Deep-time Digital Earth-programmet:Datadrevet opdagelse i geovidenskab

Mennesker har længe udforsket tre store videnskabelige spørgsmål:universets udvikling, Jordens udvikling, og livets udvikling. Geovidenskabsmænd har taget missionen om at belyse Jordens og livets udvikling, som er bevaret i den informationsrige, men ufuldstændige geologiske optegnelse, der strækker sig over mere end 4,5 milliarder år af Jordens historie. At dykke ned i Jordens dybe historie hjælper geovidenskabsmænd med at dechifrere mekanismer og hastigheder for Jordens udvikling, udrede hastighederne og mekanismerne for klimaændringer, lokalisere naturressourcer, og forestiller sig Jordens fremtid.

Deduktiv ræsonnement og induktiv ræsonnement er blevet brugt i vid udstrækning til at studere Jordens historie. I modsætning til deduktion og induktion, bortførelse er afledt af akkumulering og analyse af store mængder pålidelige data, uafhængigt af en præmis eller generalisering. Abduktion har således potentialet til at generere transformative opdagelser i videnskaben. Med ophobningen af ​​enorme mængder af jorddata i dyb tid, geovidenskabsmænd er klar til at transformere forskning i dybtgående jordvidenskab gennem datadrevet abduktiv opdagelse.

Imidlertid, tre problemer skal løses for at lette abduktiv opdagelse ved hjælp af dybtidsdatabaser. Først, mange relevante geodataressourcer er ikke i overensstemmelse med FAIR (findes, tilgængelig, interoperable og genbrugelige) principper for videnskabelig datastyring og forvaltning. Sekund, begreber og terminologier, der bruges i databaser, er ikke veldefinerede; dermed, de samme udtryk kan have forskellige betydninger på tværs af databaser. Uden standardiseret terminologi og definitioner af begreber, det er svært at opnå datainteroperabilitet og genbrugelighed. Tredje, databaser er meget heterogene med hensyn til geografiske regioner, rumlig og tidsmæssig opløsning, dækning af geologiske temaer, begrænsninger af datatilgængelighed, formater, sprog og metadata. På grund af Jordens komplekse udvikling og interaktioner mellem flere sfærer (f.eks. litosfæren, hydrosfære, biosfære og atmosfære) i jordsystemer, det er svært at se hele billedet af Jordens udvikling ud fra adskilte tematiske synspunkter, hver med begrænset omfang.

Big data og kunstig intelligens skaber muligheder for at løse disse problemer. At udforske Jordens udvikling effektivt og effektivt gennem dyb-tids big data, vi har brug for FAIR, syntetiske og omfattende databaser på tværs af alle områder af dyb-tids geovidenskab, par med skræddersyede beregningsmetoder. Dette mål motiverer Deep-time Digital Earth-programmet (DDE), som er det første "store videnskabsprogram" initieret af International Union of Geological Sciences (IUGS) og udviklet i samarbejde med nationale geologiske undersøgelser, faglige foreninger, akademiske institutioner, og videnskabsmænd over hele verden. Hovedformålet med DDE er at lette dyb tid, datadrevne opdagelser gennem internationale og tværfaglige samarbejder. DDE sigter mod at levere en åben platform til at forbinde eksisterende dybtidsjorddata og integrere geologiske data, som brugere kan udspørge ved at angive tid, plads, og emne (dvs. en "Geologisk Google") og til behandling af data til videnopdagelse ved hjælp af en vidensmotor (Deep-time Earth Engine), der leverer computerkraft, modeller, metoder, og algoritmer (figur 1).

For at nå sin mission og vision, DDE-programmet har tre hovedkomponenter:programforvaltningsudvalg, ekspertisecentre, og arbejder, platform og opgavegrupper. Og DDE vil bygge videre på eksisterende dybe jordvidensystemer og udvikle en åben platform (figur 2). Et dybtids-jordvidenssystem består af de grundlæggende definitioner og sammenhænge mellem begreber i dybtidsjorden, som er nødvendige for at harmonisere dybtidsjorddata og udvikle en videnmotor til at understøtte abduktiv udforskning af Jordens udvikling. Det første skridt i DDE's forskningsplan er at bygge videre på eksisterende dybtids-jordvidensystemer. Det andet trin i DDE's forskningsplan er at bygge en interoperabel dybtidsjorddatainfrastruktur. Og det tredje trin i DDE's forskningsplan er at udvikle en dyb-tid Earth open platform.

Udførelsen af ​​DDE-programmet består af fire faser. I fase 1, DDE etablerer en organisationsstruktur med internationale standarder for politik og ledelse. I fase 2, DDE danner de indledende teams og bygger på eksisterende dybtgående jordvidensystemer og datastandarder ved at samarbejde med eksisterende ontologiforskere inden for geovidenskab, mens de arbejder på at linke og harmonisere deep-time Earth-databaser. I fase 3, DDE udvikler skræddersyede algoritmer og teknikker til miljøer med cloud computing og supercomputing. I fase 4, Jordforskere og dataforskere samarbejder problemfrit om overbevisende og integrerende videnskabelige problemer.

Som integrerende og internationale ambitioner for DDE-programmet, flere udfordringer var forudset. Imidlertid, ved at skabe en dataressource med åben adgang, der for første gang integrerer alle aspekter af Jordens berettede fortid, DDE har løftet om at forstå vores planets fortid, til stede, og fremtid i nye og levende detaljer.