張樹良

（中國科學(xué)院國家科學(xué)圖書館蘭州分館／中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)信息中心，蘭州730000）

美、英國家研究計劃揭示國際地球科學(xué)研究新動向＊

張樹良

（中國科學(xué)院國家科學(xué)圖書館蘭州分館／中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)信息中心，蘭州730000）

近日，在美國最新國家研究計劃“大數(shù)據(jù)計劃”框架下，包括美國國家科學(xué)基金會、美國地質(zhì)調(diào)查局和美國國家航空航天局在內(nèi)的美國政府主要機(jī)構(gòu)同時推出新的研究項目，并對現(xiàn)有研究部署做出相應(yīng)調(diào)整，此舉將帶動包括地球科學(xué)在內(nèi)的各領(lǐng)域研究的新發(fā)展；與此同時，英國地質(zhì)調(diào)查局也公布了其地球科學(xué)新領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。通過解讀這些最新的研究計劃，可以揭示出國際地球科學(xué)研究的新動向。

國家研究計劃；研究項目；地球科學(xué)；大數(shù)據(jù)計劃；美國政府；英國地質(zhì)調(diào)查局

1 新計劃框架下的美國地學(xué)研究新部署

2012年3月29日，美國政府宣布全面啟動“大數(shù)據(jù)研發(fā)計劃”，該計劃旨在通過提升從大規(guī)模復(fù)雜目標(biāo)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)和解讀知識的能力，加速美國在自然科學(xué)與工程學(xué)領(lǐng)域知識發(fā)現(xiàn)的步伐，以強(qiáng)化美國國家安全，同時推動美國教育體系改革。

整個計劃將由美國國家科學(xué)基金會（NSF）、美國國家衛(wèi)生研究院（NIH）、美國能源部（DOE）、美國國防部（DOD）、美國國防高級研究計劃署（DARPA）、美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）等美國聯(lián)邦政府6大職能機(jī)構(gòu)聯(lián)合開展，總投資超過2億美元。該計劃將使美國擁有從海量數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)中獲取和發(fā)現(xiàn)新知識的核心能力和關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 美國地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)研究新計劃

美國地質(zhì)調(diào)查局同期最新公布的美國“大數(shù)據(jù)研發(fā)計劃”框架下的8項新研究計劃包括：

（1）認(rèn)識和管理全球變化適應(yīng)力

研究將瞄準(zhǔn)生態(tài)適應(yīng)性科學(xué)空白，開發(fā)生態(tài)適應(yīng)性管理的可行框架。主要內(nèi)容包括：①對目前分散的研究予以整合，克服復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)及有關(guān)系統(tǒng)非連續(xù)性研究方面的交流障礙，重新審視并考證有關(guān)非連續(xù)理論的關(guān)鍵質(zhì)疑；②確定物種邊界變化是否能夠作為表征系統(tǒng)層面生態(tài)系統(tǒng)變化的核心指標(biāo)，并指示單一系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生顯著突變的位置，同時論證有關(guān)具有最高種群數(shù)量變率的物種的具體分布非隨機(jī)性的假設(shè)；③開發(fā)新的生物多樣性、種群規(guī)模與適應(yīng)性之間的關(guān)系模型以揭示種群數(shù)量及其對應(yīng)的系統(tǒng)功能響應(yīng)。

（2）全球溫帶旱地生態(tài)系統(tǒng)氣候變化及生態(tài)水文學(xué)研究

將土壤水模型與全球溫帶旱地生態(tài)系統(tǒng)日常氣象數(shù)據(jù)整合，以揭示缺水生態(tài)體系水文系統(tǒng)未來的潛在變化?；谌蚝献鞴餐芯看_定相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行模型驗證和模擬結(jié)果解釋。項目的預(yù)期結(jié)果將包括：對旱地生態(tài)系統(tǒng)的重要屬性、不確定性及脆弱性的理解，以及對全球溫帶旱地生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)前及未來生態(tài)系統(tǒng)水平衡和水的可獲取性的評估結(jié)果。

（3）汞循環(huán)及其生物體累積效應(yīng)和北美西部風(fēng)險研究：基于長期數(shù)據(jù)集的大規(guī)模綜合研究

將基于數(shù)十年有關(guān)汞的數(shù)據(jù)記錄，開展有關(guān)整個北美西部汞循環(huán)及生物體累積效應(yīng)的跨國研究，以量化土地使用、居住地及氣候因素對汞風(fēng)險的影響。由于在該地區(qū)居民用地占到總陸地面積的60%以上，因而該研究對改進(jìn)資源管理效率、降低汞影響至關(guān)重要。

（4）物種對環(huán)境變化的響應(yīng)模擬：種群持久性、綜合性大型貝葉斯模型開發(fā)

研究將拓展并整合現(xiàn)有的不同尺度及不同數(shù)據(jù)復(fù)雜程度的模型，建立統(tǒng)一模擬系統(tǒng)，評估在整個特定物種范圍內(nèi)種群對環(huán)境變化的響應(yīng)。該綜合模擬系統(tǒng)將具有更為靈活、功能更強(qiáng)大的分級貝葉斯模擬統(tǒng)計框架，它將整合多尺度數(shù)據(jù)，提供有關(guān)種群環(huán)境控制動力學(xué)的關(guān)鍵認(rèn)識，并成為預(yù)測當(dāng)前及未來環(huán)境變化效應(yīng)的有效工具。

（5）通過流域溶解有機(jī)物的運(yùn)移，重新審視全時空尺度水循環(huán)作用

計劃將對河流流量同溶解有機(jī)物濃度與組成之間的基本關(guān)系重新進(jìn)行系統(tǒng)評估。重點(diǎn)將集中于借助統(tǒng)計技術(shù)和計算機(jī)模擬手段對不同規(guī)模流域的成熟數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并將溶解有機(jī)物的數(shù)量和質(zhì)量數(shù)據(jù)納入其中。數(shù)據(jù)整合規(guī)模將覆蓋從季度／周臨時樣本數(shù)據(jù)到流域高流量期自動取樣數(shù)據(jù)，直至光學(xué)傳感器連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。研究旨在通過數(shù)據(jù)整合獲得對整個時空尺度流域溶解有機(jī)物的全新認(rèn)識，并進(jìn)而改進(jìn)對水生生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物質(zhì)動力學(xué)的理解。

（6）地震復(fù)發(fā)率及最大震級地震全球統(tǒng)計模型近期全球發(fā)生的一系列地震事件再次證明，即使是最好的地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)也無法實(shí)現(xiàn)對有連續(xù)歷史記錄以來的最高級別地震的預(yù)測，這意味著人類預(yù)測地震的能力是有限的。計劃的目標(biāo)是重新評估發(fā)生在所有主要板塊邊界和板塊內(nèi)部環(huán)境的地震等級、發(fā)生頻率和震級分布、以及最大震級，以改進(jìn)地震預(yù)警模型，并使美國的災(zāi)害評估建立在更為強(qiáng)大的全球數(shù)據(jù)及其分析基礎(chǔ)之上。

（7）新一代生態(tài)系統(tǒng)生物指示劑微生物過程在深入揭示生態(tài)功能控制機(jī)理方面的重要性已經(jīng)激發(fā)了科學(xué)家對環(huán)境微生物學(xué)研究的關(guān)注。計劃將利用現(xiàn)有描述微生物特性和生態(tài)系統(tǒng)功能的數(shù)據(jù)庫著重開展對微生物過程的研究，這些微生物過程將有助于進(jìn)一步認(rèn)識生態(tài)系統(tǒng)功能及其在全球變化背景下的發(fā)展軌跡。研究的最終目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)能夠指示生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵微生物特征物質(zhì)，它將幫助科學(xué)家鎖定未來生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測和研究的重點(diǎn)。

（8）美國纖維毛沸石分布及其對人體健康的影響研究認(rèn)識纖維毛沸石的地質(zhì)賦存狀態(tài)及其礦物學(xué)特性之間的關(guān)系對于土地使用規(guī)劃、影響管理以及降低疾病風(fēng)險十分關(guān)鍵，同時也將為未來有關(guān)土地利用、開發(fā)和公共健康等的調(diào)查研究和決策制定提供重要的指導(dǎo)。該計劃將利用空間及統(tǒng)計技術(shù)評估發(fā)病數(shù)據(jù)同與石棉／纖維沸石有關(guān)的疾病、纖維沸石礦物賦存狀態(tài)、地質(zhì)地形、人類活動以及氣候因素等之間的相互關(guān)系。此外，研究成果還將被用于其他相關(guān)研究以及目標(biāo)地區(qū)未來的地球科學(xué)及公共健康研究。

1.2 美國國家科學(xué)基金會啟動“地球立方體”計劃

作為對整個“大數(shù)據(jù)研發(fā)計劃”的響應(yīng)，美國國家科學(xué)基金會也同時公布了該計劃框架下的首批新的資助項目清單。其中地球科學(xué)領(lǐng)域正式啟動“地球立方體”（EarthCube）項目，這也是美國國家科學(xué)基金會“面向21世紀(jì)的自然科學(xué)與工程學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施框架”計劃的重要組成部分。

“地球立方體”項目是一項具有突破性的研究計劃，旨在支持以研究共同體為中心的計算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)，對整個地球科學(xué)領(lǐng)域的不同來源、不同獲取方式、不同結(jié)構(gòu)及不同格式的離散數(shù)據(jù)整合，“地球立方體”不僅將引發(fā)地球科學(xué)研究方式的變革，而且也將極大地促進(jìn)地球科學(xué)知識的傳播。

“地球立方體”項目提出的初衷是為尋求“以整體視角審視地球系統(tǒng)的創(chuàng)造并管理地球科學(xué)知識的綜合框架”，其主要意圖是：①加速知識的融匯過程；②制定一個面向空前復(fù)雜系統(tǒng)的可測度體系；③充分整合和利用新技術(shù)。項目的最終目的是以一種公開、透明和綜合性的方式整合所有地球科學(xué)數(shù)據(jù)、信息、知識及實(shí)踐來創(chuàng)建地球科學(xué)知識管理系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施，從而極大地提升研究及教育者的知識創(chuàng)造和傳播能力?！暗厍蛄⒎襟w”將為人們?nèi)嬲J(rèn)識地球而展現(xiàn)一種全新的動態(tài)獲取、分享和利用所有類型數(shù)據(jù)的方式，它將通過連接不同層面的數(shù)據(jù)和信息管理（從獲取數(shù)據(jù)和信息的資源層，到數(shù)據(jù)組織與管理層，再到最頂端的基于數(shù)據(jù)創(chuàng)造知識的交互層），實(shí)現(xiàn)整個知識體系的完整性、靈活性、綜合性和易用性。數(shù)據(jù)和信息的交互性將成為“地球立方體”的基本特質(zhì)，其核心是“以人為中心”，因而它將創(chuàng)造全新的知識學(xué)習(xí)與培訓(xùn)模式，由此將有效提升公眾及決策者的知識水平，并同時增強(qiáng)其在創(chuàng)建可持續(xù)的地球系統(tǒng)的參與程度。

“地球立方體”的計劃構(gòu)建期為10年，其具體的構(gòu)建步驟及時間表為：

第一步：在線學(xué)術(shù)共同體信息庫建設(shè)（2011年8—11月）：明確需求，發(fā)展合作；

第二步：“地球立方體”專家研討（2011年11月初）：挖掘和匯集最好的思想、技術(shù)和方法，服務(wù)于滿足學(xué)術(shù)共同體的科學(xué)需求；

第三步：新一輪專家研討（2011年11中旬—2012年4月）：確定以學(xué)術(shù)共同體為中心的設(shè)計和管理架構(gòu)以及系統(tǒng)的創(chuàng)新方法；

第四步：成立次級研究組（2012年5月初）：以開發(fā)原型系統(tǒng)為目標(biāo)，開展進(jìn)一步的設(shè)計開發(fā)工作；

第五步：原型系統(tǒng)開發(fā)（2012年5月—2013年12月）：提升系統(tǒng)性能及其有效性，使之廣泛適用于地球科學(xué)用戶，并建立以學(xué)術(shù)共同體為中心的管理機(jī)制；

第六步：超越原型系統(tǒng)（2014年—2022年）：基于原型系統(tǒng)開發(fā)階段的成果和突破優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)手段。

此外，美國國家航空航天局（NASA）也將對其現(xiàn)有的地學(xué)研究計劃和項目進(jìn)行調(diào)整和重新部署，主要包括：地球科學(xué)數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)（ESDIS）計劃、全球地球觀測系統(tǒng)體系（GEOSS）計劃、行星數(shù)據(jù)系統(tǒng)（PDS）項目以及地球系統(tǒng)網(wǎng)格聯(lián)盟（ESGF）項目。

2 英國地質(zhì)調(diào)查局最新研究進(jìn)展

同期，英國地質(zhì)調(diào)查局（BGS）公布了其兩項地學(xué)新領(lǐng)域研究的重要進(jìn)展。

2.1 三維地質(zhì)學(xué)

英國地質(zhì)調(diào)查局正在開展的三維地質(zhì)學(xué)研究是基于復(fù)雜地質(zhì)學(xué)技術(shù)，對地下地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行三維模擬并動態(tài)可視化的過程。對地下構(gòu)造的模擬可以深入揭示地質(zhì)學(xué)同環(huán)境之間的關(guān)系。

三維地質(zhì)圖能夠克服傳統(tǒng)二維平面地質(zhì)圖只能展示地質(zhì)單元及其位置的局限，全面直觀揭示特征構(gòu)造（如斷層）的深度、厚度變化、傾斜地質(zhì)單元以及地下的接觸關(guān)系。三維地質(zhì)模型不僅將實(shí)現(xiàn)地質(zhì)學(xué)專業(yè)信息的易解讀性，而且將促進(jìn)新知識的創(chuàng)造。

基于三維地質(zhì)學(xué)研究，英國地質(zhì)調(diào)查局正在構(gòu)建“英國國家地質(zhì)模型（NGM）”，旨在為決策者制定未來規(guī)劃提供更為明晰可靠的信息支持?！坝鴩业刭|(zhì)模型”項目的目標(biāo)是建立一整套精確的、多尺度的英國全國巖石及沉積物地下分布的地質(zhì)空間模型。預(yù)計最終建成的該模型將具有如下主要特征：

（1）特征地質(zhì)單元地質(zhì)空間精確呈現(xiàn)；

（2）自由尺度的構(gòu)造模擬、存儲和動態(tài)管理；

（3）陸地與海洋地質(zhì)單元的無縫對接。

“英國國家地質(zhì)模型”的構(gòu)建將主要基于以下關(guān)鍵數(shù)據(jù)庫：全尺度數(shù)字地圖及北愛爾蘭表層地質(zhì)勘測圖；地下、海域及勘測記錄、地圖以及等高線和等厚線圖；現(xiàn)有的模型及地表數(shù)據(jù)；相關(guān)地球物理數(shù)據(jù)。此外，還包括專業(yè)分類及術(shù)語數(shù)據(jù)庫。

該國家地質(zhì)模型同時將包含英國全國垂直地層序列信息以及地質(zhì)事件信息，模型建成后將首次實(shí)現(xiàn)對異源信息的綜合一體化展示，從而形成一個統(tǒng)一整體的認(rèn)識。

2.2 系統(tǒng)地質(zhì)學(xué)

系統(tǒng)地質(zhì)學(xué)是指將地質(zhì)學(xué)視為一個相互作用的目標(biāo)實(shí)體和過程所形成統(tǒng)一體系，其目標(biāo)是在綜合性全球知識體系的“電子科學(xué)家（e－scientists）”情景下實(shí)現(xiàn)對不同方面地質(zhì)信息的協(xié)同。

英國地質(zhì)調(diào)查局目前正在創(chuàng)建的研究體系重點(diǎn)考慮的是如何借助地質(zhì)學(xué)計算機(jī)手段將不同地質(zhì)信息按照統(tǒng)一的模型進(jìn)行組織，該模型將固體地球呈現(xiàn)為一個完整的系統(tǒng)。

（1）系統(tǒng)的構(gòu)成

不同來源信息將以由相互關(guān)聯(lián)的、可修改的模塊所組成的系統(tǒng)架構(gòu)的形式被記錄、存儲和分析，由此而形成信息庫，該信息庫的構(gòu)建基于地質(zhì)學(xué)知識結(jié)構(gòu)，同時模擬人腦的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

觀測及分析信息以適宜的形式（如文本描述和解釋、地質(zhì)圖和底層圖表、工作流、運(yùn)算規(guī)則、數(shù)據(jù)集、定量分析、模擬以及圖片等）被記錄在不同模塊中，不同模塊之間的關(guān)系、從屬、來源及其歷史也將同時被記錄。

（2）系統(tǒng)的使用

所有相關(guān)信息均能從信息庫中被選擇并抽取，并且可以作為模塊序列實(shí)現(xiàn)其之間的交流。各模塊可以是靜態(tài)或交互的，同時可以被連續(xù)或以適當(dāng)?shù)捻樞蛴枰哉故?。用戶既可以隨意按照自己的特定需要生成自己的序列或者調(diào)整展示形式，也可以通過中間環(huán)節(jié)獲取預(yù)先定義的序列，并可以靈活地選擇結(jié)果的呈現(xiàn)形式。

（3）系統(tǒng)構(gòu)建目標(biāo)

整個系統(tǒng)的最終構(gòu)建目標(biāo)是創(chuàng)建整合復(fù)雜交互信息的固體地球系統(tǒng)模型（sEsm）。該模型可能是多維地圖的形式，它包含連續(xù)的空間坐標(biāo)、時間及精度信息，以及目標(biāo)本體、過程、文本描述和注釋。

由于具有統(tǒng)一的系統(tǒng)架構(gòu)，因而系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)對信息的記錄、鏈接、更新、分析、發(fā)現(xiàn)以及追蹤，由此所產(chǎn)生的優(yōu)勢包括：記錄更完整、更全面、更連貫、所包含的信息量更大；形成更為強(qiáng)大的信息發(fā)現(xiàn)、分析及交流技術(shù)；在信息呈現(xiàn)和修改方面更為靈活。

本文在撰寫過程中參考了文獻(xiàn)[1－5]。

[1] Whitehouse.Obama administration unveils“big data”initiative.http：∥www.whitehouse.gov／sites／default／files／microsites／ostp／big＿data＿press＿release.pdf

[2]USGS.Current projects.http：／／powellcenter.usgs.gov／current＿projects.php

[3] NSF.Earth cube guidance for the community.http：∥www.nsf.gov／pubs／2011／nsf11085／nsf11085.pdf

[4] BGS.3D geology.http：∥www.bgs.ac.uk／services／3Dgeology／home.html

[5] BGS.National geological model.http：∥www.bgs.ac.uk／research／UKGeology／nationalgeologicalmodel／home.html

The national research initiatives of US and UK reveal the new trends of international geo－science research

Zhang Shuliang
（The Lanzhou Branch of the National Science Library／The Scientific Information Center for Resources and Environment，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China）

Recently，under the new national research plan“Big Data Initiative”framework，the main departments of US government such as NSF，USGS and NASA etc.unitedly launched the new research programs and accordingly planned to adjust their current research dispositions，in result this will drive research innovation in all areas including geo－science.British Geological Survey（BGS）also declared the important progress of new research subjects in geo－science.Based on analyzing these recent national research initiatives of US and UK，the paper shows the new trends of international geo－science research.

national research initiative；research program；geo－science；Big Data Initiative；US government；British Geological Survey

P315；

D；

10.3969／j.issn.0235－4975.2012.05.001

2012－04－20。

（作者電子信箱，張樹良：zhangsl＠llas.ac.cn）