大數(shù)據(jù)如何建設(shè)“數(shù)字孿生”地球？中國科學(xué)家提出先進(jìn)解決方案

機(jī)器學(xué)習(xí)方法助力“數(shù)字孿生”地球建設(shè)。　中科院青藏高原所 供圖

【資料圖】

中新網(wǎng)北京5月22日電 (記者 孫自法)在當(dāng)今的萬物互聯(lián)時代，地球大數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長。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，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)-信息-知識-決策鏈條的貫通，進(jìn)而推動建設(shè)“數(shù)字孿生”地球？這些問題的破解之道備受關(guān)注，也迫在眉睫。

中國科學(xué)院青藏高原研究所(中科院青藏高原所)22日發(fā)布消息說，在中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“地球大數(shù)據(jù)科學(xué)工程”支持下，中科院青藏高原所李新、馮敏研究員與該專項(xiàng)首席科學(xué)家、可持續(xù)發(fā)展大數(shù)據(jù)國際研究中心主任郭華東院士合作，并聯(lián)合中科院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院、武漢大學(xué)、中科院空天信息創(chuàng)新研究院、三極觀測與大數(shù)據(jù)研究團(tuán)隊(duì)等科研同行共同研究，系統(tǒng)總結(jié)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)，并提出助力建設(shè)“數(shù)字孿生”地球(Digital Twin of Earth)的先進(jìn)方案。

地球大數(shù)據(jù)推動“數(shù)字孿生”地球發(fā)展。　中科院青藏高原所 供圖

這項(xiàng)地球大數(shù)據(jù)和“數(shù)字孿生”領(lǐng)域重要研究成果論文，近日已在國際專業(yè)學(xué)術(shù)期刊《自然綜述：地球與環(huán)境》(Nature Reviews Earth& Environment)在線發(fā)表。

論文第一作者和共同通訊作者李新研究員介紹說，合作研究團(tuán)隊(duì)通過分析遙感、原位觀測和實(shí)驗(yàn)分析、社會感知、模擬和再分析等四類地球大數(shù)據(jù)特征，提出能夠?qū)⒆匀?社會大數(shù)據(jù)納入地球系統(tǒng)模型的大數(shù)據(jù)同化方法框架，并探討通過深度學(xué)習(xí)、物理知會的機(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。這些大數(shù)據(jù)分析方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法在可預(yù)測性、可遷移性、可解釋性和決策支持方面的不足，可為推動智能化“數(shù)字孿生”地球建設(shè)提供先進(jìn)的解決方案。

地球系統(tǒng)科學(xué)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。　中科院青藏高原所 供圖

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，大數(shù)據(jù)同化是融合地球大數(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(如遙感、臺站、社會感知等)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”地球提供驅(qū)動引擎。

與此同時，研究團(tuán)隊(duì)從數(shù)據(jù)密集型地球系統(tǒng)科學(xué)的角度，對深度學(xué)習(xí)、物理知會的機(jī)器學(xué)習(xí)、因果推理、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等四種前沿大數(shù)據(jù)分析方法的具體應(yīng)用場景和方案進(jìn)行深入研究指出，科學(xué)大數(shù)據(jù)分析方法將助力數(shù)據(jù)驅(qū)動新地學(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)雜的非線性問題中表現(xiàn)出前所未有的潛力；深度學(xué)習(xí)與物理知會的機(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)雜的決策問題提供有效方法。

大數(shù)據(jù)同化方法與應(yīng)用。　中科院青藏高原所 供圖

“‘?dāng)?shù)字孿生’地球的建設(shè)需要全面的包容性，需要深時、深地、深空的全面數(shù)據(jù)支撐。”該合作研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)指出，隨著地球步入“人類世”時代，“數(shù)字孿生”地球的實(shí)現(xiàn)需要自然系統(tǒng)“硬”數(shù)據(jù)與社會系統(tǒng)“軟”數(shù)據(jù)的無縫集成，從而捕捉自然系統(tǒng)和社會系統(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。他們表示，實(shí)現(xiàn)“數(shù)字孿生”地球?qū)⑹且粋€漫長而艱難的旅程，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)，推動實(shí)現(xiàn)面向地球系統(tǒng)科學(xué)的人工智能工具。

據(jù)了解，“數(shù)字孿生”即數(shù)字“雙胞胎”，也被稱為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像，它是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。“數(shù)字孿生”是個普遍適應(yīng)的理論技術(shù)體系，可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造、醫(yī)學(xué)分析、工程建設(shè)、智能制造等眾多領(lǐng)域應(yīng)用。(完)

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