國際地球大數據領域 研究態勢與熱點趨勢

地球科學研究大氣、陸地和海洋等相關問題，已經產生了大量來自衛星觀測、地面傳感器網絡和其他來源的地球大數據，為地球系統科學深入研究帶來了新的機遇。地球大數據在未來促進地球科學的深入發展方面具有很大潛力，將對科學發現做出重要貢獻。地球大數據具有海量、多源、異構、多時相、多尺度、高度復雜、非平穩、非結構化等特點，為地球科學中的數據密集型研究提供了支持。地球大數據是地球科學與數據科學、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據，驅動科學發現，為人類活動、生態環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，數據驅動科學發現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、共享數據集和發表的科學論文上都有所體現。網絡基礎設施、數據門戶、數據庫、工作平臺、統計模型、機器學習算法、數據管理和數據共享正在成為地球科學研究的新常態。各種數據驅動科學發現的成功案例不斷出現，數據革命的巨大潛力得到顯現，加速了地球科學的創新和新發現，地球大數據將在未來幾十年的發展中，發揮重要的作用。

1 地球大數據總體態勢

1.1 地球大數據驅動的科學發現成為數據密集型科學范式的代表

近年來，數據量、數據產生速度和數據種類的快速增長驅動了地球大數據發展。世界各國地球科學研究機構部署的空間觀測衛星、地面實驗儀器和地球模擬器等產生大量數據，并進行數據的存儲與傳輸，開發先進的數據分析軟件與知識發現系統，支持科學家更多關注數據流中下游的科學發現。

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發展等領域，都產生了許多由數據驅動的創新發現。在地球大數據時代，人們對地球系統的認識正從收集傳統的經驗數據、理論推導和模擬局部物理過程轉變為利用和挖掘地球大數據進行知識發現，從而探索地球系統中不同關鍵信息子系統和生物物理變量之間的相關性和相互作用。

地球系統科學的發展已經進入了數據密集型科學研究的階段，地球大數據已逐漸成為地球系統科學發現和知識創新的新動力。

1.2 地球大數據發展為智慧數據生命周期帶來新變化

地球大數據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，需要應用元數據和語義在數據生成和收集中增加更多機器可讀的結構，開發智能算法以提高數據發現和分析的進度，幫助研究人員快速對數據進行分類整理，并智能檢索提取重要信息。傳統的數據處理和知識發現方法不再適用，未來地球大數據需要更好地進行數據融合，有效地組織海量、時空密集的數據，使用自動匹配、智能計算，從數據中高效地挖掘知識，在數據生命周期中不斷創造奇跡。

2 主要國家戰略舉措與特點

近年來，世界主要國家已將大數據研究上升至國家戰略層面，先后部署一系列地球大數據相關重大計劃和研究項目，從整體視角審視地球系統，利用地球大數據驅動跨學科、跨尺度宏觀科學發現。

國際地球大數據發展經歷了一系列的大科學計劃牽引：1999 年，時任美國副總統戈爾提出“數字地球”，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1 000 m 深度的地質狀況;2012年國際科學理事會和國際社會科學理事會發起的“未來地球”計劃，促進自然科學與社會科學的聯系與融合;2016年聯合國教科文組織提出“化學地球”計劃，以實現全球地球化學大數據和知識共享。2016 年，中國科學家發起基于地球大數據的“數字絲路”國際科學計劃，通過構建地球大數據平臺，解決區域及全球發展問題。地球大數據逐漸向更深、更廣、更精細化的方向發展，驅動地球科學的模擬與預測等相關研究。

2.1 美國：重視地球大數據的共享、算法集成和地球大數據研究培訓

2012年，美國政府發布“大數據研發計劃”，提高從海量和復雜的數據中獲取信息與知識的能力。

隨后美國地質調查局（USGS）啟動數據標準化及人工智能模擬的 LCMAP 計劃，監測和分析土地覆蓋變化情況評估、植被狀況，模擬過去、現在和未來的地質景觀數據。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，開放的數據資源、網絡基礎設施，以及用于分析和可視化的數據科學方法將改變地球科學研究的方式。繼續開發、整合和利用儀器設施、數據與專門知識，對不斷演變的地球進行更深層次探索。

應對地球大數據的挑戰，必須在算法集成、軟件開發管理、自動數據格式識別和讀取，以及數據研究培訓方面取得進步。

2.2 歐洲各國/組織：重視地球空間大數據基礎設施建設與數據聚合模擬

歐盟的“對地觀測計劃”“數字歐洲”“地平線計劃”，以及瑞士的“活地球模擬器項目”“數據立方體計劃”等，都重視數據質量，以及數據的共享與使用，以推動歐洲處在地球空間大數據的前沿。

歐洲各國還通過建立法律框架推動地球科學數據發現、獲取和統一，加強其科技創新與科研競爭力。

英國建立開放式數據研究所，加大在地球大數據技術應用的支持，新建多個地球大數據研究與應用中心，推進地球大數據的發展。

未來歐洲多國將加大在人工智能、機器學習、高性能計算和大數據方面的研究投入，以推進地球大數據科學的發展與應用。

2.3 澳大利亞：利用“玻璃地球”計劃和“數據立方體”項目提升地球大數據的存儲管理與挖掘分析能力

礦業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，獲取海量的數據，以了解大陸地表以下 1 000 m 深度以內的地質狀況，利用可視化和模擬技術建立三維地質模型，及時查詢、分析、處理所獲得的地球大數據，從而對地下的構造、巖層、礦產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“數字地球”項目與“數據立方體”項目。“數據立方體”作為存儲、組織、管理和分析地球空間觀測數據的新解決方案，正受到越來越多的關注，其目標是實現地球空間觀測數據倉儲的全部潛力，提供對大型時空數據的訪問。

2.4 中國：利用地球大數據資源建設，驅動科學發現，引擎科研創新

2018 年，中國科學院啟動戰略性先導科技專項（A 類）“地球大數據科學工程”（CASEarth），通過打造國際一流的數字地球科學平臺，實現地球系統科學的重大突破和科學發現。2019 年，首屆中國數字地球大會發布了地球大數據原型系統，實現了從數據到信息再到可視化模擬的全過程功能，同時也發布了全球數字地球領域的首部學術著作《數字地球手冊》。

2020年，第 75 屆聯合國大會期間，中國發布了《地球大數據支撐可持續發展目標報告（2020）》，為聯合國《改變我們的世界：2030年可持續發展議程》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、多要素的地球科學“一張圖”大數據體系，其可為城市規劃、建設和管理提供資源、環境、生態、災害、空間信息支撐服務。中國在國際地球大數據科學的相關研究與大科學計劃上處于引領地位。

3 地球大數據重點領域態勢與熱點

3.1 地球大數據推動地球系統模擬與預測的實現

3.1.1 地球大數據的發展和應用促進了多學科交叉融合深度。地球大數據學科發展需要多學科交叉：以機器學習為代表的人工智能與大數據深度融合，深度學習在計算機領域上的高速發展給數據集成與分析提供了新方法，地理眾源大數據的普及則加速了深度學習在科學數據上的應用，并行計算使地球大數據計算成為可能，人工智能提高地球大數據的理解與分析，數字孿生、物聯網使地球物理模型和虛擬模型關聯互通，以及高性能計算的發展和應用推動地球系統的模擬和預測的實現。

3.1.2 地球大數據研究有助于提升對地球系統行為的預報能力。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 年的海冰觀測數據，獲得了北極海冰覆蓋范圍的 6 種顯著時空影響要素。地球大數據也被應用于經濟活動等預測。例如，多家企業利用遙感大數據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、預測大型礦產和原油的供需變化，最終預測其價格波動。

3.1.3 地球大數據可以為人類活動、生態環境保護和自然資源管理提供各種決策支持。以地球系統科學為基本理論，基于大數據、云計算和人工智能等新一代技術體系，通過全球統一數據描述、基準與組織框架和數據共享機制，以及交互可視化與云服務集成等建設，實現對地球系統實時感知和模擬預測，從而對生態環境建設、城鄉土地覆蓋變化、災害監測和防治、城市發展規劃、資源利用開采、人類命運共同體建設等起到決策支持。

3.2 地球大數據助推科學研究縱深發展

3.2.1 為地球系統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的觀（探）測獲取空間和時間尺度上地質、物理和化學等信息，了解和掌握自然資源、環境、災害和生態現狀與變化規律，探測陸域和海域能源礦產資源，研究地球內部結構，推動地球科學新的發展。

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

3.2.3 促進科學研究向開放科學發展。開放科學已成為科學研究新的發展方向，包括對出版物的開放訪問、開放源碼軟件程序、開放數據、開放樣本和開放工作流。許多地球科學數據門戶現在都有 Python 或 R 包，使用戶能夠直接從工作流中搜索和訪問數據，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。通過各種協議和接口，地球大數據變得更加開放、更易訪問和更易于交互，使得開放的地球大數據研究成為新常態。

3.3 地球大數據服務全球變化研究和可持續發展目標

3.3.1 地球大數據服務全球變化研究。全球變化主要研究全球變化現象的內在聯系，分析地球各圈層及地球系統中的物理過程、生物過程和化學過程的相互作用和機理，并對人類生存環境做出預測，以便人們更好地生存發展。全球變化研究系統工程涉及各種海量的參數與分布數據，且數據之間的關系復雜;地球大數據發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。地球大數據也將在碳中和相關研究與管理中發揮重大作用。

3.3.2 地球大數據促進聯合國可持續發展目標實現。聯合國可持續發展目標，旨在所有國家和利益攸關方攜手合作，阻止地球的退化，以可持續的方式進行消費和生產，管理地球環境和自然資源，使地球能夠滿足后代的需求，讓全球走上可持續且具恢復力的道路。通過綜合集成資源、環境、生態和生物領域的地球大數據，構建可持續發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據缺失和質量不高的問題，服務于聯合國可持續發展目標的指標監測評估研究。

4 未來建議

4.1 建設跨學科和多維地球科學大數據平臺

地球大數據發展將促進傳統地球科學與地理信息學、數據科學等現代學科的整合。建議我國盡快建設多學科知識系統數字化連接新平臺，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、多源的海量數據進行數據挖掘、知識發現，促進復雜模型的開發，增強數據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。

4.2 利用地球大數據資源建設推進國際科技合作

大數據是新的國家戰略與大國博弈空間，地球科學大數據為應對全球挑戰提供了基礎。建議我國以地球大數據資源建設為抓手，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，提供全球應對挑戰的統一解決方案，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境變化，拓展地球系統研究的新發現，為構建人類命運共同體和科技外交提供支撐。

（來源：中國科學院院刊）