面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

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【光明日報】數字地球,人類家園可以變得更美好

2019-12-03 光明日报 陈海波
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  遙感衛星對地球的每一次回眸,科考船在大洋的每一次下潛,地質鑽機向地球深部的每一次進軍,以及人類的每一次地面調查等,都積累下越來越多關于地球的數據。這些數據讓地球變得“透明”,變得數字化。這就是數字地球,人類認識地球的新方式。

  日前,国际数字地球学会和中國科學院在北京举办首届中国数字地球大会。大会主席、国际数字地球学会名誉主席、中國科學院院士郭华东指出:“大数据时代的到来,为数字地球提供了新的发展契机。”

  時間回溯到1999年,我國發起並組織召開了第一屆國際數字地球會議,27個國家的科學家發布《1999數字地球北京宣言》提出,數字地球“讓人類洞察地球上的任何一個角落”,建議各界共同推動數字地球的發展。

  彼時,數字地球理念剛提出不久。有記者問擔任第一屆國際數字地球會議秘書長的郭華東,什麽是數字地球?他答道:把真實的地球放進計算機裏,就叫數字地球。20年後,又有記者問他同樣的問題。他的答案是:在大數據到來的今天,地球大數據使數字地球有了更好的實現方式。郭華東在會上呼籲,推進地球大數據的開放共享,將分散的數據集成起來,推動科學發現,服務決策支持,促進全球可持續發展。

  數字地球有了更好的實現方式

  “數字地球”是國際上1998年提出的概念,這一概念設想把有關地球的大量的、多分辨率的、三維的、動態的數據,與地球科學綜合集成,模擬地球發展變化,支持政府決策等。

  過去數十年,太空多了數百只人類的“眼睛”——人造地球衛星。空間對地觀測技術的發展,使人類具有了獲取全球尺度地球數據的能力:人類能夠獲取大量大氣、海洋和陸地的高精度、高時空分辨率數據,可重複觀測頻率從月發展到分鍾,空間分辨率從公裏發展到厘米,電磁波譜的利用從可見光到微波……數字地球是在衛星遙感等空間對地觀測數據的基礎上發展起來的。

  “不過,隨著地球觀測、信息系統、導航定位、網絡通信等科技的進步,數字地球的理念也不斷發展。”郭華東指出,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傳感網産生的數據,以及人類活動相關的社會經濟數據等,使數字地球有了更加豐富的數據來源,即地球大數據。

  郭華東曾向媒體做過科普:在衛星的高度看地球,可以看到地球的不同景象。但是,“如果我們能穿透地球的表層看地球又是什麽樣的?或者說我們如果把地球的大氣圈、生物圈、岩石圈,這些圈層綜合起來看,地球又是什麽樣的”?

  這些多種來源的地球大數據,使數字地球有了更好的實現方式。“數字地球關注的是信息化地球的戰略方向,地球大數據則肩負著實現這一戰略目標的使命和擔當。”郭華東認爲,地球大數據成爲我們認識地球的新鑰匙和知識發現的新引擎。

  科技部原部長、首屆中國數字地球大會科學委員會主席徐冠華也認爲,地球大數據背景下的數字地球建設,可以使我們更加全面地認識我們居住的星球,及時准確掌握自然界的重大變化;同時有利于掌握人類生産生活等各個方面的變動情況,爲各國政府提高決策的准確性、及時性和協調性提供強有力的支撐。

  相關科技爲防災減災等諸多領域提供支持

  “可以說,我國引領了數字地球的全球發展。”郭華東說。

  這種引領體現在,我國是數字地球發展的重要推動者。比如,20年前發起並組織國際數字地球會議這個平台,至今已在12個國家舉辦了18次會議,推動數字地球理念在國際上的傳播和學術交流;2006年,國際數字地球學會在我國成立,並成爲國際科學聯合會成員和全球地球觀測組織成員;2008年,國際首個以數字地球爲主要研究對象的學術期刊《國際數字地球學報》在北京創刊;2019年,我國科學家聯合國際科學家出版了世界上首部《數字地球手冊》……

  这种引领还体现在,“我国的数字地球科學研究和技术应用取得了丰硕成果,在诸多领域发挥着引领作用。”中國科學院院长白春禮说,我国相继研发的数字地球系统,建立的数字地球平台,为应对气候变化、防灾减灾、城市管理、遗产保护、可持续发展等提供了重要支撑,在国内外产生了很大的影响。

  數字地球通過多源數據的融合使用,産生更相關、更豐富和完整的信息,用于複雜的分析和決策支持。比如,監測自然災害,預測未來可能發生的自然災害;探測與研究環境汙染,爲汙染防治提供解決方案;模擬環境變化對瀕危物種的影響,據此采取合適的生態多樣性保護措施。

  在數字地球戰略框架下,地球大數據的重要作用正日益顯現。本次大會上,郭華東分享了近期用地球大數據促進可持續發展取得的成果。

  2015年,聯合國通過《變革我們的世界:2030年可持續發展議程》,提出17項可持續發展目標,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,因爲缺乏足夠的數據和完善的評估方法。傳統上一般依靠各個國家通過統計調查來開展,但效率不高、成本高。此時,地球大數據派上了用場。

  比如,在對消除饑餓的評估中,有一項指標是考核從事生産性和可持續農業的農業地區比例,這涉及土地利用效率、農業生産方式、作物長勢等許多問題。研究人員利用中巴資源衛星、環境一號衛星、美國陸地衛星的土地利用遙感監測數據,結合作物播種面積和産量、有效灌溉面積、化肥施用量等農業統計數據,以及汙染普查數據等地面調查數據和氣象站點數據等,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爲研究對象。爲何?因爲,全國第四次大熊貓調查報告顯示,我國野生大熊貓數量相比以前有較爲明顯的增加,世界自然保護聯盟據此將大熊貓的瀕危等級從瀕危降到易危,遭到許多學者的質疑。

  研究人員通過在衛星影像裏提取的森林覆蓋類型數據、國家測繪部門的河流數據、交通部門的道路數據,以及人口、經濟、自然保護區邊界數據等,綜合分析後得出結論:盡管大熊貓數量增加,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年被列爲瀕危物種時還要小,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。

  根據這些研究,中科院地球大數據專項團隊撰寫了《地球大數據支撐可持續發展目標報告》。在今年9月聯合國第74屆大會可持續發展目標峰會上,我國向全球發布這一報告,引起國際社會熱烈反響。

  數據開放共享瓶頸問題還需突破

  讓科學數據服務于決策,有一個關鍵的前提——要有足夠多的數據,以及數據之間的共享。數據鴻溝、數據孤島是世界面臨的挑戰性問題。郭華東呼籲,突破數據開放共享的瓶頸問題,實現資源、環境、生物、生態等領域分散的數據、模型與服務等的全面集成。

  2019年1月,中國科學院发布地球大数据共享服务平台,以共享方式为全球用户提供系统、多元、动态、连续并具有全球唯一标识规范化的地球大数据。平台发布了5PB的数据,包括40年的卫星影像数据以及海量的地面观测数据、生物生态数据、大气海洋数据、古生物数据等,每年还将以3PB的数据量进行更新。截至10月,有115个国家的用户访问了该平台。

  此次大会上,中國科學院还发布了地球大数据原型系统。该系统集数据存储、管理、信息挖掘于一体,把散落的地球大数据“珠子”穿成“项链”,将成为驱动科学发现和决策支持的重要科学平台。

  人工智能、雲計算、區塊鏈等先進技術的不斷湧現,正在促進數字地球和地球大數據的深入發展。“要對不斷積累的數據進行高度自動化和智能化分析,從龐大的數據集中提取信息,從而推動科學發現和服務決策支持。”郭華東說。

  徐冠華在會上發出呼籲,爲更好推動數字地球發展,科學家應以地球大數據爲抓手,廣泛開展合作,結合新一代信息技術快速發展,加強數字地球學科建設和基本理論框架研究,突破技術瓶頸,促進學科交叉。

  “在全球尺度上能提供全球環境與資源動態數據和分析方式、手段,在區域尺度上能提高人居環境信息化、生態化與智慧化水平”,這是徐冠華對數字地球的期待。

  (原载于《光明日报》 2019-12-03 11版)

打印 責任編輯:侯茜

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