中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 地球科學研究大氣、陸地和海洋等相關問題，已經(jīng)產(chǎn)生了大量來自衛(wèi)星觀測、地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡和其他來源的地球大數(shù)據(jù)，為地球系統(tǒng)科學深入研究帶來了新的機遇。地球大數(shù)據(jù)在未來促進地球科學的深入發(fā)展方面具有很大潛力，將對科學發(fā)現(xiàn)作出重要貢獻。地球大數(shù)據(jù)具有海量、多源、異構、多時相、多尺度、高度復雜、非平穩(wěn)、非結構化等特點，為地球科學中的數(shù)據(jù)密集型研究提供了支持。地球大數(shù)據(jù)是地球科學與數(shù)據(jù)科學、信息科學等領域的交叉，可以通過全球變化、人地關系與環(huán)境效應、地球圈層關系與機理等重大科學計劃積累的科學數(shù)據(jù)，驅動科學發(fā)現(xiàn)，為人類活動、生態(tài)環(huán)境保護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)驅動科學發(fā)現(xiàn)在地球科學研究中得到了廣泛的關注，在越來越多的資助項目、科學設施、共享數(shù)據(jù)集和發(fā)表的科學論文上都有所體現(xiàn)。網(wǎng)絡基礎設施、數(shù)據(jù)門戶、數(shù)據(jù)庫、工作平臺、統(tǒng)計模型、機器學習算法、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)共享正在成為地球科學研究的新常態(tài)。各種數(shù)據(jù)驅動科學發(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。

地球大數(shù)據(jù)總體態(tài)勢

地球大數(shù)據(jù)驅動的科學發(fā)現(xiàn)成為數(shù)據(jù)密集型科學范式的代表。近年來，數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)產(chǎn)生速度和數(shù)據(jù)種類的快速增長驅動了地球大數(shù)據(jù)發(fā)展。世界各國地球科學研究機構部署的空間觀測衛(wèi)星、地面實驗儀器和地球模擬器等產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)的存儲與傳輸，開發(fā)先進的數(shù)據(jù)分析軟件與知識發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)，支持科學家更多關注數(shù)據(jù)流中下游的科學發(fā)現(xiàn)。云計算、機器學習和深度學習在地球科學領域得到了廣泛應用，并取得了重要成果。在古生物學、礦物學、水資源、森林覆蓋變化和可持續(xù)發(fā)展等領域，都產(chǎn)生了許多由數(shù)據(jù)驅動的創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)。在地球大數(shù)據(jù)時代，人們對地球系統(tǒng)的認識正從收集傳統(tǒng)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)、理論推導和模擬局部物理過程轉變?yōu)槔煤屯诰虻厍虼髷?shù)據(jù)進行知識發(fā)現(xiàn)，從而探索地球系統(tǒng)中不同關鍵信息子系統(tǒng)和生物物理變量之間的相關性和相互作用。地球系統(tǒng)科學的發(fā)展已經(jīng)進入了數(shù)據(jù)密集型科學研究的階段，地球大數(shù)據(jù)已逐漸成為地球系統(tǒng)科學發(fā)現(xiàn)和知識創(chuàng)新的新動力。

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)不是簡單的轉儲和共享，也不僅僅依靠機器學習就能識別復雜的模式，需要應用元數(shù)據(jù)和語義在數(shù)據(jù)生成和收集中增加更多機器可讀的結構，開發(fā)智能算法以提高數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)和分析的進度，幫助研究人員快速對數(shù)據(jù)進行分類整理，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。

主要國家戰(zhàn)略舉措與特點

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)相關重大計劃和研究項目，從整體視角審視地球系統(tǒng)，利用地球大數(shù)據(jù)驅動跨學科、跨尺度宏觀科學發(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計劃牽引：1999?年，時任美國副總統(tǒng)戈爾提出“數(shù)字地球”，以及理解地球進而管理地球的理念；2001?年美國的“地球透鏡計劃”，了解地表以下?1000?m?深度的地質(zhì)狀況；2012?年國際科學理事會和國際社會科學理事會發(fā)起的“未來地球”計劃，促進自然科學與社會科學的聯(lián)系與融合；2016?年聯(lián)合國教科文組織提出“化學地球”計劃，以實現(xiàn)全球地球化學大數(shù)據(jù)和知識共享。2016?年，中國科學家發(fā)起基于地球大數(shù)據(jù)的“數(shù)字絲路”國際科學計劃，通過構建地球大數(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、更精細化的方向發(fā)展，驅動地球科學的模擬與預測等相關研究。

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。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)標準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)。美國國家科學基金會（NSF）啟動“地球立方體”項目，以整體視角審視地球系統(tǒng)并管理地球科學知識的綜合框架。美國《時域地球——美國國家科學基金會地球科學十年愿景（2020—2030?年）》提出地球科學正處于轉折時期，開放的數(shù)據(jù)資源、網(wǎng)絡基礎設施，以及用于分析和可視化的數(shù)據(jù)科學方法將改變地球科學研究的方式。繼續(xù)開發(fā)、整合和利用儀器設施、數(shù)據(jù)與專門知識，對不斷演變的地球進行更深層次探索。應對地球大數(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)研究培訓方面取得進步。

歐洲各國/組織：重視地球空間大數(shù)據(jù)基礎設施建設與數(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數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、獲取和統(tǒng)一，加強其科技創(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)技術應用的支持，新建多個地球大數(shù)據(jù)研究與應用中心，推進地球大數(shù)據(jù)的發(fā)展。未來歐洲多國將加大在人工智能、機器學習、高性能計算和大數(shù)據(jù)方面的研究投入，以推進地球大數(shù)據(jù)科學的發(fā)展與應用。

澳大利亞：利用“玻璃地球”計劃和“數(shù)據(jù)立方體”項目提升地球大數(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、地球化學方法及信息化技術，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)，從而對地下的構造、巖層、礦產(chǎn)及災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施。近年來澳大利亞又先后啟動了“數(shù)字地球”項目與“數(shù)據(jù)立方體”項目。“數(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注，其目標是實現(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。

中國：利用地球大數(shù)據(jù)資源建設，驅動科學發(fā)現(xiàn)，引擎科研創(chuàng)新。2018?年，中國科學院啟動戰(zhàn)略性先導科技專項（A?類）“地球大數(shù)據(jù)科學工程”（CASEarth），通過打造國際一流的數(shù)字地球科學平臺，實現(xiàn)地球系統(tǒng)科學的重大突破和科學發(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)字地球領域的首部學術著作《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》有效實施提供解決方案和科技支撐。2020?年，中國自然資源部整合構建了多圈層、多專業(yè)、多要素的地球科學“一張圖”大數(shù)據(jù)體系，其可為城市規(guī)劃、建設和管理提供資源、環(huán)境、生態(tài)、災害、空間信息支撐服務。中國在國際地球大數(shù)據(jù)科學的相關研究與大科學計劃上處于引領地位。

地球大數(shù)據(jù)重點領域態(tài)勢與熱點

地球大數(shù)據(jù)推動地球系統(tǒng)模擬與預測的實現(xiàn)

地球大數(shù)據(jù)的發(fā)展和應用促進了多學科交叉融合深度。地球大數(shù)據(jù)學科發(fā)展需要多學科交叉：以機器學習為代表的人工智能與大數(shù)據(jù)深度融合，深度學習在計算機領域上的高速發(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習在科學數(shù)據(jù)上的應用，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聯(lián)互通，以及高性能計算的發(fā)展和應用推動地球系統(tǒng)的模擬和預測的實現(xiàn)。

地球大數(shù)據(jù)研究有助于提升對地球系統(tǒng)行為的預報能力。近年來，研究人員基于?24?年的觀測和再分析材料，實現(xiàn)了長達?2?天的臺風預報，準確率超過85%。基于北緯?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)也被應用于經(jīng)濟活動等預測。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、預測大型礦產(chǎn)和原油的供需變化，最終預測其價格波動。

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

地球大數(shù)據(jù)助推科學研究縱深發(fā)展

為地球系統(tǒng)科學研究帶來新的機遇。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)、物理和化學等信息，了解和掌握自然資源、環(huán)境、災害和生態(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)部結構，推動地球科學新的發(fā)展。

推動數(shù)字地球向智慧地球轉變。越來越多的應用研究以地球大數(shù)據(jù)為基礎，利用大數(shù)據(jù)分析技術對數(shù)據(jù)進行整合，著重挖掘數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系和相關性，在全球動力學研究、成巖成礦預測、地質(zhì)災害的預警預報與災害評估、生命的演化、古地理環(huán)境重建，以及綜合地質(zhì)信息服務平臺的建設中發(fā)揮了重要作用，進而實現(xiàn)更智能化地洞察地球。

促進科學研究向開放科學發(fā)展。開放科學已成為科學研究新的發(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)，并在地球科學中取得了各種成功應用；未來，工作流平臺將廣泛應用于地球科學領域。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)。

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

地球大數(shù)據(jù)服務全球變化研究。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、生物過程和化學過程的相互作用和機理，并對人類生存環(huán)境做出預測，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)之間的關系復雜；地球大數(shù)據(jù)發(fā)展可以描述并模擬其復雜關系，然后進行功能分析，以支持決策和管理。地球大數(shù)據(jù)也將在碳中和相關研究與管理中發(fā)揮重大作用。

地球大數(shù)據(jù)促進聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標實現(xiàn)。聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標，旨在所有國家和利益攸關方攜手合作，阻止地球的退化，以可持續(xù)的方式進行消費和生產(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)且具恢復力的道路。通過綜合集成資源、環(huán)境、生態(tài)和生物領域的地球大數(shù)據(jù)，構建可持續(xù)發(fā)展評價指標體系和決策支持平臺，解決目前國際指標體系數(shù)據(jù)缺失和質(zhì)量不高的問題，服務于聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標的指標監(jiān)測評估研究。

未來建議

建設跨學科和多維地球科學大數(shù)據(jù)平臺。地球大數(shù)據(jù)發(fā)展將促進傳統(tǒng)地球科學與地理信息學、數(shù)據(jù)科學等現(xiàn)代學科的整合。建議我國盡快建設多學科知識系統(tǒng)數(shù)字化連接新平臺，利用先進的信息技術（如云計算、并行計算、超級計算、復雜網(wǎng)絡、知識圖譜、機器學習和人工智能等）對快速增長、異構、多源的海量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘、知識發(fā)現(xiàn)，促進復雜模型的開發(fā)，增強數(shù)據(jù)驅動和模型驅動方法的融合，為地球科學研究提供不可或缺的支持。

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

（《中國科學院院刊》供稿）。

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