中国网/中国发展门户网讯  数字地球是地球系统科学与信息科学深度融合的产物，在需求与技术的双重驱动下，其概念内涵和技术体系一直处于螺旋上升的演进过程中。数字地球既是地球的时空基准框架，也是时空数据承载设施，还是多维可视化平台，更是数字孪生系统和智能生态系统，是人类认识地球、预测地球、调控地球的行星级基础设施。海洋是地球的重要组成部分，是由底部、水体、水汽界面、生物和人文等五大要素共同构成的跨尺度、跨介质、跨学科的复杂巨系统。依托数字地球对海洋环境进行表征、计算、决策和保障具有天然优势。数字地球所具有的要素整合本体论、循环嵌套时空律、信息跃迁增值法，能够为海洋环境保障注入顶层智慧；海洋环境所具有的数据稀疏化、动力复杂化、关联尺度化等学科特点，又为数字地球提出新的需求并融入新的技术特征。本文结合数字地球发展技术脉络与我国数字地球自主研发实践，提出海洋环境保障技术创新的启示与方向，同时给出相关政策建议。

数字地球发展历程

1998年，美国前副总统戈尔首次提出“数字地球”的概念（图1），旨在通过信息技术构建地球的数字镜像。2005年，美国谷歌公司收购美国Keyhole公司推出Google Earth，为社会大众提供了“鸟瞰地球”的三维可视化交互平台（图2）。由于其全球视野、时空一体、数据整合、简便实用、开放共享等特点，迅速风靡全球并持续至今。2010年，谷歌公司又推出Google Earth Engine（GEE）云端遥感大数据平台并开放使用，推动数字地球快速进入千行百业，让地球信息真正成为公共知识。2014年，谷歌公司收购英国DeepMind公司发展智能数字地球技术。2023年，谷歌公司推出基于图神经网络的全球中期天气预报模型GraphCast，基于近40年的再分析天气数据，利用图神经网络（GNN）实现小时级、公里级高精度天气预报；2024年，引入神经辐射场技术实现基于轻量化特征数据的高逼真渲染；2025年，又推出AlphaEarth Foundations（AEF）虚拟卫星模型，通过时空精度编码器（STP），将海量历史多源异构遥感数据“浓缩”为10米×10米网格嵌入向量，能够构造生成不同季节和传感器条件下的地表图像，构造了“行星尺度的AI”，走向用智能解决全球难题的历史新阶段；同时又计划将AEF嵌入Gemini多模态大模型，构建形成地理空间推理智能体，推出自然语言驱动的“空间问答”与智能决策服务，有效弥合原始数据与综合认知间的鸿沟。谷歌公司在海洋领域也持续发力，其Google Earth平台已提供全球500米级高逼真海底数据集（GEBCO_2025 Grid数据集）、全球人类海洋活动地图等要素，2025年在AlphaEarth虚拟卫星模型中发布海洋嵌入层，在沿岸50千米宽的网格中，逐日生成海面温度、水色、波浪、船舶存在概率、漂浮物指数等5个嵌入向量，实现零样本分类、实时搜索、7天预测等功能，成为首个全球开放、可计算、可扩展的海洋数字孪生底座。上述智能技术正在引领数字地球走向“无尽前沿”。

我国在数字地球领域的研究与应用起步早、进展快，中国科学院作为核心力量，始终引领国内数字地球技术发展。2003年，中国科学院发布《数字地球基础理论研究报告》，奠定我国数字地球发展的理论基础；随后，我国在数字地球核心技术研发、基础设施建设、行业应用推广等方面取得一系列突破性成果，构建了自主可控的遥感卫星数据获取体系，研发了多源数据融合处理平台，在海洋环境监测、灾害应急响应、资源勘探等领域形成特色应用。2018年，中国科学院立项“地球大数据科学工程”战略性先导科技专项，构建了地球大数据云服务平台，成为全球首个以大数据服务联合国可持续发展目标（SDGs）的宏大科学工程。国际数字地球学会（ISDE）自成立以来，我国科学家积极参与学术治理与标准制定。2024年国际数字地球学会成立20周年之际，我国提出数字地球未来发展的中国方案，推动全球数字地球技术共建共享。当前，我国数字地球技术已形成“自主研发+开放合作”的发展格局，在海洋数字孪生、智能预测推演等领域的技术水平逐步跻身国际先进行列。

海洋数字地球创新发展的核心范式

探究数字地球的底层机理，结合海洋环境保障的专业特色，从要素整合本体论、循环嵌套时空律、信息跃迁增值法3个维度，构建海洋数字地球创新发展的核心范式，形成对海洋环境领域发展的启示，为海洋环境保障提供方法论支撑。

要素整合本体论：“时空嵌入场+本体”混合体表征范式

数字地球通过融合不同领域、不同来源的离散要素，构建结构化知识体系以支撑各种应用，从方法论的角度可归纳为要素整合本体论。要素整合本体论的核心要义是，面向复杂系统的要素关联性与结构涌现性特点，通过“表征、关联、融合”三重构造方法，将离散的部分动态重组为有机的整体，通过微观互动来触发宏观的质变，揭示地球现象的内在机理，支撑高层级分析应用。

在要素整合本体论的指导下，综合考虑海洋环境保障领域中要素异构化、数据网格化、现象多样化、应用多元化等特点，针对现有海洋环境要素表征方式中存在的多源数据融合难、要素状态动态更新弱、场与本体耦合不深、应用场景适配性不足等短板，本研究创新性提出“时空嵌入场+本体”混合体表征新范式（图3），具体技术途径包括以下4种。

向量嵌入网格：构建全域海洋连续时空场表征体系。借鉴谷歌AEF向量嵌入网格技术方法，依托智能编码器的特征提取与融合能力，对海洋环境领域的多尺度、多时相、多传感器观测数据、多物理量实测数据、多模式仿真计算格点数据开展一体化整合与特征浓缩，最终构建覆盖全球海洋的连续时空场网格向量库。该向量库具备跨传感器、跨时相、跨模式的统一表征能力，在完整保留海洋时空场核心特征的前提下，实现数据存储量与计算复杂度的双重降维，为全域海洋时空场的高效调用与分析奠定了数据基底。

动态本体建模：实现海洋现象与对象的可计算化表征。借鉴Palantir的动态本体技术，针对中尺度涡、内孤立波、裂流等海洋变化现象，以及海上风车、珊瑚礁、船舶、海底地形、深海生物群落等对象，按照语义层-动能层-动态层的划分，基于物理、地质、化学、生态等学科的知识工程，建立动态本体的多维度属性，及其过程函数、规则函数、活动函数和优化函数，使其能够在传感器数据驱动下动态更新状态，让要素本体动起来、活起来，从而具备可设计、可计算、可演化的优势，实现从静态要素描述到动态过程表征的技术升级。

双向索引构建：达成时空场与本体的深度耦合联动。基于统一的时空编码规则，搭建时空嵌入场与海洋要素本体之间的双向索引机制，实现场体耦合的双向映射与互馈分析。① 将各类海洋要素本体精准锚定至全域海洋连续时空场的对应位置，实现对本体空间运动、状态变化的实时追踪与可视化呈现。② 捕捉要素本体在时空场中产生的扰动特征，量化分析本体对周边海洋时空场的影响规律；同时反演时空场的环境变化对要素本体状态演化的作用模式，完整刻画场与本体之间的双向作用机理。

异构超图构造：完成从要素表征到应用落地的范式闭环。面向海洋捕捞、台风路径规避、海上溢油漂移预警、应急疏散调度、海洋资源勘探、海洋生态保护等多元化业务应用场景，依据各场景的核心业务逻辑关系，将场景内关联的海洋要素动态本体进行网络化连接，构建异构超图知识表征模型。其中，异构超图的节点为各类海洋现象与对象的动态本体，超图的边则定义为节点间的时空关联、因果驱动、物理作用、演化传导等异构关系，该异构超图既是对应应用场景的核心知识表征载体，也是适配场景需求的应用级动态本体。依托图神经网络（GNN）的信息传递与聚合运行机制，实现超图内要素本体的动态联动：当超图中任一节点的状态发生变化时，其影响信息将向邻接节点实时传递；各节点完成邻接信息聚合后，实现自身状态的迭代更新。基于该机制，超图内将开展大规模的本体—本体、本体—环境耦合计算，形成数据—模型的正反馈闭环与行动—环境的负反馈闭环；当超图内的信息交互密度突破临界阈值时，微观层面各要素本体的局部优化行为，将自发涌现为宏观层面应用场景整体效能的阶跃式提升，实现从要素表征到场景决策的智能化跃迁。

综上，“时空嵌入场+本体”混合体表征范式，可有效实现海洋物理环境、地质地貌、生物群落、化学特征等多源异构要素的一体化整合与统一表征，从技术层面破解海洋环境多要素表征割裂、耦合不足、动态缺失、适配低效的核心难题，为海洋环境保障领域的各类应用，搭建起统一、规范、高效的要素表达框架，同时为数字海洋建设提供了可落地的本体论方法论支撑。

循环嵌套时空律：“多周期时间分解-跨尺度结构转换”时空骨架范式

循环嵌套时空律是地球系统演化的底层时空法则，其理论根源可追溯至自然哲学中的周期律、尺度理论与系统层级思想。其核心特征表现为双重维度的有序性：时间维度上，地球系统现象的演化受分秒至年月等多重周期叠加驱动；空间维度上，呈现跨尺度自相似、层级嵌套及能量串级的结构特点。该规律打破了对地球复杂现象的混沌认知，揭示其有序演化本质，为地球系统多尺度表征与演化建模提供关键理论支撑。

当前，数字地球已将该规律初步应用于陆地植被绿度、地表温度、干旱指数、土地利用等现象的预测推演分析（图4）。立足海洋环境现象跨尺度、远距离、长周期耦合关联的特性，在循环嵌套时空律的指导下，可通过“多周期时间结构→可计算时间函数”和“多尺度空间结构→可递归空间算子”的转换实现核心突破——小尺度时空现象通过物质交换、能量传递，以及信息反馈影响大尺度系统的稳定性与演化进程，大尺度时空现象则通过边界约束、资源供给调控小尺度现象的发展强度（表1）。这一逻辑可为数字地球内核植入具备自相似、可插值、可预测特性的“时空骨架”，赋予其解读地球任意现象“预测—回归—推演”的统一时空语法，形成“多周期时间分解-跨尺度结构转换”时空骨架新范式，核心技术途径有如下3种。

时间维周期分解。对海面高度、温度等海洋时空变量序列，采用傅里叶-趋势分解方法，分离出代表日、季、年等不同循环周期的恒定谐波系数，及表征长期变化的慢变趋势项，构建连续时间函数以捕捉数据的周期演化规律（图5a）。例如，对吕宋海峡至西沙海域30年逐日内潮-内波SSH异常序列进行傅里叶-趋势分解，提取M2、K1半日/全日潮波及90天季节内振荡信号，获取连续谐波系数，精准挖掘其时间周期规律。

空间维级联分析。对海洋现象空间场实施多级空间平均，得到表征大尺度背景的“母场”；通过原场与母场的差值提取中尺度“残差”，再通过残差局部方差计算获得小尺度“涨落”，最终形成“母场-残差-涨落”的能量串级结构，实现不同空间尺度信息与能量的清晰分离（图5b）。该结构在物理意义上契合海洋动力学能量串级理论，使跨尺度能量分布与传递可计算、可分析，为解析海洋环境现象机理提供理想数学框架。例如，对吕宋海峡至西沙区域的空间级联分析，可得到1 000千米尺度母场及海峡-盆地密度锋面背景，通过差值运算获得50千米波包残差，通过3千米方差分析得到孤立子涨落，完整构建能量串级体系。

时空算子构造。基于循环嵌套时空律，将海洋现象抽象为时空维度的特征组件，将对现象的分析操作转化为对特征组件数学函数的运算，构建可计算的动力-统计混合模型引擎，实现从“状态模拟”向“过程模拟”的升级。该引擎可将构成海洋复杂现象的静态组件重组为动态演化系统，且依托明确的物理意义具备强可解释性，实现从数据查询到未来现象预测推演的全流程覆盖。以南海超强内波为例，通过傅里叶-趋势分解提取潮汐与季节振荡特征，结合嵌套空间律构建海峡-盆地尺度能量级串，建立可微分谱-马尔可夫模型，可实现内波到达时间的精准预测；该范式对海底滑坡等深海地质灾害、海洋化学物质扩散等现象同样适用，可有效挖掘时空演化规律，为风险预警提供技术支撑。

在技术发展层面，可引入智能技术强化循环嵌套时空律的应用效能：采用Transformer模型捕捉突变周期，通过超分辨率/语义分割联合模型实现地形边界自适应；利用图神经网络完成跨尺度残差传播，构建可微分动力-统计混合引擎；通过反向传播优化母场-残差-涨落平衡，最终实现具备物理可解释性、边界自适应能力与不确定量化功能的智能时空推演。

信息跃迁增值法：“结构-语义-效用”信息跃迁机制

信息跃迁增值法的核心观点是：信息价值并非固有不变，也非线性累积，其价值高低与信息数量无必然关联。通过系统性的结构转化与语义注入，可推动信息从“事实性描述”非线性跃变为“行动性指引”。这一过程本质上遵循数据—信息—知识—智慧（DIKW）模型的层级递进规律，体现信息跃迁的涌现性特质。该方法的理论根源可追溯至信息哲学与认知科学，尤其聚焦知识本体论与价值论领域。从认知逻辑来看，人类认知深化的核心路径是“原始信号结构化形成有序信息—信息语义化赋予知识理解—知识场景化实现决策升华”，而信息价值的指数级增长，正是依托“结构-语义-效用”三位一体的连续跃迁链条实现的。

数字地球“态势一张图”是高能级信息的典型表征载体，其核心逻辑是将行业应用场景相关信息，通过简洁符号、明确属性、连续轨迹、实时影响等方式可视化呈现，助力用户实时掌握态势、预判变化、精准决策、指导行动。其信息增值过程完全契合“结构-语义-效用”3次跃迁规律，核心跃迁链为“传感器格网→动态本体→异构超图→活动影响决策”：数据体积从千兆字节量级缩至千字节量级，信息密度却提升万倍，同时具备强结构化、低延迟、易解读的优势，可实现分布式节点秒级认知拉齐。其核心技术途径具体有如下3种。

数据结构跃迁。采用“时空嵌入场”技术，对多源传感器数据进行统一浓缩表征与结构优化，有效解决观测数据空间稀疏、时间离散、体积庞大、信息密度低等痛点，实现数据高效存储与快速计算。以海上风电运维应用为例（图6），通过整合卫星、测风塔、海流浮标、船舶自动识别系统（AIS）、海底观测站等多源数据，构建融合“风-浪-流-船-地质-生物-化学”的网格嵌入向量数据集，为后续智能分析提供高质量数据基础。

本体语义跃迁。借助智能算法从观测数据中识别关键要素，先对要素实施多周期时间分解与跨尺度结构转换，基于时空特性组件构建语义表征并完成演化预测；再结合要素属性数据，遵循循环嵌套时空律激活本体的时空行为，将静态切片信息升级为可运动、可决策、可行动的目标活动信息，实现传感数据向本体行为语义的跃迁，同时进一步压缩数据量、提升信息密度。例如，在海上风电运维场景中（图6），通过智能识别风速、浪高、浪向等核心要素，结合时空律预判其变化趋势，激活海上风电动态本体，关联风机叶片转动、运维船顶靠、爬梯晃动等行为与规则函数，将原始传感数据转化为“运维船可否出海维修”的活动级信息。

场景效用跃迁。传感器数据驱动动态本体状态变化后，动态本体会将该变化输入场景异构超图，向邻接本体传递信息、扩散影响，通过一次迭代完成多跳因果推理；超图内各本体通过群体协同形成场景层级的高层信息，同时实现个体信息的协同增强；最终结合场景业务逻辑开展仿真推演，输出行动时空窗口、力量配置、风险评估等核心决策信息，主动应对未来不确定性，完成面向应用场景的信息效用跃迁。仍以海上风电运维为例（图6），基于风机、备件仓、运维船、船员、电价、罚款规则等要素本体构建的异构超图，可将运维活动信息升级为发电损失、船员安全、航路选择等损失评估信息；通过推演超图可能路径，进一步将损失评估信息转化为出动时间窗口、航路空间窗口、力量派单方案及收益风险评估的行动决策信息。

综上，“结构-语义-效用”3级信息跃迁，可实现从低信息密度传感器数据到高价值决策信息的根本性转变。例如，从海上风电设备观测数据转化为台风季抢修窗口决策信息，这正是数字地球“态势一张图”的核心精义。通过信息跃迁增值法构建的跃迁范式，能将原始低价值密度观测数据，转化为可直接支撑行业决策的“态势一张图”知识产品。在此过程中，信息增值被建模为清晰的价值流管道，每个节点通过特定结构化与关联机制注入新意义、新关系，实现信息在形式（结构化）、内涵（语义化）、目的（效用化）3个维度的质变，最终产出高度凝练的决策指令（如时间窗口、力量配置），彻底完成从“数据负担”到“决策资产”的跨越。

海洋环境保障导向的政策建议

深刻感悟数字地球建设的要素集成本体论、循环嵌套时空律和信息跃迁增值法的内涵机理，本研究提出基于数字地球发展海洋环境保障的“时空嵌入场+本体”混合体表征、“多周期时间分解-跨尺度结构转换”时空骨架、“结构-语义-效用”信息跃迁等方法论层面的发展启示，共同构成发展的新范式。要促进上述范式的落地和见效，需要政策和管理方面的支持，具体有以下3点。

明确海洋数字地球的国家级基础设施定位

将海洋数字地球纳入国家战略智能信息基础设施体系，聚焦海洋多要素监测、跨尺度预测、智能决策等核心需求，整合空天信息、海洋环境、地球科学、信息科学、行业应用等领域资源，加强原始技术创新，防范脱钩断链博弈风险。重点支持深海海底智能信息基础设施建设，构建覆盖近海—远海—深海的立体观测网络，布局海底观测站、智能浮标、无人船、遥感卫星等观测设备，建立统一的海洋数据标准与共享机制。依托中国科学院等科研机构的技术积累，打造自主可控的海洋数字孪生底座，常态化支撑海洋环境监测、灾害预警、资源勘探、生态保护、航运安全等多领域应用，提升我国在全球海洋治理中的话语权。

创新海洋数据融合建设模式

针对海洋数据碎片化、多源异构的问题，推广数据网格（data grid）架构，构建“数据供给—消费—增值”的良性循环体系，让每个数据单元既是供给者也是消费者。并在统一的海洋数字孪生底座的支撑下，建立数据股权绑定机制，通过区块链技术实现数据价值追溯与结算，推动数据拥有者从“卖原始数据”，向“持数据股、分红增值”转型。面向海洋数据的提供方，设立海洋数据融合专项基金，支持多源数据整合与联邦计算、动态本体构建与生长、异构超图构建、时空嵌入场建模等关键技术研发。综合以上平台基础设施和数据共享策略，建立阶梯式数据开放与增值回馈机制，对基础海洋数据实行免费开放，对增值加工数据实行市场化定价，鼓励科研机构、企业、行业用户参与数据融合与价值创造，形成适应技术新范式需求的“大集成、大整合”的可持续联合模式。

拓展海洋行业应用增值渠道

推动海洋数字地球技术与行业应用深度融合，通过核心范式引领，创新应用增值模式。在海洋能源领域，构建海上风电、潮汐能等项目的全生命周期监测与运维决策系统，提供台风、海浪、地质稳定性等多要素协同预测服务；在深海资源勘探领域，开发智能勘探决策平台，整合地质构造、生物分布、化学元素浓度等数据，实现勘探区域优选与开采方案优化；在海洋生态保护领域，建立海洋生物多样性、海洋保护区、化学污染扩散等动态监测与预警系统，支撑生态红线管控与修复方案制定；在航运安全领域，打造“气象-海况-地质-航运”一体化决策平台，提供航线优化、风险预警等服务。鼓励传感器运营企业与行业用户深度合作，激活历史数据资产价值，联合开展信息增值服务，打通传感器数据到行业应用的“最后一公里”，激活传感器价值，增强行业应用的获得感，推动海洋产业创新升级。

总结

数字地球技术与海洋环境保障的交叉融合，为解决海洋多要素一体化表征、跨尺度预测、智能决策等难题提供了新路径。本文提出的“时空嵌入场+本体”混合体表征、“多周期时间分解-跨尺度结构转换”时空骨架、“结构-语义-效用”信息跃迁三大核心范式，有效整合了海洋物理、生物、地质、化学等多源要素，揭示了海洋现象的时空演化规律，实现了从原始数据到决策知识的价值提升。通过明确国家级基础设施定位、创新数据融合建设模式、拓展行业应用增值渠道，可推动我国自主可控的海洋数字地球技术体系建设与产业应用。随着人工智能、大数据、物联网等技术的持续发展，海洋数字地球将在全球海洋治理、海洋资源开发、海洋生态保护等领域发挥更重要的作用，为建设海洋强国提供坚实支撑。

（作者：刘俊义、刘雄飞、王宗继、曾志鸿、谢辉平、刘思叶，中国科学院空天信息创新研究院；《中国科学院院刊》供稿）