——記國家自然科學基金創新研究群體項目“地理時空數據分析”

團隊骨幹成員在實驗室合影（左七為周成虎）。甘曉攝

■記者 甘曉

從全國氣象數據到空氣質量數據、從高分衛星數據到海洋浮标數據、從出租車軌迹到室内人員定位數據、從導航軟件中的擁堵信息到應用程序裡的美食推薦，這些都是蘊藏豐富科學内涵的“地理時空數據”。

多年來，中國科學院地理科學與資源研究所資源與環境信息系統國家重點實驗室的研究團隊對地理時空數據進行深度挖掘分析，創建了一系列數據分析的先進方法，并用分析結果回答了城市規劃、生态環境、公共健康等領域面臨的現實問題。2015年，研究團隊獲得國家自然科學基金創新研究群體項目（以下簡稱創新群體項目）支持，項目于近期結題。

“大數據時代，我們面臨‘未知的未知’，也就是，我們并不知道自己還有哪些未知的知識，而數據會告訴我們答案。”創新群體項目負責人、中國科學院院士周成虎告訴《中國科學報》。

超前布局闖前沿

早在新冠疫情暴發初期，如何為疫情防控貢獻自己的力量是每一位群體成員思考的問題。“要想知道病毒傳播路徑、疫情擴散規律，在哪些地方傳播風險高，本質就是探索特定時間、空間内人的聚集與移動的規律。”周成虎介紹，“這正是‘地理時空數據’的概念。”

當時，他們敏銳意識到，“地理時空數據”尤其是關于人的行為的數據有望成為新冠疫情防控的重要支撐。于是，他們迅速“逆行”回到實驗室，緊鑼密鼓地開展攻關。團隊通過梳理已有研究發現，個體軌迹和群體活動大數據能夠對沒有藥物幹預時的傳染病擴散規律分析、風險評估方面發揮重要作用。

很快，2020年1月22日開始，他們組建了應急小組，在各地“健康碼”出現之前就提出采用社交媒體及移動通信運營商數據提升防控能力與效率的建議；随着疫情發展，成功解析和模拟了疫情的時空趨勢等關鍵内容，據此提出地理區域阻斷與分級防控，深刻影響并顯著提升我國疫情防控高科技水平。群體關于疫情防控的相關成果近日獲得測繪科學技術獎特等獎（自然資源部下屬）。

在創新群體項目成員看來，能夠在疫情襲來的燃眉之急時迅速用上自己的研究成果，離不開整個團隊長達20多年的超前部署。

這一步“先手棋”始于20世紀90年代後期，周成虎帶領團隊開始布局當時頗為前沿的數據挖掘研究。“互聯網的浪潮剛剛襲來，我們認為，随着互聯網發展和基于傳感器的物聯網發展，能夠從物理世界采集到的數據越來越多，一定會迎來大數據的時代。”周成虎說。

研究團隊曾從地震、降水等地理現象的數據入手，力圖尋找不同數據反映事件的相關關系甚至因果關系。對此，讓創新群體項目成員深有感觸的是，科技創新要實現“四個面向”，基礎研究應當具有前瞻性。

潛心打磨“鋒利的刀”

從大數據分析中獲得結果固然重要，但在創新群體項目成員看來，面向未來的基礎研究和應用研究，方法學創新更為關鍵。周成虎用一個生動的比喻闡述了方法的重要性：“如果你有一把‘鋒利的刀’，當實際問題來的時候就用上了，用它解牛可以，改用它殺雞也行。”

“時空地理流模式挖掘”就是團隊多年來潛心打磨的一把“鋒利的刀”。地理流是指不同位置之間的物質、信息和能量的流動。例如，交通流就是一個标準的地理流，交通攝像頭、手機導航軟件等來源的海量交通大數據就是不同位置之間的地理流。

要從這樣海量、複雜的數據中獲得有效信息，難度堪比“大海撈針”。如何準确撈到想要的那根“針”，直接取決于“挖掘”方法——那把“刀”鋒不鋒利。

“如何讓流這種高維複雜的對象用統一、簡潔的形式進行表達，是分析地理流數據的關鍵難題。”周成虎說。經過多年攻關，創新群體項目成員成功解決了這一難題。他們提出了流空間的定義，構建了流空間數學表達模型，并提出了流空間模式的系統性分類，同時構建了流的聚集尺度定量化方法及流模式分解模型等。

這把“刀”在新冠疫情防控中，通過分析人流的特征顯著提升了病例預測和風險制圖精度。不僅如此，這把“刀”還被用于研究城市居民通勤模式、城市公園和醫院可達性、城市居民出行模式等實際問題。研究結果表明，流空間以及流模式的分析不僅将成為地理信息科學新的分支，還有望為交通、規劃、公共設施服務等決策提供理論工具。

此外，創新群體項目成員還取得了地表溫度與蒸散發遙感反演與驗證、連續曲面綜合建模、異質空間統計等多項方法學創新。其中，“地表溫度與蒸散發遙感反演及驗證”獲2019年度國家自然科學獎二等獎。

寬松環境育人才

多項原創性成果的取得，離不開研究團隊的共同努力。

在該創新群體項目執行中，逐步擴充群體成員範圍，形成3支隊伍組成的人才梯隊，包括中年隊、青年隊和學生隊。其中，中年隊主要是核心骨幹成員，青年隊主要由40歲以下的年輕成員組成，學生隊則由研究生組成。

“一個籬笆三個樁”，周成虎表示，團隊作戰有效營造出利于安心科研的寬松環境。特别是面臨考核壓力的年輕科研人員，更需要有強大的團隊支持，幫助他們度過瞄準一流科研成果長期攻關中的“困難時期”。

同時，在周成虎看來，基礎科學對未知的探索有成功有失敗，需要給年輕人提供允許失敗的寬松環境。“群體不能失敗，但個人可以。”他強調。

為此，該創新群體項目專門設立了6個“青年探索專題”，包括人群移動模式分析與位置服務推薦、基于大數據人口格網化方法與區域集疏分析、基于遙感的城市輻射環境與生态多樣性、城市交通盲點分析、地理大數據與公共健康和地理大數據生态環境估計建模等，旨在由中年隊帶領青年隊，使青年隊靜下心來鑽研科學難題，不懼失敗。

在“青年探索專題”支持下，一批年輕人成長起來，“80後”群體成員唐榮林便是其中一員。他在地表蒸散發遙感反演的研究方向上取得進展，并獲2019年國家自然科學基金優秀青年科學基金項目支持。

此外，在工作方法上，時間管理得到格外強調。長期養成記工作日記習慣的周成虎設計了一個《時間筆記本》發給團隊成員，紅色封皮上印有一句箴言——“時間是人生中最寶貴的不可再生資源”。《中國科學報》記者在内頁上看到，每日日程安排從淩晨4點開始，以半小時為單位。“學會管理時間是人生最大的學問。”周成虎指出。

“發展事業、報效祖國、成就自我、回報社會”，這是研究團隊的16字指導方針。如今，創新群體項目成員正以實際行動踐行，在地理時空數據中尋找“未知”，把數據分析結果“寫”在祖國大地上。

《中國科學報》：創新群體項目成員如何理解基礎研究與現實問題之間的關系？

周成虎：我認為基礎研究一定和現實問題相關，當然這樣的結論需要加上“時間”這個維度。也就是說，首先需要分清楚，要解決的現實問題是關系到今天的現實還是明天的現實。

有些基礎研究可能與今天的現實無關，而有些就需要解決今天面臨的現實問題，這類基礎研究應當做到“知其所以然”。既要能夠解決問題，又要通過理解問題本身，知道為什麼可以解決，這樣才能對解決其他現實問題有所幫助。例如，我們對地理流的研究就是“知其所以然”的基礎研究工作，通過将現實世界中各種流進行抽象，得到地理流的數學表達和分析模型，然後才能像一把“鋒利的刀”，用在各種行業中去解決現實問題。

《中國科學報》：創新群體項目成員如何看待理論研究與具體應用之間的關系？

周成虎：目前從基礎研究到應用轉化，周期越來越短。新冠疫苗的研發中，基礎研究與産品開發的距離非常短，甚至可以看成是零距離。因此如何讓理論研究的成果以最快的速度在應用中發揮作用，推進規模化的産業應用，是科技創新能力的重要标志。

經過長期的探索與實踐，我們通過對數據尤其是遙感大數據的彙聚、分析加工、産品生成等，摸索出了從理論研究到産業化的新模式STEP，即科學（Scicence）—技術（Technology）—工程（Engineering）—産品與産業化（Product）多創新鍊的協同，推進從原始數據到數據産品再産生，并已在國土、環保、規劃等行業領域取得了不少應用進展。

《中國科學報》：創新群體項目成員對這一領域的未來方向如何把握？

周成虎：基于時空大數據分析，我們正在與固體地球科學家合作，共同推動“深時數字地球國際大科學計劃”。這項計劃的科學問題是研究46億年以來地球如何演化。解決這一宏大的科學問題，必須依靠大數據來分析。

這項計劃中，我們提出一種新的科研範式“數據—知識—模式”，即從數據中得到知識，再形成知識獲取的模式。未來，我們将進一步深化發展時空大數據的理論方法與技術系統，推動“數據—知識—模式”相結合的地理科學研究範式，變革地理科學。

來源： 《中國科學報》

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