深時(shí)地球科學(xué)研究聚焦地球的漫長歷史，探尋從數(shù)十億年前到如今的地質(zhì)演化過程，研究范疇廣泛，涵蓋了地球內(nèi)部 結(jié)構(gòu) 、物質(zhì)組成、生命演化，以及地球與外部環(huán)境的相互作用等關(guān)鍵領(lǐng)域。近年來，地學(xué)可視化分析方法對多維時(shí)空交互分析的需求日益增加，大數(shù)據(jù)、 人工智能 、高分辨率成像等技術(shù)的迅猛發(fā)展為實(shí)現(xiàn)深時(shí)地球數(shù)字孿生更是迎來了全新的發(fā)展契機(jī)。

近日，在中國地理學(xué)會(huì)地理模型與地理信息分析專業(yè)委員會(huì) 2025 年學(xué)術(shù)年會(huì)上，來自浙江大學(xué)杜震洪教授團(tuán)隊(duì)的專職研究員戚勁，在「深時(shí)地球群智協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)」專題上介紹了深時(shí)可視化分析系統(tǒng)（Earth Explorer），從總體概述、研發(fā)進(jìn)展以及科學(xué)應(yīng)用成效 3 個(gè)方面介紹了團(tuán)隊(duì)成果。

戚勁老師演講現(xiàn)場

HyperAI 超神經(jīng)在不違原意的前提下，對戚勁老師的深度分享進(jìn)行了整理匯總，以下為演講實(shí)錄。

Earth Explorer：一款在線地學(xué)專業(yè)可視化分析系統(tǒng)

隨著地球科學(xué)研究手段和信息化技術(shù)日新月異，深時(shí)地學(xué)研究對可視化分析提出了更高的要求。在深時(shí)數(shù)字地球國際大科學(xué)（DDE）計(jì)劃里，DDE 大平臺(tái)以深時(shí)地球演化大科學(xué)問題為牽引，以大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生技術(shù)為內(nèi)核，重點(diǎn)關(guān)注如何賦能深時(shí)地球科學(xué)研究。曾經(jīng)依靠手繪地圖和二維靜態(tài)分析的可視化方式，如今需要深時(shí)尺度的時(shí)空動(dòng)態(tài)分析、地上地下一體化的多維科學(xué)分析，例如，如何將數(shù)百萬年尺度的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化表達(dá)與模擬，是科研人員面臨的難題和挑戰(zhàn)之一，同時(shí)這也是推動(dòng)技術(shù)服務(wù)科學(xué)的絕佳契機(jī)。

在此背景下，Earth Explorer（EE）應(yīng)運(yùn)而生。作為服務(wù)地球科研工作者的在線地學(xué)專業(yè)可視化分析系統(tǒng)，EE 利用并深化了 DDE 大平臺(tái)的 Deep-Engine 等核心技術(shù)能力，開發(fā)了地學(xué)數(shù)據(jù)的在線多維可視化渲染和時(shí)空動(dòng)態(tài)分析能力。無論是三維地球、時(shí)間序列、空間分布，還是深時(shí)動(dòng)態(tài)演化、地學(xué)剖面圖譜分析，它都能輕松駕馭，全方位展示地學(xué)數(shù)據(jù)的時(shí)間、空間、深度和時(shí)空動(dòng)態(tài)維度變化，是 DDE 大平臺(tái)展示地學(xué)數(shù)據(jù)的重要窗口。

深時(shí)可視化分析系統(tǒng) （Earth Explorer）
精研之路：從需求出發(fā)的迭代升級

Earth Explorer 誕生于 2021 年 12 月，其 Alpha 版本在 2022 年于法國巴黎面向國際科學(xué)家開展了演示與宣傳。在一路走來的過程中我們發(fā)現(xiàn)，有效的可視化分析系統(tǒng)需要從科學(xué)家用戶角度出發(fā)進(jìn)行精心調(diào)研、設(shè)計(jì)和運(yùn)維。

于是，我們團(tuán)隊(duì)從收集需求入手，與 1,000 余位科學(xué)家進(jìn)行了深入交流，匯聚其需求和經(jīng)驗(yàn)。此外，我們還學(xué)習(xí)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品思維，開展了一系列市場分析和用戶需求調(diào)研，形成了完善的產(chǎn)品設(shè)計(jì)文檔和開發(fā)方案，并且編制了用戶手冊和演示文檔等。

2022—2023 年，在科學(xué)家的指導(dǎo)下，Earth Explorer 相繼研發(fā)出 10 余個(gè)版本。探索了適用于不同業(yè)務(wù)場景、不同學(xué)科習(xí)慣、不同技術(shù)用途的可視化分析系統(tǒng)。Alpha 版實(shí)現(xiàn)了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的時(shí)空疊加、全局檢索與動(dòng)態(tài)分析。時(shí)空匯聚版本則根據(jù)不同學(xué)科，對數(shù)據(jù)進(jìn)行治理分類，方便各學(xué)科科學(xué)家查找數(shù)據(jù)并進(jìn)行交叉分析，為科研帶來了新的靈感。此外，團(tuán)隊(duì)還搭建了三維地球開發(fā)底座，讓不同學(xué)科的科學(xué)家可以基于該技術(shù)底座快速搭建專屬可視化系統(tǒng)，降低研發(fā)成本，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自主管理、科研場景自主展示。

EE Alpha 版本

EE Beta 版本

截至目前的時(shí)空匯聚版本，實(shí)現(xiàn)了深時(shí)演化、地學(xué)剖面、科研場景模擬等功能，輔助科學(xué)家在在線地圖上開展地學(xué)時(shí)空分析，服務(wù)了古地理、古氣候等學(xué)科，包括古溫度、古降水都疊加在這個(gè)地圖上進(jìn)行動(dòng)態(tài)播放，并在歐美（EGU 、 AGU 等）、日韓（IGC 等）、非洲（CAG）等地進(jìn)行調(diào)研、演示，獲得了國內(nèi)外科學(xué)家的積極反饋。

EE 系統(tǒng)能夠?qū)?DDE 等國際計(jì)劃中的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的可視化，通過動(dòng)態(tài)分析，將科研場景在線展現(xiàn)給海內(nèi)外科學(xué)家們。接下來，我們團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃打造出能夠?qū)⒌刭|(zhì)模型、地球物理方法上傳到 EE 系統(tǒng)的新功能。

強(qiáng)大功能：探索「找數(shù)據(jù)-看數(shù)據(jù)-用數(shù)據(jù)」的業(yè)務(wù)邏輯

首先是「找數(shù)據(jù)」的功能，EE 在數(shù)據(jù)欄中預(yù)置了「明星數(shù)據(jù)」，如全球 1:500M 地質(zhì)圖、超高分辨率地貌圖、深時(shí)古氣候模擬數(shù)據(jù)集等。系統(tǒng)可以根據(jù)時(shí)間、空間還有關(guān)鍵詞進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢索。對于一些具有在線鏈接但不公開提供的數(shù)據(jù)庫，EE 也支持添加自定義數(shù)據(jù)鏈接，通過數(shù)據(jù)服務(wù)的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在線加載。

其次是「看數(shù)據(jù)」方面，EE 提供矢量數(shù)據(jù)渲染、柵格數(shù)據(jù)渲染、空間屬性查詢、地形可視化、三維可視化、剖面可視化多種功能，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)均可以加載到地圖上進(jìn)行訪問。對于探索一些特定的領(lǐng)域，例如美國加州的山火，可以通過 EE 的三維可視化直觀發(fā)現(xiàn)「中間部分顯示干燥，而四周的數(shù)據(jù)濕度較大」，從而直觀地發(fā)現(xiàn)加州空氣濕度低增大了山火風(fēng)險(xiǎn)。

最后是「用數(shù)據(jù)」的功能。 EE 集成了古緯度計(jì)算、地震震源分析等 算法 。以發(fā)現(xiàn)的恐龍化石點(diǎn)為例，利用古緯度計(jì)算算法，能確定其在百萬年前的位置，為地質(zhì)研究提供有力支持。此外還提供透明地球挖方、 Tiff 轉(zhuǎn)地形、古氣候分析對比、地質(zhì)制圖等功能。

技術(shù)攻關(guān)：獨(dú)特需求下凝練出 3 大難點(diǎn)

深時(shí)地學(xué)研究的基礎(chǔ)與成果涵蓋了多個(gè)時(shí)空尺度和學(xué)科領(lǐng)域的地球科學(xué)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)分布于不同的地理位置，對應(yīng)著不同的地質(zhì)年代，其存儲(chǔ)格式多樣，呈現(xiàn)方式也各不相同。在現(xiàn)代時(shí)空格局下，若將這些數(shù)據(jù)簡單匯聚并進(jìn)行可視化處理，往往會(huì)因時(shí)空表征的不一致性而導(dǎo)致嚴(yán)重的混亂。因此，只有將它們納入一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)空坐標(biāo)系中進(jìn)行整合與展示，才能為進(jìn)一步開展針對真實(shí)深部地球的探究提供靈感與方向。2024—2025 年，我們團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提升了深時(shí)數(shù)字地球系統(tǒng)的科學(xué)性，開展了關(guān)鍵難點(diǎn)攻關(guān)。

* 難點(diǎn) 1：地學(xué)多維數(shù)據(jù)的跨時(shí)空尺度展示

* 難點(diǎn) 2：地學(xué)跨學(xué)科數(shù)據(jù)專業(yè)分析

* 難點(diǎn) 3：地學(xué)海量數(shù)據(jù)高性能加載與渲染

針對第一個(gè)問題，我們團(tuán)隊(duì)研發(fā)了時(shí)空聯(lián)動(dòng)的深時(shí)時(shí)間軸等工具，集成了古地理重建模型、時(shí)空穿刺檢索等算法，實(shí)現(xiàn)了不同地質(zhì)年代、不同地理分布數(shù)據(jù)的跨時(shí)空清晰展示，且用戶所看到的任意數(shù)據(jù)，都可以在地質(zhì)時(shí)間軸上找到其年代，為開展深時(shí)地學(xué)研究提供動(dòng)態(tài)信息支撐。

時(shí)空條件與學(xué)科目錄的復(fù)合檢索、深時(shí)時(shí)間軸標(biāo)識(shí)
為實(shí)現(xiàn)地學(xué)跨學(xué)科數(shù)據(jù)分析，我們團(tuán)隊(duì)開發(fā)了有效滿足通用展示和專業(yè)分析的可視化功能，例如，為固體地球?qū)W科研發(fā)了多要素剖面圖譜繪制能力，用戶可以在地球上畫任意一條線，系統(tǒng)將提取沿線的地質(zhì)年代信息、地球重磁力數(shù)據(jù)、地表的地貌高程等多源地質(zhì)與地球物理信息。

針對海量深時(shí)數(shù)據(jù)的高性能渲染的挑戰(zhàn)，我們團(tuán)隊(duì)持續(xù)調(diào)研存在性能瓶頸的可視化場景，研發(fā)了地質(zhì)板塊重建運(yùn)算與動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)。深時(shí)板塊旋轉(zhuǎn)是 EE 的標(biāo)志性的功能，能夠把現(xiàn)今的地球海陸分布通過動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)的形式，動(dòng)態(tài)重建現(xiàn)在到 5.4 億年前的古板塊演化過程。

地質(zhì)板塊重建運(yùn)算與動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)

除此之外，我們還打造了多種功能，例如百萬級粒子系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬、百萬量級矢量數(shù)據(jù)自定義渲染等，為深時(shí)數(shù)據(jù)、地質(zhì)體數(shù)據(jù)提供了流暢、高效的可視化模擬效果。

可視化+開發(fā)基座支持：2 方面取得顯著的應(yīng)用成效

利用可視化分析啟發(fā)地學(xué)問題，支撐地學(xué)研究
在科學(xué)家研究青藏高原地表熱流時(shí)，EE 把莫霍面深度等 10 余個(gè)地質(zhì)、地球物理數(shù)據(jù)集都加載到了青藏高原區(qū)域，通過平面+剖面的形式將青藏高原地表熱流分布的潛在影響因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了可視化分析，進(jìn)一步分析其分布規(guī)律，啟發(fā)了研究思路，最終科學(xué)家采用空間 回歸 分析開展了青藏高原地表熱流分布的研究，成果已發(fā)表于 Journal of Geophysical Research-Solid Earth 期刊。

多源數(shù)據(jù)的時(shí)空對比分析，啟發(fā)青藏高原地表熱流研究思路

打造即插即用開發(fā)底座，建設(shè)定制化學(xué)科工作節(jié)點(diǎn)

地貌學(xué)工作基于 EE 開發(fā)底座實(shí)現(xiàn)了學(xué)科工作節(jié)點(diǎn)的快速搭建，展示了地貌學(xué)中 400 多個(gè)區(qū)域的高精度、高分辨率的數(shù)據(jù)集，支持在線可視化與下載，幫助地貌學(xué)工作組提升了研究的國際知名度。系統(tǒng)支撐了全球超高分辨率地貌類型圖的在線發(fā)布后迅速獲得 8,000 余次訪問，超 1,300 次下載申請。

EE 服務(wù)學(xué)科的技術(shù)底座

除了地貌學(xué)領(lǐng)域，我們也在其它學(xué)科領(lǐng)域開展技術(shù)底座支撐。例如礦產(chǎn)資源預(yù)測學(xué)科工作平臺(tái)，用戶可以加載相關(guān)的遙感數(shù)據(jù)到三維地球上，然后通過遙感和實(shí)測定制數(shù)據(jù)的反演估算結(jié)果進(jìn)行評估，通過 GPU/CPU 的計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的成礦概率預(yù)測。

支撐學(xué)科案例（古地理、礦產(chǎn)資源、礦物分析等）

在深時(shí)板塊旋轉(zhuǎn)功能的加持下，EE 可以將現(xiàn)代的地質(zhì)圖分布旋轉(zhuǎn)到 5.4 億年前，還可以利用公開數(shù)據(jù)集展現(xiàn)火星、月球的三維地貌，為科學(xué)家研究外太空星球提供虛擬環(huán)境。下一步，我們團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)調(diào)研國外閉源地質(zhì)軟件，爭取打破外國地學(xué)技術(shù)體系的壟斷。

綜上所述，浙江大學(xué)杜震洪教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的 Earth Explorer 深時(shí)可視化分析系統(tǒng)，作為一款在線地學(xué)專業(yè)可視化分析系統(tǒng)，EE 實(shí)現(xiàn)地學(xué)數(shù)據(jù)在線多維渲染和時(shí)空動(dòng)態(tài)分析，不僅解決了深時(shí)地球科學(xué)研究中可視化表達(dá)與模擬的難題，還為開展地球科學(xué)研究帶來了新的啟發(fā)思路和分析方法。未來，隨著人工智能、數(shù)字孿生技術(shù)的不斷進(jìn)步和與科學(xué)家的深入合作，EE 有望在地學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

關(guān)于戚勁老師

本次分享的嘉賓戚勁老師來自浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芎Ｑ髮W(xué)、地學(xué)大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)研發(fā)。他主持了多項(xiàng)重要科研項(xiàng)目，包括「十四五」國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，曾擔(dān)任浙江近岸海域生態(tài)環(huán)境多源信息智能服務(wù)平臺(tái)的技術(shù)負(fù)責(zé)人，獲海洋工程科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等。

戚勁老師個(gè)人主頁：
https://person.zju.edu.cn/qijin