地球大数据科学论丛 ||《数字地球科学平台》

数字地球，是地球系统科学与空间信息技术深度融合的产物，已成为国家科技战略布局中的重要制高点。它基于统一的三维空间参考框架，将地球作为一个有机整体进行动态呈现与研究，目标是揭示地球表层系统各要素的状态、分布、演化规律及其相互作用机制。经过二十余年的持续发展，数字地球已成为推动地球系统科学进步、支撑全球可持续发展的关键技术领域之一。

然而，当前数字地球的发展正面临核心挑战：海量数据体系的易用性、可靠性、可维护性与安全性仍存在多维瓶颈，现有技术难以充分支持科学数据的深度挖掘与跨领域融合应用。因此，构建一个以大数据平台为基础、具备深度挖掘与综合分析能力的数字地球科学平台，不仅是实现地球系统现状评估与未来趋势预测的关键技术支撑，更是推动科学发现、辅助政府决策、服务社会公众的战略必然。

自2000年起，范湘涛研究员团队便投身于数字地球技术系统研发，作为主要技术负责人研发了我国首个数字地球原型系统和国际上第一个数字地球科学平台。2018年，中国科学院启动A类战略性先导科技专项“地球大数据科学工程”（CASEarth），设立了“数字地球科学平台”项目。本书正是这一项目五年核心创新成果的系统总结，标志着我国数字地球研究进入系统化、平台化、规模化发展的新阶段。

▋核心亮点

✅ 完整呈现平台系统架构：系统阐释数字地球科学平台的整体框架与核心技术体系，涵盖基础平台、资源管理、网络化信息服务、可视化展示系统及科学信息产品生产系统等关键组成部分，为数字地球系统建设提供标准化参考。

✅数据驱动与模型集成的双轮驱动：深入介绍科学数据的自动化管理与全生命周期服务体系，以及科学模型的集成规范、快速集成与异构承载技术，实现从“数据发现”到“数据应用”的完整链路。

✅多领域应用示范全覆盖：围绕自然灾害监测预警（台风、洪水、地震、森林火灾）、可持续发展目标（SDGs）综合决策支持（海南省平台）以及沙漠蝗灾监测、湖泊水体透明度、全球CO₂浓度变化等专题应用，全面展示平台在资源、环境、生物、生态等领域的服务能力与社会价值。

全书架构全景透视

7大篇章 | 覆盖“概述—架构—平台—数据—可视化—生产—应用”全链条

第1章：数字地球系统概述

数字地球基本概念、技术体系（对地观测、GNSS、GIS、空间信息基础设施、三维可视化）、国内外数字地球系统发展历程、数字地球科学平台的提出与发展脉络。

️第2章：数字地球科学平台框架
平台系统架构与总体目标、核心技术（多源数据组织、时空大数据与云计算、AI、可视化）；科学信息产品生产体系；基础平台组件式与插件式架构；资源管理与服务框架；网络化信息服务架构。

第3章：基础平台与网络化信息服务
全球离散格网系统与数据组织模型；空间数据引擎、大数据计算引擎、可视化引擎；DESP Explorer客户端系统；统一认证、公众服务、科研服务；综合分析与决策支持系统。

第4章：科学数据驱动与服务
“云”上科学数据管理特点；科学数据混合集成、分级分类存储、价值评价与共享服务；科学模型开发集成规范、快速集成、异构承载与能力评价；数字地球资源管理系统。

️第5章：信息综合展示系统
大型球体展示系统、超宽球带幕（弧幕）系统、可穿戴沉浸式可视化系统；地球大数据原型系统；学科交叉协同融合平台、可持续发展大数据决策支持服务平台。

️第6章：科学信息产品生产
多源遥感影像自动几何归一化、云检测与云区修补；内陆水域、NDVI/LAI等中低分辨率产品；中高分辨率植被与水体产品；国产卫星米级分辨率地表要素与目标识别产品。

第7章：应用示范
自然灾害监测预警（台风、洪水、地震、森林火灾）；海南省SDGs综合决策支持平台；亚非沙漠蝗灾监测、湖泊透明度监测、全球农作物水分利用效率评估、全球CO₂浓度变化响应。

▋第一作者简介

范湘涛

1968 年生，长期从事遥感与数字地球、地球大数据、地理信息系统方向研究，深耕数字地球基础理论与关键技术攻关。先后荣获国家科技进步二等奖、测绘科学技术特等奖、北京市科学技术进步一等奖、军队科技进步二等奖等多项重要科研奖励。

他牵头创建国内首个数字地球原型系统，获 2010 年度国家科技进步二等奖；建成国际首个数字地球科学平台，成功支撑国庆 60 周年、抗战胜利 70 周年 9・3 阅兵、历年全国两会等重大活动可视化模拟应用，成果斩获 2016 年度国家科技进步二等奖。之后研发新一代数字地球基础平台专业版，建成 SDGs 大数据决策支持服务平台，服务国庆 70 周年等重大任务，先后获得 2023 年度测绘科学技术特等奖、2024 年北京市科学技术进步一等奖。他还搭建城市人居环境地球大数据集成平台，落地郴州示范区，接入郴州城市大脑等系统，在国际论坛正式发布推广，持续支撑当地国家可持续发展议程创新示范区建设。

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ISBN：978-7-03-086091-0

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第二次工业革命的爆发，导致以文字为载体的数据量约每 10 年翻一番；从工业化时代进入信息化时代，数据量每 3 年翻一番。近年来，新一轮信息技术革命与人类社会活动交汇融合，半结构化、非结构化数据大量涌现，数据的产生已不受时间和空间的限制，引发了数据爆炸式增长，数据类型繁多且复杂，已经超越了传统数据管理系统和处理模式的能力范围，人类正在开启大数据时代新航程。

当前，大数据已成为知识经济时代的战略高地，是国家和全球的新型战略资源。作为大数据重要组成部分的地球大数据，正成为地球科学一个新的领域前沿。地球大数据是基于对地观测数据又不唯对地观测数据的、具有空间属性的地球科学领域的大数据，主要产生于具有空间属性的大型科学实验装置、探测设备、传感器、社会经济观测及计算机模拟过程中，其一方面具有海量、多源、异构、多时相、多尺度、非平稳等大数据的一般性质，另一方面具有很强的时空关联和物理关联，具有数据生成方法和来源的可控性。

地球大数据科学是自然科学、社会科学和工程学交叉融合的产物，基于地球大数据分析来系统研究地球系统的关联和耦合，即综合应用大数据、人工智能和云计算，将地球作为一个整体进行观测和研究，理解地球自然系统与人类社会系统间复杂的交互作用和发展演进过程，可为实现联合国可持续发展目标(SDGs)做出重要贡献。

中国科学院充分认识到地球大数据的重要性，2018 年年初设立了 A 类战略性先导科技专项“地球大数据科学工程”(CASEarth)，系统开展地球大数据理论、技术与应用研究。CASEarth 旨在促进和加速从单纯的地球数据系统和数据共享到数字地球数据集成系统的转变，促进全球范围内的数据、知识和经验分享，为科学发现、决策支持、知识传播提供支撑，为全球跨领域、跨学科协作提供解决方案。

在资源日益短缺、环境不断恶化的背景下，人口、资源、环境和经济发展的矛盾凸显，可持续发展已经成为世界各国和联合国的共识。要实施可持续发展战略，保障人口、社会、资源、环境、经济的持续健康发展，可持续发展的能力建设至关重要。必须认识到这是一个地球空间、社会空间和知识空间的巨型复杂系统，亟须战略体系、新型机制、理论方法支撑来调查、分析、评估和决策。

一门独立的学科，必须能够开展深层次的、系统性的、能解决现实问题的探究，以及在此探究过程中形成系统的知识体系。地球大数据就是以数字化手段连接地球空间、社会空间和知识空间，构建一个数字化的信息框架，以复杂系统的思维方式，综合利用泛在感知、新一代空间信息基础设施技术、高性能计算、数据挖掘与人工智能、可视化与虚拟现实、数字孪生、区块链等技术方法，解决地球可持续发展问题。

“地球大数据科学论丛”是国内外首套系统总结地球大数据的专业论丛，将从理论研究、方法分析、技术探索以及应用实践等方面全面阐述地球大数据的研究进展。地球大数据科学是一门年轻的学科，其发展未有穷期。感谢广大读者和学者对本论丛的关注，欢迎大家对本论丛提出批评与建议，携手建设在地球科学、空间科学和信息科学基础上发展起来的前沿交叉学科——地球大数据科学。让大数据之光照亮世界，让地球科学服务于人类可持续发展。

——郭华东

中国科学院院士

地球大数据科学工程专项负责人

本文摘自《数字地球科学平台》（范湘涛等著. 北京：科学出版社，2026.6）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

（本文编辑：王佳婧）

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