大數(shù)據(jù)讓地球更美好！

 近日，國際數(shù)字地球?qū)W會和中國科學院在北京舉辦首屆中國數(shù)字地球大會。大會主席、國際數(shù)字地球?qū)W會名譽主席、中國科學院院士郭華東指出，“大數(shù)據(jù)時代的到來，為數(shù)字地球提供了新的發(fā)展契機。”時間回溯到1999年，我國發(fā)起并組織召開了第一屆國際數(shù)字地球會議，27個國家的科學家發(fā)布《1999數(shù)字地球北京宣言》提出，數(shù)字地球“讓人類洞察地球上的任何一個角落”，建議各界共同推動數(shù)字地球的發(fā)展。

彼時，數(shù)字地球理念剛提出不久。有記者問擔任第一屆國際數(shù)字地球會議秘書長的郭華東，什么是數(shù)字地球?他答道：把真實的地球放進計算機里，就叫數(shù)字地球。20年后，又有記者問他同樣的問題。他的答案是：從一定意義上講，數(shù)字地球也可以說是地球大數(shù)據(jù)。

遙感衛(wèi)星對地球的每一次回眸，科考船在大洋的每一次下潛，地質(zhì)鉆機向地球深部的每一次進軍，以及人類的每一次地面調(diào)查等，都積累下越來越多關(guān)于地球的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)讓地球變得“透明”，變得數(shù)字化。這就是數(shù)字地球，人類認識地球的新方式。“全球正經(jīng)歷著深刻的數(shù)字革命。數(shù)字地球關(guān)注的是信息化地球的戰(zhàn)略方向，地球大數(shù)據(jù)則肩負著實現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標的使命和擔當。”郭華東在會上呼吁，推進地球大數(shù)據(jù)的開放共享，將分散的數(shù)據(jù)集成起來，推動科學發(fā)現(xiàn)，服務決策支持，促進全球可持續(xù)發(fā)展。

從數(shù)字地球到地球大數(shù)據(jù)

“數(shù)字地球”是國際上1998年提出的概念，這一概念設想把有關(guān)地球的大量的、多分辨率的、三維的、動態(tài)的數(shù)據(jù)，與地球科學綜合集成，模擬地球發(fā)展變化，支持政府決策等。過去數(shù)十年，太空多了數(shù)百只人類的“眼睛”——人造地球衛(wèi)星。空間對地觀測技術(shù)的發(fā)展，使人類具有了獲取全球尺度地球數(shù)據(jù)的能力。“人類已經(jīng)能夠獲取大量大氣、海洋和陸地的高精度、高時空分辨率數(shù)據(jù)，可重復觀測頻率從月發(fā)展到分鐘，空間分辨率從公里發(fā)展到厘米，電磁波譜的利用從可見光到微波……”郭華東說。

數(shù)字地球起初是在衛(wèi)星遙感等空間對地觀測數(shù)據(jù)的基礎上發(fā)展起來的，但隨著地球觀測、時空信息、導航定位、信息通信等科技進步，數(shù)字地球的理念也不斷發(fā)展。地基觀測、海基觀測等多種對地觀測方式、地球勘測方法和地面?zhèn)鞲芯W(wǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以及人類活動相關(guān)的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等，使數(shù)字地球走向地球大數(shù)據(jù)。

郭華東曾向媒體做過科普：我們在傳統(tǒng)的環(huán)境里觀測地球，看到的是一番景象;用先進的空間技術(shù)、信息技術(shù)等結(jié)合起來看地球，看到的是另一番景象。“比如在衛(wèi)星的高度看地球是什么樣的?我們用不同分辨率的眼睛來看地球是什么樣的?如果我們能穿透地球的表層看地球又是什么樣的?或者說我們?nèi)绻训厍虻拇髿馊?、生物圈、巖石圈，這些圈層綜合起來看，地球又是什么樣的?”

他認為，地球大數(shù)據(jù)具備海量、多源、異構(gòu)、多時相、多維度等特點，成為我們認識地球的新鑰匙和知識發(fā)現(xiàn)的新引擎，可在促進可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮重大作用。“地球大數(shù)據(jù)背景下的數(shù)字地球建設，可以使人類更好地了解和把握自然系統(tǒng)和經(jīng)濟社會系統(tǒng)，更加全面地認識我們居住的星球，及時準確掌握自然界的重大變化。同時有利于掌握人類生產(chǎn)生活等各個方面的變動情況，為各國政府提高決策的準確性、及時性和協(xié)調(diào)性提供強有力的支撐。”原科技部部長、首屆中國數(shù)字地球大會科學委員會主席徐冠華說。

引領(lǐng)數(shù)字地球的發(fā)展

數(shù)字地球和地球大數(shù)據(jù)通過多源數(shù)據(jù)的融合使用，產(chǎn)生更相關(guān)、更豐富和完整的信息，用于復雜的分析和決策支持。比如，監(jiān)測自然災害，預測未來可能發(fā)生的自然災害;探測與研究環(huán)境污染，為污染防治提供解決方案;模擬環(huán)境變化對瀕危物種的影響，據(jù)此采取合適的生態(tài)多樣性保護措施。“我國引領(lǐng)了數(shù)字地球的全球發(fā)展。”郭華東說。

這種引領(lǐng)體現(xiàn)在，我國是數(shù)字地球發(fā)展的重要推動者。比如，20年前發(fā)起并組織國際數(shù)字地球會議這個平臺，至今已在12個國家舉辦了18次會議，推動數(shù)字地球理念在國際上的傳播和學術(shù)交流;2006年，國際數(shù)字地球?qū)W會在我國成立;2008年，國際首個以數(shù)字地球為主要研究對象的學術(shù)期刊《國際數(shù)字地球?qū)W報》在北京創(chuàng)刊;2019年，我國科學家聯(lián)合國際科學家出版了世界上首部《數(shù)字地球手冊》……

這種引領(lǐng)還體現(xiàn)在，“我國的數(shù)字地球科學研究和技術(shù)應用取得了豐碩成果，在諸多領(lǐng)域發(fā)揮著引領(lǐng)作用。”中國科學院院長白春禮說，我國相繼研發(fā)的數(shù)字地球系統(tǒng)，建立的數(shù)字地球平臺，為應對氣候變化、防災減災、城市管理、遺產(chǎn)保護、可持續(xù)發(fā)展等提供了重要支撐，在國內(nèi)外產(chǎn)生了很大的影響。

郭華東介紹，地球大數(shù)據(jù)支撐的“一帶一路”研究已形成“數(shù)字絲路”國際科學計劃，數(shù)字地球和地球大數(shù)據(jù)將對數(shù)字中國和美麗中國等國家戰(zhàn)略發(fā)揮強有力的支撐作用。他在會上分享了近期用地球大數(shù)據(jù)促進可持續(xù)發(fā)展取得的成果。

2015年，聯(lián)合國通過《變革我們的世界：2030年可持續(xù)發(fā)展議程》，提出17項可持續(xù)發(fā)展目標，如消除饑餓、遏制生物多樣性的喪失等。但這些目標的實施進程和效果很難評估，因為缺乏足夠的數(shù)據(jù)和完善的評估方法。傳統(tǒng)上一般依靠各個國家通過統(tǒng)計調(diào)查來開展，但效率不高、成本高。此時，數(shù)字地球和地球大數(shù)據(jù)派上了用場。

比如，在對消除饑餓的評估中，有一項指標是考核從事生產(chǎn)性和可持續(xù)農(nóng)業(yè)的農(nóng)業(yè)地區(qū)比例，這涉及土地利用效率、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式、作物長勢等許多問題。研究人員利用中巴資源衛(wèi)星、環(huán)境一號衛(wèi)星、美國陸地衛(wèi)星的土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合作物播種面積和產(chǎn)量、有效灌溉面積、化肥施用量等農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以及污染普查數(shù)據(jù)等地面調(diào)查數(shù)據(jù)和氣象站點數(shù)據(jù)等，建立了一套評估模型和方法。再比如，在遏制生物多樣性的喪失方面，研究人員選取大熊貓棲息地為研究對象。為何?因為，全國第四次大熊貓調(diào)查報告顯示，我國野生大熊貓數(shù)量相比以前有較為明顯的增加，世界自然保護聯(lián)盟據(jù)此將大熊貓的瀕危等級從瀕危降到易危，遭到許多學者的質(zhì)疑。

研究人員通過在衛(wèi)星影像里提取的森林覆蓋類型數(shù)據(jù)、國家測繪部門的河流數(shù)據(jù)、交通部門的道路數(shù)據(jù)，以及人口、經(jīng)濟、自然保護區(qū)邊界數(shù)據(jù)等，綜合分析后得出結(jié)論：盡管大熊貓數(shù)量增加，但由于公路建設等人類活動以及地震等自然災害的影響，大熊貓棲息地的面積比1988年被列為瀕危物種時還要小，且更加破碎，物種瀕危等級的評估應綜合種群和棲息地兩方面的因素。根據(jù)這些研究，中科院地球大數(shù)據(jù)專項團隊撰寫了《地球大數(shù)據(jù)支撐可持續(xù)發(fā)展目標報告》。在今年9月聯(lián)合國舉行可持續(xù)發(fā)展目標峰會上，我國對外發(fā)布這一報告，引起國際社會熱烈反響。

突破數(shù)據(jù)開放共享的瓶頸問題

讓科學數(shù)據(jù)服務于決策，有一個關(guān)鍵的前提是——要有足夠多的數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)之間的共享。數(shù)據(jù)鴻溝、數(shù)據(jù)孤島是世界面臨的挑戰(zhàn)性問題。郭華東呼吁，突破數(shù)據(jù)開放共享的瓶頸問題，實現(xiàn)資源、環(huán)境、生物、生態(tài)等領(lǐng)域分散的數(shù)據(jù)、模型與服務等的全面集成。2019年1月，中國科學院發(fā)布地球大數(shù)據(jù)共享服務平臺，以共享方式為全球用戶提供系統(tǒng)、多元、動態(tài)、連續(xù)并具有全球唯一標識規(guī)范化的地球大數(shù)據(jù)。平臺發(fā)布了5PB(1PB=1024TB)的數(shù)據(jù)，包括40年的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)以及海量的地面觀測數(shù)據(jù)、生物生態(tài)數(shù)據(jù)、大氣海洋數(shù)據(jù)、古生物數(shù)據(jù)等，每年還將以3PB的數(shù)據(jù)量進行更新。截至10月，有115個國家的用戶訪問了該平臺。

此次大會上，中國科學院還發(fā)布了地球大數(shù)據(jù)原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)存儲、管理、信息挖掘于一體，把散落的地球大數(shù)據(jù)“珠子”串成“項鏈”，將成為驅(qū)動科學發(fā)現(xiàn)和決策支持的重要科學平臺。人工智能、云計算、區(qū)塊鏈等先進技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，正在促進數(shù)字地球和地球大數(shù)據(jù)的深入發(fā)展。“要對不斷積累的數(shù)據(jù)進行高度自動化和智能化分析，從龐大的數(shù)據(jù)集中提取信息，從而推動科學發(fā)現(xiàn)和服務決策支持。”郭華東說。

徐冠華在會上發(fā)出呼吁，為更好推動數(shù)字地球發(fā)展，科學家應以地球大數(shù)據(jù)為抓手，廣泛開展合作，結(jié)合新一代信息技術(shù)快速發(fā)展，加強數(shù)字地球?qū)W科建設和基本理論框架研究，突破技術(shù)瓶頸，促進學科交叉。“在全球尺度上能提供全球環(huán)境與資源動態(tài)數(shù)據(jù)和分析方式、手段，在區(qū)域尺度上能加強人居環(huán)境信息化、生態(tài)化與智慧化水平”，這是徐冠華對數(shù)字地球的期待。