張樹良

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

美、英國家研究計劃揭示國際地球科學研究新動向＊

張樹良

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

近日，在美國最新國家研究計劃“大數據計劃”框架下，包括美國國家科學基金會、美國地質調查局和美國國家航空航天局在內的美國政府主要機構同時推出新的研究項目，并對現有研究部署做出相應調整，此舉將帶動包括地球科學在內的各領域研究的新發(fā)展；與此同時，英國地質調查局也公布了其地球科學新領域的最新研究進展。通過解讀這些最新的研究計劃，可以揭示出國際地球科學研究的新動向。

國家研究計劃；研究項目；地球科學；大數據計劃；美國政府；英國地質調查局

1 新計劃框架下的美國地學研究新部署

2012年3月29日，美國政府宣布全面啟動“大數據研發(fā)計劃”，該計劃旨在通過提升從大規(guī)模復雜目標數字數據中發(fā)現和解讀知識的能力，加速美國在自然科學與工程學領域知識發(fā)現的步伐，以強化美國國家安全，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）、美國地質調查局（USGS）等美國聯邦政府6大職能機構聯合開展，總投資超過2億美元。該計劃將使美國擁有從海量數字數據中獲取和發(fā)現新知識的核心能力和關鍵技術。

1.1 美國地質調查局地學研究新計劃

美國地質調查局同期最新公布的美國“大數據研發(fā)計劃”框架下的8項新研究計劃包括：

（1）認識和管理全球變化適應力

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

（2）全球溫帶旱地生態(tài)系統氣候變化及生態(tài)水文學研究

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

（3）汞循環(huán)及其生物體累積效應和北美西部風險研究：基于長期數據集的大規(guī)模綜合研究

將基于數十年有關汞的數據記錄，開展有關整個北美西部汞循環(huán)及生物體累積效應的跨國研究，以量化土地使用、居住地及氣候因素對汞風險的影響。由于在該地區(qū)居民用地占到總陸地面積的60%以上，因而該研究對改進資源管理效率、降低汞影響至關重要。

（4）物種對環(huán)境變化的響應模擬：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有的不同尺度及不同數據復雜程度的模型，建立統一模擬系統，評估在整個特定物種范圍內種群對環(huán)境變化的響應。該綜合模擬系統將具有更為靈活、功能更強大的分級貝葉斯模擬統計框架，它將整合多尺度數據，提供有關種群環(huán)境控制動力學的關鍵認識，并成為預測當前及未來環(huán)境變化效應的有效工具。

（5）通過流域溶解有機物的運移，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物濃度與組成之間的基本關系重新進行系統評估。重點將集中于借助統計技術和計算機模擬手段對不同規(guī)模流域的成熟數據進行整合，并將溶解有機物的數量和質量數據納入其中。數據整合規(guī)模將覆蓋從季度／周臨時樣本數據到流域高流量期自動取樣數據，直至光學傳感器連續(xù)監(jiān)測數據。研究旨在通過數據整合獲得對整個時空尺度流域溶解有機物的全新認識，并進而改進對水生生態(tài)系統中有機物質動力學的理解。

（6）地震復發(fā)率及最大震級地震全球統計模型近期全球發(fā)生的一系列地震事件再次證明，即使是最好的地震監(jiān)測網絡也無法實現對有連續(xù)歷史記錄以來的最高級別地震的預測，這意味著人類預測地震的能力是有限的。計劃的目標是重新評估發(fā)生在所有主要板塊邊界和板塊內部環(huán)境的地震等級、發(fā)生頻率和震級分布、以及最大震級，以改進地震預警模型，并使美國的災害評估建立在更為強大的全球數據及其分析基礎之上。

（7）新一代生態(tài)系統生物指示劑微生物過程在深入揭示生態(tài)功能控制機理方面的重要性已經激發(fā)了科學家對環(huán)境微生物學研究的關注。計劃將利用現有描述微生物特性和生態(tài)系統功能的數據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一步認識生態(tài)系統功能及其在全球變化背景下的發(fā)展軌跡。研究的最終目標是發(fā)現能夠指示生態(tài)系統功能的關鍵微生物特征物質，它將幫助科學家鎖定未來生態(tài)系統監(jiān)測和研究的重點。

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

1.2 美國國家科學基金會啟動“地球立方體”計劃

作為對整個“大數據研發(fā)計劃”的響應，美國國家科學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。其中地球科學領域正式啟動“地球立方體”（EarthCube）項目，這也是美國國家科學基金會“面向21世紀的自然科學與工程學計算機基礎設施框架”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基礎設施的開發(fā)，對整個地球科學領域的不同來源、不同獲取方式、不同結構及不同格式的離散數據整合，“地球立方體”不僅將引發(fā)地球科學研究方式的變革，而且也將極大地促進地球科學知識的傳播。

“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的創(chuàng)造并管理地球科學知識的綜合框架”，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雜系統的可測度體系；③充分整合和利用新技術。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數據、信息、知識及實踐來創(chuàng)建地球科學知識管理系統和基礎設施，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”將為人們全面認識地球而展現一種全新的動態(tài)獲取、分享和利用所有類型數據的方式，它將通過連接不同層面的數據和信息管理（從獲取數據和信息的資源層，到數據組織與管理層，再到最頂端的基于數據創(chuàng)造知識的交互層），實現整個知識體系的完整性、靈活性、綜合性和易用性。數據和信息的交互性將成為“地球立方體”的基本特質，其核心是“以人為中心”，因而它將創(chuàng)造全新的知識學習與培訓模式，由此將有效提升公眾及決策者的知識水平，并同時增強其在創(chuàng)建可持續(xù)的地球系統的參與程度。

“地球立方體”的計劃構建期為10年，其具體的構建步驟及時間表為：

第一步：在線學術共同體信息庫建設（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、技術和方法，服務于滿足學術共同體的科學需求；

第三步：新一輪專家研討（2011年11中旬—2012年4月）：確定以學術共同體為中心的設計和管理架構以及系統的創(chuàng)新方法；

第四步：成立次級研究組（2012年5月初）：以開發(fā)原型系統為目標，開展進一步的設計開發(fā)工作；

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

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

此外，美國國家航空航天局（NASA）也將對其現有的地學研究計劃和項目進行調整和重新部署，主要包括：地球科學數據與信息系統（ESDIS）計劃、全球地球觀測系統體系（GEOSS）計劃、行星數據系統（PDS）項目以及地球系統網格聯盟（ESGF）項目。

2 英國地質調查局最新研究進展

同期，英國地質調查局（BGS）公布了其兩項地學新領域研究的重要進展。

2.1 三維地質學

英國地質調查局正在開展的三維地質學研究是基于復雜地質學技術，對地下地質構造進行三維模擬并動態(tài)可視化的過程。對地下構造的模擬可以深入揭示地質學同環(huán)境之間的關系。

三維地質圖能夠克服傳統二維平面地質圖只能展示地質單元及其位置的局限，全面直觀揭示特征構造（如斷層）的深度、厚度變化、傾斜地質單元以及地下的接觸關系。三維地質模型不僅將實現地質學專業(yè)信息的易解讀性，而且將促進新知識的創(chuàng)造。

基于三維地質學研究，英國地質調查局正在構建“英國國家地質模型（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。“英國國家地質模型”項目的目標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空間模型。預計最終建成的該模型將具有如下主要特征：

（1）特征地質單元地質空間精確呈現；

（2）自由尺度的構造模擬、存儲和動態(tài)管理；

（3）陸地與海洋地質單元的無縫對接。

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

該國家地質模型同時將包含英國全國垂直地層序列信息以及地質事件信息，模型建成后將首次實現對異源信息的綜合一體化展示，從而形成一個統一整體的認識。

2.2 系統地質學

系統地質學是指將地質學視為一個相互作用的目標實體和過程所形成統一體系，其目標是在綜合性全球知識體系的“電子科學家（e－scientists）”情景下實現對不同方面地質信息的協同。

英國地質調查局目前正在創(chuàng)建的研究體系重點考慮的是如何借助地質學計算機手段將不同地質信息按照統一的模型進行組織，該模型將固體地球呈現為一個完整的系統。

（1）系統的構成

不同來源信息將以由相互關聯的、可修改的模塊所組成的系統架構的形式被記錄、存儲和分析，由此而形成信息庫，該信息庫的構建基于地質學知識結構，同時模擬人腦的網絡結構。

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

（2）系統的使用

所有相關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現其之間的交流。各模塊可以是靜態(tài)或交互的，同時可以被連續(xù)或以適當的順序予以展示。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整展示形式，也可以通過中間環(huán)節(jié)獲取預先定義的序列，并可以靈活地選擇結果的呈現形式。

（3）系統構建目標

整個系統的最終構建目標是創(chuàng)建整合復雜交互信息的固體地球系統模型（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、時間及精度信息，以及目標本體、過程、文本描述和注釋。

由于具有統一的系統架構，因而系統更容易實現對信息的記錄、鏈接、更新、分析、發(fā)現以及追蹤，由此所產生的優(yōu)勢包括：記錄更完整、更全面、更連貫、所包含的信息量更大；形成更為強大的信息發(fā)現、分析及交流技術；在信息呈現和修改方面更為靈活。

本文在撰寫過程中參考了文獻[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）