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地球信息科学学报 >

2021 , Vol. 23 >Issue 8: 1351 - 1361

DOI: https://doi.org/10.12082/dqxxkx.2021.200671

综述

自然资源大数据应用技术框架与学科前沿进展

  • 沈镭 , 1 ,
  • 郑新奇 2 ,
  • 陶建格 , 3, *
展开
  • 1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101
  • 2.中国地质大学（北京） 信息工程学院,北京 100083
  • 3.中原工学院 系统与工业工程研究中心,郑州 451191
* 陶建格（1973— ）,男,河南通许人,博士,教授,研究方向为自然资源核算、区域可持续发展。 E-mail:

沈 镭（1964— ）,男,湖北麻城人,博士,研究员,研究方向为资源经济学。E-mail:

收稿日期: 2020-11-08

  要求修回日期: 2020-12-21

  网络出版日期: 2021-10-25

基金资助

中国科学院战略性先导科技专项(A类)(XDA19040102)

中华人民共和国科学技术部澜沧江-湄公河合作专项基金项目()

国家自然科学基金项目(41771566)

河南省自然科学基金(212300410423)

河南省高校科技创新人才支持计划项目(2018-CX-011)

河南省高校哲学社会科学创新团队建设计划项目(2019-CXTD-10)

教育部社科规划项目(19YJA630067)

中国科学院国际合作局对外合作重点项目(131A11KYSB20170117)

版权

版权所有,未经授权,不得转载、摘编本刊文章,不得使用本刊的版式设计。
收起

Application Technology Framework and Disciplinary Frontier Progress of Natural Resources Big Data

  • SHEN Lei , 1 ,
  • ZHENG Xinqi 2 ,
  • TAO Jiange , 3, *
Expand
  • 1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
  • 2. School of Information Engineering, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China
  • 3. Systems and Industrial Engineering Technology Research Center, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 451191, China
* TAO Jian'ge, E-mail:

Received date: 2020-11-08

  Request revised date: 2020-12-21

  Online published: 2021-10-25

Supported by

Special Project of Strategic Leading Science and Technology of Chinese Academy of Sciences (Class A)(XDA19040102)

Lancang-Mekong River Cooperation Special Fund Project of the Ministry of Science and Technology of China()

National Natural Science Foundation of China(41771566)

Natural Science Foundation of Henan Province(212300410423)

Science and Technology Innovation Talent Support Plan of Colleges and Universities in Henan Province(2018-CX-011)

Henan Province University Philosophy Social Science Innovation Team Construction Llana(2019-CXTD-10)

Social Science Planning Project of Ministry of Education(19YJA630067)

Key Foreign Cooperation Projects Funded by the Bureau of International Cooperation, Chinese Academy of Sciences(131A11KYSB20170117)

Copyright

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摘要

自然资源大数据及其处理技术应用能够为自然资源研究与管理,特别是揭示自然资源系统要素、结构与关联研究提供基础支撑,为资源科学发展提供新思路、新方法和新技术。本文试图厘清自然资源大数据的概念、主要特征和发展趋势,分析自然资源大数据对于国民经济与社会发展的重要现实意义。自然资源大数据建设既是自然资源信息化的重要组成部分,也是提高自然资源产业及整个社会经济效率、完善自然资源治理结构和提升自然资源治理能力现代化的新手段。本文在地球系统科学体系下,构建了自然资源大数据应用研究的知识框架,基于“一图一网一平台”结构,提出建立空天地一体化自然资源大数据库和“生产-生活-生态”应用框架,探讨建立基于自然资源数据收集、处理与应用的结构体系,并以此技术框架分析了自然资源大数据应用研究的学科前沿进展和发展趋势。

关键词： 自然资源; 大数据; 地球系统科学; 应用框架; 数据关联; 信息管理; 学科前沿

本文引用格式

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]. 地球信息科学学报, 2021 , 23(8) : 1351 -1361 . DOI: 10.12082/dqxxkx.2021.200671

Abstract

The application of natural resources big data and its processing technology can provide basic support for the research and management of natural resources, especially for revealing the elements, structure, and correlation of natural resources system, and provide new ideas, new methods, and new technologies for the development of resources science. This paper attempts to clarify the concept, main characteristics, and development trend of natural resources big data, and analyzes the practical significance of natural resources big data for national economic and social development. The construction of natural resources big data is not only an important part of natural resources informatization, but also a new way to improve the efficiency of natural resources industry and the whole social economy, and the governance structure of natural resources and the modernization of natural resources governance capacity. In this paper, the knowledge framework of natural resources big data application research is constructed under the earth system science system, based on the structure of "one map, one network, and one platform", this paper proposes to establish a large database of natural resources integrating space, aviation and ground observations and an application framework in terms of production, residential and ecological spaces, and discusses the establishment of a structural system based on data collection, processing, and application of natural resources. The frontier progress and development trend of natural resources big data application research are also analyzed under this technical framework.

Key words： natural resources; big data; earth system science; application framework; data association; information management; discipline frontier progress

1 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》中多篇文章探讨了大数据给世界带来的机遇和挑战[1,2],Manyika等[3]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”,美国已把大数据作为国家综合国力的重要组成部分。以大数据技术、AI技术、通讯技术、云计算等为标志的新的信息技术革命极大地推动着经济社会发展,并对产业结构、组织形态等产生重大影响[4]。大数据是信息化发展的高级阶段,党中央、国务院高度重视大数据技术的发展,提出要建立健全大数据辅助科学决策和社会治理的机制,推进政府管理和社会治理模式创新[5]。“数据”已经成为生产力要素之一,成为国家基础性战略资源[6]。中国信息通信研究院最近发布的《中国数字经济发展白皮书 (2020年)》[7]显示,2019年我国数字经济增加值规模达到35.8万亿元,占GDP比重达到36.2%,同比提升1.4%。自然资源大数据是实施国家大数据战略的重要内容,其应用和建设是新时期生态文明建设和自然资源管理的重要任务。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[8]。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。
国内外相关学者已经开展了自然资源大数据相关学术研究。学者们对大数据在农业自然资源应用、商业消费活动应用开展了研究[9],对气候资源[10]、土地资源[11]、矿产资源[12]等开展了分析,其中气候与遥感数据结合的大数据研究[13],成为自然资源监测的重要方法[14],进而研究了自然资源大数据在管理和决策上发挥的重要作用[15]。针对党的“十九大”提出的自然资源调查监测要求,建立“空天地一体化”全域自然资源调查监测大数据平台,提升自然资源调查监测数据采集与整理、集成处理、智能化、可视化等方面能力,可以提升服务水平[16]。在自然资源安全大数据云平台研究上,有专家认为需要革新能源与矿产资源安全管理范式,以期适应大数据时代能源及矿产资源安全管理需要和变化[17]。自然资源大数据与经济社会领域大数据融合形成了国土空间大数据,可以实现对国土空间复杂非线性特征的描述[18],进一步利用空间动力学、复杂网络方法、人工智能等实现对国土空间上自然资源的时空关联模拟和预测,实现国土空间和自然资源的描述、解释、预测和决策[19]。自然资源大数据技术对政府履行资源环境责任审计产生了影响,可以提高资源环境责任审计监督全覆盖能力[20]。对自然资源基础平台的建设、目标任务、构架体系[21]及相关技术[22]都有比较系统的探索,提出了信息化平台建设思路等。
面对学术界、政府层、产业间等部门高度关注的自然资源大数据问题,从应用需求方面看,自然资源大数据内涵特征、产业应用技术框架、发展趋势等,均缺乏一个全面的、系统的、完整的、深入的论述。鉴于此,本文从地球系统科学视角,在理论上理清自然资源大数据的一些基本理论问题,尝试基于地球系统科学给予自然资源大数据进行科学定位,厘清技术应用框架,并对未来发展趋势进行展望。这对于推进自然资源大数据的构建以及更好地服务于自然资源管理、创新产业化数据应用、开展相关大数据科学研究,都具有重要的理论价值和现实意义。

2 自然资源大数据的内涵与特征

2.1 定义认知

联合国环境署（UNEP）认为自然资源是提高人类当前和未来福利的自然环境因素的总称。广义上包括物质、能量、气候和生态环境等,狭义上一般仅包括实物性的五类资源,即矿产资源、土地资源、生物资源、水资源、气候资源等。本文论述的自然资源是基于广义上的理解。关于大数据的定义仍然存在争议,其中维基百科定义的大数据是指数据大小一般超出人类在可接受时间下的收集、使用、管理和处理能力的巨型数据集[23]。结合这个定义,我们尝试给自然资源大数据做一个界定,认为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。
对于自然资源大数据的认知,本文分别从理论思想、工程技术与实践层面来分析。
（1）理论认知是掌握自然资源大数据的必要途径。建设生态文明,要求把生态文明理念融入经济建设、政治建设、文化建设、社会建设各方面和全过程[24],形成节约资源和保护环境的空间格局、产业结构、生产方式、生活方式[25]。基于可持续发展思想,从资源环境和经济社会系统整体性出发,在自然资源调查评价、开发利用、生态修复和资产管理过程中,实现和谐人地关系需要我们掌握自然资源科学知识及其变化规律,需要我们揭示人类活动对自然生态过程的影响机理,需要明确人地系统耦合关系,这些理论认识的深化需要自然资源大数据支持。大数据本身就是一项系统科学和整体工程。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。
（2）工程技术创新是自然资源大数据应用实现的手段。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。在自然资源分部门管理时期,实施了一些重大信息化工程,虽然彼此之间的数据也存在一些交叉融合[26],但是已经显示出自然资源大数据工程技术上的优势。目前在自然资源数据标准化、一体化上还不能实现互联互通,自然资源多维数据整合、数据的系统性架构与平台建设还需要一个过程,自然资源数据共享与服务、数据安全等方面还有待改进。自然资源大数据的工程技术需要创新自然资源调查、监测、评估、管理等各种数据信息的方法手段,对大数据进行专业化加工处理的模型模拟,实现大数据的“增值”。
（3）实践上应用是自然资源大数据的最终价值体现。大数据的价值体现在于为人们提供各种决策支持和知识发现。自然资源大数据也不例外,其最终价值应该体现在为自然资源管理活动提供各种决策支持和知识。这方面可以通过建设并形成“一张图、一张网、一平台”来实现。“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。

2.2 特征分析

自然资源大数据具有以下显著特征：
（1）数据体量巨大。现代地面自然资源监测信息、空间对地观测信息、物联网信息、气候变化、资源消费信息等等,对土地资源、矿产资源、水资源等产生大量的自然资源数据,结合网络交互系统,还可以产生大量自然资源的关联数据,包括反映自然资源状态的数据和反映自然资源变化的动态数据。
（2）数据类型多样。自然资源大数据包括实物量多维信息数据、能量多维数据、国土空间多维数据;也包括非实物量的生态环境要素、气候变化状况等多维数据,还包括自然资源开发利用、生态修复的动态数据。目前自然资源部系统已经综合形成了包含5000余个图层、110多个要素的国土资源“一张图”[27]。
（3）数据来源复杂。由于自然资源类型不同,其数据来源也不同。既有自然资源清查数据,包括自然资源的类型、数量、质量、面积、空间分布与布局及其基本特性和变化状况;也有空间对地观测的卫星和遥感数据,经过处理形成森林、草原、动植物、矿产等特性和状态数据;还有地面传感监测数据、台站网络数据,对地质、野生动物、水资源、气候等形成的监测数据。目前已经累计形成了地质、矿产、土地、海洋等领域各类数据库189个[28]。
（4）数据应用交叉。在“一张图、一张网”的基础上构建数据与数据、数据与处理、处理与处理之间的逻辑关系,形成交互、共享的自然资源大数据。自然资源大数据与地理空间信息数据、经济社会发展数据、生态环境数据等形成国家基础数据库和交换体系[27]。

2.3 主要作用

人类发展的每次阶梯式跃迁都与资源科学认知和应用进展密不可分,生态学认知伴随着人类发展的起源,土地资源科学技术帮助人类进入到了农业文明社会,能源资源科学技术助推人类进入工业文明时代,自然资源大数据科学将助力人类生态文明建设。
（1）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。
（2）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。
（3）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。大数据的优势在于能够显著提升政府部门、企业与公众在数据信息方面的开放度、关联度、共享度。通过整合多源、海量的自然资源数据及其相互关联的数据,推动自然资源管理从经验决策向数据决策转变,从权力治理向数据治理转变,从公共事务服务向公共数据服务转变。
（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。

3 自然资源大数据产业应用与技术框架

3.1 自然资源大数据与产业发展

从应用层面看,目前国内外已经出现数字产业化和产业数字化趋势。大数据时代的社会化大生产具有强大的资源统筹能力,打破过去的数据信息壁垒,信息共享引擎使社会化大生产效率实现质变与提升。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。自然资源大数据实现了自然资源与其他大数据的整合,即“整体大于部分之和”,向系统整体要效率。自然资源大数据使社会化大生产与自然资源高效链接和协同,在持续变化的环境下,无论是社会生产本身、还是与资源环境承载力的关联,都需要不断地动态调整各个资源要素、生产要素之间的协作关系。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。
自然资源产业数字化将会改变产业经济组织形式,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。
自然资源大数据正在推动自然资源产业向数字化时代发展。自然资源产业涉及到遥感影像、仪表、生产线、车间、管理部门、供应链、研发、运营、产品客户、消费者互相实时联通的数据等,需要各种信息互联互通、实时集成反馈,实现产业智能化、柔性化、个性化。自然资源大数据与5G通讯技术的结合将是自然资源产业数字化的支撑。未来的自然资源产业数字化时代,可以充分利用现代信息技术,实现产业自动化、智能化,使产业具有互联、数据、集成、智能4大特点,这个时代具有3个显著特征：① 自然资源产业制造自动化,机器人代替人,成为资源产业“工人”;② 自然资源产业智能化,资源产业工厂实现全自动的柔性化、流程化处理;③ 网络化,自然资源产业与国民经济社会需求信息在自然资源利用上进行关联,实现无缝化对接,自然资源与经济社会发展的需求和支撑的时、空、量、序等信息完美结合,可以实现自然资源信息的科学生产与配置。

3.2 自然资源大数据应用的技术框架

3.2.1自然资源大数据关联分析
根据地球系统科学原理可以进行自然资源大数据应用的系统关联分析。资源科学、环境科学与生态学是地球系统科学的重要组成部分,同时地表系统的发展变化也与经济社会系统有很大联系。地球系统科学认知,尤其是陆地表层系统的表达研究必须依靠科学的基础理论建设、完善的大数据系统、科学的数据处理与空间模拟,进行学科交叉研究[29]。地理信息科学以其强大的空间数据管理、空间分析和地图可视化功能有效地支撑了自然资源大数据研究,有力地推动着资源科学、环境科学与地理学、经济学的学科交叉和快速发展[30]。依据地球系统科学的陆表系统要素,可以确立自然资源与“生产-生活-生态”系统的关联,从而构建自然资源大数据的应用框架,开展自然资源大数据应用关联分析（图1）。
图1 自然资源大数据应用系统关联

Fig. 1 Correlation of natural resources big data application system

3.2.2自然资源大数据应用技术框架
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（图2）。主要包括：
图2 自然资源大数据应用技术框架

Fig. 2 Application technology framework of natural resources big data

（1）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。
（2）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。
（3）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。

4 大数据推动下的资源科学研究前沿进展

4.1 自然资源大数据在生产应用方面的前沿进展

自然资源大数据应用将改变传统的产业活动模式。大数据是一种经济资源,已经成为企业竞争力、产业效率提升、产业结构升级的创新性力量,相关学者已经对矿产资源大数据[31,32]、林业资源大数据[33]、水资源大数据[34]开展了应用研究,一些自然资源大数据研究成果已经应用到企业的生产活动中[35,36]。国土空间大数据使自然资源与经济社会发展联系更加精确,大大提升经济社会效率;通过自然资源大数据,可以把自然资源与社会生产活动、产业网络建立起因果关联,从而把自然资源调查评价、开发利用、生态修复、资产管理等过程与工农业生产、矿业经济、生态保护等活动实现全流程、全场景、全产业链、全样本信息的整合,而不仅仅是单个资源要素与单个经济活动的联系,使自然资源、人类需要、制造产业等实现网络融合,而不是传统的单线产业链思维,基于自然资源大数据的智能信息化处理与通讯链接将把这些模式变为可能[37]。目前的自然资源大数据应用研究更多基于自然资源分类应用,有些与产业经济实现了线性关联,总体看还没有实现自然资源大数据对产业经济网络的整合、自然资源产业链数字化。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。当前的自然资源产业链部分环节实现数字化对产业的数字化影响有限,应依托自然资源大数据,提升自然资源产业整体的数字化水平,实现自然资源产业数字化的转型升级。
自然资源大数据将使企业形态产生颠覆式变化。市场经济条件下,自然资源大数据将解决自然资源在经济社会系统中以及时空分配中的优化配置与选择。企业作为一个重复博弈与市场优化选择与配置主体的作用和地位也将逐步发生变化。自然资源大数据将推进自然资源交易成本不断降低,当大数据平台信息足够大时,交易成本也将趋于最优,进而可以强化市场作为“看不见的手”配置自然资源的功能,企业和组织的边界将逐渐弱化。未来市场中,大数据平台将在自然资源有效调配、优化与创新上发挥重要作用,企业和组织需要融入自然资源大数据平台,适应大数据对企业形态的要求。国务院发展研究中心[38]推出的全球矿产资源信息大数据平台,收集全球主要国家矿产资源相关资讯、政策法规、统计数据、分析报告、投资项目、矿业公司等数据,覆盖地质勘查、勘探开发、矿权交易、矿业投融资等产业链大数据,帮助矿业企业经营决策分析。原国土资源部“矿产资源总体规划数据库”,是对矿产资源空间数据进行采集、存储、检索、分析和图形表示的国家、省、市、县四级矿产资源规划管理信息数据系统,对矿产资源开发利用总量调控、开发利用结构与布局调整、矿产资源保护、矿山生态环境保护与恢复治理、矿产资源勘查与开发、矿山生态环境调查与监测产生了积极的影响。

4.2 自然资源大数据在生活应用方面的前沿进展

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。
面向智慧生活时代,需要建设大数据,运用现代信息技术,更加科学主动地推动“自然资源”与“生活”的智慧融合。自然资源大数据在推进人类生态文明建设中,能够高度掌握自然资源信息,满足人们在追求美好生活与实现生态文明中对自然资源的智慧感知、反应和调控。世界是普遍联系的,基于自然资源大数据,分析自然资源与人们生活的普遍联系和相互作用,推动着人与自然的相互运动、变化和发展。人的生活需要新鲜的空气、美丽的自然环境,还需要洁净的能源和水、矿产原材料等。自然资源调查、评价的本底数据,自然资源循环与开发利用、生态修复等过程数据,自然资源资产管理数据,这些都是建设生态文明社会的重要信息。自然资源大数据在信息技术条件下将与人们的生活实现跨时空的全通道即时互联,这将深刻改变人类社会的生活形态和方式。自然资源大数据还可以为实现人与人的社会沟通、人与自然的连接、“山水林田湖草”一体化的系统整合,以及创建智慧生活与绿色生活的需要提供基础数据支撑。秦萧等[39]基于“满足人民对美好生活的需求”和“自然资源保护”的生态文明建设目标,利用国土空间、自然资源禀赋、适宜性和承载力分析的大数据,社会经济活动的强度、联系与偏好特征及规律大数据,通过数据关联分析,确定出国土空间管制、生态修复、以及各类专项规划,科学指导空间结构优化、功能分区及用地布局,对生态红线、基本农田保护线、城镇开发边界进行了划定。

4.3 自然资源大数据在生态环境应用方面的前沿进展

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”。在具体应用内容上,考虑国土空间与主要自然资源变化之间的关系,综合判断各类生态环境的等级、合理优化生态廊道网络、精准识别生态系统稳定性、可持续性等关键要素,确定生态系统空间范围、类型等。在陈述彭院士指导下,中科院刘纪远[40]研究员团队完成了中国LUCC信息平台建设,分析了国家土地资源及其生态环境背景的区域分异特征,以及国家耕地资源和典型地区或城市、沙漠、水域、土壤侵蚀的动态变化规律,形成了具有深远影响的国家土地利用数据集（China Land Use/Cover Dataset, CLUD）,有效支撑了国家重大决策。中国生态环境遥感经历了近40年的发展,应用领域逐步扩大、监测精度明显提升、监测时效大幅增强,形成的资源环境大数据广泛应用于生态、大气、水、土壤等生态环境监测评估和管理决策的各个领域,为生态文明和美丽中国建设提供了有效支撑[41]。
自然资源大数据在生态系统领域的应用,可以从生态系统层次结构、空间结构、时间演化视角来分析自然资源与生态系统的关联。基于系统结构层次,自然资源大数据知识包括微观生态要素关联（如食物链、营养链、池塘生态系统）知识,也包括宏观生物圈的水循环、能量循环知识;在空间上,自然资源大数据既有宏观的全球生态系统与物质、能量循环流动知识,也有微观的区域小生态、小气候知识;在时间上,自然资源大数据是生态系统的动态刻画和数字化表达,可为人们认识生态系统中的自然资源系统提供知识基础。目前自然资源大数据在如何实现与生态环境大数据的关联整合方面还缺乏统一的技术体系研究。

4.4 自然资源大数据综合应用的前沿进展

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。林芳[42]分析了省域自然资源空间大数据对自然资源综合管理的作用,基于多源数据分布式存储与GA(ArcGIS GeoAnalytics Server)大数据处理与分析技术,构建了空间大数据管理应用体系架构,建立自然资源“一张图”、数据信息目录索引、数据入图与更新维护,应用于自然资源调查、评价、规划、利用、保护、监测的自然资源全过程管理,显著提高了自然资源大数据共享度、关联度、互通度,有效支撑了自然资源管理的各项职能活动,提升了自然资源治理能力。

5 结论与展望

5.1 结论

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。

5.2 展望

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。

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