技术方法的进步与地球科学的发展

地球科学作为自然科学的一大门类,其发展速度十分惊人。地球科学的迅速发展一方面反映了人类生产的发展对资源和环境方面愈来愈高的要求,一方面得益于科学技术的普遍发展为地球科学研究提供的越来越有利的条件。关于技术方法对地球科学研究的推动作用,人们早有认识,而现在更为深刻。当今对地球科学研究影响最大的关键技术,包括空间技术,深部探测技术,高新分析测试技术和数据综合分析技术,均来源于现代科学技术的最新发展。为了推动地球科学研究,不但要注意引进各种高新技术,还要注意将这些技术与地学研究相结合,发展和创造适合于地学研究的高新技术,并善于综合应用它们,使它们在地学研究中发挥最有效的作用。     

地球科学大数据的管理与共享：以英国地质调查局为例

大数据驱动的研究范式正在引起地学领域的革命,而海量大数据的有效管理和共享是数据高效利用的前提。英国地质调查局作为最早成立的国家地质调查局,拥有海量的地学数据资源,通过近年来对数字化工作的全面推进,在数据的开放共享方面走在了世界各国的最前沿。文章对英国地质调查局的数据资源管理和数据共享方式进行了分析调研,详细介绍了他们的一站式管理平台——开放地学的主体组成,以及他们与同行合作建设的数据库。开放地学全面汇总了地调局内的数据资源,并通过一系列数据共享将所有数据集有机链接,通过数据和模型的巧妙结合,在满足用户数据需求的同时,对数据的应用进行了全方位的拓展,是地球系统科学研究框架下地球科学数字化工作的良好典范。     

从第34届国际地质大会看地学信息技术发展趋势

当前世界进入基于大数据进行数据密集型科学研究的时代,协同操作的数据、信息、系统、空间基础设施对整个地球科学研究和应对巨大社会挑战至关重要.2012年8月在澳大利亚布里斯班召开的第34届国际地质大会,吸引了世界范围内的行业领军科学家交流讨论了地学信息领域取得的进展、成果和发展趋势.从本届地质大会来看,计算机技术、数据库技术、网络技术、虚拟技术等现代化的技术深入应用到了地学众多专业领域,地学信息产品服务成为了信息化时代各国为公众提供公益性服务的主流渠道,地学信息逐步突破孤立的专题、地区、国家的限制,跨专业、跨学科、跨国乃至跨大洲级别的数据共享将逐步达成共识.当前,全球的地学信息科学家都在朝着这同一方向努力,让地学知识能够快速、便捷、高效的为变化的地球服务.     

Gaia理论与地球系统科学

本文简要介绍了Gaia理论的提出背景、科学内涵,及其最初验证模型———雏菊世界。Gaia理论将地球与生物当作一个可以自我调节的整体,强调生物圈对全球环境的调节作用。在此基础上,文章着重分析Gaia理论在全球变化、地质事件、生物进化研究中的应用,指出在进行地球系统科学研究过程中,应以Gaia理论为指导,不能把生物仅仅作为环境的附属产品,而片面强调环境对生物进化的制约。同时也要认清生物在自身进化的同时,也积极地调节着全球环境,使之更有利于生物进化。生物圈是地球具有生命的直观体现,同时也是联系地球各圈层的关键环节。正确认识生物圈对于全球环境演化的调节作用,不仅帮助我们认识地球系统的全貌,更可以推动地学研究深入发展,对全面研究全球变化有积极意义。Gaia理论正处于发展期,理论需要进一步发展与完善,在实际应用中,应该对现有的学科进行更为广泛的综合。我国地学工作者应该抓住这一科学方向,为地球系统科学理论做出应有的贡献。     

地球科学数据共享与数据网络技术

网格思想起源于20世纪60年代，近十年来，基于计算机技术及其相关学科的迅猛发展，网格技术的研究进入了一个超速发展时期。相应的，地球信息科学也因计算机和遥感技术而产生了革命性的进展，每天获得的数以Tb,Pb的地学数据得不到有效利用的问题日益困扰广大地学工作者，将网格技术引入地学数据存储和共享系统将有助于解决这一难题。     

地球科学数据共享与数据网格技术

网格思想起源于2 0世纪60年代, 近十年来, 基于计算机技术及其相关学科的迅猛发展, 网格技术的研究进入了一个超速发展时期.相应地, 地球信息科学也因计算机和遥感技术而产生了革命性的进展, 每天获得的数以Tb、Pb的地学数据得不到有效利用的问题日益困扰广大地学工作者.将网格技术引入地学数据存储和共享系统将有助于解决这一难题.      

大数据科学从信息化、模式化到智能化:现代地球化学应用研究的新范式

地球科学领域处在信息科学与信息化社会时代,基于大数据战略驱动的现代地球科学正在蓬勃兴起。诞生于近代的地球化学具有天然的结构化信息科学属性。提出建立从信息化、模式化到智能化的地球化学大数据信息科学应用研究总体思路,即基于地球化学大数据首先建立信息化系统,运用地球系统科学方法理论建立成矿地球化学分带富集模式与生态地球化学累积效应模式,采用智能系统与智能技术按照模式化思维方式分析、判别和预测大量地质地球化学非线性现象,通过地球化学理论研究和应用评价解决影响国家经济社会发展重要资源环境问题。大数据与地球系统科学构成地球化学应用研究的两大支柱。本文针对目前存在的主要问题,从地球化学大数据信息化、信息模式化及模式智能化等方面进行论述。重要的是以地学模型为主体构建智能化系统,研究成矿系统与生态系统科学问题。世界经济社会发展与资源环境问题处在全球化时代,必须从全球资源配置与全球环境变化高度审视成矿地球化学和生态地球化学问题。地球化学结构化大数据属性的巨大优势,现代计算机关键技术日益成熟及智能化前缘理论研究的不断突破,预示实现地球化学大数据信息科学条件已经具备,可能从地球科学领域脱颖而出,成为具有广博视野和不断进取的新兴科学研究范式。     

锌同位素地球化学及应用研究进展

随着化学纯化技术的提高及质谱仪的开发与应用,锌同位素已成为近年来非传统稳定同位素地球化学的一个研究热点,人们对锌同位素地球化学的认识随着研究的深入有了极大提高。本文对锌同位素地球化学进行了全面的综述,追踪了锌同位素在地学领域最新的研究进展。目前,锌同位素已被广泛应用在天体化学、环境地球化学、古海洋、古环境重建以及深部碳循环等诸多地球科学及环境科学研究领域,展现出巨大的应用潜力。各领域的研究成果为推进锌同位素地球化学的发展做出了巨大贡献。     

关注地质分析文献，了解分析技术发展——地质分析综合性评述论文评介

现代地学已进入地球系统科学研究时代,它涉及到天、地、生的广阔研究领域,是一个综合性很强的学科[1]。地学理论的发展将越来越多地需要用高新技术所获取的高质量、海量观测和分析数据。海量地球化学数据就是其最重要的基础数据之一。地质体归根到底是由化学元素构成的,而且几乎包含了天然存在的所有元素。化学元素的组成、配比、迁移和演化都与一定的地质过程相关联。而要获取这些基础数据和信息,就需要现代地质分析技术的支持。因此当今越来越多的地学家关注着地质分析技术的发展。另一方面,现代地质分析技术已远不是过去的以化学法为主的…     

数学地球科学跨越发展的十年:大数据、人工智能算法正在改变地质学

近十年是科学研究从问题驱动向数据驱动转变的转折时期,科学研究的第四范武—数据密集型科学发现应势而生.这期间,大数据与人工智能算法的引入使数学地球科学实现跨越式发展,并正在改变地质学.机器学习是使计算机具有智能的根本途径.深度学习,即多层神经网络的方法,是一种实现机器学习的技术,是过去几年大数据与数学地球科学研究的最重要的热点.贝叶斯网络是贝叶斯公式和图论结合的产物,可用来建立矿床地质的成因网络,进而理解矿床成因.地质大图形问题可以转化为大型的复杂网络空间问题和社区结构问题,社区分析技术可用于地震预报、地质网络分析、特殊地质现象识别、矿床预测.关联规则和推荐系统算法在地质研究中已有成功的应用实例.化探数据及其异常经常包含复杂和非线性模式,深度学习在智能识别与提取复杂地质条件下地球化学异常具有优异的能力,卷积神经网络、堆叠自编码机等是较为常用和有效的方法.非线性矿产资源预测、基于GIS和三维地质建模的三维成矿预测及相应的软件系统得到持续改进.三维虚拟仿真建模技术的应用实现了多模态、跨尺度地学虚拟现实与多维交互,地质过程数值模拟等已有创新性进展.区块链技术以及OneGeology、玻璃地球、深时数字地球等大地质科学计划,将在整合全球地质大数据、共享全球地学知识、推动数学地球科学学科发展方面起到重大的推动作用.     

虚拟仿真技术在地质学中的应用

得益于计算机技术、人工智能技术、多媒体技术、传感器技术等的迅速发展,虚拟仿真在科学领域已经得到了广泛的应用并具有巨大的市场需求。在地质学中,国内外高校已经将虚拟仿真技术应用到教学中,使其打破了传统教学的时空限制。但目前虚拟仿真在该领域的应用还存在场景内容欠缺,交互感不足,细节展示不够等问题。为能够进一步拓展虚拟仿真技术在地质学中的应用思路,文章对虚拟仿真技术在多个科学学科中的应用情况进行研究,介绍了面向地学的综合型、国际化的沉浸式虚拟仿真实验室实例。综合型的地学虚拟仿真实验室的建立,将深度融合地学与虚拟仿真技术,为多学科交叉融合、国际化教学等未来的教学发展方向提供更有效的平台。     

虚实结合的地质工程实践教学方法改革探索——钻探虚拟仿真实验教学平台研究

拟仿真又称虚拟现实技术或模拟技术,就是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术,将其应用于钻探科研、教学、训练等,对于钻探行业来说,是一次创新尝试。研发的钻探虚拟仿真实验教学平台,融入了钻探专业教学积累和计算机虚拟仿真技术等多个学科,解决了以往高校钻掘工程专业学生生产实习的诸多困难。虚拟钻进仿真平台已陆续为多个相关专业提供虚拟仿真教学,受到了各专业学生的欢迎,收到了良好的教学效果。该平台还可应用于各单位钻探技术人员、操作人员等的操作训练,以及科研和技术服务工作。     

Talkoot: software tool to create collaboratories for earth science

“Open science,” where researchers share and publish every element of their research process in addition to the final results, can foster novel ways of collaboration among researchers and has the potential to spontaneously create new virtual research collaborations. Based on scientific interest, these new virtual research collaborations can cut across traditional boundaries such as institutions and organizations. Advances in technology allow for software tools that can be used by different research groups and institutions to build and support virtual collaborations and infuse open science. This paper describes Talkoot, a software toolkit designed and developed by the authors to provide Earth Science researchers a ready-to-use knowledge management environment and an online platform for collaboration. Talkoot allows Earth Science researchers a means to systematically gather, tag and share their data, analysis workflows and research notes. These Talkoot features are designed to foster rapid knowledge sharing within a virtual community. Talkoot can be utilized by small to medium sized groups and research centers, as well as large enterprises such a national laboratories and federal agencies.     

基于VR技术的多尺度地质数据3D沉浸式可视化与交互方法

随着科技的飞速发展,地质大数据正在呈爆炸式增长,地质大数据可视化与交互方法成为研究的新方向。如何通过可视化方法将巨大的、复杂的、潜逻辑的地质数据展现与交互是需要进一步探索的。本文提出基于VR技术的多尺度地质数据3D沉浸式可视化与交互方法,该方法既符合计算思维又符合地质专业理论。首先,从理论上提出多尺度地质数据可视化理论模型;其次,基于VR技术实现多尺度、多分辨率地质数据的可视化;最后,构建了3D沉浸式虚拟现实平台,采用实际数据验证方法的有效性。该方法适用于地质数据的可视化与交互,为科学的定量评价、分析和教学提供新思路,是未来的必然发展趋势。     

地貌形成与演变机理展教系统公众展示关键技术示范研究

专业科技博物馆的迅猛发展和公众对地学知识的渴求对地学类博物馆的展示技术提出了新的要求,本文通过分析我国地学博物馆的类型、公民基本科学素养水平现状以及地质地貌类科学知识的主要传播方式,结合地质地貌学科内容特点,借鉴科技馆/科技中心公众展示技术对地学博物馆的启示,探索研究"地貌形成与演变机理展教系统"中适用的公众展示关键技术,提出了一种多媒体与机电一体化相结合的核心展示技术——多媒体机械数字矩阵集成演示技术,并将其成功地应用于试制品研制。基于该核心展示技术的地貌形成与演变机理展教系统尊重用户体验,实现了虚拟模拟与实景、机械活动沙盘与数字多媒体相结合,内容易于拓展,成本可控,适宜在地学类博物馆及相关展厅中推广应用。     

应用信息技术提升古地理学研究水平

古地理学是研究地质历史时期自然地理特征的地质科学，其研究目标是海洋和陆地的变迁历史及其内部古地理单元的分布和特征。中国的古地理学研究是多来源的和多分支学科的，主要来源于地层学、大地构造学、古生物学、沉积岩石学、第四纪地质学等，相应地产生了多个古地理学分支学科。不同分支学科形成多种类型的古地理图，它们是古地理学研究成果的集中体现。现代计算机和信息技术的飞速发展为古地理学研究提供了一系列新的研究手段。多种多样的信息采集和管理方法可以建立不同时期的古地理学综合数据库；空间数据模型为组织多来源和多尺度的古地理信息提供框架；三维数据建模和虚拟现实技术为古地理环境重建营造了必要条件；互联网络技术的发展可使古地理学研究成果更好地为用户服务。古地理学研究与信息技术的融合不仅能使研究手段和水平得以提升，还能更好地为地质历史时期中沉积矿产勘查提供有效的技术支持。     

苏锡常地区地面沉降地质结构三维可视化模型虚拟现实系统研究

从苏锡常地区地面沉降研究实际需要出发,介绍了利用虚拟现实技术构建地面沉降地质结构三维可视化模型虚拟现实系统的设计思路、开发模式、实现方法和功能特点。该系统真实表达了研究区三维地层结构特征,逼真再现了地面沉降模型所预测的地下水流场、地面沉降发展变化过程,并虚拟表现出地面沉降可能造成的后果,为苏锡常地区地面沉降机理及预测研究提供了一个全新的三维可视化平台。     

虚拟现实技术在水文地质研究中的应用

虚拟现实技术是利用计算机生成的虚拟环境逼真地模拟人在自然环境中的视觉、听觉、运动等行为的人机界面的新技术。利用虚拟现实技术沉浸感、与计算机的交互功能和实时表现功能,建立相关的地质、水文地质模型和专业模型,进而实现对含水层结构、地下水流、地下水质和环境地质问题（例如地面沉降、海水入侵、土壤沙漠化、盐渍化、沼泽化及区域降落漏斗扩展趋势）的虚拟表达。具体实现步骤包括建立虚拟现实数据库、三维地质模型、地下水水流模型、专业模型和实时预测模型。     

国际地球科学与资源环境科学发展战略分析

介绍了国际主要地学机构（NASA、USGS、NOAA、NERC、BGS）、主要组织（ICSU、EU、OECD、UNESCO）、国际主要基金机构（NSF、ESF）21世纪初10～20年有关地球科学与资源环境科学的研究与发展战略的目标、研究计划、主要研究内容与优先研究领域。这些机构与组织的地学与资源环境科学发展战略，反映了国际上地球科学与资源环境科学的研究重点和发展趋势，对把握国际地球科学与资源环境科学发展方向、明确我国地球科学与资源环境科学的战略重点和优先领域具有重要的参考价值。同时，依据美国科学信息研究所（ISI）的基本科学指标数据库（ESI），分析了过去20年国际地学（geosciences）、环境／生态学（environment／ec ology）领域著名科学家的国别和机构分布状况，分析了国际地学、环境／生态学过去10年成果产出最多、论文被引频次最多、篇均被引频次最高的前10个研究机构，反映了过去10年国际地学、环境／生态学研究的影响力。最后，简要分析了国际地球科学与资源环境科学的优先研究领域与主要特点。     

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。