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从信息化、模式化到智能化——现代地球化学应用研究新范式

2020-08-19

  地质调查是一项获取信息、研究信息及运用信息提高人类认识、开发和保护自然资源与自然生态的科学领域。

  

  但是,长期以来地学领域所获取的论文论著、成果报告及图件图表等非结构化数据资料远未达到信息化的程度。

  

  地球化学作为直接产生结构化大数据且高度信息化的领域并没有提升到模式化的水平,更未达到智能化的境界。这就是包括地球化学在内的整个地质工作面临的主要问题,也是地学领域在大数据科学方面难以融入国家经济社会发展和现代科技进步的主要原因。

  

  为尽快实现地学领域大数据科学发展目标,中国地质调查局奚小环教授级高级工程师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了研究。

  

  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。

  

  一、大数据信息化

  

  大数据信息科学的前提是地球化学调查问题,信息化应该从获取信息的调查工作开始,而且首先从全国区域化探与多目标区域地球化学调查开始。


       我国区域化探与多目标区域地球化学调查覆盖规模之巨大、元素指标之丰富、方法技术之规范及样品测试质量之精确,不仅是地球化学大数据信息的主要来源,具备大数据时代的鲜明特征,更是整个地学大数据信息科学的基础,正在持续拉动资源环境诸多行业领域发展和引领应用科学研究。

  

  二、信息模式化

  

  模式化是地球化学大数据信息科学的理论基础与应用前提。信息模式化就是研究地球化学各类非线性数据信息时空维度上的关联性及其数学关系,依据成矿地球化学理论建立成矿地球化学模式,依据生态地球化学理论建立生态地球化学模式,深入规律性与机理性研究,建立精确定量评价技术与预测方法。

  

  三、模式智能化

  

  模式化是研究地球系统内在的客观规律,智能化是通过机器学习实现模式化运用的计算机系统。这是模式智能化的基本含义。

  

  地学领域智能化不同于工业制造领域。地球系统是具有内在线性规律的复杂非线性系统,地球化学理论通过研究地球系统大量非线性数据信息找出具有内在联系的多维度多元线性变量,建立成矿地球化学分带富集模式与生态地球化学循环累积效应模式,依据地球化学模式设计适合机器学习和运作的程序算法,应用计算机技术进行算法集成、软件编制、模块设计及构建智能空间系统。

  

  智能化就是运用计算机功能与智能技术按照人类思维方式依据地球化学模式对大量非线性数据信息进行识别、筛选及判断,促进地质地球化学调查评价与应用研究。

  

  大数据与地球系统科学构成地球化学从信息化、模式化走向智能化的两大支柱。一般而言,信息化更加重视技术方法的统一性和规范性,以建立质量精度真实可靠的大数据信息平台。模式化与智能化相关科技问题研究更加强调开拓创新精神,以激发地学工作者依靠大数据平台进行科学探索,产生更多新的理论研究与应用研究成果,形成更加积极向上的科技发展态势。

  

  研究最后指出,成矿系统与生态系统是地球系统既互相独立又相互作用的矛盾的两个方面,从原始社会形态逐渐演变为影响现代经济社会科学和可持续发展的重大问题。

  

  纵观人类发展历史,从最初的石器时代、铜器时代进入铁器时代,人类社会相应由游猎文明、农业文明进入工业文明时代,实质上就是人类通过认识成矿系统开发自然资源以适应生态系统且逐步占据主导地位的过程,直至突破生态系统的承载能力,改变生态系统的运行状态,降低生态系统自然恢复功能与自愈能力,导致地球系统及各层级各类型生态系统失衡,引发地球系统由局部问题、区域问题转变为全球问题。现实世界资源开发与环境保护的矛盾,反映的正是人类社会发展触发的成矿系统与生态系统之间的矛盾冲突。

  

  为此,必须针对资源开发与环境保护问题按照生态文明理念进行结构性调整,统筹山水林田湖草生命共同体,实行生态整体保护、系统修复和综合治理,使资源开发与环境保护建立新的发展模式和形成新的平衡机制。就国家管理体制机制而言,成矿系统与生态系统内在的相辅相成的关联性正是国家赋予自然资源部门管理职能的理论基础,也是自然资源部门行使自然资源规划利用和保护工作的法理依据。同样,也成为地质工作履行调查评价、监测监控、风险评估及治理修复等一系列职责的科学依据和行动指南。成矿地球化学与生态地球化学研究成矿系统和生态系统科学问题,就是力图在实际调查评价过程运用现代科学理论与应用技术实现自然资源科学开发、合理利用和整体保护,创造人类与地球和谐相处的生存环境。

  

  世界经济社会发展与资源环境问题处在全球化时代。一切资源环境问题必须放在全球资源配置与全球环境变化高度加以审视,深化以地球系统科学理论为指导的大数据信息运用。成矿地球化学注重全球成矿系统研究和远景评价,生态地球化学着眼全球生态系统研究和风险评估,都是从全球资源环境总体框架认识和评价具体的区域性与局部性问题,区域的局部的资源环境问题是地球系统的组成部分,因而也必须放在全球资源环境总体框架下加以解决。

  

  全球化时代使人类成为不可分离的命运共同体。全球变化、全球安全及至如今新冠病毒造成的全球疫情等一系列全球性问题都只能在全球治理框架下解决即是例证。地球化学具有数以亿万计高精度和时空定位的结构化大数据信息优势,逐步建立起成矿地球化学模式与生态地球化学模式,计算机技术方面大规模高速率云计算、共享互联网物联网等关键技术日益成熟运用及智能化前缘理论研究的不断突破等,预示实现地球化学大数据信息科学应用条件已经具备,可能从地球科学领域脱颖而出,率先实现从信息化、模式化向智能化方向发展,成为具有广博视野和不断进取的新兴科学研究范式。


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