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【光明日报】数字地球,人类家园可以变得更美好

  

  遥感卫星对地球的每一次回眸,科考船在大洋的每一次下潜,地质钻机向地球深部的每一次进军,以及人类的每一次地面调查等,都积累下越来越多关于地球的数据。这些数据让地球变得“透明”,变得数字化。这就是数字地球,人类认识地球的新方式。

  日前,国际数字地球学会和中国科学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、中国科学院院士郭华东指出:“大数据时代的到来,为数字地球提供了新的发展契机。”

  时间回溯到1999年,我国发起并组织召开了第一届国际数字地球会议,27个国家的科学家发布《1999数字地球北京宣言》提出,数字地球“让人类洞察地球上的任何一个角落”,建议各界共同推动数字地球的发展。

  彼时,数字地球理念刚提出不久。有记者问担任第一届国际数字地球会议秘书长的郭华东,什么是数字地球?他答道:把真实的地球放进计算机里,就叫数字地球。20年后,又有记者问他同样的问题。他的答案是:在大数据到来的今天,地球大数据使数字地球有了更好的实现方式。郭华东在会上呼吁,推进地球大数据的开放共享,将分散的数据集成起来,推动科学发现,服务决策支持,促进全球可持续发展。

   数字地球有了更好的实现方式 

  “数字地球”是国际上1998年提出的概念,这一概念设想把有关地球的大量的、多分辨率的、三维的、动态的数据,与地球科学综合集成,模拟地球发展变化,支持政府决策等。

  过去数十年,太空多了数百只人类的“眼睛”——人造地球卫星。空间对地观测技术的发展,使人类具有了获取全球尺度地球数据的能力:人类能够获取大量大气、海洋和陆地的高精度、高时空分辨率数据,可重复观测频率从月发展到分钟,空间分辨率从公里发展到厘米,电磁波谱的利用从可见光到微波……数字地球是在卫星遥感等空间对地观测数据的基础上发展起来的。

  “不过,随着地球观测、信息系统、导航定位、网络通信等科技的进步,数字地球的理念也不断发展。”郭华东指出,地基观测、海基观测等多种对地观测方式、地球勘测方法和地面传感网产生的数据,以及人类活动相关的社会经济数据等,使数字地球有了更加丰富的数据来源,即地球大数据。

  郭华东曾向媒体做过科普:在卫星的高度看地球,可以看到地球的不同景象。但是,“如果我们能穿透地球的表层看地球又是什么样的?或者说我们如果把地球的大气圈、生物圈、岩石圈,这些圈层综合起来看,地球又是什么样的”?

  这些多种来源的地球大数据,使数字地球有了更好的实现方式。“数字地球关注的是信息化地球的战略方向,地球大数据则肩负着实现这一战略目标的使命和担当。”郭华东认为,地球大数据成为我们认识地球的新钥匙和知识发现的新引擎。

  科技部原部长、首届中国数字地球大会科学委员会主席徐冠华也认为,地球大数据背景下的数字地球建设,可以使我们更加全面地认识我们居住的星球,及时准确掌握自然界的重大变化;同时有利于掌握人类生产生活等各个方面的变动情况,为各国政府提高决策的准确性、及时性和协调性提供强有力的支撑。

   相关科技为防灾减灾等诸多领域提供支持 

  “可以说,我国引领了数字地球的全球发展。”郭华东说。

  这种引领体现在,我国是数字地球发展的重要推动者。比如,20年前发起并组织国际数字地球会议这个平台,至今已在12个国家举办了18次会议,推动数字地球理念在国际上的传播和学术交流;2006年,国际数字地球学会在我国成立,并成为国际科学联合会成员和全球地球观测组织成员;2008年,国际首个以数字地球为主要研究对象的学术期刊《国际数字地球学报》在北京创刊;2019年,我国科学家联合国际科学家出版了世界上首部《数字地球手册》……

  这种引领还体现在,“我国的数字地球科学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。”中国科学院院长白春礼说,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。

  数字地球通过多源数据的融合使用,产生更相关、更丰富和完整的信息,用于复杂的分析和决策支持。比如,监测自然灾害,预测未来可能发生的自然灾害;探测与研究环境污染,为污染防治提供解决方案;模拟环境变化对濒危物种的影响,据此采取合适的生态多样性保护措施。

  在数字地球战略框架下,地球大数据的重要作用正日益显现。本次大会上,郭华东分享了近期用地球大数据促进可持续发展取得的成果。

  2015年,联合国通过《变革我们的世界:2030年可持续发展议程》,提出17项可持续发展目标,如消除饥饿、遏制生物多样性的丧失等。但这些目标的实施进程和效果很难评估,因为缺乏足够的数据和完善的评估方法。传统上一般依靠各个国家通过统计调查来开展,但效率不高、成本高。此时,地球大数据派上了用场。

  比如,在对消除饥饿的评估中,有一项指标是考核从事生产性和可持续农业的农业地区比例,这涉及土地利用效率、农业生产方式、作物长势等许多问题。研究人员利用中巴资源卫星、环境一号卫星、美国陆地卫星的土地利用遥感监测数据,结合作物播种面积和产量、有效灌溉面积、化肥施用量等农业统计数据,以及污染普查数据等地面调查数据和气象站点数据等,建立了一套评估模型和方法。

  再比如,在遏制生物多样性的丧失方面,研究人员选取大熊猫栖息地为研究对象。为何?因为,全国第四次大熊猫调查报告显示,我国野生大熊猫数量相比以前有较为明显的增加,世界自然保护联盟据此将大熊猫的濒危等级从濒危降到易危,遭到许多学者的质疑。

  研究人员通过在卫星影像里提取的森林覆盖类型数据、国家测绘部门的河流数据、交通部门的道路数据,以及人口、经济、自然保护区边界数据等,综合分析后得出结论:尽管大熊猫数量增加,但由于公路建设等人类活动以及地震等自然灾害的影响,大熊猫栖息地的面积比1988年被列为濒危物种时还要小,且更加破碎,物种濒危等级的评估应综合种群和栖息地两方面的因素。

  根据这些研究,中科院地球大数据专项团队撰写了《地球大数据支撑可持续发展目标报告》。在今年9月联合国第74届大会可持续发展目标峰会上,我国向全球发布这一报告,引起国际社会热烈反响。

  数据开放共享瓶颈问题还需突破 

  让科学数据服务于决策,有一个关键的前提——要有足够多的数据,以及数据之间的共享。数据鸿沟、数据孤岛是世界面临的挑战性问题。郭华东呼吁,突破数据开放共享的瓶颈问题,实现资源、环境、生物、生态等领域分散的数据、模型与服务等的全面集成。

  2019年1月,中国科学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,中国科学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、云计算、区块链等先进技术的不断涌现,正在促进数字地球和地球大数据的深入发展。“要对不断积累的数据进行高度自动化和智能化分析,从庞大的数据集中提取信息,从而推动科学发现和服务决策支持。”郭华东说。

  徐冠华在会上发出呼吁,为更好推动数字地球发展,科学家应以地球大数据为抓手,广泛开展合作,结合新一代信息技术快速发展,加强数字地球学科建设和基本理论框架研究,突破技术瓶颈,促进学科交叉。

  “在全球尺度上能提供全球环境与资源动态数据和分析方式、手段,在区域尺度上能提高人居环境信息化、生态化与智慧化水平”,这是徐冠华对数字地球的期待。

  (原载于《光明日报》 2019-12-03 11版)

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