自然资源大数据应用技术框架与学科前沿进展

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沈镭,郑新奇,陶建格.自然资源大数据应用技术框架与学科前沿进展[J/OL].地球信息科学学报:1-11[2021-04-08].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.5809.p.20210310.1736.002.html. [ Shen L, Zheng X Q, Tao J G. Application technology framework and disciplinary frontier progress of natural resources big data[J/OL]. Journal of Geo-information Science:1-11[2021-04-08].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.5809.p.20210310.1736.002.html. ] DOI:10.12082/dqxxkx.2021.200671

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引

言

大数据已在科学、工程、社会、政府、产业等诸多领域开展了应用并产生深远影响，为我国信息技术革命带来历史发展机遇。大数据的科学研究和技术应用已成为当代科技前沿和应用的关注热点。《Nature》和《Science》多篇文章探讨了大数据给世界带来的机遇和挑战，兰德、麦肯锡等研究表明：大数据已经进入各个产业领域，成为推动全球经济发展的“浪潮”。自然资源大数据在推动自然资源治理体系和治理能力现代化方面发挥着积极作用，新的形势要求形成全覆盖的多维自然资源数据底板，构建“地上地下、陆海相连”、“空天地一体化”相互关联的自然资源数据平台。统一的自然资源大数据应用技术框架能够为国土空间规划、自然资源统一调查监测、自然资源资产负债表编制、离任审计、资源配置、产权管理和资源市场等提供基础数据平台，为自然资源系统要素、结构与关联、资源环境承载力、国土开发适宜性评价等前沿和热点问题研究提供基础支撑，也为资源科学发展带来新思路、新方法和新技术。

自然资源大数据是指与自然资源相关的数据量规模巨大、无法通过目前的主流软件工具、在合理时间内达到获取、管理、处理并整理成为人们需要的各种自然资源信息集合。包括自然资源的结构化数据、半结构化数据和非结构化数据，表现为自然资源的数字、文本、图片、各类报表、图像、音频/视频等数据类型。这些大数据的更新频率和数据量经常快速递增和迭代，对其处理能够产生不同层次的知识发现。

自然资源大数据是基于大数据理念的一个应用领域，是大数据集合中关于自然资源数据子集，通过与经济社会等大数据的融合，对人地系统有一个系统解析和整体描绘，这为我们实现生产发展、生活富裕、生态优美的生态文明，实现产业结构、空间布局优化提供自然资源大数据支持。

 自然资源大数据应用系统关联

自然资源大数据的建立和应用包括自然资源信息采集系统、数据处理和信息通讯系统、自然资源大数据应用技术系统等，既包括自然资源本底数据，也包括自然资源开发利用和生态修复的过程数据；自然资源大数据要建设并形成“一张图、一张网、一平台”。“一张图”可展示自然资源多维信息，将自然资源的空间信息、时序信息以及属性信息等进行综合，“一张网”是要建立各种资源的多维交互信息系统，“一平台”是实现自然资源信息收集整理、集成处理与应用的信息化平台。

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自然资源大数据是国家信息化建设的重要方向

自然资源信息化是国家信息化的重要组成部分，是“数字中国”建设的基础支撑；自然资源数据是国家基础性、战略性信息资源；通过将自然资源大数据与国家政务服务和监管平台联通，形成统一的国家信息化平台，推进国家治理体系和提升治理能力现代化。

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自然资源大数据满足自然资源部“两统一”职责需要

自然资源大数据建设需要开展自然资源信息数字化、网络化，实现自然资源信息化管理目标；自然资源统一调查和确权登记信息数据是实现自然资源有偿使用制度的基础。山水林田湖草生命共同体建设、统一的国土空间规划体系并监督实施、统一行使国土空间用途管制和生态修复职责，都需要全面、准确的自然资源统一数据底板为基础。

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自然资源大数据是提升自然资源服务能力的需要

有了自然资源大数据信息平台，可以实现相关电子政务活动的决策与管理支持，实现土地审批、矿业权审批、资源行业的业务申报等网上政务，可以实现一网申报、智能核验、协同审批，提升自然资源管理水平和效率。

4

自然资源大数据可为进一步认识自然资源规律提供科学研究新方法、新思路

自然资源大数据是通过大数据对自然资源的静态结构与动态过程进行刻画的数字化表达，它既包括精准的自然资源时空量序表达，也包括对自然资源的结构层次和系统整体状态的表达，能够为自然资源管理、科学研究提供多尺度、多视角、多维度的大数据刻画，同时也有助于发掘地球信息科学、资源科学的新理论和新方法。

自然资源大数据应用是利用大数据技术，实现对海量、异构、多语义、时序、多尺度自然资源数据的采集、存储、管理、共享、关联分析和可视化展示，从中产生新知识、创造新价值、提升决策能力。进入大数据时代，新的经济结构、产业结构、商业模式、治理范式等发生重构，自然资源大数据以开放、合作、共享为特征，在协同共生的条件下，需要各个单元开放系统，拓展共生空间，将各种生产要素有机组合在一起，打破传统的市场、组织、产业等界限。通过自然资源大数据，可以实现自然资源与国土空间、生态环境、经济社会的融合，社会生产过程与自然资源的动态匹配和数据共享，可以及时掌握自然资源的时空量序动态变化，从而及时调节社会生产过程和监控自然资源和生态环境演变。

自然资源大数据推动自然资源产业数字化，对传统资源产业形成颠覆性的冲击。自然资源产业数字化将打破自然资源的区域和空间边界约束障碍，形成自然资源产业一体化信息平台；资源产业数字化，是将人类生产、生活和生态的自然资源变化信息以数字化加以呈现；自然资源连接全场景化，将自然资源产业与人类生产、生活、生态等行为信息和空间属性进行链接；资源产业智能化，可以通过人工智能（AI）的收集、分析和判断，预测资源产业信息，产生异于传统的全新认知、全新行为和全新价值数据；资源价值数据化，打破资源价值体系与生产、生活、生态的“间隔”，整体创造出资源产业巨大的价值链。

基于系统科学的认识，我们构建自然资源大数据应用技术框架。

自然资源大数据应用技术框架

主要包括以下3个层面：

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数据的采集与整理

自然资源大数据既有结构化的矢量数据、属性表格数据、卫星遥感数据等类型，涵盖水、土、气、生、矿等自然资源分类数据，也有随机产生的各类混杂的文档、影像、报表等非结构化数据，还有定向采集、结构化与非结构化混合的半结构化数据。

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数据集成处理

对采集的自然资源数据运用统计分析与数据挖掘、系统性复杂性分析、智能计算与机器学习等现代信息技术处理，与产业大数据、生态大数据、社会大数据等联结，可以实现集成创造、交互共享和计算存储等分析，产生新知识，发现新理论。

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数据应用分析

主要包括3个方面：① 自然资源与生态环境数据交互，服务于生态环境保护与生态补偿等，用于国土空间规划、生态保护区建设、水源涵养地等；② 自然资源与经济产业的数据交互，服务于资源环境承载力、国土开发适宜性评价和资源可持续利用研究，用于确立产业规划、经济结构等产业经济活动；③ 自然资源与社会生活的数据交互，了解社会生活与自然资源的关联，用于智慧城市、环保宣传与行动、绿色消费等。这些交互活动的结果以文档、数据、可视化影像、人机互动等，可为政府自然资源管理、资源产业市场行为、生态环境建设、生活行为等提供支撑。

基于自然资源大数据在生产、生活、生态上的应用场景，可以形成自然资源大数据应用研究的主要方向。

1

自然资源大数据在生产应用方面的前沿

构建自然资源大数据与产业之间的互联是自然资源产业价值链重塑的过程，自然资源产业链上的每一个环节都需要进行数字化升级，自然资源产业生态不再只是传统意义上把自然资源作为原材料变成产品，还要加上“自然资源大数据”要素、把自然资源大数据变成产品的一部分，进而通过大数据产品和服务拓展自然资源产业链的价值空间。在发展自然资源产业互联互通的过程中，自然资源大数据是基础，在信息技术支持下，对传统自然资源产业的商业模式，对产业组织架构、组织能力进行升级迭代，提高产业协同效率，更好更快地为自然资源产业数字化转型服务。

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自然资源大数据在生活应用方面的前沿

自然资源大数据应用将颠覆人们传统的生活理念，实现自然资源的“万物互联”服务于人们的生活。生态宜居城市、田园乡村和美丽中国，都彰显绿水青山的生态价值，让人们的生产生活与自然环境相和谐，是人类生态文明的体现，是未来人们生活的高级形态。自然资源是人们生活空间的自然物质和环境条件，以大数据、云计算、互联网、物联网等新一代信息技术为支撑、致力于自然资源大数据智能化，可以使人与自然实现智慧感知、反应、调控能力，实现人居环境与自然资源开发利用、生态保护和谐发展。

3

自然资源大数据在生态环境应用方面的前沿

自然资源大数据在生态环境方面的应用领域包括生态环境适宜性、生态环境容量与生态环境可持续性的评价和预警。人们开发利用自然资源将对生态环境造成影响，同时为了得到适宜的生态环境，也需要对生态环境进行修复、保护和改造，加强自然资源资产管理，实现“绿水青山就是金山银山”。

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自然资源大数据综合应用的前沿

全面推进自然资源大数据研究和应用，加快我国自然资源信息化管理进程，搭建自然资源大数据信息监管理平台，自然资源大数据综合应用技术体系建设将会开展系列研究。包括自然资源大数据技术应用顶层设计，比如对整个系统架构、计算框架、处理方法、创新应用等进行设计，以适应自然资源管理的新要求；资源大数据标准规范研制，比如建立自然资源大数据管理工作机制，完善自然资源大数据标准及规范体系，形成自然资源统一编码体系、网络体系、计算体系、存储体系、安全体系等，提高自然资源大数据综合应用效率。

结论与展望

通过前文的分析，本文得出以下主要结论：

①自然资源大数据是自然资源信息化的重要组成部分，它将为自然资源管理实现“两统一”，开展自然资源科学监管和规划决策提供支持。

②自然资源大数据是国家重要的生产要素，自然资源大数据推动自然资源产业创新和资源的经济社会效率，提升自然资源治理现代化能力。

③基于地球系统科学认识，自然资源大数据应用框架结构应该包括自然资源数据的采集与整理、集成处理、应用分析。

④自然资源大数据的应用在生产、生活和生态等领域具有很大的提升空间。

自然资源信息化将围绕自然资源大数据建设、信息网络互联互通、自动化智能化展开，自然资源大数据的应用研究发展趋势主要表现在：

①自然资源大数据的产业化。自然资源大数据将成为治理体系的重要组成部分和治理能力提升的重要方法手段，自然资源大数据也将成为国家经济社会发展的重要生产要素，与自然资源一起构成新时代经济社会发展的新兴产业。

②自然资源大数据将与云计算实现深度结合。云处理为大数据提供了弹性可拓展的基础条件，是产生大数据的平台之一。大数据技术已经和云计算技术、智能计算、区块链技术紧密结合，在自然资源调查与评价、开发利用与生态保护的过程管理、自然资源资产管理等发挥重要作用。

③自然资源大数据可能带来地球系统科学理论的突破。随着自然资源、生态环境、地理信息、气候变化等大数据化，再加上信息技术革命，自然资源和地理遥感数据信息采集、数据挖掘、机器学习和人工智能等相关技术融合，可能会给我们揭示地球系统科学的理论与认知带来新的突破。

④自然资源大数据将会对自然资源管理、资源产业、经济社会与生态环境产生重大变革，它与生态环境大数据、经济社会大数据等共同成为对世界经济结构、生产生活和我国的生态文明建设带来创造性的贡献。

作者信息

 沈镭  研究员 

中国科学院地理科学与资源研究所资源利用与环境修复重点实验室副主任、二级研究员、博士生导师，中国科学院特聘研究员，中国科学院大学岗位教授。兼任中国自然资源学会执行秘书长、自然资源部资源环境承载力评价重点实验室副主任。任《自然资源学报》、《资源与产业》、《Resources, Conservation & Recycling 》副主编，《资源科学》等期刊编委。曾任世界银行高级顾问、世界矿业部长论坛学术委员会委员、世界经济论坛矿业与矿产资源委员会委员。主持相关重大项目及课题100余项，发表中文及SCI/SSCI期刊学术论著300余篇（部）。

 郑新奇 教授 

中国地质大学（北京）信息工程学院院长、教授、博士生导师。兼任教育部地理科学类专业教指委委员、中国自然资源学会常务理事及资源大数据分会主任、全国地理信息标准化技术委员会信息化分会委员等。任《城镇化与集约用地》主编、《系统仿真学报》等编委。出版《景观格局空间分析技术及应用》著作（被知网评为首届全国TOP3%高被引著作）和“新工科”教材《地统计学》。承担或参与国家级项目30余项及各种政府咨询项目100余项，发表SCI、EI论文80余篇，获得省部级以上奖励10余项。

 陶建格  教授 

工学博士，地理学博士后。中原工学院教授、学术委员会委员，英国布鲁内尔大学联合培养博士生导师。兼任中国自然资源学会理事。任国家自然科学基金委管理学部项目通讯评审专家、教育部博硕士论文评审专家、多家学术期刊审稿人。出版学术著作5部，承担或参与完成国家级项目4项，发表学术论文58篇，获省部二等奖2项，在中央级报刊发表专论文章4篇和接受专访3次。

《地球信息科学学报》是由中国科学院主管，由中国科学院地理科学与资源研究所、中国地理学会联合主办，由资源与环境信息系统国家重点实验室（中国科学院地理科学与资源研究所）、虚拟地理环境教育部重点实验室（南京师范大学）、三维信息获取与应用教育部重点实验室（首都师范大学）联合协办的地球信息科学领域综合性学术期刊，月刊。学报创刊于1996年，创始人为陈述彭院士。学报现任主编徐冠华院士，执行主编陆锋研究员。

《地球信息科学学报》是中国科学引文数据库（CSCD）核心期刊、中国科技核心期刊、全国中文核心期刊。2020年《中国科技期刊引证报告（核心版）》和《中国学术期刊影响因子年报》均显示，学报影响因子位列测绘科学技术期刊第2名。在2020年版中国科学院科学出版基金中文科技期刊排行榜中，学报排名第25位。

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