作者:甘晓 来源:中国科学报 发布时间:2021/10/25 13:54:48
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在地理时空数据中寻找“未知”
记国家自然科学基金创新研究群体项目“地理时空数据分析”

 

团队骨干成员在实验室合影(左七为周成虎)。甘晓摄

从全国气象数据到空气质量数据、从高分卫星数据到海洋浮标数据、从出租车轨迹到室内人员定位数据、从导航软件中的拥堵信息到应用程序里的美食推荐,这些都是蕴藏丰富科学内涵的“地理时空数据”。

多年来,中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室的研究团队对地理时空数据进行深度挖掘分析,创建了一系列数据分析的先进方法,并用分析结果回答了城市规划、生态环境、公共健康等领域面临的现实问题。2015年,研究团队获得国家自然科学基金创新研究群体项目(以下简称创新群体项目)支持,项目于近期结题。

“大数据时代,我们面临‘未知的未知’,也就是,我们并不知道自己还有哪些未知的知识,而数据会告诉我们答案。”创新群体项目负责人、中国科学院院士周成虎告诉《中国科学报》。

超前布局闯前沿

早在新冠疫情暴发初期,如何为疫情防控贡献自己的力量是每一位群体成员思考的问题。“要想知道病毒传播路径、疫情扩散规律,在哪些地方传播风险高,本质就是探索特定时间、空间内人的聚集与移动的规律。”周成虎介绍,“这正是‘地理时空数据’的概念。”

当时,他们敏锐意识到,“地理时空数据”尤其是关于人的行为的数据有望成为新冠疫情防控的重要支撑。于是,他们迅速“逆行”回到实验室,紧锣密鼓地开展攻关。团队通过梳理已有研究发现,个体轨迹和群体活动大数据能够对没有药物干预时的传染病扩散规律分析、风险评估方面发挥重要作用。

很快,2020年1月22日开始,他们组建了应急小组,在各地“健康码”出现之前就提出采用社交媒体及移动通信运营商数据提升防控能力与效率的建议;随着疫情发展,成功解析和模拟了疫情的时空趋势等关键内容,据此提出地理区域阻断与分级防控,深刻影响并显著提升我国疫情防控高科技水平。群体关于疫情防控的相关成果近日获得测绘科学技术奖特等奖(自然资源部下属)。

在创新群体项目成员看来,能够在疫情袭来的燃眉之急时迅速用上自己的研究成果,离不开整个团队长达20多年的超前部署。

这一步“先手棋”始于20世纪90年代后期,周成虎带领团队开始布局当时颇为前沿的数据挖掘研究。“互联网的浪潮刚刚袭来,我们认为,随着互联网发展和基于传感器的物联网发展,能够从物理世界采集到的数据越来越多,一定会迎来大数据的时代。”周成虎说。

研究团队曾从地震、降水等地理现象的数据入手,力图寻找不同数据反映事件的相关关系甚至因果关系。对此,让创新群体项目成员深有感触的是,科技创新要实现“四个面向”,基础研究应当具有前瞻性。

潜心打磨“锋利的刀”

从大数据分析中获得结果固然重要,但在创新群体项目成员看来,面向未来的基础研究和应用研究,方法学创新更为关键。周成虎用一个生动的比喻阐述了方法的重要性:“如果你有一把‘锋利的刀’,当实际问题来的时候就用上了,用它解牛可以,改用它杀鸡也行。”

“时空地理流模式挖掘”就是团队多年来潜心打磨的一把“锋利的刀”。地理流是指不同位置之间的物质、信息和能量的流动。例如,交通流就是一个标准的地理流,交通摄像头、手机导航软件等来源的海量交通大数据就是不同位置之间的地理流。

要从这样海量、复杂的数据中获得有效信息,难度堪比“大海捞针”。如何准确捞到想要的那根“针”,直接取决于“挖掘”方法——那把“刀”锋不锋利。

“如何让流这种高维复杂的对象用统一、简洁的形式进行表达,是分析地理流数据的关键难题。”周成虎说。经过多年攻关,创新群体项目成员成功解决了这一难题。他们提出了流空间的定义,构建了流空间数学表达模型,并提出了流空间模式的系统性分类,同时构建了流的聚集尺度定量化方法及流模式分解模型等。

这把“刀”在新冠疫情防控中,通过分析人流的特征显著提升了病例预测和风险制图精度。不仅如此,这把“刀”还被用于研究城市居民通勤模式、城市公园和医院可达性、城市居民出行模式等实际问题。研究结果表明,流空间以及流模式的分析不仅将成为地理信息科学新的分支,还有望为交通、规划、公共设施服务等决策提供理论工具。

此外,创新群体项目成员还取得了地表温度与蒸散发遥感反演与验证、连续曲面综合建模、异质空间统计等多项方法学创新。其中,“地表温度与蒸散发遥感反演及验证”获2019年度国家自然科学奖二等奖。

宽松环境育人才

多项原创性成果的取得,离不开研究团队的共同努力。

在该创新群体项目执行中,逐步扩充群体成员范围,形成3支队伍组成的人才梯队,包括中年队、青年队和学生队。其中,中年队主要是核心骨干成员,青年队主要由40岁以下的年轻成员组成,学生队则由研究生组成。

“一个篱笆三个桩”,周成虎表示,团队作战有效营造出利于安心科研的宽松环境。特别是面临考核压力的年轻科研人员,更需要有强大的团队支持,帮助他们度过瞄准一流科研成果长期攻关中的“困难时期”。

同时,在周成虎看来,基础科学对未知的探索有成功有失败,需要给年轻人提供允许失败的宽松环境。“群体不能失败,但个人可以。”他强调。

为此,该创新群体项目专门设立了6个“青年探索专题”,包括人群移动模式分析与位置服务推荐、基于大数据人口格网化方法与区域集疏分析、基于遥感的城市辐射环境与生态多样性、城市交通盲点分析、地理大数据与公共健康和地理大数据生态环境估计建模等,旨在由中年队带领青年队,使青年队静下心来钻研科学难题,不惧失败。

在“青年探索专题”支持下,一批年轻人成长起来,“80后”群体成员唐荣林便是其中一员。他在地表蒸散发遥感反演的研究方向上取得进展,并获2019年国家自然科学基金优秀青年科学基金项目支持。

此外,在工作方法上,时间管理得到格外强调。长期养成记工作日记习惯的周成虎设计了一个《时间笔记本》发给团队成员,红色封皮上印有一句箴言——“时间是人生中最宝贵的不可再生资源”。《中国科学报》记者在内页上看到,每日日程安排从凌晨4点开始,以半小时为单位。“学会管理时间是人生最大的学问。”周成虎指出。

“发展事业、报效祖国、成就自我、回报社会”,这是研究团队的16字指导方针。如今,创新群体项目成员正以实际行动践行,在地理时空数据中寻找“未知”,把数据分析结果“写”在祖国大地上。

《中国科学报》:创新群体项目成员如何理解基础研究与现实问题之间的关系?

周成虎:我认为基础研究一定和现实问题相关,当然这样的结论需要加上“时间”这个维度。也就是说,首先需要分清楚,要解决的现实问题是关系到今天的现实还是明天的现实。

有些基础研究可能与今天的现实无关,而有些就需要解决今天面临的现实问题,这类基础研究应当做到“知其所以然”。既要能够解决问题,又要通过理解问题本身,知道为什么可以解决,这样才能对解决其他现实问题有所帮助。例如,我们对地理流的研究就是“知其所以然”的基础研究工作,通过将现实世界中各种流进行抽象,得到地理流的数学表达和分析模型,然后才能像一把“锋利的刀”,用在各种行业中去解决现实问题。

《中国科学报》:创新群体项目成员如何看待理论研究与具体应用之间的关系?

周成虎:目前从基础研究到应用转化,周期越来越短。新冠疫苗的研发中,基础研究与产品开发的距离非常短,甚至可以看成是零距离。因此如何让理论研究的成果以最快的速度在应用中发挥作用,推进规模化的产业应用,是科技创新能力的重要标志。

经过长期的探索与实践,我们通过对数据尤其是遥感大数据的汇聚、分析加工、产品生成等,摸索出了从理论研究到产业化的新模式STEP,即科学(Scicence)—技术(Technology)—工程(Engineering)—产品与产业化(Product)多创新链的协同,推进从原始数据到数据产品再产生,并已在国土、环保、规划等行业领域取得了不少应用进展。

《中国科学报》:创新群体项目成员对这一领域的未来方向如何把握?

周成虎:基于时空大数据分析,我们正在与固体地球科学家合作,共同推动“深时数字地球国际大科学计划”。这项计划的科学问题是研究46亿年以来地球如何演化。解决这一宏大的科学问题,必须依靠大数据来分析。

这项计划中,我们提出一种新的科研范式“数据—知识—模式”,即从数据中得到知识,再形成知识获取的模式。未来,我们将进一步深化发展时空大数据的理论方法与技术系统,推动“数据—知识—模式”相结合的地理科学研究范式,变革地理科学。

 
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