地球大数据白皮书

CCSATC601大数据技术标准推进委员会地球大数据工作组北京英视睿达科技股份有限公司2023年9月 前言 2022年12月，中共中央、国务院印发了《关于构建数据基础制度更好发挥数据要素作用的意见》，其中明确了数据作为新时代生产要素的重要价值。地球大数据包括来自地球大气圈、水圈、土壤圈、生物圈以及人类活动的多源时空数据，是数据要素产业的重要组成部分。对地球大数据的开发利用将为人类同自然环境的交互过程提供决策支持，促进可持续发展，最终实现人与自然和谐共生的现代化。 地球大数据的应用领域范围广阔，包括生态保护、自然资源管理、气象服务、城市规划、应急容灾等方面，但目前仍处于发展初期，面临着数据来源、结构多样，数据管理门槛高，数据应用场景复杂、落地方法论较少等痛点。如何充分发挥地球大数据的优势和特点，促进其社会价值、经济价值的高效释放成为产业界亟需解决的问题。 本白皮书将梳理地球大数据的内容范畴、数据资源、关键技术、行业生态、应用场景以及实践案例等，并初步提出地球大数据实践方法，旨在厘清地球大数据的行业发展现状，并为产业各方开展地球大数据开发利用的相关实践提供参考。 编制说明 指导单位： 生态环境部卫星环境应用中心、生态环境部环境规划院、中国信息通信研究院 编委会名单： 水利部水土保持监测中心：赵永军、罗志东、张红丽、时宇 大数据技术标准推进委员会：王超伦、马健瑞、韩晓璐、魏凯、姜春宇、马鹏玮 北京英视睿达科技股份有限公司：田启明、沈诗润、廖炳瑜、王伟、邹克旭、徐炜达、王鼎元、徐彬仁、李怀瑞、杨昱锟、常鹏慧、亓俊涛、朱珊娴、王雪瑞、郭东宸 易智瑞信息技术有限公司：刘洋、他浩飞、陈斌、马静丽、康来成、高淑鸿、曾智 阿里云计算有限公司：张辉、曾志明、陈呈举、陈辉、胡伯涛、贾雨宾、李坤、佟天泽、郭伟、郭伟 杭州数梦工场科技有限公司：念灿华、高智世、苑涵征、孔令君、魏淼 中数（深圳）时代科技有限公司：吴英东、王海涛、马超、沈思泽、韩光 广东元能星泰孪生科技创新有限公司：凌晖、伍亮、岑权军、王晓枫、林子扬 特力惠信息科技股份有限公司：周红霞 北京捷泰天域信息技术有限公司：汪维莉 支持单位： 中关村睿宸卫星创新应用研究院、北京航空航天大学、北京邮电大学、北京交通大学、北京工商大学 目录 一、地球大数据总述...............................................................................1 (一)地球大数据的定义.....................................................................1(二)地球大数据的价值.....................................................................2(三)地球大数据价值释放的要点.....................................................4 二、地球大数据的数据资源...................................................................6 (一)地球大数据的数据来源.............................................................7(二)地球大数据的几何与时空属性...............................................11 三、地球大数据的关键技术.................................................................13 (一)数据采集...................................................................................13(二)数据管理...................................................................................16(三)数据分析...................................................................................20(四)人工智能...................................................................................21(五)数据安全...................................................................................23 (一)地球大数据产业图谱...............................................................26(二)地球大数据行业应用...............................................................27 五、总结与未来展望.............................................................................38 图目录 图1地球大数据实践体系视图.............................................................5图2地球大数据描述的五大圈层...........................................................7图3 AIoT技术助力空气质量监测案例.............................................15图4多源数据融合示意图...................................................................17图5网格层次索引结构示意图...........................................................19图6 EFDC水动力模拟仿真示意图...................................................23图7地球大数据产业图谱1.0.............................................................27图8 AIoT技术助力水环境监测案例.................................................28图9某地基于卫星遥感的甲烷监测结果..........................................30图10移动源远程在线监测.................................................................33图11农作物长势监测.........................................................................35图12土壤墒情监测.............................................................................35 表目录 表1常用的公开数据的遥感卫星清单...................................................8表2常用的气象数据及其相关链接.......................................................9 一、地球大数据总述 (一)地球大数据的定义 地球大数据主要指来自地球大气圈、水圈、土壤圈、生物圈以及人类活动的数据。这些数据通常具备不同的来源，但都具备时空属性，包括卫星遥感数据、气象数据、人类活动统计数据、地理信息数据数据等。地球大数据是数据要素产业的重要组成部分，对地球大数据进行收集、整合和分析能帮助人们对生态环境系统、人类社会和自然资源进行更深入的洞察和理解，为人类活动的开展提供决策支持，从而最终实现人与自然和谐共生的现代化。 地球大数据具备传统“大数据”的4V特征，即： 数量（Volume）大：地球大数据具有海量数据的特征，其来源于卫星影像、地理信息、物联网等渠道的数据在空间和时间维度上都具有较大的跨度，量级可达PB级。 种类（Variety）多：地球大数据的数据类型可以是包括文本、图像、音视频、地理位置信息等多种形式，具有种类繁多、结构复杂的特征。 速度（Velocity）快：地球大数据每天可产生大量的新数据，在生产生活中，为了实时应用新数据辅助决策，其传输、存取、分析对实时性具备较高的要求。 价值（Value）高：对地球大数据的开发利用可以获取具有高价值的环境信息，为人与环境的交互提供决策支持。 除此以外，相较于其它类别的“大数据”，地球大数据还具备 地球大数据白皮书（2023年） 如下特征： 时空性：地球大数据与时间和空间密切相关，具有很强的时空关联性和物理关联性。 多源性：地球大数据的来源多样，涉及遥感影像数据、地面监测站点数据、气象数据据、社会统计数据等，通常来源于不同的机构。 普惠性：相较于其它类型的数据要素，地球大数据的应用领域更加具备普惠性，如助力研究地球的演化过程，分析气候的变化趋势，预测潜在的气象灾害，合理地管理自然资源，从而支撑人与自然关系的可持续发展。 (二)地球大数据的价值 地球大数据是大数据产业的重要组成部分。地球大数据以对地观测和地理空间数据为主体，是地球环境相关现象的记录。对地球大数据的分析和应用有助于揭示地球的自然环境、资源分布、气候变化、人类活动等方面的规律，并为生态环保、自然资源、应急管理、城市治理等领域提供决策支持。 我国在政策层面对地球大数据的应用实践高度关注。早在2016年3月，我国环保部即发布了《生态环境大数据建设总体方案》，为生态环境大数据建设提供了强有力的政策支持，这也意味着地球大数据在我国的正式起步。自党的十八大以来，习近平总书记非常重视生态文明建设，明确提出“绿水青山就是金山银山”的重要论 断，并强调"共谋大数据支撑可持续发展之计，加强国际合作"，体现了大数据在支撑可持续发展中所扮演的重要作用。在中共中央、国务院发布的《关于构建数据基础制度更好发挥数据要素作用的意见》中，也将节能降碳、绿色建造、新能源等可持续发展相关场景列入数据要素赋能的重点领域。2023年，中共中央、国务院印发《数字中国建设整体布局规划》，其中明确将“建设绿色智慧的数字生态文明”作为数字技术全面赋能经济社会发展的重点，并强调了“推动生态环境智慧治理，加快构建智慧高效的生态环境信息化体系，运用数字技术推动山水林田湖草沙一体化保护和系统治理，完善自然资源三维立体“一张图”和国土空间基础信息平台，构建以数字孪生流域为核心的智慧水利体系”等具体工作方向。 地球大数据的价值主要体现在社会和经济两个方面： 社会价值方面：一是地球大数据提供全球范围内的环境监测和资源管理信息，帮助监测和评估环境变化，预测和应对环境问题，支撑环境保护和可持续发展；二是通过地球大数据的分析和预测，可以提前预警自然灾害，支持应急响应和减灾；三是地球大数据可以揭示气候模式、趋势和影响因素，帮助制定应对气候变化的政策和行动；四是地球大数据可以提供城市发展和规划所需的大量地理空间信息，支持城市基础设施建设、交通规划、土地利用规划等方面的决策，促进城市规划和智慧城市建设；五是地球大数据可以提供关于土