馬 振 剛，李 黎 黎，許 學(xué) 工

（1.張家口學(xué)院理學(xué)系，河北 張家口 075000；2.北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，地表過(guò)程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871）

“大數(shù)據(jù)時(shí)代”的到來(lái)為科學(xué)研究提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。相繼有 Nature［1］、Science［2］等學(xué)術(shù)期刊介紹了大數(shù)據(jù)在各個(gè)領(lǐng)域研究中的應(yīng)用；2012年“Next-generation Digital Earth”的發(fā)表［3］，2013 年國(guó)際環(huán)境遙感大會(huì)專門(mén)召開(kāi)了“大數(shù)據(jù)與數(shù)字地球和未來(lái)地球”分會(huì)［4］，標(biāo)志著大數(shù)據(jù)將在地球科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展中扮演重要角色。目前，大數(shù)據(jù)在地理學(xué)中的人文地理學(xué)研究較多［5，6］，在自然地理研究中鮮有涉及。自然地理學(xué)是地理學(xué)的主要分支，重點(diǎn)研究地球表面各地理要素的作用機(jī)理、空間格局、時(shí)空演變和人地關(guān)系。數(shù)據(jù)一直是自然地理學(xué)研究的重要基礎(chǔ)，自然地理研究從經(jīng)驗(yàn)方法到實(shí)證方法再到系統(tǒng)方法［7］，對(duì)數(shù)據(jù)的需求也由少變多，由簡(jiǎn)單變復(fù)雜。大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)為自然地理研究提供了新的平臺(tái)，對(duì)現(xiàn)有研究模式提出了新的要求，開(kāi)展自然地理學(xué)的大數(shù)據(jù)研究具有實(shí)際意義。

1 自然地理學(xué)的大數(shù)據(jù)源

“萬(wàn)物源于數(shù)”，數(shù)據(jù)推動(dòng)著自然地理學(xué)的創(chuàng)新，如放射性年代測(cè)定、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、測(cè)定大氣CO2、獲取衛(wèi)星影像、對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)等均促成了20世紀(jì)地理研究里程碑式的工作［8］。自然地理數(shù)據(jù)的獲取方式經(jīng)歷了以人工運(yùn)營(yíng)為主的被動(dòng)式數(shù)據(jù)采集階段，以對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星為主的主動(dòng)式階段，以自動(dòng)式為主的感知式系統(tǒng)階段和自發(fā)地理信息階段［9，10］。對(duì)地觀測(cè)、自動(dòng)感知和自發(fā)地理信息的數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式催生了自然地理大數(shù)據(jù)，其主要包括遙感大數(shù)據(jù)、地面?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)、自發(fā)地理信息、地學(xué)成果數(shù)據(jù)。

從1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星開(kāi)始到現(xiàn)在的近60年時(shí)間里，對(duì)地遙感技術(shù)的發(fā)展達(dá)到了空前水平，并積累了海量數(shù)據(jù)。大中小衛(wèi)星和無(wú)人飛行器相互協(xié)同、高中低軌道相結(jié)合、多種成像方式并存、波譜域不斷擴(kuò)大、分辨率“三高”不斷提升，形成了遙感大數(shù)據(jù)，其具有海量、異構(gòu)、多源特征［11］。目前中科院遙感與數(shù)字地球所具有的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)總量超過(guò)450 TB，預(yù)計(jì)到2020年全球遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)將達(dá)50 PB［12］。

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等構(gòu)成的地面臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)，能夠提供時(shí)間連續(xù)的精確數(shù)據(jù)，是自然地理數(shù)據(jù)的另一個(gè)重要來(lái)源?！皞鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)”通過(guò)眾多智能化感應(yīng)節(jié)點(diǎn)完成對(duì)較大區(qū)域的地物信息獲取，包括溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣體成分、生態(tài)成分等自然地理信息，形成了自動(dòng)感知大數(shù)據(jù)。典型應(yīng)用除傳統(tǒng)的氣象、水文、海洋、環(huán)境、地震和生態(tài)監(jiān)測(cè)站外，還有精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域，為建設(shè)地理學(xué)等自然地理分支學(xué)科提供了新手段。同時(shí)地面臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)與對(duì)地遙感系統(tǒng)結(jié)合，構(gòu)建了立體觀測(cè)系統(tǒng)，尤其以全球氣候觀測(cè)系統(tǒng)GCOS、全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)GOOS、全球陸地觀測(cè)系統(tǒng)GTOS為代表［13］。

定位技術(shù)從手持羅盤(pán)的傳統(tǒng)定位發(fā)展到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)定位和移動(dòng)終端定位，使定位走向基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的位置服務(wù)，并在 Web2.0時(shí)代催生了自發(fā)地理信息大數(shù)據(jù)。自發(fā)地理信息（VGI）由Goodchild在2007年提出［14］，指在 Web2.0時(shí)代地理信息可由大眾自發(fā)創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)。VGI數(shù)據(jù)來(lái)源多樣，包括GPS終端記錄的興趣點(diǎn)、軌跡、幾何對(duì)象等空間圖形信息，智能手機(jī)上傳的具有時(shí)空位置的圖像、視頻和語(yǔ)音記錄等屬性信息［15］。以眾包的方式基于地理標(biāo)簽（geotag）對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行混搭（mashups）形成的Geoweb，促成了自發(fā)地理信息大數(shù)據(jù)的形成。麥肯錫報(bào)告（Manyika，et al，2011）指出，“個(gè)人位置數(shù)據(jù)”已成為5個(gè)主要大數(shù)據(jù)流之一，每天約有6 000億個(gè)事項(xiàng)被處理，每年全球都會(huì)有各種移動(dòng)設(shè)備傳輸大約1 PB的數(shù)據(jù)。

地理大數(shù)據(jù)除了原始數(shù)據(jù)外，還有經(jīng)過(guò)加工處理后的海量累積成果數(shù)據(jù)，包括地圖數(shù)據(jù)、遙感解譯數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、研究報(bào)告等，如僅第二次國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)即大約150 TB［16］。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了預(yù)處理、實(shí)證研究、計(jì)量計(jì)算、模型模擬等過(guò)程，具有更高的精確性，經(jīng)過(guò)多尺度多模式等聯(lián)合挖掘，會(huì)產(chǎn)生巨大的價(jià)值。另外，地理信息技術(shù)融入IT主流系統(tǒng)是當(dāng)前一個(gè)趨勢(shì)［13］，各種傳統(tǒng)的管理信息系統(tǒng)（MIS），如企業(yè)資源規(guī)劃、客戶資源管理、供應(yīng)鏈管理等，嵌入以4S（GPS、GIS、RS、LBS）為代表的地理信息技術(shù)，成為新的地理大數(shù)據(jù)源。

自然地理大數(shù)據(jù)具有科學(xué)大數(shù)據(jù)的特征，其數(shù)據(jù)內(nèi)容一般表征自然客觀對(duì)象和過(guò)程，獲取手段一般來(lái)自觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)的記錄以及后續(xù)加工，分析手段一般是與科學(xué)原理模型相結(jié)合，數(shù)據(jù)具有內(nèi)容的不可重復(fù)性、高度不確定性、高維特征和高計(jì)算復(fù)雜性［12］。所以上述提到的自然地理大數(shù)據(jù)在應(yīng)用到研究中，還需要有鑒別篩選的過(guò)程，現(xiàn)有的“小數(shù)據(jù)”一般具有更高的價(jià)值，新的大數(shù)據(jù)源與原有數(shù)據(jù)結(jié)合要體現(xiàn)增值效應(yīng)而非數(shù)據(jù)污染。

2 自然地理研究的大數(shù)據(jù)方法

方法革新一直是自然地理學(xué)發(fā)展的重要推動(dòng)力，就如數(shù)理統(tǒng)計(jì)之于地理實(shí)證研究、3S技術(shù)之于地理系統(tǒng)研究一樣，大數(shù)據(jù)為復(fù)雜地理研究提供了新的途徑。自然地理研究中的大數(shù)據(jù)方法具有科學(xué)大數(shù)據(jù)方法的共性和自然地理學(xué)方法的特性。大數(shù)據(jù)方法主要體現(xiàn)在 X-Info和Comp-X兩個(gè)環(huán)節(jié)中［17］，即領(lǐng)域信息學(xué)和領(lǐng)域計(jì)算學(xué)。對(duì)于自然地理研究，主要是地理信息學(xué)和地理計(jì)算學(xué)，它們是傳接地理數(shù)據(jù)—地理信息—地理知識(shí)的樞紐。目前對(duì)地理數(shù)據(jù)的分析，總體上是依托少量的計(jì)算機(jī)，利用各自熟悉的軟件和模型進(jìn)行有限的操作。其結(jié)果是在數(shù)據(jù)獲取、處理和計(jì)算上會(huì)消耗大量時(shí)間和精力，以至于無(wú)力思考將新的發(fā)現(xiàn)納入到已有的知識(shí)體系中，大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)被束之高閣，這種“作坊”式的研究方式急需向“產(chǎn)業(yè)”化轉(zhuǎn)變。大數(shù)據(jù)給地理研究提供了一個(gè)新思路，即“不是隨機(jī)樣本，而是全體數(shù)據(jù)”，“不是精確性，而是混雜性”，“不是因果關(guān)系，而是相關(guān)關(guān)系”［18］；大數(shù)據(jù)研究是對(duì)海量數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)性的搜索、比較、聚類和分類等分析歸納，目的在于找出數(shù)據(jù)集里隱藏的相互關(guān)系網(wǎng)［19］，其本質(zhì)特征在于從模型驅(qū)動(dòng)到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)范式的轉(zhuǎn)變以及數(shù)據(jù)密集型科學(xué)方法的確立［4］。

讓大數(shù)據(jù)發(fā)揮作用的關(guān)鍵支撐是技術(shù)體系，GPS、RS、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和感知技術(shù)支撐著數(shù)據(jù)的獲取，云存儲(chǔ)、云計(jì)算、智能統(tǒng)計(jì)分析等支撐著信息的發(fā)現(xiàn)，如何更好地治理整合地理大數(shù)據(jù)，并從中發(fā)現(xiàn)空間聯(lián)系、挖掘地理知識(shí)，需要地理信息科學(xué)在系統(tǒng)架構(gòu)、模型開(kāi)發(fā)、可視化等方面有大的進(jìn)化甚至變革［20］。GIS是讓大數(shù)據(jù)在自然地理研究中產(chǎn)生價(jià)值的關(guān)鍵，需要在基于where定位的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)what、who、when的時(shí)空格局，進(jìn)而對(duì)how和why進(jìn)行推理分析。GIS領(lǐng)域?qū)＜以谶@方面做了大量工作，包括地理信息的分布式管理、云存儲(chǔ)；地理信息處理的空間數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)流挖掘、地理云計(jì)算等；地理信息表達(dá)的多維數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)感知等［21］。周成虎認(rèn)為大數(shù)據(jù)時(shí)代GIS具有自動(dòng)化處理、規(guī)模化存儲(chǔ)、高效化計(jì)算、知識(shí)化服務(wù)的特性，高性能計(jì)算、空間知識(shí)發(fā)現(xiàn)、專業(yè)模型嵌入將成為未來(lái)GIS特色［22］；李德仁等認(rèn)為遙感解譯應(yīng)關(guān)注語(yǔ)義層的研究，發(fā)展遙感大數(shù)據(jù)云，整合數(shù)據(jù)、算法、軟件和工作流程，利用云技術(shù)使用戶快速獲取服務(wù)［23］；傅伯杰在2014年中國(guó)地理學(xué)會(huì)報(bào)告中指出，大數(shù)據(jù)時(shí)代的地理學(xué)分析和可視化方法以及資源環(huán)境大數(shù)據(jù)處理方法和地理知識(shí)發(fā)現(xiàn)，是中國(guó)地理科學(xué)未來(lái)發(fā)展的戰(zhàn)略方向。大數(shù)據(jù)工程技術(shù)紛繁復(fù)雜，吉姆·格雷制定的幾條規(guī)則有利于對(duì)其通俗理解［17］，如科學(xué)計(jì)算日益變得數(shù)據(jù)密集型，解決方案是一種“橫向擴(kuò)展”的體系結(jié)構(gòu)，將計(jì)算用于數(shù)據(jù)而非數(shù)據(jù)用于計(jì)算等。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，對(duì)于假設(shè)的檢驗(yàn)既可以通過(guò)定向的數(shù)據(jù)采集和分析進(jìn)行，也可以通過(guò)對(duì)已有數(shù)據(jù)的組合和挖掘進(jìn)行。

當(dāng)然如果承認(rèn)大數(shù)據(jù)是個(gè)相對(duì)概念，那么對(duì)于目前眾多的地理研究機(jī)構(gòu)和人員，現(xiàn)有的成熟技術(shù)體系仍可用于更高數(shù)據(jù)級(jí)規(guī)模的管理和處理，關(guān)鍵是是否愿意將研究數(shù)據(jù)和工具等拿出來(lái)開(kāi)放共享，并基于大數(shù)據(jù)思維開(kāi)展工作?？蒲许?xiàng)目具有金字塔結(jié)構(gòu)，對(duì)于國(guó)際性項(xiàng)目而言，數(shù)據(jù)工程技術(shù)或許是主要制約因素，但對(duì)于大多數(shù)一般研究項(xiàng)目，大數(shù)據(jù)理念是最大掣肘。

3 大數(shù)據(jù)推動(dòng)下的自然地理學(xué)變革

3.1 自然地理研究向數(shù)據(jù)密集型范式轉(zhuǎn)變

大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生使科學(xué)研究進(jìn)入了大數(shù)據(jù)時(shí)代［24］，作為地理研究對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代的響應(yīng)，2012年美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局制定和發(fā)布了《美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局核心科學(xué)體系戰(zhàn)略（2013－2023）》［25］，提出了地球科學(xué)研究新思維，將臨界帶作為重點(diǎn)研究對(duì)象，按生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)在邏輯構(gòu)建模塊式科學(xué)框架，將以學(xué)科為主線的組織架構(gòu)調(diào)整為以重大問(wèn)題為主線，突出數(shù)據(jù)密集型科學(xué)研究新范式與地球研究的結(jié)合［26］。這將加快推動(dòng)自然地理研究向數(shù)據(jù)密集型范式轉(zhuǎn)變。

研究范式是研究方法和研究思維的集成，數(shù)據(jù)密集型研究范式是繼實(shí)驗(yàn)科學(xué)、理論科學(xué)、計(jì)算科學(xué)之后的第四范式，這種范式是以數(shù)據(jù)為中心來(lái)思考、設(shè)計(jì)和實(shí)施科學(xué)研究［24］，采集、存儲(chǔ)、管理、分析和可視化數(shù)據(jù)的能力成為科學(xué)研究必須適應(yīng)的新常態(tài)，它使研究由模型驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。自然地理學(xué)研究范式經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)科學(xué)、實(shí)證科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)3個(gè)成熟的范式，并向第四種范式轉(zhuǎn)變［7］。地理學(xué)第四種研究范式還處于探索階段，李雙成認(rèn)為它具有復(fù)雜性科學(xué)特征，主要表現(xiàn)為對(duì)還原論的超越，轉(zhuǎn)向整體、關(guān)聯(lián)的復(fù)雜性思維方式，而海量數(shù)據(jù)的累積和新技術(shù)新方法的應(yīng)用為地理研究提供了強(qiáng)有力的支持［27］。自然地理的數(shù)據(jù)密集型研究范式以研究對(duì)象的多尺度、復(fù)雜性和綜合性為邏輯基礎(chǔ)，以地學(xué)大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以模型為支撐，將模型應(yīng)用到數(shù)據(jù)的挖掘中，通過(guò)分析數(shù)據(jù)之間的橫向相關(guān)揭示地理事物之間的因果聯(lián)系。

3.2 大數(shù)據(jù)推動(dòng)自然地理研究實(shí)現(xiàn)新的綜合

地理學(xué)發(fā)展經(jīng)歷了綜合—分化—再綜合的過(guò)程［13］，目前處于再綜合階段。這種綜合是在分支學(xué)科深入發(fā)展之后的綜合，既有全球環(huán)境變化等現(xiàn)實(shí)需求的驅(qū)動(dòng)，也有學(xué)科自組織作用。系統(tǒng)科學(xué)的出現(xiàn)為這次地理學(xué)綜合提供了理論支撐和實(shí)踐路徑，典型表現(xiàn)是地球系統(tǒng)科學(xué)的提出，它將地球各圈層要素作為相互聯(lián)系的子系統(tǒng)進(jìn)行綜合考慮，提升了對(duì)復(fù)雜、系統(tǒng)的地理現(xiàn)象的理解能力［13］，這與綜合自然地理學(xué)宗旨相似。大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)將推動(dòng)自然地理研究達(dá)到新的綜合，包括研究?jī)?nèi)容、研究數(shù)據(jù)、研究手段、學(xué)科之間等多方面綜合。

大數(shù)據(jù)將推動(dòng)應(yīng)用性自然地理學(xué)的綜合。新的綜合源于現(xiàn)實(shí)的需求，如全球背景下的環(huán)境變化、自然災(zāi)害、水資源問(wèn)題等。大數(shù)據(jù)為這些復(fù)雜性問(wèn)題提供了解決方案，弱化基礎(chǔ)學(xué)科需要長(zhǎng)時(shí)間探尋因果關(guān)系，強(qiáng)化與問(wèn)題領(lǐng)域廣泛有關(guān)的相關(guān)分析。基于科學(xué)研究的新型應(yīng)用將致力于為實(shí)際決策提供信息，而不再是以獲取知識(shí)為目的的原始性發(fā)現(xiàn)和基本數(shù)據(jù)產(chǎn)出［17］。諸如不必等到理解降水演化模型之后才對(duì)城市水設(shè)施進(jìn)行改善；不用理解土地利用變化對(duì)環(huán)境的作用機(jī)制，通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)的相關(guān)分析，能夠了解為減輕氣候變化影響而將農(nóng)地大量改種玉米的行為會(huì)對(duì)緊缺的水資源造成極大壓力。大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的應(yīng)用學(xué)科的發(fā)展體現(xiàn)如下特征：基于社會(huì)需求驅(qū)動(dòng)而非科學(xué)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，基于決策制定的外部限制條件而非獲取最好知識(shí)的時(shí)機(jī)來(lái)確定行動(dòng)準(zhǔn)備，基于結(jié)果性而非回歸性（即使不完善但有用）、數(shù)據(jù)密集性等［17］。自然地理學(xué)是地理應(yīng)用學(xué)科的基礎(chǔ)，無(wú)論在解決全球尺度、區(qū)域尺度還是景觀尺度上的地理環(huán)境問(wèn)題中，都扮演著重要角色，但其發(fā)展依賴于數(shù)據(jù)的獲取和分析手段的發(fā)展，大數(shù)據(jù)作為涵蓋數(shù)據(jù)、技術(shù)、方法的體系，將極大推動(dòng)自然地理學(xué)應(yīng)用的發(fā)展，包括基于工程測(cè)量數(shù)據(jù)的建設(shè)地理學(xué)及地理設(shè)計(jì)科學(xué)等。

3.3 大數(shù)據(jù)將推動(dòng)自然地理研究隊(duì)伍的多元化

自然地理大數(shù)據(jù)研究不僅需要三維知識(shí)結(jié)構(gòu)的個(gè)人［28］，也會(huì)推動(dòng)多元結(jié)構(gòu)研究隊(duì)伍的形成，這包括專門(mén)化的基于平臺(tái)整合數(shù)據(jù)的人、基于模型進(jìn)行知識(shí)挖掘的人、將知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐提供政策的人、能夠從數(shù)據(jù)分析提煉地理規(guī)律的人。從研究的工作流程分析，自然地理大數(shù)據(jù)研究流程包括從數(shù)據(jù)到信息到知識(shí)到應(yīng)用的3個(gè)環(huán)節(jié)4個(gè)內(nèi)容：由數(shù)據(jù)到信息屬于數(shù)據(jù)處理階段，該階段主要是針對(duì)數(shù)據(jù)的各種處理分析并產(chǎn)生有用的信息，工作的主體人員應(yīng)該是地理信息及IT領(lǐng)域的；由信息到知識(shí)是自然地理研究人員主要工作著力點(diǎn)，要通過(guò)對(duì)已有地理知識(shí)的掌握來(lái)理解判斷新的信息蘊(yùn)含的價(jià)值，然后根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果分析—科學(xué)實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析—證偽假設(shè)—科學(xué)假設(shè)的過(guò)程進(jìn)行理論性研究；從知識(shí)到應(yīng)用階段是應(yīng)用地理人員主要工作環(huán)節(jié)，除需要較好地理解地理知識(shí)外，還需要掌握應(yīng)用領(lǐng)域知識(shí)，如測(cè)量、生態(tài)修復(fù)、景觀設(shè)計(jì)等工程性技能。當(dāng)然，不同階段的人員劃分并不是絕對(duì)的，需要基于目標(biāo)有全程性的控制，但就自然地理研究人員而言，其精力不應(yīng)平均在所有過(guò)程中，而是更多地用在將地理信息轉(zhuǎn)為地理知識(shí)上。這種工作流程將地理科學(xué)家從常規(guī)數(shù)據(jù)處理的繁瑣中解放出來(lái)，使其可以專注于科學(xué)發(fā)現(xiàn)［26］。

除基于工作流程的縱向維度需要多元化的專業(yè)人員外，在不同環(huán)節(jié)的橫向維度也需要多學(xué)科領(lǐng)域?qū)W者的參與。世界是統(tǒng)一的有機(jī)整體，事物之間具有普遍聯(lián)系，這是哲學(xué)上的認(rèn)識(shí)。大數(shù)據(jù)在某種程度上會(huì)使這種哲學(xué)認(rèn)識(shí)數(shù)量化。跨界的數(shù)據(jù)融合需要進(jìn)行多學(xué)科疊加研究，如地理、地質(zhì)、生物、環(huán)境、水文等，這種研究是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的。大數(shù)據(jù)的基本架構(gòu)是盡可能整合多種數(shù)據(jù)和集成多種知識(shí)挖掘方法，所以機(jī)器發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)具有跨學(xué)科性，而對(duì)關(guān)聯(lián)的理解和認(rèn)識(shí)就需要不同學(xué)科的學(xué)者共同進(jìn)行研究。自然地理大數(shù)據(jù)的跨界融合，決定了研究方法的跨學(xué)科性和研究人員的跨領(lǐng)域性。

大數(shù)據(jù)背景下的開(kāi)放科學(xué)趨勢(shì)會(huì)推動(dòng)自然地理研究的眾包模式形成。自然地理研究通過(guò)眾包的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、按模塊分發(fā)研究任務(wù)等。這樣形成了一個(gè)新的研究隊(duì)伍結(jié)構(gòu)，其組織相對(duì)松散，有線上線下、有行里行外、有團(tuán)體或個(gè)人，但其以眾人參與的方式，通過(guò)擇優(yōu)而用使研究性價(jià)比提高。如在應(yīng)急處理和減災(zāi)領(lǐng)域，已有 Ush-ahidi、In Relief、Sahana和Crisis Commons這些重要的減災(zāi)軟件，其運(yùn)轉(zhuǎn)都是基于自愿公開(kāi)的地理信息、開(kāi)放自由的軟件工具、云平臺(tái)以及專家和民間學(xué)者的合作［10］。大數(shù)據(jù)推動(dòng)下的自然地理研究需要一種新的組織結(jié)構(gòu)，它能夠整合自然科學(xué)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)科學(xué)，平衡科學(xué)與技術(shù)，關(guān)注系統(tǒng)思考，支持采用靈活和跨學(xué)科的方法來(lái)解決長(zhǎng)期問(wèn)題，將知識(shí)的創(chuàng)造與知識(shí)的使用有機(jī)結(jié)合，對(duì)個(gè)人與團(tuán)隊(duì)成就能有機(jī)協(xié)調(diào)［17］。

4 自然地理研究中大數(shù)據(jù)應(yīng)用的促進(jìn)措施

4.1 數(shù)據(jù)開(kāi)放共享

如果說(shuō)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)是大數(shù)據(jù)研究的顯著特征，那么數(shù)據(jù)共享和開(kāi)放則是大數(shù)據(jù)得以應(yīng)用的基礎(chǔ)。解決大數(shù)據(jù)問(wèn)題有三大力量，即公眾、社會(huì)和強(qiáng)大的地理方法，但一切都取決于開(kāi)放［10］。自然地理研究對(duì)象的時(shí)空跨尺度性和實(shí)際研究中采樣的區(qū)域性、時(shí)段性，決定了學(xué)科本身對(duì)數(shù)據(jù)共享的內(nèi)在要求。開(kāi)放數(shù)據(jù)的兩個(gè)合理標(biāo)準(zhǔn)包括易獲得性和可評(píng)估性［10］。已有多個(gè)國(guó)際項(xiàng)目在促進(jìn)信息交換和數(shù)據(jù)共享方面做出了示范，如《南極條約》中關(guān)于數(shù)據(jù)共享的條款、GEOSS十年行動(dòng)計(jì)劃、“百慕大原則”、“柏林宣言”及其他國(guó)際性數(shù)據(jù)共享獲取政策等［17］。政府間地球觀測(cè)組織GEO在全球地球綜合觀測(cè)系統(tǒng)GEOSS計(jì)劃中就若干數(shù)據(jù)共享戰(zhàn)略性政策達(dá)成一致意見(jiàn)［4］：所有框架內(nèi)的數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)和信息產(chǎn)品都應(yīng)在相關(guān)的國(guó)際法律和國(guó)家法律政策下進(jìn)行完全開(kāi)放的交換；所有共享都應(yīng)在最短的時(shí)間內(nèi)以最低的成本獲?。还膭?lì)將所有免費(fèi)或者不超過(guò)復(fù)制成本的共享數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)和信息產(chǎn)品用作研究和教育之用。

國(guó)家層面上，數(shù)據(jù)共享與開(kāi)放存在很多差異。與美國(guó)、歐洲等國(guó)家和地區(qū)不同，我國(guó)目前尚沒(méi)有國(guó)家層面的數(shù)據(jù)共享或開(kāi)放數(shù)據(jù)政策?？茖W(xué)技術(shù)部、中國(guó)科學(xué)院等部門(mén)通過(guò)工程項(xiàng)目的方式投資建立了以科學(xué)數(shù)據(jù)共享為重要內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫(kù)群和服務(wù)平臺(tái)，如中國(guó)科學(xué)院科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)（http：／／www.csdb.cn／）、國(guó)家生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)（http：／／cerndis1.cern.ac.cn／）等。但總體而言，由于缺乏國(guó)家層面的政策基礎(chǔ)，我國(guó)在公共資助產(chǎn)生的數(shù)據(jù)共享和獲取方面仍處于較低級(jí)水平，被納入有關(guān)工程項(xiàng)目中提供開(kāi)放共享的數(shù)據(jù)只是公共資助產(chǎn)生的數(shù)據(jù)中的一小部分，且這些數(shù)據(jù)的開(kāi)放不具有可持續(xù)性［24］?？茖W(xué)數(shù)據(jù)共享可使科研結(jié)果得到更廣泛的利用和傳播，數(shù)據(jù)共享機(jī)制可促進(jìn)新研究項(xiàng)目充分利用他人已有的研究成果，避免不必要的重復(fù)，使包括經(jīng)費(fèi)、人力、儀器設(shè)備在內(nèi)的科研資源得到有效利用。2003年孫樞院士闡述了地球科學(xué)中數(shù)據(jù)共享觀點(diǎn)，并呼吁我國(guó)迫切需要在保證國(guó)家安全和尊重知識(shí)產(chǎn)權(quán)條件下的“科學(xué)數(shù)據(jù)完全公開(kāi)”政策［8］。時(shí)至今日，當(dāng)大數(shù)據(jù)成為各國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略共識(shí)時(shí)，形勢(shì)的發(fā)展或許會(huì)倒逼數(shù)據(jù)開(kāi)放政策改革的加快進(jìn)行。

4.2 開(kāi)展大數(shù)據(jù)地理學(xué)研究

當(dāng)數(shù)據(jù)像空氣、水一樣廣泛存在并不斷被生產(chǎn)時(shí)，它已成人們沁入其中的一種生活環(huán)境，人們通過(guò)數(shù)據(jù)觀察世界、理解世界，并在其引導(dǎo)下做出決策，這些決策可能包括資源分配、空間規(guī)劃、應(yīng)急處置等，如此數(shù)據(jù)將影響到每個(gè)人的現(xiàn)實(shí)生活。但人們往往忽略了大數(shù)據(jù)也存在著空間分布的不均質(zhì)性，數(shù)據(jù)在哪產(chǎn)生、由誰(shuí)產(chǎn)生、如何傳播、怎樣使用等也像自然要素一樣具有空間異質(zhì)性。熱衷于典型區(qū)域的自然地理研究使生成的數(shù)據(jù)更具有區(qū)域性，如建成的黃土高原水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)、黑河水土氣生平衡庫(kù)、黑河陸面過(guò)程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)等，數(shù)據(jù)的區(qū)域性分布會(huì)加重研究的區(qū)域性聚集，并可能導(dǎo)致理論適用的區(qū)域性問(wèn)題。地理是大數(shù)據(jù)形成、傳播、作用過(guò)程的重要影響因素，大數(shù)據(jù)地理學(xué)要研究大數(shù)據(jù)的區(qū)域特征、時(shí)空分異規(guī)律以及對(duì)人類活動(dòng)的影響。區(qū)域間的經(jīng)濟(jì)、文化、信息化差異等均會(huì)影響大數(shù)據(jù)的生態(tài)環(huán)境，在分析大數(shù)據(jù)時(shí)要考慮大數(shù)據(jù)與其映射的真實(shí)世界的差異，并對(duì)在大數(shù)據(jù)時(shí)代可能被統(tǒng)計(jì)忽略的數(shù)字“貧民”和落后地區(qū)給予足夠的關(guān)注［29］。特別在我國(guó)區(qū)域間社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展極不均衡的情況下，更應(yīng)該開(kāi)展大數(shù)據(jù)地理學(xué)研究，探討大數(shù)據(jù)與地理的相關(guān)性，以便讓公眾更好地認(rèn)知大數(shù)據(jù)、決策者更好地駕馭大數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

大數(shù)據(jù)研究從頂層設(shè)計(jì)到底層實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)、技術(shù)是承載、分析是手段、應(yīng)用是目的［30］。就自然地理學(xué)的大數(shù)據(jù)研究而言，遙感、自動(dòng)感知技術(shù)和自發(fā)地理信息等為其提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，地理信息科學(xué)的發(fā)展和變革為其提供了技術(shù)支撐，地理學(xué)的綜合思維和多學(xué)科交叉的研究隊(duì)伍為其提供了智力保障，自然地理學(xué)在一定程度上具有了將大數(shù)據(jù)整合到學(xué)科體系中的基礎(chǔ)。同時(shí)，自然地理學(xué)的大數(shù)據(jù)研究還需要在理論梳理的基礎(chǔ)上，堅(jiān)持以科學(xué)問(wèn)題和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用為導(dǎo)向，加強(qiáng)實(shí)證研究，探索有效模式，逐步構(gòu)建一個(gè)成熟的研究體系。

［1］ CLIFFORD L.Big data：How do your data grow？［J］.Nature，2008，445（4）：28－29.

［2］ REICHMAN O，JONES M，SCHILDHAUER M.Challenges and opportunities of open data in ecology［J］.Science，2011，331（6018）：703－705.

［3］ GOODCHILD M F，GUO H D，ANNONI A，et al.Next-generation digital earth［J］.Proc.Natl.Acad.Sci.USA，2012，109：11088－11094.

［4］ 郭華東，王力哲，陳方，等.科學(xué)大數(shù)據(jù)與數(shù)字地球［J］.科學(xué)通報(bào)，2014，59（12）：1047－1053.

［5］ KITCHIN R.Big data and human geography：Opportunities，challenges and risks［J］.Dialogues in Human Geography，2013，3（3）：262－267.

［6］ 甄峰，秦蕭，王波.大數(shù)據(jù)時(shí)代的人文地理研究與應(yīng)用實(shí)踐［J］.人文地理，2014（3）：1－6.

［7］ 李雙成.自然地理學(xué)研究范式［M］.北京：科學(xué)出版社，2013.7－19.

［8］ 孫樞.地球數(shù)據(jù)是地球科學(xué)創(chuàng)新的重要源泉——從地球科學(xué)談科學(xué)數(shù)據(jù)共享［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2003，18（3）：334－337.

［9］ 孟小峰，慈祥.大數(shù)據(jù)管理：概念、技術(shù)與挑戰(zhàn)［J］.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2013（1）：146－169.

［10］ 隋殿志，葉信岳，甘甜.開(kāi)放式GIS在大數(shù)據(jù)時(shí)代的機(jī)遇與障礙［J］.地理科學(xué)進(jìn)展，2014，33（6）：727－737.

［11］ 宋維靜，劉鵬，王力哲，等.遙感大數(shù)據(jù)的智能處理：現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)［J］.工程研究，2014，3（6）：259－265.

［12］ 郭華東.大數(shù)據(jù)大科學(xué)大發(fā)現(xiàn)——大數(shù)據(jù)與科學(xué)發(fā)現(xiàn)國(guó)家研討會(huì)綜述［J］.中國(guó)科學(xué)院院刊，2014，29（4）：500－506.

［13］ 承繼成.地球科學(xué)方法探索［M］.北京：科學(xué)出版社，2014.392－403.

［14］ GOODCHILD M F.Citizens as voluntary sensors：spatial data infrastructure in the world of Web2.0［J］.International Journal of Spatial Data Infrastructures Research，2007（2）：24232.

［15］ 李德仁，錢(qián)新林.淺論自發(fā)地理信息的數(shù)據(jù)管理［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2010，35（4）：379－383.

［16］ 李小文.編制大數(shù)據(jù)時(shí)代的大地圖，遙感可先行［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2014，32（18）：1.

［17］ HEY T，TANSLEY S，TOLLE K.潘教峰，張曉琳，等（譯）.第四范式：數(shù)據(jù)密集型科學(xué)發(fā)現(xiàn)［M］.北京：科學(xué)出版社，2012.1－8.

［18］ 邁爾·舍恩伯，格肯尼思·庫(kù)克耶.盛楊燕，周濤（譯）.大數(shù)據(jù)時(shí)代：生活、工作與思維的大變革［M］.杭州：浙江人民出版社，2013.26－28.

［19］ 李國(guó)杰，程學(xué)旗.大數(shù)據(jù)研究：未來(lái)科技及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大戰(zhàn)略領(lǐng)域——大數(shù)據(jù)的研究現(xiàn)狀與科學(xué)思考［J］.中國(guó)科學(xué)院院刊，2012，27：647–657.

［20］ MILLER H J，GOODCHILD M F.Data-driven geography［J／OL］.http：／／link.springer.com／article／10.1007／s10708－014－9602－6／fulltext.html，2014.

［21］ 李清泉，李德仁.大數(shù)據(jù)GIS［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2014，39（6）：641－644.

［22］ 周成虎.全空間地理信息系統(tǒng)展望［J］.地理科學(xué)進(jìn)展，2015，34（2）：129－131.

［23］ 李德仁，張良培，夏桂松.遙感大數(shù)據(jù)自動(dòng)分析與數(shù)據(jù)挖掘［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，2014，43（12）：1211－1216.

［24］ CODATA中國(guó)全國(guó)委員會(huì).大數(shù)據(jù)時(shí)代的科研活動(dòng)［M］.北京：科學(xué)出版社，2014.204－205.

［25］ BRISTOL S，EULISS N H，NATHANIEL J L，et al.Science strategy for core science systems in the U.S.geological survey，2013－2023［EB／OL］.http：／／pubs.usgs.gov／of／2012／1093／1of2012－1093.pdf.2012－06－04／2014－01－08.

［26］ 楊宗喜，唐金榮，周平，等.大數(shù)據(jù)時(shí)代下美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的科學(xué)新觀［J］.地質(zhì)通報(bào)，2013，32（9）：1337－1343.

［27］ 李雙成.復(fù)雜性科學(xué)視角下的地理學(xué)研究范式轉(zhuǎn)型［J］.地理學(xué)報(bào)，2010，65（11）：1315－1324.

［28］ 美國(guó)國(guó)家科學(xué)院研究理事會(huì).劉毅，劉衛(wèi)東（譯）.理解正在變化的星球——地理科學(xué)的戰(zhàn)略方向［M］.北京：科學(xué)出版社，2011.145－148.

［29］ GRAHAM M，SHELTON T.Geography and the future of big data，big data and the future of geography［J］.Dialogues in Human Geography，2013：3（3）255－261.

［30］ 桑尼爾·索雷.匡斌（譯）.大數(shù)據(jù)治理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2014.3－4.