數(shù)字化技術(shù)在古生物化石開發(fā)利用中的應(yīng)用研究

魏海芹

摘? 要：古生物化石中蘊藏著自然世界萬物造化的天然信息密碼，具有重要的科學(xué)、藝術(shù)、歷史價值。該文主要探討在信息化技術(shù)飛速發(fā)展的浪潮下，如何利用先進(jìn)的信息技術(shù)為古生物學(xué)的發(fā)展提供科學(xué)和先進(jìn)的方法與手段，助推化石的準(zhǔn)確鑒定、快速查找、深入研究與科普推廣。

關(guān)鍵詞：化石? 數(shù)字化? GIS? 本體? VR

中圖分類號：Q911.2;TP399-C8 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）09（b）-0008-02

古生物化石是指保存在地層中的地質(zhì)時期的古生物遺體、遺骸及其活動遺跡、遺物的總稱[1]。古生物化石保存著大量的珍貴信息，揭示了生物的起源、發(fā)展和演變方面的重要規(guī)律信息，具備重要的科研價值?；诘貙觿澐峙c對比研究、古地理和古氣候的研究以及油氣資源、沉積礦產(chǎn)的研究方面有著極其重要的意義。我國目前已發(fā)現(xiàn)發(fā)掘出土大量的古生物化石，如何進(jìn)一步挖掘、保護與利用這些寶貴遺產(chǎn)成為目前的重要議題。作為一種不可再生資源，古生物化石的價值越來越被國家、科研人員和普通大眾所重視。

計算機和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，為古生物化石資料的保存與開發(fā)利用提供了一種數(shù)字化的新思路。化石標(biāo)本數(shù)字化是化石標(biāo)本物理保護的一種重要補充，通過對化石資料進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換、存儲與加工處理，不僅可以擴大化石資料的受眾范圍、保障化石資料信息的長期可獲取性，同時可以借助數(shù)字化研究技術(shù)對化石資源進(jìn)行綜合分析與價值挖掘，實現(xiàn)對古生物化石資料的深度開發(fā)研究。在這個信息技術(shù)高速發(fā)展的時代，將古生物化石研究與數(shù)字信息化結(jié)合起來是時代發(fā)展的必然趨勢。

1? 化石資料的數(shù)字化

數(shù)字化是指，將物理形態(tài)存在的文字、符號、圖像等信息轉(zhuǎn)換成計算機可識別的數(shù)字符號并保存于計算機中。數(shù)字保存具有永久性的特點，因此是對現(xiàn)有物理保護的一種有益補充數(shù)字化不僅能實現(xiàn)實體資料永久的計算機化保存，借助網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)還可以實現(xiàn)資源信息的共享與有效整合。

隨著古生物學(xué)幾個世紀(jì)的研究發(fā)展，人類已積累了大量的原始化石資料，這為古生物學(xué)研究提供了大量的信息資料。面對浩繁多樣的化石資料，如何進(jìn)行管理和研究利用成為一大議題。數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)對海量信息的高效儲存、管理、查詢與利用，建立數(shù)字化的化石資料。數(shù)據(jù)庫是處理化石資料的一種有效手段。數(shù)字化存儲的化石資料，不僅易于管理、保存和更新，而且便于信息資源的交換共享，可以極大的擴大信息資源的受眾面。另外，古生物化石資料非常龐雜，僅靠某一個人、某一個單位很難完成所有資料信息的管理與維護，而是需要整個古生物學(xué)界的共同努力，通過數(shù)據(jù)庫來保存、管理化石資料數(shù)據(jù)，可以由多方共同合作，通過共同建設(shè)、共享使用實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的共建共享和不斷更新完善。

2? GIS助推古生物化石資料的研究

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）是一門集計算機、地圖學(xué)、地理學(xué)、測量學(xué)等多門學(xué)科為一體的交叉學(xué)科。GIS技術(shù)不僅具備強大的數(shù)據(jù)管理功能，而且還具備基于空間信息的數(shù)據(jù)查詢與分析功能。在處理具備空間屬性的數(shù)據(jù)方面，具有強大的功能，基于GIS技術(shù)來存儲、組織、查詢和顯示帶有空間屬性的信息，能夠突破傳統(tǒng)文字的單一表達(dá)模式，圖文并茂、多方面、多層次、清晰地展示在研究者面前。GIS技術(shù)以空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用地理數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析，為人類提供多時空的信息數(shù)據(jù)，從而為生產(chǎn)、科研、管理、決策等提供服務(wù)[2]。

古生物學(xué)數(shù)據(jù)主要是化石的分類信息，除了門、綱、目、科、屬、種以及亞門、亞目、超科、亞科等各級分類信息外，化石資料數(shù)據(jù)還包括時間、地域分布、化石產(chǎn)出地等信息。利用GIS技術(shù)建立古生物化石數(shù)據(jù)庫，可為用戶提供基于地理位置和屬性的可視化查詢與分析功能，用戶可以直觀、方便地查詢同一種屬不同時期的地理分布特征或同時期同區(qū)域不同種屬的生物特性，從而研究古氣候變化或古大陸漂移，或依據(jù)屬性特征研究生物種屬的變異性。

古生物學(xué)研究者在GIS技術(shù)用于生物化石資料的研究方面進(jìn)行了長足的研究并取得了眾多卓著的研究成果，GBDB（Geobiodiversity Database）就是一個整合了數(shù)據(jù)庫、GIS技術(shù)的以古生物學(xué)和地層學(xué)為主題的數(shù)字化科研平臺。GBDB平臺以剖面為核心，將古生物系統(tǒng)分類數(shù)據(jù)與各類地層數(shù)據(jù)等融合為一體[3]。該平臺自2007年上線以來，經(jīng)過十多年的發(fā)展已積累了海量的全球地層古生物數(shù)據(jù)，并在2012年和2015年分別被確立為國際地層委員會和國際古生物協(xié)會的官方數(shù)據(jù)庫。結(jié)合科學(xué)研究和生產(chǎn)應(yīng)用的需求，GBDB 平臺中已集成了地理可視化、地層可視化、野外露頭360度全景可視化、定量地層對比、古地理分析、古生物多樣性統(tǒng)計等多種分析工具，可以用以輔助開展系統(tǒng)古生物學(xué)、演化古生物學(xué)、年代地層學(xué)、定量地層學(xué)、生物地層學(xué)、古地理學(xué)等方面的綜合研究[3]。

3? 化石資料本體構(gòu)建

化石分類鑒定是化石資料研究的一項重要內(nèi)容，分類信息是古生物學(xué)數(shù)據(jù)的一個重要方面。化石資料數(shù)據(jù)一方面包括門、綱、目、科、屬、種以及亞門、亞目、超科、亞科等各級分類信息，同時也包括鑒定特征、模式標(biāo)本存儲信息等。隨著出土化石越來越多、古生物研究越來越深入，古生物屬種的分類越來越細(xì)，屬性標(biāo)準(zhǔn)越來越復(fù)雜，化石生物屬種的鑒定難度越來越大。同時，在一些術(shù)語運用上，不同的研究者之間可能會有不同的術(shù)語，常出現(xiàn)“一詞多義”或“一義多詞”現(xiàn)象，極大地影響了化石屬種鑒定工作的進(jìn)行。此外，由于化石記錄的不完整性以及化石保存狀態(tài)等原因，加之很多化石類群早已滅絕，很難采用現(xiàn)今的生物學(xué)方法對其進(jìn)行分類學(xué)研究，或者找到與其關(guān)系相近的類群進(jìn)行比較，因此在分類歸屬上容易產(chǎn)生問題和歧義。以上幾種問題都導(dǎo)致了化石屬種鑒定難度的增加，而本體技術(shù)可以用作解決以上問題的一種有效手段。

本體是共享概念模型明確的形式化規(guī)范說明，可用于確定領(lǐng)域內(nèi)共享的詞匯，并明確定義這些詞匯間的關(guān)系。本體還具備語義推理能力，能根據(jù)規(guī)則自動建立詞匯間的關(guān)聯(lián)。本體的這些特性使其被廣泛應(yīng)用于古生物資料相關(guān)領(lǐng)域知識、時空數(shù)據(jù)的形式化表達(dá)和語義關(guān)聯(lián)應(yīng)用[4]。構(gòu)建化石資料本體一方面能夠解決術(shù)語不統(tǒng)一問題，方便化石研究成果的共享與應(yīng)用;另一方面，由于本體具有語義推理功能，可實現(xiàn)基于語義的化石資料檢索，輔助化石屬種的鑒定及古生物化石資料的綜合、深入研究。

4? VR技術(shù)助力博物館走向公眾

化石博物館承擔(dān)著藏品保護與利用功能，其主要職能是征集、典藏、保存、修護、教育、娛樂、陳列和研究化石資料，向觀眾展示古生物的種類、形狀以及所生存的環(huán)境、地理、氣候等情況，是觀眾了解史前生物的主要窗口。藏品化石展覽是化石博物館的傳統(tǒng)展覽模式，隨著信息化的進(jìn)程，這種以藏品展覽為重點的博物館運作模式已經(jīng)不再適應(yīng)當(dāng)前形勢下人們的需求，需要轉(zhuǎn)變思路、尋求以先進(jìn)的信息化手段開拓全新的藏品展覽模式。

虛擬現(xiàn)實就是運用計算機相關(guān)的技術(shù)，造出一個虛擬世界，通對人的多種器官的刺激讓人感覺到在這個世界里的事物不管是從聽覺、視覺、還是從觸覺感覺起來都像是真的。在這個系統(tǒng)創(chuàng)造出的世界會給人以身臨其境的感覺，人們可以通過現(xiàn)實方式對虛擬世界中的事物進(jìn)行操作[5]。利用VR技術(shù)來模仿古生物滅絕時的相關(guān)場景，使人們對古生物和古生物所生活的古地理、古生態(tài)和古氣候有更加深刻清晰的了解和認(rèn)知。虛擬現(xiàn)實技術(shù)早就被應(yīng)用在了國外的古生物博物館展覽中，被稱為Fanta-View Magic Vision，近年來我國的古生物博物館也在積極探索將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在藏品展覽中，如遼寧古生物博物館建設(shè)的古生物數(shù)字化科普仿真博物館系統(tǒng)，實現(xiàn)了普通陳列手段難以做到的既有縱向深入解剖，又有橫向關(guān)聯(lián)擴展的動態(tài)展覽形式，促進(jìn)觀眾視覺、聽覺及其他感官和行為的配合，創(chuàng)造了嶄新的參觀體驗，提高了參觀者觀賞、探索的興趣[6]。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于博物館藏品展覽可以增強化石資料的觀賞性和趣味性，全方位的展示化石資料，提升觀賞者的體驗，吸引更多的關(guān)注者。

5? 結(jié)語

在信息技術(shù)應(yīng)用于古生物學(xué)研究前，化石資料研究嚴(yán)重依賴資料查找與大腦記憶，與研究者的知識儲備有極大關(guān)聯(lián)，研究者的絕大部分時間和精力都花在查找資料和化石屬種鑒定上，極大地限制了古生物研究工作的進(jìn)度和深度。計算機技術(shù)的迅速普及和飛速發(fā)展為收集、整理和研究浩瀚而復(fù)雜的古生物化石資料帶來了有利契機。利用計算機技術(shù)使古生物地層資料系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)化，實現(xiàn)快捷查詢檢索，及時更新交流，達(dá)到科研成果及時共享。利用GIS技術(shù)、VR技術(shù)等先進(jìn)信息處理手段實現(xiàn)化石資料的深度研究開發(fā)與利用。

參考文獻(xiàn)

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[3] 樊雋軒，陳清，侯旭東，等.GBDB數(shù)據(jù)庫在古生物學(xué)、地層學(xué)和古地理學(xué)中的應(yīng)用[C].中國古生物學(xué)會第十一次全國會員代表大會暨第27屆學(xué)術(shù)年會論文摘要集.中國浙江東陽，2013.

[4] 侯志偉，諸云強，高楹，等.地質(zhì)年代本體及其在語義檢索中的應(yīng)用[J].地球信息科學(xué)學(xué)報，2018，20（1）：17-27.

[5] 王英杰，姜慧.古生物博物館中數(shù)字化展覽策略的研究[C].“決策論壇——如何建立科學(xué)決策機制理論研討會”論文集（上）.中國北京，2015.

[6] 李娜，武士威，付亮，等.遼寧古生物博物館數(shù)字化虛擬場館的制作研究[J].品牌，2015（6）：39.