大數(shù)據(jù)助力地球系統(tǒng)科學(xué)步入數(shù)字孿生
發(fā)布時(shí)間：2023-05-26 16:27
作者：漢鑫科技辦公室
來(lái)源： 漢鑫科技
地球大數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)推動(dòng)著地球系統(tǒng)科學(xué)向數(shù)據(jù)密集型范式（Data-intensive paradigm）轉(zhuǎn)變，并為破譯和解析復(fù)雜的地球系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。如何從海量、多源、異構(gòu)、泛在的地球大數(shù)據(jù)中汲取所需的信息和知識(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)-信息-知識(shí)-決策鏈條的貫通，亟需更加行之有效的解決方案。
近日，中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所研究員李新、馮敏與專項(xiàng)首席、可持續(xù)發(fā)展大數(shù)據(jù)國(guó)際研究中心郭華東，聯(lián)合西北生態(tài)環(huán)境資源研究院研究員冉有華、博士蘇陽(yáng)、副研究員劉豐、研究員黃春林，武漢大學(xué)教授沈煥鋒，空天信息創(chuàng)新研究院研究員肖青，以及三極觀測(cè)與大數(shù)據(jù)研究團(tuán)隊(duì)博士蘇建賓和原世偉，在《自然綜述：地球與環(huán)境》（Nature Reviews Earth & Environment）上，以Big Data in Earth System Science and Progress Towards a Digital Twin為題，系統(tǒng)地總結(jié)了大數(shù)據(jù)在地球系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展和挑戰(zhàn)。該論文分析了遙感、原位觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)分析、社會(huì)感知、模擬和再分析四類地球大數(shù)據(jù)的特征，提出了能夠?qū)⒆匀?社會(huì)大數(shù)據(jù)納入地球系統(tǒng)模型的大數(shù)據(jù)同化方法框架，探討了通過(guò)深度學(xué)習(xí)、物理知會(huì)的機(jī)器學(xué)習(xí)、因果推斷、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)解決地球系統(tǒng)科學(xué)中高維數(shù)、復(fù)雜性和非線性難題的關(guān)鍵。以上大數(shù)據(jù)分析方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法在可預(yù)測(cè)性、可遷移性、可解釋性和決策支持方面的不足，為推動(dòng)智能化數(shù)字孿生地球（Digital Twin of Earth）建設(shè)提供了先進(jìn)的解決方案（圖1）。
圖1.地球大數(shù)據(jù)推動(dòng)數(shù)字孿生地球發(fā)展
論文提出，大數(shù)據(jù)同化（Big Data Assimilation）是融合地球大數(shù)據(jù)和地球系統(tǒng)模型的重要方法。大數(shù)據(jù)同化可以利用先進(jìn)計(jì)算資源，實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)同化方法的共生集成，完成超高分辨率地球系統(tǒng)模型和多源地球觀測(cè)（如遙感、臺(tái)站、社會(huì)感知等）的相互融合，實(shí)現(xiàn)地球系統(tǒng)在洲際乃至全球時(shí)空尺度和物理意義上的一致表達(dá)，進(jìn)而為數(shù)字孿生地球提供物理驅(qū)動(dòng)層（圖2）。
圖2.大數(shù)據(jù)同化方法與應(yīng)用
同時(shí)，文章從數(shù)據(jù)密集型地球系統(tǒng)科學(xué)的角度，分析了四種前沿大數(shù)據(jù)分析方法——深度學(xué)習(xí)、物理知會(huì)的機(jī)器學(xué)習(xí)、因果推理和深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的具體應(yīng)用場(chǎng)景和方案；文章提出：科學(xué)大數(shù)據(jù)分析方法將助力數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)新地學(xué)的發(fā)展，其中，深度學(xué)習(xí)在解決地球系統(tǒng)高維度、復(fù)雜的非線性問(wèn)題中表現(xiàn)出潛力；深度學(xué)習(xí)與物理知會(huì)的機(jī)器學(xué)習(xí)和因果推理相結(jié)合，可以增強(qiáng)在地球系統(tǒng)科學(xué)研究中的可遷移性、可解釋性和可預(yù)測(cè)性；深度學(xué)習(xí)與強(qiáng)化學(xué)習(xí)和多智能體建模相結(jié)合，則能夠?yàn)榻鉀Q復(fù)雜的決策問(wèn)題提供有效方法（圖3）。
圖3.機(jī)器學(xué)習(xí)方法助力數(shù)字孿生地球建設(shè)
論文提出，數(shù)字孿生地球的建設(shè)需要全面的包容性，需要深時(shí)、深地、深空的全面數(shù)據(jù)支撐。隨著地球步入“人類世”時(shí)代，數(shù)字孿生地球的實(shí)現(xiàn)需要自然系統(tǒng)“硬”數(shù)據(jù)與社會(huì)系統(tǒng)“軟”數(shù)據(jù)的無(wú)縫集成，從而捕捉自然系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)的復(fù)雜交互，而科學(xué)、開放、共享的大數(shù)據(jù)科學(xué)環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)則正是數(shù)字孿生地球的關(guān)鍵保障。實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生地球?qū)⑹且粋€(gè)漫長(zhǎng)而艱難的旅程，更加廣泛的跨學(xué)科合作和更加開放的科學(xué)環(huán)境將有助于克服這些挑戰(zhàn)，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)面向地球系統(tǒng)科學(xué)的人工智能工具（AI for Earth System Science）（圖4）
圖4.地球系統(tǒng)科學(xué)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
研究工作得到中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“地球大數(shù)據(jù)科學(xué)工程”項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。