数字黑河的思考与实践1:为流域科学服务的数字流域

多学科数据的收集和积累、多学科模型的集成以及现代化的观测系统是发展流域科学的必要前提。"数字黑河"是为黑河流域科学研究和流域集成管理而搭建的集数据、模型和观测系统于一体的信息化平台,是"数字地球"在流域尺度上的一次实践性尝试。数字黑河由数据平台、模型平台和数字化观测系统组成,其核心是观测、数据和模型平台中的信息基础设施建设,但同时也外延而扩展为以流域综合模型为骨架的各种应用。"数字黑河"已阶段性地完成了数据集成,在线数据量超过1 000 GB,并实现了完全共享,有力地支持了黑河流域的各项研究工作;在模型集成方面已初步建成了流域综合模型和空间决策支持系统。"数字黑河"的进一步构想是在e-Science的框架下将数据系统、观测系统、模型系统、信息发布系统、高性能计算及科学计算可视化集成为一个整体。     

数字黑河的思考与实践4:流域观测系统

数字化的流域观测系统是数字流域的重要组成部分.①首先介绍了水循环卫星遥感和地面观测的最新进展,以及航空遥感在流域观测中的重要作用.②介绍了对于流域观测系统的构想.认为流域观测系统应兼顾陆面过程、水文、生态观测的不同空间尺度和时间尺度,监测与控制试验并重,地面与遥感配合,重视采样设计,重视新兴观测手段,与信息系统扣模型高度集成,科学目标导向,模型需求驱动.③黑河流域观测系统由位于流域上中下游不同景观带的野外研究站、综合观测试验以及气象水文业务化观测网络组成,在流域内先后开展了HEIFE实验、金塔试验和黑河综合遥感联合试验.④介绍了对于流域观测系统的进一步构想:增强遥感观测能力是关键,集成遥感、地面观测和模型模拟才能更好地定量估计水循环,流域观测系统应和信息系统、综合模型等共同构成流域科学研究的信息基础设施,更好地为流域科学服务.     

数字黑河的思考与实践2:数据集成

数据集成是流域集成研究的核心环节,是发展、改进和验证模型的基础。介绍了"数字黑河"数据集成研究的进展:①定义了数据集成;提出数据库集成应具有数据的完整性、可获取性和有效管理3个基本特征;而模型数据集可根据流域集成模型对科学数据的需求,概化为驱动数据、参数集、验证和诊断数据三大类。②进一步丰富和完善了"数字黑河"信息系统;扩展了黑河数据库,较为系统地收集了黑河流域的基础地理数据、各类观测数据、科学试验数据和现有的模型数据集,在线数据量已扩充至1 000 GB,并且广泛共享。③介绍了模型数据集取得的进展及目前存在的问题;发展了制备高分辨率驱动数据的统计和动力降尺度方法;依靠数据融合方法制备了适用于模型的黑河流域土地覆盖图和土壤图。④指出了数据集成所面临的挑战和需要优先完成的迫切任务,核心是以发展流域集成模型为导向,进一步完善"数字黑河"信息系统,并且制备高分辨率和可靠的模型数据集。     

数字黑河的思考与实践3:模型集成

介绍了"数字黑河"模型集成研究的进展.①流域科学研究中的模型集成由发展流域集成模型和建模环境这2个主题所构成,前者可概括为"水-土-气-生-人"集成模型,后者是支持集成模型的高效开发的软件工具,注重于应用先进的信息技术为建模提供支撑.②将模型集成分为知识途径和技术途径,讨论了建模环境在模型集成中的作用,以及科学模型和流域管理模型的关系.③回顾了黑河流域模型集成的总体目标是发展两种类型的集成模型,其中第一种回应科学目标,是地球系统模型在流域尺度上的具体体现,以建成能够综合反映流域水文-生态-经济相互作用的模型为标志;第二种集成模型回应管理目标,以建成空间显式的流域水资源决策支持系统为目标.④对黑河流域已有的水文、地下水、水资源、陆面过程、土地利用、生态、社会经济与生态经济建模工作做了系统的综述.⑤分析了黑河流域集成模型研究中存在的问题和所面临的挑战.     

黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验总体设计

介绍了"黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验"的背景、科学目标、试验组成和试验方案。试验的总体目标是显著提升对流域生态和水文过程的观测能力,建立国际领先的流域观测系统,提高遥感在流域生态—水文集成研究和水资源管理中的应用能力。由基础试验、专题试验、应用试验、产品与方法研究和信息系统组成。其中,①基础试验:搭载微波辐射计、成像光谱仪、热像仪、激光雷达等航空遥感设备,开展一系列关键生态和水文参量的观测;发展遥感正向模型及反演和估算方法。形成覆盖全流域的水文气象综合观测网,为流域生态—水文模型研究提供更有代表性的模型参数、驱动数据及更高精度的验证数据。构建无线传感器网络,度量生态水文模型所需的若干关键的驱动、参数和模型状态的空间异质性。开展航空遥感定标和地基遥感试验。依托传感器网络,并辅之以地面同步和加密观测,开展遥感产品真实性检验。②专题试验:开展"非均匀下垫面多尺度地表蒸散发观测试验",采用密集的涡动相关仪、大孔径闪烁仪与自动气象站的观测矩阵,为揭示地表蒸散发的空间异质性,实现非均匀下垫面地表蒸散发的尺度扩展,发展和验证蒸散发模型提供基础数据。③应用试验:在流域上、中、下游分别开展针对积雪和冻土水文、灌溉水平衡和作物生长、生态耗水的综合观测试验,将观测数据和遥感产品用于上游分布式水文模型、中游地表水—地下水—农作物生长耦合模型、下游生态耗水模型,通过实证研究提升遥感在流域生态—水文集成研究和水资源管理中的应用能力。加强试验将在2012年5月起按中游、上游、下游的顺序展开,全流域持续观测期为2013—2015年。在各类试验的支持下,开展全流域生态—水文关键参量遥感产品生产,发展尺度转换方法,建立多源遥感数据同化系统。     

流域科学研究中的观测和模型系统建设

流域是地球系统的缩微,是自然界的基本单元。流域科学从基础研究角度可以被看作是地球系统科学研究方法在流域尺度上的具体体现;从流域综合管理的应用角度看,流域科学是在流域尺度上通过对自然资源和人类活动的优化配置而为可持续发展服务的应用科学。流域观测系统和模型系统的建设是发展流域科学的前提。提出了建立遥感—地面观测一体化的、覆盖流域能水和生物化学循环及社会经济活动的流域观测系统的设想,规划了系统各组成部分,以高效、高分辨率、高精度、多尺度、集成和现代化为流域观测系统的基本衡量准则。流域模型系统可概括为“水—土—气—生—人”集成模型的发展,[JP2]应该科学目标和流域管理目标并重,既要发展具有综合模拟能力的流域集成模型,也要建成流域水土资源和社会经济资源可持续利用决策支持系统。流域集成模型应由分布式水文模型、陆面过程模型、地下水模型、渠系模型、动态植被模型和社会经济模型构成。     

黑河流域遥感—地面观测同步试验：科学目标与试验方案

介绍了黑河流域遥感-地面观测同步试验的科学背景、科学问题、研究目标以及观测试验方案和观测系统布置.总体目标是,开展航空-卫星遥感与地面观测同步试验,为发展流域科学积累基础数据;发展能够融合多源遥感观测的流域尺度陆面数据同化系统,为实现卫星遥感对流域的动态监测提供方法和范例.以具备鲜明的高寒与干旱区伴生为主要特征的黑河流域为试验区,以水循环为主要研究对象,利用航空遥感、卫星遥感、地面雷达、水文气象观测、通量观测、生态监测等相关设备,开展航空、卫星和地面配合的大型观测试验,精细观测干旱区内陆河流域高山冰雪和冻土带、山区水源涵养林带、中游人工绿洲及天然荒漠绿洲带的水循环和生态过程的各个分量;并且以航空遥感为桥梁,通过高精度的真实性验证,发展尺度转换方法,改善从卫星遥感资料反演和间接估计水循环各分量及与之密切联系的生态和其他地表过程分量的模型和算法.由寒区水文试验、森林水文试验和干旱区水文试验,以及一个集成研究--模拟平台和数据平台建设组成.拟观测的变量划分为5大类,分别是水文与生态变量、驱动数据、植被参数、土壤参数和空气动力参数.同步试验在流域尺度、重点试验区、加密观测区和观测小区4个尺度上展开.布置了加密的地面同步观测、通量和气象水文观测、降雨、径流及其他水文要素观测网络;使用了5类机载遥感传感器,分别是微波辐射计、激光雷达、高光谱成像仪、热红外成像仪和多光谱CCD相机;获取了丰富的可见光/近红外、热红外、主被动微波、激光雷达等卫星数据.     

黑河流域生态—水文观测试验与水—生态集成管理研究

对黑河流域水—生态—经济系统研究的主要内容“流域生态—水文观测试验与流域水—生态集成管理”做了概要论述。认为流域水循环、生态水、集成水管理三大科学问题的解决必需加强该领域的研究;结合黑河流域的前期基础、研究现状和能力建设,提出了近期研究的4个领域：流域水循环、水平衡与可利用水资源;流域生态—水文过程与生态环境用水;人类活动驱动的流域水—生态系统演变;流域生态—水文野外平台与流域集成环境。对此进行了进一步的阐述,对该方面研究的方法论和技术难点亦做了简述。     

基于文献计量学的黑河流域研究进展分析

水资源是生态环境与社会经济发展之间的焦点和枢纽,流域是水文水资源研究的基本单元,在流域尺度上开展综合集成的水文水资源研究是当前水科学研究的热点。我国西北地区的黑河流域是国内第二大内陆河流域,由于其独特的水文与地理特性成为流域科学研究的重点流域之一。基于Web of Science核心合集数据库,从学科发展与问题聚焦相结合、时间演化与空间变化相结合的全新视角评价我国黑河流域研究取得的科学进展,并与世界其他流域科学研究进行对比分析。结果显示,黑河流域研究在遥感、蒸散发、水循环、干旱区水资源管理与利用、气候变化等方面的研究为流域科学相关研究做出了积极贡献。近30年来,特别是国家自然科学基金重大研究计划"黑河流域生态—水文过程集成研究"的实施和黑河生态水文遥感等大型野外观测试验的开展大力推进了黑河流域科学研究,黑河流域研究论文的数量在世界流域科学研究中的排名已经进入前20位。基于文献计量的数据挖掘和对比研究可以为流域科学研究提供借鉴。     

干旱区内陆河流域生态水文综合集成研究

针对干旱区内陆河流域生态环境问题,面对国家重大需求及地球系统科学发展方向,指出内陆河流域生态水文综合集成研究的必要性,旨在为精细管理水资源,提高单方水产出效益（经济效益和生态效益）提供思路。以黑河流域为例,追踪流域研究历程,目前从野外调查试验观测,模型模拟到研究平台建设,黑河流域的数据知识的积累已基本具备开展流域生态水文综合集成的条件,但仍然存在着巨大的挑战。根据存在的问题,提出未来进行集成研究应加强的3个方面：①加强综合观测;②强调人文因素的定量研究和人文过程的研究;③重视模型、模拟方法在描述和反演地理真实中的应用。     

面向水文数据共享的水文核心元数据模型研究及应用

研究了目前水文及相关元数据的研究和发展情况,分析了水文数据及元数据的特点,在此基础上研究设计了符合水文数据共享需求,同时具有简洁、适用性强的水文核心元数据模型。提出的水文核心元数据模型在水文水资源科学数据共享中得到了应用,并取得了较好的应用效果。     

古生物学数据库现状与数据驱动下的科学研究

化石数据是了解地球历史以及深时生命演化的重要信息来源。通过数百年的积累,古生物学家已经发表了海量的古生物学数据。过去三、四十年里,随着计算机、数据库和互联网技术的快速发展,国内外涌现出大量的古生物学数据库,彼此间的目标、体系架构、数据组织方式和服务对象通常存在显著差异,呈现百花齐放的特点。文章系统介绍了古生物学领域主要数据库的发展历史、数据表结构、数据特征和数据量等建设情况,对比分析了其数据整理方式、核心在线功能、数据共享特点和数据质量控制措施。同时,结合近年来数据驱动下的古生物学领域的科学研究实例,提出一站式全生态链数据平台的建设设想,为深时数字地球（DDE）建设多学科融合、数据开放与共享的大数据平台提供参考。     

新版数字黑河信息系统的设计与实现

随着黑河流域时空数据的快速增长,已有的黑河信息系统在共享效率、数据分析及平台架构等方面存在缺陷,已无法满足现实的需要。本研究针对目前平台的缺陷重新设计新版数字黑河信息系统（NDHRIS）的整体框架,从观测、数据及模型三个角度实现新版数字黑河信息系统的新功能。首先从基础设施、服务及应用三个层面介绍系统整体设计,其次详细阐述系统实现的关键技术及功能改进,最后,讨论了该系统仍然存在的问题及未来发展方向。目前该系统已业务化运行,数据量超过5 T,共1 058条元数据,向大约100个研究所和50个项目提供了大约8 TB数据集和5 000个数据服务,有效提升了黑河流域科学数据的共享效率,支撑全球寒区监测计划的实施。     

防震减灾空间信息资源改造方案设计

本文简要介绍“数字福建”项目中防震减灾空间信息资源改造的设计方案     

地质图数据库现状与地质制图发展趋势

地质图是地质信息最重要的载体之一,凝聚了人们对地质理论的研究成果和对地质过程的理解。随着大数据时代的到来,地质制图的指导理论和方法手段发生了翻天覆地的变化,全球的科学家运用新方法新技术建立了OneGeology、OpenGeoscience、NGMDB、地质云等一系列地质图相关的优秀数据库,这些数据库的有效运行为全球的地质工作者提供了海量的地学数据和便捷的信息服务。此次研究重点调研了国内外已有的地质图相关数据库及运行情况,为Deep-Time Digital Earth(DDE)计划整合全球地质图相关数据库、建设相关数据平台提供经验和基础;同时,回顾了地质制图的发展历史,介绍了与地质制图相关的技术手段和常用软件;最后,为了满足大数据时代经济社会对地质图信息资料服务的需求,结合DDE相关任务,对深化国际合作编图、创新计算机智能地质制图及网络共享服务等核心技术提出了新的展望。     

系统矿物学数据特征分析及数据库建设

在大数据及信息共享时代,迫切需要构建系统矿物学数据库,为地学及相关领域的科技创新、人才培养及公众提供共享服务。本文通过系统矿物学理论和国家级数据库建设实践经验,提出了系统矿物学数据中矿物种的分级、分类、编码和矿物名称、化学成分、晶体形态、晶体结构、物理性质、化学性质以及矿物的成因和产状等基本数据项的构建方法和规范;设计了用于建立数据库的数据字典、数据类型和功能模块;介绍了系统矿物学数据库发布的软硬件环境以及整体技术架构,并在国家科技基础条件平台应用实践;最后探讨了矿物学数据挖掘和维基理念与技术在矿物学大数据库建设中的应用。     

数字高程模型在流域水文模型应用中的若干问题

数字高程模型(DEM)在流域水文模型中得到了广泛应用,主要是因为DEM能够自动提取流域水文模型所需要的确定流域排水结构的水文信息。回顾并讨论了DEM在流域水文模型应用中的几个问题,主要包括河网自动提取的方法、DEM中排水方向的确定以及封闭洼地的处理,同时还包括在流域水文模型中应用时DEM的结构类型及尺度问题。由于由DEM生成的模拟河网与流域实际河网间存在一定的差别,最后还讨论了如何对模拟河网进行矫正的问题。