起步較早，在論文數(shù)、論文總體影響力、篇均被引頻次、高被引論文等指標(biāo)上都表現(xiàn)較好。首次明確提出地球大數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)科學(xué)的概念（具體領(lǐng)域）是中國的科學(xué)家。2015?年?6?月?17—18?日，在北京舉行的“空間地球大數(shù)據(jù)”科學(xué)與技術(shù)前沿論壇上，郭華東報告中首次探討了空間地球大數(shù)據(jù)理念、科學(xué)內(nèi)涵、與數(shù)字地球關(guān)系，以及對推動地球系統(tǒng)科學(xué)及全球變化研究發(fā)展的潛力；2016?年，郭華東及其團隊在《科學(xué)通報》發(fā)表的《空間地球觀測數(shù)據(jù)成為地球科學(xué)新引擎》一文正式使用地球大數(shù)據(jù)概念；2017?年，郭華東牽頭創(chuàng)辦了全球地球科學(xué)領(lǐng)域的第一個大數(shù)據(jù)刊物?Big Earth Data，并在創(chuàng)刊號上發(fā)文，提出地球大數(shù)據(jù)科學(xué)的概念。目前，中國已成為地球科學(xué)大數(shù)據(jù)的研究大國，年相關(guān)論文產(chǎn)出超過美國，在國際地球大數(shù)據(jù)科學(xué)領(lǐng)域的研究已處于引領(lǐng)地位。
圖?3?可視化展示了地球大數(shù)據(jù)相關(guān)研究論文產(chǎn)出最多的?15?個國家/地區(qū)的年度論文數(shù)量變化，主要國家/地區(qū)相關(guān)論文產(chǎn)出均呈增長態(tài)勢。2000?年以前，美國發(fā)表的相關(guān)論文占全球至少一半以上；2010?年以后，中國相關(guān)論文增長很快，德國、澳大利亞、英國等國相關(guān)論文也有明顯增長；自?2018?年起，中國年相關(guān)論文年產(chǎn)出已超過美國。
表?2?分別統(tǒng)計了全球地球大數(shù)據(jù)領(lǐng)域發(fā)文最多和論文總被引頻次最高的?25?個機構(gòu)。發(fā)文最多的?25?個機構(gòu)分布在美國、中國、法國、俄羅斯、意大利、印度等國，其中美國?13?個，中國?8?個，法國、俄羅斯、意大利、印度各?1?個；論文總被引頻次最高的?25?個機構(gòu)分布在美國、中國、法國、意大利、加拿大等國，其中美國?19?個，中國?3?個，法國、意大利、加拿大各?1?個。
中國在地球大數(shù)據(jù)領(lǐng)域發(fā)文從論文數(shù)量和論文總被引頻次來看，中國科學(xué)院、北京師范大學(xué)和武漢大學(xué)是國內(nèi)?3?個最主要的研究機構(gòu)。北京師范大學(xué)開展地球大數(shù)據(jù)研究的主要單元為中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所和北京師范大學(xué)聯(lián)合建設(shè)的遙感科學(xué)國家重點實驗室；同時，北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部設(shè)置了地理數(shù)據(jù)與應(yīng)用分析中心，開展地理空間數(shù)據(jù)建設(shè)、計算平臺搭建，以及利用多源數(shù)據(jù)開展地理學(xué)過程分析，中心下設(shè)數(shù)據(jù)存儲與計算實驗室、地理數(shù)據(jù)服務(wù)研究所和地理大數(shù)據(jù)研究所。武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院和測繪學(xué)院是該校開展地球大數(shù)據(jù)研究的主要研究單元。
地球大數(shù)據(jù)研究領(lǐng)域分布
論文所屬期刊情況
基于美國科學(xué)信息研究所《期刊引用報告》（JCR）期刊分類對地球大數(shù)據(jù)相關(guān)研究論文所屬期刊學(xué)科領(lǐng)域進行分析發(fā)現(xiàn)，地球大數(shù)據(jù)相關(guān)研究論文所屬期刊分布在?200?多個主題類目中，大部分為自然科學(xué)，也有少量為社會科學(xué)和人文科學(xué)，圖?4?為分布最多的?40?個主題類目。遙感、環(huán)境科學(xué)、影像科學(xué)與攝影技術(shù)、地球科學(xué)多學(xué)科、氣象與大氣科學(xué)為分布最多的?5?個主題領(lǐng)域。
根據(jù)統(tǒng)計，地球大數(shù)據(jù)相關(guān)論文分布在?SCI?收錄的?4?000?余種期刊、叢書、圖書中。其中，發(fā)文最多的?20?種期刊中發(fā)表的相關(guān)論文占全部相關(guān)論文一半以上（圖?5）。Remote Sensing、International Journal of Remote Sensing、Remote Sensing of Environment、Journal of Geophysical Research emdash Atmospheres、IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing?是發(fā)表相關(guān)論文最多的?5?個期刊。
論文所屬研究主題情況
InCites開發(fā)了一種基于論文引用的分類算法。隨著已發(fā)表論文的相互引用，這些引用關(guān)系的強度將相關(guān)文獻匯聚到一起，形成離散的相關(guān)文獻集群。這些集群構(gòu)成了引文主題（Citation Topics）的核心，獨立于單篇文獻的主題和內(nèi)容，卻代表著作者相互積極引用對方論文的領(lǐng)域。Citation Topics?構(gòu)建一個宏觀、中觀和微觀主題的?3?級層次結(jié)構(gòu)，包含?10?個廣義集群、326?個中觀集群和?2?444?個微觀集群的層次結(jié)構(gòu)。根據(jù)聚類內(nèi)容對宏觀和中觀類別進行了標(biāo)注，由于微觀Citation Topics數(shù)量較多，使用算法工具根據(jù)聚類文獻中最重要的關(guān)鍵詞給每個主題加標(biāo)注，從而有助于對研究主題進行更精細的分析。基于?InCites?的?Citation Topics?分類，對地球大數(shù)據(jù)相關(guān)研究論文的主題分布進行分析。
基于?Citation Topics的宏觀領(lǐng)域分布。地球大數(shù)據(jù)相關(guān)研究論文主要分布在電氣工程、電子學(xué)與計算機科學(xué)，地球科學(xué)，農(nóng)業(yè)、環(huán)境與生態(tài)三大領(lǐng)域。這表明信息技術(shù)是地球大數(shù)據(jù)研究最主要的研究基礎(chǔ)；而地球科學(xué)，農(nóng)業(yè)、環(huán)境和生態(tài)領(lǐng)域是地球大數(shù)據(jù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域（圖?6）。
基于?Citation Topics?分類的地球大數(shù)據(jù)相關(guān)研究論文中觀領(lǐng)域分布。研究主題主要集中在遙感，海洋學(xué)、氣象與大氣科學(xué)，林業(yè)等領(lǐng)域（圖?7）。
基于?Citation Topics?分類的地球大數(shù)據(jù)相關(guān)研究論文微觀領(lǐng)域分布。研究主題主要集中在歸一化植被指數(shù)、蒸散發(fā)、氣溶膠、海洋顏色、自發(fā)地理信息、冰川、云、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、厄爾尼諾與南方濤動、熱帶氣旋等（圖?8）。
專業(yè)期刊關(guān)鍵詞分布情況
SCI?數(shù)據(jù)庫目前僅收錄?2?種地球大數(shù)據(jù)領(lǐng)域?qū)I(yè)期刊——Earth System Science Data?和?Geoscience Data Journal。Earth System Science Data?創(chuàng)刊于?2009?年，2012?年開始被?SCI?收錄，目前為?JCR?地球科學(xué)“多學(xué)科”領(lǐng)域?1?區(qū)期刊，“氣象與大氣科學(xué)”領(lǐng)域?1?區(qū)期刊；Geoscience Data Journal?創(chuàng)刊于?2014?年，2015?年被?SCI?收錄，目前該刊為?JCR?地球科學(xué)“多學(xué)科”領(lǐng)域?3?區(qū)期刊，“氣象與大氣科學(xué)”領(lǐng)域?4?區(qū)期刊（2020?版?JCR）。截至?2021?年?8?月，SCI?數(shù)據(jù)庫共收錄了以上?2?刊的?893?篇論文。
對?Earth System Science Data?和?Geoscience Data Journal?發(fā)表的?SCI?論文的主題分布進行分析，基于其所發(fā)表論文的“作者關(guān)鍵詞”，繪制了關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。如圖?9?顯示，兩刊發(fā)表論文研究主題涉及氣候與天氣、氣候變化、大氣溫度、降雨、觀測、重構(gòu)、水文模型、海面溫度等廣泛主題，熱點關(guān)鍵詞主要有數(shù)據(jù)救援/氣候數(shù)據(jù)救援（climate data rescue）、公民科學(xué)（citizen science）等。
地球大數(shù)據(jù)研究熱點演化
提取不同時期相關(guān)論文最多的?20?個主題，并用熱力色階表示各主題在不同時期相關(guān)論文多少，顏色越接近紅色表明文獻量越大，顏色越接近藍色表明文獻越少（表?3）。從表?3?可以看到，不同時期研究熱點有較多不同。2000?年以前，更關(guān)注歸一化植被指數(shù)、云、厄爾尼諾與南方濤動、蒸散發(fā)、熱帶氣旋、內(nèi)波、自發(fā)地理信息、海洋的顏色、冰川、地統(tǒng)計學(xué)。2016?年以來，更關(guān)注歸一化植被指數(shù)、蒸散發(fā)、氣溶膠、海洋顏色、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、冰川、自發(fā)地理信息、激光雷達、城市熱島、地學(xué)統(tǒng)計；此外，深度學(xué)習(xí)、滑坡、森林火災(zāi)、光污染、城市熱島效應(yīng)等主題的相關(guān)文獻數(shù)量增長較快。
圖?11—14?基于“作者關(guān)鍵詞”可視化展示了不同時期相關(guān)研究論文的?300?個高頻關(guān)鍵詞聚類網(wǎng)絡(luò)，從而可以一窺不同時期的主要熱點研究主題。每幅圖中用同一顏色代表同一個聚類。節(jié)點大小和節(jié)點字體大小表示該節(jié)點論文數(shù)量多少。可以看到不同時期熱點研究主題發(fā)生了一些變化。
地球大數(shù)據(jù)研究的國際合作情況
主要國家間的國際合作
圖?15?可視化展示了地球大數(shù)據(jù)研究相關(guān)論文最多的?50?個國家/地區(qū)間合作密度，其中美國、中國、加拿大、英國、德國等國家/地區(qū)的國際合作強度最大。
表?4?統(tǒng)計了地球大數(shù)據(jù)相關(guān)研究論文發(fā)文量最多的?25?個國家/地區(qū)的國際合作論文占本國相關(guān)論文比重。數(shù)據(jù)顯示，大部分國家/地區(qū)的國際合作論文所占比重均超過一半以上，國際合作論文比重占比較低的有印度、土耳其、中國。
中國主要國際合作伙伴
圖?16?顯示了在地球大數(shù)據(jù)領(lǐng)域，與中國開展相關(guān)研究論文國際合作最多的?25?個國家，其中連線粗細表示與中國合作論文數(shù)量多少。中國國際合作論文最多的國家是美國、英國、加拿大、澳大利亞、德國、法國、日本、荷蘭、意大利、韓國、比利時。中國發(fā)表的地球大數(shù)據(jù)相關(guān)研究論文中，近?10%?的論文為?3?國及以上國家合作完成。
表?5?統(tǒng)計了地球大數(shù)據(jù)相關(guān)研究中，與中國合作論文最多的?25?個國外機構(gòu)。統(tǒng)計顯示，中國的國際合作機構(gòu)主要分布在美國，美國馬里蘭大學(xué)、法國國家科學(xué)研究中心、美國國家航空航天局是中國地球大數(shù)據(jù)領(lǐng)域最主要的?3?個海外合作機構(gòu)。
結(jié)論與展望
近年來互聯(lián)網(wǎng)、云計算和人工智能等相關(guān)技術(shù)發(fā)展，使得地球大數(shù)據(jù)研究熱度升高，發(fā)文量增長迅速，影響力呈上升態(tài)勢。美國和中國在地球大數(shù)據(jù)研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，且目前中國的年發(fā)文量已經(jīng)超過美國，但高被引論文數(shù)量低于美國，論文質(zhì)量發(fā)展提升空間較大。從全球地球大數(shù)據(jù)發(fā)文最多和論文總被引頻次來看，研究熱度較高的機構(gòu)不一定是影響力較大的機構(gòu)。受我國地球大數(shù)據(jù)工程項目牽引，我國近?3?年的地球大數(shù)據(jù)發(fā)文量和影響力均得到快速提升，已經(jīng)躍居全球第一，并且由我國科學(xué)家發(fā)起的基于地球大數(shù)據(jù)的“數(shù)字絲路”國際科學(xué)計劃帶動，與“一帶一路”多個國家和國際組織合作，參與國家科研機構(gòu)在地球大數(shù)據(jù)的科研產(chǎn)出上也得到明顯的發(fā)展。地球大數(shù)據(jù)發(fā)文所屬期刊來看，中國期刊的國際化與國際影響力仍有待提高，國際合作以華人居多，需要進一步深入拓展。地球大數(shù)據(jù)研究領(lǐng)域主要分布在遙感科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、大氣科學(xué)等，其研究熱點也主要聚焦在地球科學(xué)的研究熱點主題上，以應(yīng)用為主，理論方法主要涉及與信息技術(shù)相關(guān)的人工智能等。
盡管國內(nèi)外地球科學(xué)大數(shù)據(jù)都已經(jīng)形成了相當(dāng)?shù)囊?guī)模，取得了可觀的應(yīng)用成果，但從發(fā)表的地球大數(shù)據(jù)相關(guān)研究論文內(nèi)容來看，仍然存在諸多問題亟待解決，如：缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)描述標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的數(shù)據(jù)共享機制，以及數(shù)據(jù)融合與深度挖掘問題顯著和地球系統(tǒng)模擬預(yù)測精度不高等。未來地球大數(shù)據(jù)的重點研究方向主要集中在：跨學(xué)科的地球大數(shù)據(jù)共享與融合；構(gòu)建地球科學(xué)大數(shù)據(jù)深度挖掘理論與方法；建設(shè)地球大數(shù)據(jù)智慧平臺；形成新的研究范式與協(xié)同研究模式。（作者：安培浚、李佳蕾，中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院、中國科學(xué)院大學(xué)；肖仙，桃中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院；郭華東、閆冬梅中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院。《中國科學(xué)院院刊》供稿）。