美、英国家研究计划揭示国际地球科学研究新动向＊

张树良

（中国科学院国家科学图书馆兰州分馆／中国科学院资源环境科学信息中心，兰州730000）

美、英国家研究计划揭示国际地球科学研究新动向＊

张树良

（中国科学院国家科学图书馆兰州分馆／中国科学院资源环境科学信息中心，兰州730000）

近日，在美国最新国家研究计划“大数据计划”框架下，包括美国国家科学基金会、美国地质调查局和美国国家航空航天局在内的美国政府主要机构同时推出新的研究项目，并对现有研究部署做出相应调整，此举将带动包括地球科学在内的各领域研究的新发展；与此同时，英国地质调查局也公布了其地球科学新领域的最新研究进展。通过解读这些最新的研究计划，可以揭示出国际地球科学研究的新动向。

国家研究计划；研究项目；地球科学；大数据计划；美国政府；英国地质调查局

1 新计划框架下的美国地学研究新部署

2012年3月29日，美国政府宣布全面启动“大数据研发计划”，该计划旨在通过提升从大规模复杂目标数字数据中发现和解读知识的能力，加速美国在自然科学与工程学领域知识发现的步伐，以强化美国国家安全，同时推动美国教育体系改革。

整个计划将由美国国家科学基金会（NSF）、美国国家卫生研究院（NIH）、美国能源部（DOE）、美国国防部（DOD）、美国国防高级研究计划署（DARPA）、美国地质调查局（USGS）等美国联邦政府6大职能机构联合开展，总投资超过2亿美元。该计划将使美国拥有从海量数字数据中获取和发现新知识的核心能力和关键技术。

1.1 美国地质调查局地学研究新计划

美国地质调查局同期最新公布的美国“大数据研发计划”框架下的8项新研究计划包括：

（1）认识和管理全球变化适应力

研究将瞄准生态适应性科学空白，开发生态适应性管理的可行框架。主要内容包括：①对目前分散的研究予以整合，克服复杂系统科学及有关系统非连续性研究方面的交流障碍，重新审视并考证有关非连续理论的关键质疑；②确定物种边界变化是否能够作为表征系统层面生态系统变化的核心指标，并指示单一系统内发生显著突变的位置，同时论证有关具有最高种群数量变率的物种的具体分布非随机性的假设；③开发新的生物多样性、种群规模与适应性之间的关系模型以揭示种群数量及其对应的系统功能响应。

（2）全球温带旱地生态系统气候变化及生态水文学研究

将土壤水模型与全球温带旱地生态系统日常气象数据整合，以揭示缺水生态体系水文系统未来的潜在变化。基于全球合作共同研究确定相关参数，进行模型验证和模拟结果解释。项目的预期结果将包括：对旱地生态系统的重要属性、不确定性及脆弱性的理解，以及对全球温带旱地生态系统当前及未来生态系统水平衡和水的可获取性的评估结果。

（3）汞循环及其生物体累积效应和北美西部风险研究：基于长期数据集的大规模综合研究

将基于数十年有关汞的数据记录，开展有关整个北美西部汞循环及生物体累积效应的跨国研究，以量化土地使用、居住地及气候因素对汞风险的影响。由于在该地区居民用地占到总陆地面积的60%以上，因而该研究对改进资源管理效率、降低汞影响至关重要。

（4）物种对环境变化的响应模拟：种群持久性、综合性大型贝叶斯模型开发

研究将拓展并整合现有的不同尺度及不同数据复杂程度的模型，建立统一模拟系统，评估在整个特定物种范围内种群对环境变化的响应。该综合模拟系统将具有更为灵活、功能更强大的分级贝叶斯模拟统计框架，它将整合多尺度数据，提供有关种群环境控制动力学的关键认识，并成为预测当前及未来环境变化效应的有效工具。

（5）通过流域溶解有机物的运移，重新审视全时空尺度水循环作用

计划将对河流流量同溶解有机物浓度与组成之间的基本关系重新进行系统评估。重点将集中于借助统计技术和计算机模拟手段对不同规模流域的成熟数据进行整合，并将溶解有机物的数量和质量数据纳入其中。数据整合规模将覆盖从季度／周临时样本数据到流域高流量期自动取样数据，直至光学传感器连续监测数据。研究旨在通过数据整合获得对整个时空尺度流域溶解有机物的全新认识，并进而改进对水生生态系统中有机物质动力学的理解。

（6）地震复发率及最大震级地震全球统计模型近期全球发生的一系列地震事件再次证明，即使是最好的地震监测网络也无法实现对有连续历史记录以来的最高级别地震的预测，这意味着人类预测地震的能力是有限的。计划的目标是重新评估发生在所有主要板块边界和板块内部环境的地震等级、发生频率和震级分布、以及最大震级，以改进地震预警模型，并使美国的灾害评估建立在更为强大的全球数据及其分析基础之上。

（7）新一代生态系统生物指示剂微生物过程在深入揭示生态功能控制机理方面的重要性已经激发了科学家对环境微生物学研究的关注。计划将利用现有描述微生物特性和生态系统功能的数据库着重开展对微生物过程的研究，这些微生物过程将有助于进一步认识生态系统功能及其在全球变化背景下的发展轨迹。研究的最终目标是发现能够指示生态系统功能的关键微生物特征物质，它将帮助科学家锁定未来生态系统监测和研究的重点。

（8）美国纤维毛沸石分布及其对人体健康的影响研究认识纤维毛沸石的地质赋存状态及其矿物学特性之间的关系对于土地使用规划、影响管理以及降低疾病风险十分关键，同时也将为未来有关土地利用、开发和公共健康等的调查研究和决策制定提供重要的指导。该计划将利用空间及统计技术评估发病数据同与石棉／纤维沸石有关的疾病、纤维沸石矿物赋存状态、地质地形、人类活动以及气候因素等之间的相互关系。此外，研究成果还将被用于其他相关研究以及目标地区未来的地球科学及公共健康研究。

1.2 美国国家科学基金会启动“地球立方体”计划

作为对整个“大数据研发计划”的响应，美国国家科学基金会也同时公布了该计划框架下的首批新的资助项目清单。其中地球科学领域正式启动“地球立方体”（EarthCube）项目，这也是美国国家科学基金会“面向21世纪的自然科学与工程学计算机基础设施框架”计划的重要组成部分。

“地球立方体”项目是一项具有突破性的研究计划，旨在支持以研究共同体为中心的计算机基础设施的开发，对整个地球科学领域的不同来源、不同获取方式、不同结构及不同格式的离散数据整合，“地球立方体”不仅将引发地球科学研究方式的变革，而且也将极大地促进地球科学知识的传播。

“地球立方体”项目提出的初衷是为寻求“以整体视角审视地球系统的创造并管理地球科学知识的综合框架”，其主要意图是：①加速知识的融汇过程；②制定一个面向空前复杂系统的可测度体系；③充分整合和利用新技术。项目的最终目的是以一种公开、透明和综合性的方式整合所有地球科学数据、信息、知识及实践来创建地球科学知识管理系统和基础设施，从而极大地提升研究及教育者的知识创造和传播能力。“地球立方体”将为人们全面认识地球而展现一种全新的动态获取、分享和利用所有类型数据的方式，它将通过连接不同层面的数据和信息管理（从获取数据和信息的资源层，到数据组织与管理层，再到最顶端的基于数据创造知识的交互层），实现整个知识体系的完整性、灵活性、综合性和易用性。数据和信息的交互性将成为“地球立方体”的基本特质，其核心是“以人为中心”，因而它将创造全新的知识学习与培训模式，由此将有效提升公众及决策者的知识水平，并同时增强其在创建可持续的地球系统的参与程度。

“地球立方体”的计划构建期为10年，其具体的构建步骤及时间表为：

第一步：在线学术共同体信息库建设（2011年8—11月）：明确需求，发展合作；

第二步：“地球立方体”专家研讨（2011年11月初）：挖掘和汇集最好的思想、技术和方法，服务于满足学术共同体的科学需求；

第三步：新一轮专家研讨（2011年11中旬—2012年4月）：确定以学术共同体为中心的设计和管理架构以及系统的创新方法；

第四步：成立次级研究组（2012年5月初）：以开发原型系统为目标，开展进一步的设计开发工作；

第五步：原型系统开发（2012年5月—2013年12月）：提升系统性能及其有效性，使之广泛适用于地球科学用户，并建立以学术共同体为中心的管理机制；

第六步：超越原型系统（2014年—2022年）：基于原型系统开发阶段的成果和突破优化系统构建技术手段。

此外，美国国家航空航天局（NASA）也将对其现有的地学研究计划和项目进行调整和重新部署，主要包括：地球科学数据与信息系统（ESDIS）计划、全球地球观测系统体系（GEOSS）计划、行星数据系统（PDS）项目以及地球系统网格联盟（ESGF）项目。

2 英国地质调查局最新研究进展

同期，英国地质调查局（BGS）公布了其两项地学新领域研究的重要进展。

2.1 三维地质学

英国地质调查局正在开展的三维地质学研究是基于复杂地质学技术，对地下地质构造进行三维模拟并动态可视化的过程。对地下构造的模拟可以深入揭示地质学同环境之间的关系。

三维地质图能够克服传统二维平面地质图只能展示地质单元及其位置的局限，全面直观揭示特征构造（如断层）的深度、厚度变化、倾斜地质单元以及地下的接触关系。三维地质模型不仅将实现地质学专业信息的易解读性，而且将促进新知识的创造。

基于三维地质学研究，英国地质调查局正在构建“英国国家地质模型（NGM）”，旨在为决策者制定未来规划提供更为明晰可靠的信息支持。“英国国家地质模型”项目的目标是建立一整套精确的、多尺度的英国全国岩石及沉积物地下分布的地质空间模型。预计最终建成的该模型将具有如下主要特征：

（1）特征地质单元地质空间精确呈现；

（2）自由尺度的构造模拟、存储和动态管理；

（3）陆地与海洋地质单元的无缝对接。

“英国国家地质模型”的构建将主要基于以下关键数据库：全尺度数字地图及北爱尔兰表层地质勘测图；地下、海域及勘测记录、地图以及等高线和等厚线图；现有的模型及地表数据；相关地球物理数据。此外，还包括专业分类及术语数据库。

该国家地质模型同时将包含英国全国垂直地层序列信息以及地质事件信息，模型建成后将首次实现对异源信息的综合一体化展示，从而形成一个统一整体的认识。

2.2 系统地质学

系统地质学是指将地质学视为一个相互作用的目标实体和过程所形成统一体系，其目标是在综合性全球知识体系的“电子科学家（e－scientists）”情景下实现对不同方面地质信息的协同。

英国地质调查局目前正在创建的研究体系重点考虑的是如何借助地质学计算机手段将不同地质信息按照统一的模型进行组织，该模型将固体地球呈现为一个完整的系统。

（1）系统的构成

不同来源信息将以由相互关联的、可修改的模块所组成的系统架构的形式被记录、存储和分析，由此而形成信息库，该信息库的构建基于地质学知识结构，同时模拟人脑的网络结构。

观测及分析信息以适宜的形式（如文本描述和解释、地质图和底层图表、工作流、运算规则、数据集、定量分析、模拟以及图片等）被记录在不同模块中，不同模块之间的关系、从属、来源及其历史也将同时被记录。

（2）系统的使用

所有相关信息均能从信息库中被选择并抽取，并且可以作为模块序列实现其之间的交流。各模块可以是静态或交互的，同时可以被连续或以适当的顺序予以展示。用户既可以随意按照自己的特定需要生成自己的序列或者调整展示形式，也可以通过中间环节获取预先定义的序列，并可以灵活地选择结果的呈现形式。

（3）系统构建目标

整个系统的最终构建目标是创建整合复杂交互信息的固体地球系统模型（sEsm）。该模型可能是多维地图的形式，它包含连续的空间坐标、时间及精度信息，以及目标本体、过程、文本描述和注释。

由于具有统一的系统架构，因而系统更容易实现对信息的记录、链接、更新、分析、发现以及追踪，由此所产生的优势包括：记录更完整、更全面、更连贯、所包含的信息量更大；形成更为强大的信息发现、分析及交流技术；在信息呈现和修改方面更为灵活。

本文在撰写过程中参考了文献[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。

（作者电子信箱，张树良：zhangsl＠llas.ac.cn）