数字孪生流域: 未来流域治理管理的新基建新范式

数字孪生流域是数字孪生地球的重要组成部分, 厘清数字孪生流域理论定义和内涵是研究和建设数字孪生流域的前提和基础, 对流域智慧化治理管理具有重要意义。本文基于数字孪生理论技术, 开展了以下研究: ①给出了数字孪生流域的定义, 认为数字孪生流域是以服务流域全生命周期管理的全量数据和领域知识驱动物理流域和虚拟流域交互映射、共智进化、虚实融合的新基建新范式, 并辨析了与传统建模仿真的区别。②数字孪生流域内涵是通过"由实入虚"、"以虚映实"和"由虚控实"实现物理流域对象的全生命周期管控, 特征包括高度保真、演化自治、实时同步、闭环互动和共生进化。③数字孪生流域基本模型由物理流域、虚拟流域、实时连接交互、数字赋能服务、孪生流域数据和孪生流域知识组成, 其核心能力包括物理流域感知操控、全要素数字化表达、实景可视动态呈现、流域数据融合供给、流域知识融合供给、流域模拟仿真推演及孪生自主学习优化。④提出数字孪生流域要解决的关键科学问题和关键技术体系, 并从感知网、数据网、知识网、模型网及服务网展望了数字孪生流域发展方向, 阐述了数字孪生流域的赋能领域。本文旨在通过数字孪生流域理论新型研究范式为数字孪生流域技术应用落地提供理论指导, 对未来智慧流域研究和数字技术在流域治理管理中的应用提供有益的启发与借鉴。     

月球形成和演化的关键科学问题

我国正开展月球探测和科学研究,其成果将加深认识月球的组成、结构以及形成和演化,同时揭示地球的早期历史。通过对月球研究成果的总结,就月球形成和演化关键科学问题的现状作了较为详细的说明,从而为我国月球探测和科学研究提供有益的启示。主要的关键科学问题包括：地球一月球体系的大撞击成因、月球岩浆洋与月壳形成、39亿年大撞击事件、玄武岩浆喷发与月球内部结构和月球南极艾特肯（Aitken）撞击盆地的形成等。     

月球数字地质图的编制与研究

中国月球数字地质图的编制是利用嫦娥一号、嫦娥二号月球科学探测数据和其他已有月球地质资料与研究成果,通过对月球岩石成分、地质构造和形成时代等要素的研究,应用Arc GIS平台编制1∶250万月球地质图,并建立数字地质图空间数据库。本文通过对月球典型地区地质图的编制与研究,制定了月球数字地质图的编图方案、流程与图示图例,建立了Geodatabase空间数据库,为有效地对数字地质图进行更新与管理,开展月球地质综合研究、编制全月球地质图及未来开展其他天体的地质编图工作奠定了基础。通过地质图编制与大量月球资料的综合集成研究,对月球形成与构造演化进行了初步的探讨。     

月球佩塔维厄斯幅(LQ-21)数字地质填图与区域地质演化特征

佩塔维厄斯幅月球地质图(LQ-21)位于近月面与远月面交接位置,又处于月海和月陆的过渡区,周边邻近酒海、丰富海、史密斯海等大型撞击盆地,是月球数字地质填图工作中的一个典型区域。研究该地区的地质发育概况有助于了解月球的发展演化历史。本文利用中国探月工程所获得的“嫦娥一号”(CE-1)CCD影像数据、干涉成像光谱仪(IIM)数据、激光高度计(LAM)数据和“嫦娥二号”(CE-2)CCD影像数据以及其他已有的月球地质资料,应用ArcGIS平台,开展月表物质成分、构造要素、地质时代信息的研究和数字填图工作,编制了1: 2 500 000佩塔维厄斯幅(LQ-21)数字月球地质图,总结了该地区区域地质演化历史并建立地质图空间数据库。     

基于ArcGIS的月球虹湾地区数字地质图编制研究

虹湾幅月球数字地质图是中国首次编制的关于月球地质演化的地质图,应用的主要数据资料来源于"中国首次月球探测工程"嫦娥一号CCD影像数据、DEM数据,结合Clementine750nm影像数据,主要月坑的高分辨率图片,同时结合前人的研究成果,如主要矿物元素含量分布图、多波段反射率特征分布图等编制完成。所有的数据处理应用的是ArcMap平台,同时结合使用了MapGIS软件和Photoshop软件,数据模型采用Geodatabase地理数据模型。详细介绍了基于ArcGIS平台编制月球数字地质图的工作流程,编制方法及依据、编制规则及数据库的建立等,为今后开展月球数字地质图的编制积累了经验。     

月球的撞击历史及其对月表物质的改造

外来天体物质的高速撞击作用贯穿了月球形成和演化的全部历史。撞击作用是塑造月球全球地貌、改造月表物质的物理化学特征、影响月球多圈层演化的重要地质营力。月球上的撞击过程、撞击历史及其对月表物质的改造，一直是月球科学研究的重要内容，也是月球探测的重点研究对象。本文综述了近十年来国、内外在月球的撞击过程、撞击历史和撞击改造浅表层物质研究中的重要进展，重点介绍了基于我国嫦娥探月工程获取的科学数据的相关研究成果，展望了该研究的发展方向，并对未来探测的重要观测目标提出了建议。     

基于多尺度数字地形定量分析的月球线性构造自动提取研究

月球表面构造对于理解和重建月球地质构造演化具有重要意义,月岭、月溪等线性构造的形态及分布特征与月球内动力构造运动密切相关。极为有限的样品和难度极高的野外勘察使得遥感成为行星科学研究的最主要手段。中国、美国、日本、印度等国先后发射的多颗新型探月卫星获取了大量高质量数据,尤其是高分辨率的数字地形数据(DTM,Digital Terrain Model)。高分辨率的DTM为月球表面构造特征的自动提取带来了新的机遇与挑战。文中利用多种分辨率的DTM数据,基于多尺度数字地形定量分析方法,识别和提取月球表面的线性构造。使用的地形数据包括500 m分辨率“嫦娥一号”激光高度计数据,100 m分辨率LRO-WAC广角相机数据,60 m分辨率的LRO-LOLA激光测距仪数据以及分辨率高达5 m的LRO-NAC窄视角相机数据。文中使用地形曲率来识别月溪月岭等线性构造,并利用不同滑动窗口大小和阈值进行线性构造的自动提取。对研究区试验结果的定量分析表明,文中提出的基于地形曲率的月表线性构造自动提取方法是有效且可行的,其结果可为月球表面线性构造解译提供重要参考,提高构造解译时效性和精度。     

基于ArcGIS的月球数字地质填图:以月球北极地区为例

月球数字地质填图是以中国探月工程获得的"嫦娥一号"(CE-1)CCD3C影像数据、干涉成像光谱仪(IIM)数据、激光高度计(LAM)数据,"嫦娥二号"(CE-2)CCD3C影像数据以及其他已有的月球地质资料为基础,通过对月表物质成分、构造要素、地质时代信息的研究,基于ArcGIS平台与Geodatabase数据模型,编制月球地质图并建立空间数据库。文中以月球北极地区为例,制定月球地质填图的标准、流程、方法和图示图例,编制1∶250万月球北极地区地质图(YQ-1),建立空间数据库,为开展月球地质综合研究、编制全月球地质图及未来开展其他天体的地质编图工作奠定基础。     

多时相数字孪生滑坡变形监测方法与应用研究——以金沙江白格滑坡为例

高位隐蔽滑坡因为难到达、难识别、难监测,致使成灾表现具有极强的突发性和破坏性。针对传统人工地面调查和地面布设监测设备存在危险系数高、工作效率低、设备易损坏和离线误报率高等问题,提出基于无人机倾斜摄影测量技术构建高位隐蔽滑坡数字孪生体的方法,通过信息化、数字化手段对地质灾害变形特征及时空演化规律进行监测分析。以西藏金沙江白格滑坡为研究对象,利用无人机倾斜摄影测量技术获取2019年4月—2021年9月共计10期次航测数据,融合多源数据构建了多时相数字孪生滑坡体,通过多期孪生滑坡体实现对白格滑坡整体滑移、局部微变形、滑塌体积等多维要素的高精度定量分析,并及时应用于白格滑坡时空演化分析和监测预警中。研究表明：白格滑坡在2019—2021年监测期内存在持续变形迹象,强变形主要位于滑坡两侧及后缘,渐有扩大趋势,存在垮塌堵江风险。运用多时相数字孪生滑坡变形监测手段实现对地质灾害定性-定量化特征描述与风险评估,具有快速灵活、覆盖全面、不受复杂艰险地形条件限制等优势,可为高位隐蔽滑坡等斜坡灾害大梯度形变监测提供工程实践参考。     

基于数字孪生的智能钻探服务平台架构

针对地质钻进过程中钻遇对象未知且复杂多变、钻进事故频发的现状,采用数字孪生技术,构建了基于时序数据驱动的地质钻探数字孪生模型体系,用以满足随钻探测、工况识别、钻速优化等实际需求。将监测到的地表设备、随钻测量、钻进工艺等数据按照时间序列分解为事前数据、实时数据、延时数据和迟到数据,利用物联网技术将这些多源异构数据进行处理,采用时序数据进行特征分析,基于事前数据建立典型工况,实时数据进行随钻预测和钻进过程工况识别,延时数据和迟到数据演进融合进行钻后优化,建立了数字孪生智能钻进周期服务平台,平台设计了设备物理层、虚拟模型层、数据处理层及钻探服务层4层交互系统,实现钻前、钻中、钻后全数据的全过程集成融合,达到了钻进系统参数最优化配置和安全高效钻探的目的。基于上述平台,利用Unity3D软件开发了数字孪生智能钻进原型系统,实现了钻前设备的数字化设计、钻进过程孔内三维可视化和钻进过程参数实时监测与控制的功能。结果表明,基于时序数据构建的数字孪生模型可有效提高钻进过程的效率和可靠性。研究结果为智能钻探优化提供了全新的路径和方法,有望在煤炭、石油、天然气、页岩气等钻探领域实现工程应用。     

基于数字孪生理论的济南四维地质环境信息系统研发

将数字孪生理论应用到城市建设的地质工作中,并基于此打造一套四维地质环境信息系统。以济南泉域为例,根据已有的海量、多源、多比例尺、实时的城市地质数据,结合数字孪生理论,建立四维地质环境数据库和数字孪生模型,搭建地质环境实时监测网络,研发四维地质环境信息系统,从而实现城市地质数据挖掘分析,辅助政府在信息化、智慧化建设中的科学决策,推动创新技术支撑智慧城市建设。应用数字孪生理论,研发海量异构数据的全空间融合展示分析系统具有很好的发展前景。     

月球的构造演化：嫦娥月图解释的理论基础

基于月球研究资料的整理、综合及嫦娥1月图影像的实例解读和解释,本文介绍并总结了月球的构造及演化研究的若干概念、研究思路和新的观点。通过纲要性勾画,描绘月球不同类型和阶段构造演化的基本轮廓,重点论述了四个方面的问题：对月面建造历史和月球演化的历史进行了修正,将月球演化按照其特点三分为冥、古、新月宙／界,并提出建立南海纪／系的主张;以东海Hevelius抛射建造（／东海群）分析为例,主张建立构造一建造综合分析思路;从抛射建造与月面相互作用的角度,提出并阐述了掘积系统的概念、掘积系统内外带之间划分的新标志即蚀积盂及其所组成的捩侵蚀带（TSZ）;在月球表面形貌构造区划分析的基础上,通过对月盆、月海的时空分布规律的分析、综合,提出月球晚期大轰击（LHB）所造成的月盆开掘期间,具有“轰击漂移”现象,并推测月球LHB过程中出现准对跖翻转;通过对古老月陆区所保存的线性构造解读和构造形迹的组合关系分析,尝试性地提出在冥月宙月球岩浆洋（LMO）演化晚期可能存在单板模式的月全球构造。月球构造演化从初始阶段的LMO所驱动的内动力体制转向冲击造成的外动力体制。     

月球探测的进展与中国的月球探测

介绍了月球探测历程、第一次探月高潮中在月球的形状、大小、轨道参数、近月空间环境、月表结构与特征、月球的岩石类型与化学组成、月球的资源与能源、月球的内部结构与演化历史等方面所取得的成果。提出了中国开展月球探测的初步设想,认为近期中国的月球探测应以不载人月球探测为宗旨,分为“绕、落、回”三个发展阶段,即环月探测、月面软着陆器探测与月球车月面巡视勘察、月面软着陆与采样返回。     

Frontiers in lunar science based on bibliometric analysisSCIEI北大核心CSCD

月球是人类开展深空探测的首选目标,月球探测是世界各国科技竞争的制高点。开展月球科学前沿研判,对我国实施深空探测战略、规划行星科学研究路径,进而赢得未来竞争优势至关重要。基于Web of Science数据库,本文利用文献计量学方法,对月球科学领域论文产出数量、学科和期刊分布、主要国家和领先机构的竞争力、国际合作等进行了深度分析,并通过聚类分析获得当前研究热点,梳理出五大研究领域和七大前沿问题。过去20年,我国在月球科学研究取得了长足进步,但仍然存在优秀论文少、顶尖学者少、学术期刊少的问题。未来月球科学可能在三个方向上实现突破:月球的水仍将是国际月球探测和研究的重点;月球内部结构探测或是我国弯道超车的机遇;新的月球样品将进一步揭示月球形成和演化的奥秘。本研究结果可以为我国未来月球探测和研究的规划与组织提供参考。     

基于嫦娥数据澄海—静海幅地质图编研

月球地质图(The Geological Map of the Moon),又称月面地质图、月面地质分区图,表示月球表面不同时代、不同类型的物质分布特征的平面图。月球地图和地图集编制工作是月球探测和科学研究的最重要内容之一。通过充分剖析50年前最早月球地质图与近期完成的虹湾幅、哥白尼幅地质图,采用嫦娥一期、二期CCD数据,配合数字高程、IIM以及LRO数据,文中以澄海—静海幅为研究区域,完成以地质背景、构造类型、地层时代、物质单元、盆地建造、火山碎屑分布、玄武岩厚度为主体要素的中国第一幅澄海—静海幅月球地质图编制,并且系统制定月球地质编图整个系统工程的设计方案,结合国内数字地质编图的技术标准和规范,建立中国自己的月球与行星地质编图标准、规范和制图流程。相关编图经验可以推广到火星地质图和金星地质图奠定技术基础。     

1：20万区域水文地质空间数据库建设

从1999年开始，中国地质调查局根据国家发展战略和国民经济建设发展需求，按照国土资源大调查“数字国土工程”基础数、据库重点建设总体规划，在全国区域水文地质普查工作成果的基础上，以1／20万区域水文地质成果图件为基础，建立了全国最为基础并具有代表意义的水文地质成果空间数据库。[第一段]     

美国阿波罗月球样品的处理与保存

中国嫦娥工程三期将进行月球样品的采集与返回,这是继美国Apollo和前苏联Luna之后,国际上最新的月球样品返回计划。月球样品的存储与管理方法将成为中国探月工程中亟待解决的重要问题之一。特别是如何最大程度地保持月球样品的科学研究价值,避免或减少可能的样品污染等问题,不仅为工程部门所关心,也是月球科学家所极为关注的问题。文中主要回顾和总结了美国Apollo月球样品的处理与保存方法,包括月球样品实验室简况、月球样品初步处理方法、月球样品初步测试分析及相关实验简介和月球样品的保存方法等内容,以期为中国月球样品的返回和地面存储提供有益的借鉴。     

我国月球探测的总体科学目标与发展战略

在简述月球探测的历程与趋势的基础上,强调当代月球探测的总体目标为：①研究月球与地月系的起源和演化,特别是月球大气层与磁场的消失,矿物与岩石的分布和形成环境、月壤和内部层圈结构的形成以及月球演化的历程;②探测月球的资源、能源和特殊环境的开发利用及对人类社会长期可持续发展的支撑。我国不载人月球探测划分为绕、落、回三个阶段。为了全球性、整体性重新认识月球,绕月卫星探测的科学目标是为了获取全月面三维影像,探测14种有用元素的全球分布与丰度,探测月壤厚度并估算氦 3资源量以及太阳活动对空间环境的影响。"落"为月球探测器软着陆就位探测和月球车巡视探测,建立月基光学、低频射电和极紫外天文观测平台。"回"为月球探测器软着陆就位探测和取样返回地面。     

输水渠系水动力数字孪生模型糙率估计方法

为提高水动力数字孪生模型校正环节中糙率估计的实时性和精细化，考虑糙率值在渠道纵向上的空间变异性，提出基于水力半径变化和估计精度分段估计糙率的思路；基于渠道分段，提出独立估计法和联合估计法2种不同估计框架。基于有限的观测水位，在框架内应用集合卡尔曼滤波算法，在线估计各渠段的糙率值。结果表明：相比未分段时，2种估计方法可提高模型精度20%～50%,独立估计法误差累积小，适合复杂渠系；而联合估计法适用于观测量缺失的简单渠道。研究成果可服务于水动力数字孪生模型的参数估计和变量更新，为建设数字孪生水网提供参考。     

月面环境与月壤特性研究的主要问题探讨

月面环境与月壤特性是月球探测和月球科学研究的重要基础,对它们的研究一直在不断加深,本文对月球表面地形地貌、热环境以及月壤特性三个方面的研究现状进行了总结,初步分析了这三个方面研究目前存在的一些主要问题：（1）地形地貌对月球定量遥感的影响以及南极艾特肯（SPA）盆地等地貌单元的年代学划分和成因演化;（2）月面热辐射、月表物理温度和热流等月面热环境特征的进一步探测和全面分析,以及其对地球反照率变化的响应;（3）月壤形成演化过程及空间风化作用,月球极区氢富集机制和水冰探测,以及月球资源开发利用。