我的科学憧憬之三：

问数字地球巨复杂网络，谁主沉浮？

按语：为了同参与博文大赛的广大网友和同行门交流思想看法，切磋学术，我将响应号召，陆续发表若干个人博文。根据参赛规则，我不参加最后评选活动。这里贵在参与，抛砖引玉，活跃气氛。因此，诚恳希望大家畅所欲言，提出各种评论和宝贵建议与意见。吾将感激不尽。

                        方锦清2010.2.28

当前，世界各国正面临着气候变化、节能减排、生态环境保护、粮食安全、疾病防治等需要共同解决的一系列重大问题，这些都对数字地球建设提出了更加紧迫的要求。数字地球将成为世界可持续发展领域开展全球合作的有效依托，成为经济建设和社会发展的新的增长点，成为人类文明进步的崭新载体。

所谓数字地球，是美国副总统戈尔于1998年1月在加利福尼亚科学中心开幕典礼上发表的题为“数字地球—新世纪人类星球之认识”演说时，提出的一个与GIS、网络、虚拟现实等高新技术密切相关的概念。戈尔将数字地球看成是“对地球的三维多分辨率表示、它能够放入大量的地理数据”。在接下来对数字地球的直观实例解释中可以发现，戈尔的数字地球学是关于整个地球、全方位的GIS与虚拟现实技术、网络技术相结合的产物。 显然，面对如此一个浩大的工程，任何一个政府组织、企业或学术机构，都是无法独立完成的，它需要成千上万的个人、公司、研究机构和政府组织的共同努力。数字地球要解决的技术问题，包括计算机科学、海量数据存贮、卫星遥感技术、互操作性、元数据等。可以预见，随着地球空间信息学的发展，而建立起的数字地球及其巨复杂网络，必将促进更好地保护人类赖依存在的唯一地球，作出更大的贡献，在未来和知识经济社会中产生巨大的经济效益和社会效益。

据悉，1999年我国发起了首届数字地球国际会议，通过了《“数字地球”《北京宣言》，并形成每两年举办一届数字地球国际会议的决议。据中国气象报社2009年9月9日报道：2009年09月09日在京召开了“第六届国际数字地球会议”。大会交流与讨论进一步加强数字地球理论、技术及应用的交流与合作，深化数字地球在支持全球变化和可持续发展方面的研究，使数字地球更好地服务于人类社会。

　　第六次会议的主题是“行动中的数字地球”。来自全球近40

个国家的专家学者再次聚首北京，共同回顾和探讨数字地球的前景及发展。

国际数字地球学会主席路甬祥指出：“在以信息和空间技术为支撑的全球知识经济时代的今天，在数字地球堪称未来信息资源主体核心的今天，面对地球环境、气候变化的挑战和可持续发展的需求，数字地球的发展任重道远。应在全球范围内全面加强合作，促进数据共享，缩小数字鸿沟，推进数字地球的纵深发展和建设。”地球观测组织联合主席、中国气象局局长郑国光在会上说，“经过国际社会的共同努力，数字地球在地理空间参照系统、地理信息系统、全球定位系统、虚拟现实、计算机技术、网络通信技术和遥感等多个学科领域均取得了长足的进步。不仅加强了对地监测能力、加深了对地球的认知程度，也使我们得以更好地模拟地球上的各种生物、化学和物理变化过程。当前，世界各国的气象学、空间科学、环境科学以及相关科研机构正以前所未有的合作精神来共同完成众多合作项目。所分发的各类数据、资料和信息的综合集成使其应用越来越广泛便利，数字高程模拟技术以及地理参照框架的发展进一步提升了全球信息数据库的可用性。……目前地球综合观测系统（GEOSS）正在修订10年计划至2015年的战略目标，以迎合社会进步与发展的需求，力求战略目标准确、可行。”

当前我国大气污染是严重的，如图1示出华北及渤海上空的烟尘和大气污染物。

      图1我国华北及渤海上空的烟尘和大气污染物。请看后面图

世界先进国家采用高科技观测地球和周围星球系统，如图2所示。

图2高科技观测地球和周围星球系统。请看后面图

 

地球数字与全球气候、节能减排、生态环境保护、粮食安全、疾病防治等一系列重大问题密切相关，已经成为研究今后世界可持续发展的前沿课题。　

从国际情况看，现在是整合我国地球观测系统的最好时机。全球变化和环境外交问题的出现，以及国际上地球观测技术的飞速发展，使得地球观测领域的国际合作与协调日益发展。为此，就加强世界地球观测问题已开过三次部长级高峰会，已正式成立全球地球观测组织（GEO），已起草了《全球综合地球观测系统未来十年规划》，正在建设全球地球观测系统（GEOSS）。在这种形势下，各国也在积极准备加强本国自己的地球观测系统。我国是GEO的成员国，并担任GEO的四个主席之一，建立中国综合地球观测系统不仅是中国加强地球观测的需要，也是中国对世界的贡献。

 据我所知，为了获得各方面的地球数据，中国综合地球观测系统明确了其指导思想、发展目标和总体部署。

指导思想是：中国综合地球观测系统的构建，是把国家、地方和各部门建设的地球观测系统集成起来，对我国的陆地、大气、海洋和空间环境实行全面、全天候、全天时的综合观测，根据国家重大需求，并在了解地球系统变化规律的大框架下，增强基本观测内容和能力、统一标准和规范，促进数据共享及应用，从而更好地推动国家、地方和各部门的观测工作，为各行业应用、为落实科学发展观、促进国家可持续发展等提供高效、优化、准确规范的数据和基础性服务。

主要原则：（1) 满足国家重大需求，充分发挥各部门、各省（市、区）的作用。（2) 明确观测内容和规范、协调观测布局，使现有各种观测系统发挥更大作用。（3) 对各种观测系统平台和观测站点进行集成，包括同一平台的各种观测系统物理集成、同一关键区各种观测系统多功能集成、各种观测系统操作的集成，观测方法和标准集成，满足应用要求的各种观测精度指标、确保各种观测的连续性，通过集成，形成统一、规范的我国业务观测网工程体系。（4) 建立有效的观测质量保证和质量控制，以及评价和反馈机制，加强各种观测数据的管理和共享服务，加强各类服务产品的开发，强调决策服务产品的研制。（5) 加强国内各种观测系统能力建设方面的合作，并着眼于全球，开展广泛的国际合作。

发展目标：集成各部门的地球观测系统和省（市、区）的观测工作，减少分散重复，优化总体结构，建成我国先进的天空地一体化的地球观测体系，在农业与粮食安全、国土资源安全、生态安全、灾害管理、城市发展与城镇化管理、基础测绘、重大工程和热点地区监测等诸多方面为国家、行业、地方和部门提供科学、客观、及时、准确、稳定、可靠和持续的地球观测数据和信息服务，带动、引领和提升各部门业务运行系统的技术发展和系统能力，促进经济社会的全面协调可持续发展。本规划并不涉及卫星、飞船、航空器、专用遥感器的制造，而是侧重面向应用的观测内容、规范、观测布局及初级产品等部署和协调。

总体部署：中国地球观测综合系统总体设计见图3所示.在现有基础上、加强十二个依托各部门的业务观测系统，实施七个跨部门集成观测计划、建立若干区域地球观测中心，强化对中国关键地域、重点地区的观测，形成一个优化的中国综合地球基本观测网络，获取准确、持续、可靠、规范的基本观测和初级产品，努力实现海量数据的标准化存储、安全性管理、高性能处理，为地球观测数据的交换、分发、共享和服务提供保障。为政府各部门、专家、公众所需的各种应用产品的开发，提供基础服务。

我个人对于数字地球的科学憧憬：源自2008年底参加北京地理学会的一个学术会议，获悉前所未闻的数字地球（人类家园）整体情况。我当时就在想：我国科学界怎么来构建数字地球巨复杂网络系统？这个巨网络系统实在是太错综复杂了。我觉得，从图3初步分析,数字地球问题具有以下构建复杂数字地球网络的主要特点和基本条件：一是一个非常庞大（巨）的复杂时空网络系统，已经积累了许多海量数据；二是巨复杂网络具有多层次的不同社区结构；三是各个社区网络（子系统，如，全球气候网络和生态环境网络等）之间存在各种各样的相互作用和影响，对于这样的动态时间空巨复杂有权网络各国已经有了相当研究基础。因此，从科学上这是非常值得研究的包含多学科多领域的重大合作课题，关键问题是怎么组织起来从网络科学的观点和方法来构造和统一研究这么一个数字地球巨复杂网络？如何探索数字地球网络的复杂性规律与应用？它与全球气候网络和生态环境网络等一系列问题有着多么复杂的关系！这样，是不是有利于加快和促进解决上述令人关心的重要问题？！

据我所知，国际上除了有全球大气网络和生态环境网络等少有研究报道外，似乎还没有报道统一研究整个数字地球巨复杂网络。因此，我在这里特别提出来，目的是请从事网络科学和地球科学等众多学科的工作者一起思考和推动，从网络科学的观点、角度和理论方法来构建和进一步研究“数字地球巨复杂网络”，进而探索数字地球网络的特殊特性及其与全球气候和生态环境保护等一系列重要问题的关联和对策？我希望：我国政府和有关部门能支持开展上述研究工作，我国可以带头来开展这个重大前沿课题的探索工作，组成多学科和多领域的科学家合作网，当然也需要大范围的国际合作研究，以便与世界人民一道，共同更好地探讨全球气候变化、温室效应、节能减排、生态环境保护、粮食安全和疾病防治等面临的空前挑战，更好地保护人类的最关心的地球家园，更快地更好地实现我国和全世界的长远可持续发展的奋斗目标！

图1我国华北及渤海上空的烟尘和大气污染物。

图2高科技观测地球和周围星球系统。

 

             图3 中国地球观测综合系统总体设计框架.

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