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现代高教信息高等教育研究所中国地质大学

现代高教信息

中国地质大学(武汉)

发展研究中心编2005年第7期(总第21期)2005年9月22日

地球系统科学专题

一、地球系统科学综述

二、从地球过程到人地和谐

三、关于我国开展地球系统研究战略概念模型的讨论

四、美国地球系统科学教育概况及对我国地球科学教育的启示

河南省:

教授两年不教本科将“下岗”

为了强化教师教学工作制度,落实关于教授、副教授要为本科生上课的要求,河南省近日出台规定:

凡连续两年不讲授本科课程的,不再聘任其担任教授、副教授。

人民网

北京取消教授头衔终身制高校全面实行聘任制

北京市教委、市人事局联合发出《北京市属市管高等学校教师职务聘任制实施意见(试行)》。

今后北京33所市属市管高校和成人高校将取消教授、副教授等头衔的终身制。

实行聘任制后教师职称将打破“终身制”,取而代之的是能进能出、职务能上能下、待遇能高能低的机制。

高校的教师岗位可以分别设置为以教学科研为主型岗位、以教学为主型岗位、以科研为主型岗位、以实验技术为主型岗位。

高校老师的薪水也将实行以岗定薪、岗变薪变的分配制度。

竞报

广东外语外贸大学探索勤工助学新模式

学校出资兴建学生勤工助学基地,下设七大经济实体,完全交由学生自主创建、自主经营、自主管理。

通过创造性、知识型的勤工助学与社会实践工作,学生不仅得到了很好的创业体验和就业实践,又把专业学习与社会实践很好地结合,同时解决经济困难问题,可谓一举多得。

中国教育报

☆高教所办公地点已搬迁至原校医院二楼,办公电话变动如下:

常务副主任室:

85092;副主任室:

84768;教研室:

84830;资料室:

85094;办公室:

85093。

☆9月3日,高教所、国际合作处、科技处和人事处四支部联合赴红安举行了以重温入党誓词为主题的革命传统教育。

☆9月5---6日高教所迎来了2005级26名硕士研究生新同学。

☆9月8日,高教所对2005级新生进行了入学教育。

常务副所长储祖旺教授介绍了高教所的发展历史,导师代表李祖超教授提出了学习、科研的具体要求。

☆9月14日高教所举行2005级研究生和导师见面会。

张锦高校长对大家表示热烈欢迎并提出了殷切希望。

高教所全体老师、硕士生导师和2005级研究生参加了此次活动。

☆8月31日下午,高教所召开了全国教育科学“十五”规划课题申报研讨会,管理学院副院长诸克军教授、政法学院宋斌教授到会介绍了他们申报国家级课题的经验,科技处曹桂华副处长介绍了她在国家自然科学基金委关于课题申报的体会。

学校党委书记傅安洲参加了研讨会。

前言:

科学制定与实施学校发展战略,已经成为国内外高校实现跨越式发展的有效途径和战略保障。

高校应该注重科学定位,明确高校战略愿景,重视使命陈述,强化高校战略目标。

科学技术的发展很大程度上取决于学术指导思想和研究方向的确定。

作为社会可持续发展的理论基础,地球系统科学将是新世纪地球科学革命的一个重要突破口,在国家各项建设实现可持续发展战略需求上具有充分的驱动力,将地球系统科学作为今后一段时期重点研究方向已经取得学术界的广泛共识。

作为一门系统科学的发展,还要求有系统的措施,不能够仅仅局限于表层系统,随着人类社会空间与通信技术的发展,原先不在视阈之内的磁层、电离层和中高层大气,都已经变的与我们休戚相关,成为地球系统不容忽略的重要组成部分。

编者认为,今后一段时间内应该将地球系统科学作为中国地质大学学科发展的努力方向,真正认识和理解从地核到日地空间的整个地球系统,为社会主义现代化建设事业的可持续发展提供坚强有力的理论基础和技术保障,从而促进我校宏伟办学目标的早日实现!

因此,本期转载了国内地球系统科学领域最新的几篇研究成果,以期与大家共勉和分享。

不当之处,还望各位专家学者批评指正。

 

地球系统科学综述

毕思文

中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101

引言地球系统科学理论构建主要取决地球科学、科学技术与可持续发展三大背景和挑战。

其意义是:

21世纪地球系统科学将以全球性、统一性的整体观、系统观和多时空尺度,研究地球的整体行为。

开展地球系统科学的研究,将使人类更好地认识赖以生存的环境,更有效地防止和控制可能突发的灾害对人类所造成的损害。

1 地球系统科学提出的背景

1.1 人类面临全球性的重大问题

地球是人类赖以生存与发展的物质源泉和环境,因此人类总是把自己的命运与地球的演变和太阳等行星对地球环境的影响紧密地联系在一起。

但是,在几个世代的时间里,人类社会的经济活动和技术活动却对全球变化产生了明显的影响。

因此,怎样对待可持续发展是全世界共同关心的重大问题,也是人类生存与自然的基本矛盾,更是地球科学面临的挑战。

当前,人类正面临着一系列前所未有的重大而紧迫的全球环境问题,人口爆炸、土地荒漠化、资源短缺、环境污染加剧、“温室效应”与全球变暖、臭氧屏蔽的破坏、森林锐减和物种加速灭绝、淡水资源短缺等成为人们的热门话题。

从科学角度看,这些紧迫的环境问题实质上是地球各圈层组成的统一系统,即地球系统各圈层相互作用产生的。

可以预见,21世纪将是人类明智地管理和维护地球的新纪元。

1.2 地球系统的全球化

经济全球化是20世纪80年代以来,特别是21世纪的一个重要特征。

随着科学技术创新发展和人类社会的进步,大科学时代的到来,全球化趋势将是自然科学和社会科学在21世纪的重要发展方向。

1.3 地球系统科学与传统地球科学

地球系统科学是传统地球科学发展的必然,人类对地球的开发、利用、探索研究活动由来已久。

地质学、地理学、气象学、海洋学和生态学都有悠久的历史。

然而,迄今对地球的研究多是针对地球的某一组成部分分门别类地进行的,形成了各种专门学科,以及带有各自门类特色的传统研究方法和知识体系。

仅仅在10多年前,科学家才普遍认识到必须把地球作为一个由相互作用着的各个组元或子系统———主要是地核、地幔、土壤、岩石圈、大气圈、水圈和生物圈(包括人类社会)组成的统一系统,即地球系统来研究。

只有如此才能真正深化对地球的研究,也只有如此才能回答人类所面临的一系列地球系统行为的紧迫环境问题,这样一种眼界和观念的转变,标志着从传统地球科学观念向地球系统科学的转变,这种转变的实现有双重背景:

一是地球科学各分支深入发展的必然;二是人类面临全球性可持续发展的重大问题;三是40余年来空间对地观测技术和信息科学技术的突飞猛进开阔了人类的眼界,大大提高了人类认识地球的能力,这是向地球系统科学概念转变的另一重要背景。

地球科学的任务在于认识地球和揭示其他天体对地球影响的基本规律,揭示人类活动与地球环境相互作用的效应,从而为持续发展满足自然资源,防治和减轻自然灾害,保护和优化人类生存环境提供理论基础;为国土整治,大型工程建设及制定国家经济和社会发展规划提供基础知识和资料;为探索地球与天体起源,生命与人类起源,人与环境相互关系的演变等重大基础理论问题提供科学依据。

现代技术,尤其是空间技术和大型电子计算机的发展,使对地球的整体探索成为现实;地球科学许多分支学科自身的成熟,促进了学科间的相互联系和依赖,当代地球科学正从以学科分支为主体转向学科间大跨度交叉渗透研究地球系统的新时代。

地球系统科学旨在研究包括自地核到地球外层空间十分广阔的范围内,地球系统各组成部分各圈层之间复杂的相互作用过程,以及控制这些过程的机理,从而要求地球科学必须与生命科学、化学等学科以及社会科学相结合,认识地球演化历史。

并建立全球环境变化预测的科学基础,以改善人类生存环境,使世界经济在21世纪保持持续发展。

综上所述,我们既可看到地球科学从传统地球科学脱胎的印迹,又可体察到21世纪的今天正处于地球科学发生飞跃和突破的前夕,而地球系统科学将正是这个突破口。

当然,地球系统科学并不能代替传统地球科学各学科自身的发展;相反,要求它们能更深入精确地研究和提供地球系统各组元自身的规律性知识,然而从研究对象、研究方法、解决的问题诸方面看,地球系统科学与传统地球科学相比具有许多全新的特色和更高层次,是21世纪最受人们重视的新兴科学之一。

2 地球系统科学国内外研究现状

2.1 国际发展态势

地球系统科学是一个比较新的名词,它脱胎于气候系统研究。

20世纪80年代中期,科学家才普遍认识到必须把地球作为一个由相互作用着的各个组元或子系统组成的统一系统,即地球系统来研究。

在这种形势下,代表人物有:

G.Garland,他首先提出了物理过程与生物过程相互作用的观点;HerbertFriedaiman提出了“地球系统”的思想;F.P.Bretherton于1987年对地球系统科学作了简略说明,1986年出版了《地球系统科学概观》。

美国国家航空与宇航管理局(NASA)顾问理事会于1983年任命的《地球系统科学委员会(EarthSystemScienceCommittee)》,在主席Bretherton博士的领导下,集中了一大批国际知名科学家,详细评述了地学、生物学的现状及存在问题,并于1987年出版了《地球系统科学》报告,报告中提出的一些独特见解得到了国际上有关科学界的赞同。

该报告已由陈泮勤等翻译,于1992年出版。

另外,由W.A.Nierenberg主编了长达1800多页的《地球系统科学百科全书》,已于1992年在国内出版。

1994年AMBIO第1期出版了《综合的地球系统科学》专号。

许多观测、试验、研究计划得到有力的资助和人力的支持,美国还组织了22所大学发展地球系统科学教育。

一些发达国家(如美国、英国和日本等)纷纷制定了90年代固体地球科学发展计划,其优先方向和开拓领域主要围绕地球各层圈相互作用这一核心前沿以及全球变化、岩石圈和地球深部内层三大研究主题展开。

这些报告中,尤以美国国家研究委员会组织150多名地球科学家编写的《固体地球科学与社会》最为系统和权威。

最近,德国联邦政府教育与研究部(BMBTF)与科学基金会(DFG)经过很长一段时间的酝酿讨论和反复修改完善,共同策划制定了未来2000~2015年的超大型研究计划《地球工程学—地球系统:

从过程认识到地球管理》,共包括13个重大项目,于2000年3月正式定稿并开始招标实施,德国政府预计对该计划的实施投入经费达5亿马克(DM)。

美国国家科学基金会草拟了《2000年后的地学:

探索和预测地球的环境与可居住性》,根据地学的最新进展,21世纪前10年的总目标是通过支持高质量的研究、增强科学能力以及改进地学教育来提高对整个地球系统的认识水平,从而使国家受益。

重要的是,2001年6月24-28日,美国地理学会和伦敦地理学会在苏格兰的爱丁堡市共同举办了地球系统进展全球会议。

在此次大会中,来自不同领域、不同学科背景的学者共同探讨地球系统进展的问题,研讨地球系统科学的复杂问题的整体解决方法。

本次大会主题是“地球系统联系”和“地球系统演化”。

地球系统联系是探讨固体地球、水圈、大气圈、低温层和生物圈之间的关系;地球系统演化是研究从太阳系诞生45亿年来控制行星性状的过程。

这两个主题包含了对太阳系及其之外星系的行星系统的比较,也考虑地球外部的影响。

2.2 国内研究现状

我国在20世纪80年代末期开展了这方面的研究。

气象学家叶笃正院士等以地球系统科学为指南,从整体的角度出发,从1987年开始开展了中国的全球变化预研究。

地理学家黄秉维院士等发表了《论地球系统科学与可持续发展战略科学基础研究》的文章,从1995年夏季到1996年春季进行了多次研讨,并于1996年3月在北京香山组织了一次讨论会,探讨中国陆地系统科学与区域可持续发展战略问题。

遥感地理学家陈述彭院士发表了以区域持续发展为宏观调控的地球系统科学与地球信息科学的文章。

2001年11月,遥感学家童庆禧院士,以地球表层系统为研究对象,结合地球系统科学、空间信息技术和数字信息技术等,牵头负责了国家自然科学基金委的“地球空间信息科学战略报告研究”项目,主编了《地球空间信息科学》一书。

笔者自1991年以来,从事地球系统科学理论探索研究,发表论文160余篇,出版专著10部。

讨论了地球系统科学与可持续发展研究的意义及其内涵,并将两者融为一体进行系统研究,初步构建了理论体系。

同时,提出地球系统科学的主体核心内容是地球的结构和构造,也称地球系统构造学(统一构造理论);定量研究的切入点是地球系统力学;结合地球系统中的资源、环境和物质组成,提出了地球系统物质学,研究了地球系统的复杂性;面对“数字地球”概念的提出和挑战,构建了其理论体系,提出了地球系统数字学。

同时,还以青藏高原大陆碰撞各圈层统一相互作用和山地系统动力学,开展了地球系统科学应用示范研究;根据政治多极化、经济全球化,用地球系统科学研究思路,开展了自然科学与社会科学大跨度学科交叉研究,提出了系统政治学。

地球化学家於崇文院士1998年发表了固体地球系统的复杂性与自组织临界性的文章;还有一些专家、学者发表了有关地球系统科学方面的论文和报道。

2001年8月20~21日,由孙枢院士、陈述彭院士和海外地学学者在香山以“活动构造、环境与自然灾害”为主题的第167次香山科学会议,会议对“活动构造与气候”、“新技术、新资料与地球系统的新运动”和“活动构造与自然灾害”三个中心议题进行了探讨。

国家自然科学基金委员会地学部在上述国内外地球系统科学大量研究工作的基础上,于2002年3月提出了21世纪初地球科学战略重点“十五”优先资助领域战略目标是以地球系统各圈层的相互作用为主线,从我国具有优势的前沿领域寻找主攻目标。

打破原有的学科界限,强化学科交叉。

重点研究地球环境、资源以及人与自然作用的耦合,在各种时空尺度规模中研究地球系统的整体行为及其演变,为我国资源、环境、灾害与可持续发展中的重大问题的解决提供科学与技术的支持,发展地球系统科学的理论、方法与技术体系。

3 地球系统科学概念

3.1 研究思路

地球系统科学是研究地球系统整体行为的一门科学。

目的是了解地球系统是如何工作、如何运转的;研究它的过去、现在和未来的变化规律以及控制这些变化的原因和机制,从而建立地球系统预测的科学基础,为对策研究提供科学依据。

3.2 基本概念

地球系统科学的概念可按狭义和广义两种理解。

广义概念是指地球系统科学跨越一系列自然科学与社会科学。

地球系统科学是把地球看成一个由相互作用的地核、地幔、岩石圈、水圈、大气圈、生物圈和行星系统等组成部分构成的统一系统。

地球系统科学是一门重点研究地球各组成部分之间相互作用的科学,以解释地球的动力学、地球的演化、人地关系和全球变化。

其目标是:

了解整个地球系统的过去、现今及未来的行为。

3.3 地球系统过程

很清楚,地球系统过程主要体现在时间性和空间性两个方面。

描述地球上所有过程和变化的动力学系统将是一个非常复杂的数学力学问题,它超出了我们目前的研究能力。

因此,实践中常常对动力学模式进行修改,以便于检验某种时间尺度的过程或解决某些特定的问题。

为了开拓地球系统动力学的某些前景,我们可以首先确认相关过程的特征时空尺度。

地球系统科学把描述和认识行星尺度的变化作为自己的主要任务,以地球各学科为基础的地球系统科学通过对行星尺度的演化和变化取得广泛的全球观念而将各学科综合起来,对地球系统科学最基本的认识之一就是这种行星尺度的变化发生在一个相当宽的时间尺度内,并受所有时间尺度过程的驱动或改变。

地球系统科学研究的主要时间尺度可以用几百万年至几十亿年、几千年至几十万年、几十年至几百年、几天至几个季度、几秒至几个小时五个不同的时段来定义。

上述时段中的前两个具有较长的时间尺度,它们包括属于传统地球科学—地质学、地球物理学和地球化学等领域的现象;而在大气科学、生物学和海洋学的研究中,则侧重于后两个时段;中间时段包含几十年至几百年时间尺度的全球变化中直接出现的那些过程和效应。

生物过程在所有时间尺度内发生,但是发生在中间时段的过程对于人类社会的利害关系和规划尤为重要。

为迎接这一挑战,地球系统科学首先应融合地质学、地理学、大气学和海洋学的知识以及地球生物系统的知识,以便认识乃至预报人类生存时间尺度内地球系统的演化。

因此,这一方法应当阐明那些共同产生中等时间尺度的行星规模变化的现象和过程之间的相互作用。

然后,将这种新知识纳入反映地球作为一个动力学系统运行的有关科学结构中去。

最后,还必须用地质记录中的长时间尺度过程的证据对这一结构的适用性进行检验。

在空间性方面,从地核、地幔对流、岩石圈运动、大气圈、水圈和生物圈到行星太空,都是地球系统的空间范畴。

4 地球系统科学研究方法

4.1 全球——区域信息获取

只有航天、航空遥感才能提供全球和区域重复性的、连续对地观测数据,这些数据可用于对地球系统作为一个整体进行理解。

卫星和地面观测及复杂的计算机模拟在研究地球系统时将发挥不可替代的重要作用。

20世纪90年代以来,遥感科学技术进入了一个新的发展时期。

在理论上,从定性发展到半定量、定量,从分散发展到集成;在技术上,已由可见光发展到红外、微波,从单一波段发展到多波段、多极化(偏振)、多时相、多模式,从单一遥感器到多遥感器的结合;在应用上,已从实验走向实用,从区域应用到全球范围的应用,并正在向产业化方向发展。

特别是近年来,它与全球定位技术和地理信息系统技术的融合、渗透和统一,形成了新型的对地观测系统,为地球科学、环境科学、生物学等研究提供了新的科学方法和技术手段,导致了地球科学的研究范围、性质和方法的重要变化,为地球科学研究带来了变革性的进展,标志着地球科学信息获取和分析处理方法的一场革命。

4.2海量信息处理和分析

在地球系统科学研究中,至少在模拟、大型数据库管理和流水线图像处理需要超级和巨型计算机。

因为地球系统过程的模式需要很大的输入数据场,信息是海量的。

包含大量的网格点,且要由很大的程序码来运转。

必须在超级和巨型计算机上运行才能求得满意的结果。

地球系统科学还需要极大的数据库,需要专用的超级计算机。

此外,几个辐射通道上的高分辨率图像(106~107个像素)的数字化组合和处理也需要很强的计算机能力。

但是,仅用超级和巨型计算机并不能满足地球系统科学研究的需要,还需要高性能的工作站相结合。

信息网络也是地球系统科学研究所不可缺少的重要技术,网络技术在地球系统过程海量信息处理和分析中起着非常重要的作用。

4.3 地球系统模型

在地球系统科学的不同层次上以及地球系统科学的不同学科分支之间,地球系统科学的研究方法既有共同点,也有相异之处,称为地球系统模型。

具体表现为:

(1)地球系统方法的哲学基础。

任何科学方法都有它的哲学基础,地球系统科学方法论的哲学依据,归根到底是唯物辩论法。

(2)还原论与整体论相结合。

古代科学的方法论本质上是整体论(Wholism),强调整体地把握对象。

近400年来科学遵循的方法论是还原论(Reductionism),主张把整体分解为部分去研究。

研究地球系统,科学的态度应当是把还原论和整体论结合起来。

(3)定性描述与定量描述相结合。

地球系统中任何子系统都有定性特性和定量特性两方面,定性特性决定定量特性,定量特性表现定性特性。

定性描述与定量描述相结合,是地球系统研究的基本方法论之一。

(4)局部描述与整体描述相结合。

描述地球系统包括描述整体和局部两方面,需要把两者很好地结合起来。

在地球系统的整体观对照下建立对局部的描述,综合所有局部描述以建立关于地球系统整体的描述,是地球系统研究的基本方法。

(5)确定性描述与不确定性描述相结合。

地球系统的不确定性有很多种类,如随机性、模糊性、信息不完全性、歧义性等。

(6)系统分析与系统综合相结合。

如何由局部认识获得整体认识,是地球系统综合所要解决的问题,分析--重构方法用于地球系统研究,重点在于由部分重构整体。

重构就是综合,首先是信息的综合,即如何综合对部分的认识以求得对整体的认识,或综合低层次的认识以求得对高层次的认识。

综合的任务是把握地球系统的整体涌现性。

(7)模型与原型构造。

地球系统模型是为了研究原型,客观性、有效性是对建模的首要要求,反映原型本质特性的一切信息必须在模型中表现出来,通过模型研究能够把握原型的主要特性。

模型又是对原型的简化,应用压缩一切可以压缩的信息,力求经济性好,便于操作。

没有简化不成其为模型,同原型比较未能显著简化的模仿品不是好模型。

(8)数学模型。

所谓地球系统的数学模型,指的是描述地球系统中元素之间、子系统之间、层次之间相互作用以及系统与环境相互作用的数学表达式。

(9)基于计算机的模型。

用计算机程序定义的模型,称为基于计算机的模型(Computerbasedmodel)。

计算实验是一种新的实验形式,有许多科学和哲学的问题尚未解决。

但它为研究地球系统科学复杂巨系统提供了唯一普遍可用的实验手段,意义重大。

5 地球系统科学理论基础(略)

6 地球系统科学子系统(略)

7 地球系统科学学科分支

地球系统科学学科分支主要建立在对资源、环境、灾害的认识,深度、广度和研究重点已发生了重大变化。

技术科学的进步为地球系统科学研究提供了强有力的手段,数学、化学、物质科学的发展为地球系统科学的研究主题提供了新的方法和理论基础,地球系统科学内部学科的交叉以及与其他科学的交叉为生命和人类的起源与进化,地球的形成与演化注入了新的活力,使得地球的物质组成、地球系统的结构构造、地球系统动力学特征、陆地系统、大气系统、海洋系统、人类活动、地球系统的复杂性研究、可持续发展管理模式等成为新的研究热点。

学科分支在此仅作一框架概述。

(1)地球系统场理论,作者根据爱因斯坦统一场论的思想,结合系统科学、现代力学和数学、非线性科学和地球科学的理论基础,来描述和研究地球系统。

主要内容有系统场理论基础、地球系统场基本类型、地球系统的引力场、生态场和地球系统场分析原理。

(2)地球系统构造学,也称统一构造理论,主要研究地球系统的结构和构造特征。

(3)地球系统力学,研究地球系统各圈层间相互作用的运动学与动力学。

(4)地球系统复杂性,研究地球系统复杂现象的形成机理、研究方法、分类和理论。

(5)地球系统物质学,主要研究地球系统中的物质组成与相互作用。

(6)地球系统观测学,也称对地观测系统,主要利用3S技术和其他对地观测技术进行地球系统观测。

(7)数字地球(地球系统数字学),构建数字地球模型、理论和技术方法,推动地球科学从定性向定量研究的方向发展。

(8)地球系统行星学,主要研究行星———地球系统的基本运动规律与特征,进一步深入认识行星系统。

(9)地球系统陆地学,主要研究地理系统动力学特征、陆地资源、陆地环境和陆地灾害规律等。

(10)地球系统大气学,主要研究地球系统中大气圈的长期、中期和短期气候预测规律。

(11)地球系统海洋与水文学,主要研究地球系统中水圈系统的运动学和动力学特征及各圈层间相互作用。

(12)地球系统生物学,主要研究地球系统中的生物演化规律和生态学特征。

(13)地球系统工程学,研究人类工程活动与地球系统各圈层相互作用及效应。

(14)地球系统资源学,主要研究地球系统中资源的形成机理、资源的类型、资源利用和资源总量。

(15)地球系统环境学,主要研究地球系统环境和人类社会关心的全球变化、环境类型与对策。

(16)地球系统灾害学,主要研究地球系统灾害与人类社会、灾害机理、类型、规律和减灾与防灾对策。

(17)地球系统管理学,在上述诸学科研究基础上,提高人类对地球和社会发展的认识,研究管理好地球的理论、方法技术与对策。

(18)地球系统科学与可持续发展。

以地球系统科学为科学基础,开展人口、资源、环境、灾害、经济、社会与可持续发展研究。

8 地球系统各圈层相互作用动力学模型(略)

9 地球系统的数字表达—数字地球

数字地球(地球系统数字学)将成为21世纪地球科学的重要特征,推动地球系统科学,从对自然现象的描述向定量化方向发展。

主要研究内容有:

(1)数字地球提出的背景。

(2)数字地球研究方法。

(3)数字地球原型。

(4)地球系统场理论基础。

(5)数字地球物质模型。

(6)数字地球力学模型。

(7)数字地球数学模型。

(8)数字地球信息模型。

(9)数字地球信息获取技术与模拟。

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