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《地球大数据科学工程数据共享蓝皮书（2022）》系统总结了中国科学院前瞻战略性先导科技专项（A类）“地球大数据科学工程”的数据资源、数据技术平台建设和应用服务成效。数据平台系统以超融合云服务平台为基础的服务框架，为全球及区域可持续发展目标实现提供科学数据支撑，有效促进了地球科学多源数据交叉融合与知识发现。《地球大数据科学工程数据共享蓝皮书（2022）》共8章，主要内容包括：绪论，地球大数据建设与服务总体框架，可持续发展数据产品，地球大数据共享服务平台，地球大数据专题应用系统，地球大数据驱动科学发现和典型应用，地球大数据共享国际评价，以及展望。
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目录前言第一章 绪论 11.1 地球大数据专项概况 21.1.1 总体思路框架 21.1.2 任务设置 31.1.3 建设目标 41.2 地球大数据专项研究成果 41.2.1 地球大数据平台系统 51.2.2 可持续发展目标大数据评估方法与应用 71.2.3 CASEarth科学发现新范式 121.2.4 SDGSAT-1卫星研制和全球应用 15参考文献 16第二章 地球大数据建设与服务总体框架 192.1 地球大数据共享政策与标准 202.1.1 地球大数据数据共享目标 202.1.2 地球大数据共享政策 212.2 地球大数据组织与分类 252.2.1 数据分类管理需求及现状 252.2.2 地球大数据分类体系设计 322.3 地球大数据全生命周期治理 432.3.1 数据生命周期管理 432.3.2 地球大数据全生命周期治理框架 442.3.3 地球大数据共享服务范式 45参考文献 48第三章 可持续发展数据产品 513.1 地球大数据科学工程数据资源 523.1.1 国际陆地观测数据资源 523.1.2 地面监测数据 523.1.3 “一带一路”区域数据产品 643.1.4 建设“美丽中国”数据产品 683.1.5 生物多样性与生态安全数据产品 793.1.6 海洋环境数据产品 853.1.7 时空三极数据产品 893.1.8 全球及重点区域基础信息数据产品 993.2 全球可持续发展公共数据产品 1033.2.1 2020年全球30m分辨率森林覆盖空间分布产品 1033.2.2 2020年全球30m分辨率耕地空间分布产品 1053.2.3 2020年全球30m分辨率耕地种植强度空间分布产品 1073.2.4 2020年全球30m分辨率火烧迹地空间分布产品 1103.2.5 2000～2020年全球30m分辨率不透水面空间分布产品 1123.2.6 2000～2020年全球30m分辨率红树林空间分布产品 1143.2.7 2000～2020年全球30万人以上人口城市主建成区空间分布产品 1173.3 可持续发展科学卫星1号数据 1203.3.1 卫星数据共享 1203.3.2 开放科学计划 122参考文献 123第四章 地球大数据共享服务平台 1294.1 地球大数据云平台 1304.1.1 地球大数据平台云服务门户系统 1304.1.2 SDG大数据平台系统 1324.2 地球大数据标签管理 1364.2.1 地球大数据标签技术研发 1364.2.2 地球大数据分类标签应用 1494.3 数据共享服务系统 1544.3.1 系统平台 1544.3.2 数据服务成效 1574.3.3 数据安全 1594.4 DataBank系统 1654.4.1 数据引擎 1654.4.2 计算引擎 1664.4.3 可视化引擎 169参考文献 171第五章 地球大数据专题应用系统 1735.1 数字地球科学平台系统 1745.1.1 数字地球科学信息产品生产 1745.1.2 数据与专题产品快速集成与服务 1745.1.3 基于数字地球的数据产品在线预览 1765.2 BioONE数据平台 1785.2.1 平台简介 1785.2.2 特色工具 1805.2.3 专题数据资源 1825.2.4 应用服务成效 1835.3 海洋数据平台 1855.3.1 平台简介 1855.3.2 特色工具 1875.3.3 专题数据资源 1905.3.4 应用服务成效 1905.4 三极数据平台 1915.4.1 平台简介 1915.4.2 特色工具 1915.4.3 专题数据资源 1925.4.4 应用服务成效 193参考文献 194第六章 地球大数据驱动科学发现和典型应用 1976.1 地球大数据支撑数字“一带一路” 1986.1.1 海岸线变迁监测和分析 1986.1.2 非洲稀树草地类型监测技术体系 2026.2 地球大数据支撑全景美丽中国 2066.2.1 “三生”空间统筹优化支持决策应用 2066.2.2 临沧可持续发展应用示范 2126.3 地球大数据支撑生物多样性与生物安全 2176.3.1 专家鉴定与机器学习——生物记 2176.3.2 众源数据采集——绿途 2206.4 地球大数据支撑三维信息海洋 2226.4.1 人工智能与海洋学交叉应用 2226.4.2 人工智能海洋学概述 2236.4.3 深度学习在海冰预报方面的应用 2256.4.4 深度学习在台风风速反演方面的应用 2266.5 地球大数据支撑时空三极环境 2296.5.1 大数据驱动的北极冰区航线智能规划 2296.5.2 遥感大数据支持“三极”对比 2336.5.3 多源数据集成及同化支持北极放大效应机制研究 2416.5.4 机器学习方法的多源雪深数据融合 2466.6 其他 2526.6.1 高分辨率遥感信息智能提取与分析 2526.6.2 高性能InSAR全国地表形变测量 258参考文献 261第七章 地球大数据共享国际评价 2677.1 国际评估背景 2687.1.1 国际评估背景 2687.1.2 CODATA简介 2697.1.3 评估目标、内容和方法 2707.2 数据政策及实施评估 2727.2.1 国内外访谈与SWOT分析 2727.2.2 开放数据政策 2757.3 结论及建议 2767.3.1 国际评估结论 2777.3.2 未来建议 277参考文献 278第八章 展望 281参考文献 285附录 287附录1 CASEarth全球数据产品目录 288附录2 SDGSAT-1卫星及产品概况 292
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第一章绪论 1.1地球大数据专项概况 联合国2015年可持续发展峰会通过的《变革我们的世界——2030年可持续发展议程》（简称《2030年可持续发展议程》）是人类社会迈向可持续世界的一个重要里程碑。然而，该议程在实施过程中面临数据缺失、指标评估与监测方法不完善、发展目标相互关联制约以及本地化问题多样等重要挑战，解决这些问题需要科技支撑。快速发展的地球大数据技术作为认识地球的新工具和知识发现的新引擎，在促进可持续发展议程落实中发挥重大作用。 1.1.1总体思路框架 2018年1月，中国科学院前瞻战略性先导科技专项（A类）——地球大数据科学工程（简称“地球大数据专项”，英文简称“CASEarth”）立项，研制周期为五年。地球大数据专项面向国家全球化战略、可持续发展目标、“一带一路”倡议及海洋强国战略等重大需求，整合中国科学院资源、环境、生物和生态领域社会统计数据、航空监测数据、遥感卫星数据、导航定位数据和地面调查数据（图1.1），以大数据技术为支撑和纽带，建立大数据云服务平台，重点开展数字“一带一路”、全景“美丽中国”、生物多样性与生态安全、时空三极环境、三维信息海洋等多方面的基础与应用研究，通过系统集成多渠道项目资源，形成综合分析与决策支持、主题分析与展示、分布式网络化服务三种应用模式，为资源、环境、生物和生态领域提供高精度、高效能和高可视化的信息服务，全面提升该领域在技术创新、科学发现、宏观决策和社会效益等方面的重大成果产出（郭华东，2018；郭华东等，2021；Guo et al.，2021；郭华东和梁栋，2024）。 1.1.2任务设置 地球大数据专项以任务需求为牵引，共设置了九个项目，项目一：CASEarth小卫星；项目二：大数据云服务平台；项目三：数字“一带一路”项目四：全景美丽中国；项目五：生物多样性与生态安全；项目六：三维信息海洋；项目七：时空三极环境；项目八：数字地球科学平台；项目九：CASEarth科学工程总体（图1.2）。 CASEarth小卫星项目将为专项直接提供可靠、有效的卫星数据；大数据云服务平台项目将建成全球领先的集“存储、计算、分析”为一体、全链条横向贯通的地球科学大数据云服务平台；数字“一带一路”项目将建成“一带一路”大数据平台，服务“一带一路”倡议的宏观决策并提供科学决策支撑；全景“美丽中国”项目将开展清洁空气与环境健康和生态文明建设研究，实现大数据驱动的“美丽中国”全景评价与决策支持；生物多样性与生态安全项目将建成全面整合中国科学院生物、生态信息资源的信息平台，提供*核心的科学支撑；三维信息海洋项目将构建综合集成、实时更新、开放共享的多学科海洋科学数据和产品，突破关键技术，服务于海洋科技创新发展，提升国民海洋意识和地球系统认知；时空三极环境项目通过对三极生态、水、气候变化、北极航道、冰冻圈和重大工程等研究，为国家极地治理提供决策支持；数字地球科学平台项目将建成专项的综合展示平台和决策支持系统；CASEarth科学工程总体项目负责整个专项的顶层设计和信息共享集成。 1.1.3建设目标 立项伊始，地球大数据科学工程专项总体目标为构建国际地球大数据科学中心。具体包括： （1）建成全球领先的地球大数据基础设施。突破数据开放共享的瓶颈问题，实现资源、环境、生物、生态等领域分散的数据、模型与服务等的全面集成，形成多学科融合、全球领先的地球大数据云服务平台，力争成为支撑国家宏观决策与重大科学发现的大数据国家重大科技基础设施。 （2）形成国际一流的地球大数据学科驱动平台。探索形成大数据驱动、多学科融合、全球协作的科学发现新范式，示范带动地球系统科学及相关学科的重大突破，成为具有全球影响力、国际化、开放式的大数据科学中心。 （3）构建服务政府高层的决策支持平台。具备多问题、多视角全景式可视化分析、模拟与推演能力，全景展示和动态推演“一带一路”可持续发展过程与态势，实现对全景“美丽中国”可持续发展和面向人类命运共同体的国家全球化战略的精准评价与决策支持。 2020年8月31日，中国科学院决定建设“可持续发展大数据国际研究中心”（简称SDG中心），作为可持续发展大数据科学领域的国际研究机构，支撑服务国家战略和全球可持续发展。同时调整地球大数据专项的建设目标，将原计划建设的“国际地球大数据科学中心”调整为“可持续发展大数据国际研究中心”。 2020年9月22日，习近平主席在第75届联合国大会一般性辩论期间发表重要讲话，宣布“中国将设立联合国全球地理信息知识与创新中心和可持续发展大数据国际研究中心，为落实联合国《2030年可持续发展议程》提供新助力”。该中心是目前全球设立的唯一的可持续发展大数据研究机构，为科技促进机制支撑联合国《2030年可持续发展议程》的实现提供保障。 1.2地球大数据专项研究成果 地球大数据科学工程专项突破了一系列技术瓶颈，形成资源、环境、生物、生态等领域多学科融合的地球大数据云服务平台，构建了大数据驱动的数字地球科学平台；推动地球大数据技术创新、重大科学发现和一站式全方位宏观决策支持，全面提升了资源、环境、生物生态等领域在国家技术创新、科学发现、宏观决策和社会公众知识传播服务等方面的重大成果产出。共发表科学引文索引（Science Citation Index，SCI）论文1300篇，其中《自然》（Nature）、《科学》（Science）及其重要子刊，以及《美国国家科学院院刊》（Proceedings of theNational Academy of Sciences，PNAS）等论文32篇，学科TOP25期刊论文800余篇；出版专著20余部；申请国际PCT专利15项，国家发明专利300余项；提交咨询报告超200份，服务国家或省部级决策支持服务活动150余次；提交国际标准2件，国家标准12件；获批软件著作权超350项。 1.2.1地球大数据平台系统 地球大数据平台系统采用分布式的超融合系统架构设计，如图1.3所示，融多种算力、多元大数据、在线协同计算、交互式分析、可视化及多领域应用服务于一体。突破了地球大数据治理、实时计算、交互式分析及可视化等的关键技术，自主研发了地球大数据管理引擎DataBank、挖掘分析引擎EarthDataMiner和可视化引擎DESP等系统软件栈，具有PBa级数据按需计算、在线分析及可视化等应用能力。平台具备1.27PFb超级计算能力、1.28PF大数据分析处理能力、450TF容器云能力、10000台云主机创建能力，以及75PB数据存储能力。同时，基于自主研发的平台系统软件，实现了200PF计算资源、300PB存储资源聚合与跨域调度。平台集成300余个自研、1000余个第三方计算分析函数，集成210余个可视化分析模型和260余个可视化方法。累计汇聚科研数据17PB，涵盖生物与生态安全、对地观测、地面监测与基础地理、卫星影像产品、地球生物多样数据库（Geobiodiversity Database，GBDB）数据记录、微生物资源等多个学科领域，形成了多源异构数据融合的地球大数据资源库，为地球大数据科研活动提供计算与数据支撑（郭华东，2020a；Interagency Task Team on STI for the SDGs，2021）。 基于统一的云服务门户，地球大数据平台系统面向全球科研工作者提供包括计算云、a PB（petabyte）为数据容量单位，1PB=1×1015字节。b PF（peta.ops）表示每秒执行1015次课点运算，1PF=1000TF。 数据云、分析云、应用云在内的，集数据管理、计算分析、可视化应用于一体的数据按需计算、交互式在线云分析服务，如图1.4所示。计算云提供云主机、高性能计算、容器云、资源聚合环境等资源类服务；数据云提供对象与文件存储、数据汇交与出版、格网数据引擎、DataBank等数据类服务；分析云提供EarthDataMiner、地面监测数据处理、深度学习云、数字地球引擎DESP、海洋人工智能（arti.cial intelligence，AI）分析、近海生态健康、全球海洋热含量变化、BioSDG可视化、生物计算、CodeRunner等在线数据计算与分析服务；应用云面向亚非沙漠蝗虫灾情监测与评估、生物百科、全球气候变化、海洋灾害预警、深海科学探索、风暴潮灾害预警、BioONE决策支持、可持续发展目标等应用提供专题服务（Ji et al.，2019；Liu et al.，2020）。 与传统商用云计算平台、高性能计算平台，以及分布式开放计算数据联盟不同，地球大数据平台系统聚焦科研数据汇聚、处理、服务的一站式融合，提出了多项技术创新，包括： （1）以数据为核心的超融合计算系统架构技术，分布式对象存储集群异步备份、联邦服务新方法，打破了不同计算系统之间“存储墙”限制，实现了支持数据“零搬运”的云计算、超级计算等多元算力融合。通过函数方式使用高性能计算（high-performance computing，HPC）算力加速数据处理过程，形成了以“云+超算”混合为基础的数据、计算、服务一体化应用新模式，满足了地球大数据多样化计算需求，提高了分析处理效率。在平台系统支持下，可持续发展目标（Sustainable Development Goals，SDGs）城镇化指标计算由传统方式的60小时缩短至10分钟，固碳评估由传统方式的1个月缩短至1天。 （2）按需计算的地球大数据云原生编程分析技术，解决了地球大数据在线分析算法开发专业性强、计算结构复杂、服务需求多样化难题。自主研发了面向地球大数据的函数式编程模型、领域函数库、智能分析引擎EarthDataMiner，实现了云环境“代码–数据流–分布式任务”的自动转换，可自动感知用户和计算规模，动态构建大数据集群按需弹性计算，同时支持用户算法的自动参数和性能调优。基于EarthDataMiner开发的系列SDGs指标在线计算工具可针对多尺度区域实现交互式准实时评估。
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