您的位置:首页

详情

专注空间大数据研究 推动我国数字地学发展——吉林大学路来君教授

2019-08-02

 

数字地质科学是数学地质学、地球信息科学、计算机技术等跨学科交叉融合性的新兴学科,也是地球科学与技术发展的必然结果。国际上已更名为数学地球科学。
吉林大学路来君教授长期以来一直从事数学地球科学理论与技术研究,他在地学空间变异理论、方法和技术研究上,凭借其独到的学术见解和明智的选择,特别在高性能计算、云计算环境下,寻求地学空间分析中的理论突破与技术创新。同时,他在非线性复杂系统(自组织超临界态/随机组合异常态/混沌极端态)大数据混沌谱分析理论、时间/空间大数据多维色码理论及技术、四网协同(物联网、互联网、移动通信网、北斗导航网)民生工程技术设计、基于多组学大数据的恶性肿瘤非线性复杂系统分析及云平台、地学G4ICS等开发研究工作均取得了重要的突破。其中,由他开发的创新成果地学G4I系统,以地理学、地质学、地球化学、地球物理学(4G)等地学空间数据集成为基础,以地学空间信息先进理论为内核,曾被同行专家评定为国际先进水平成果。
 
1 地学空间系统的混沌谱理论
数学地球科学的重要问题是地学时间/空间分布与变化的不确定性分析,在这个领域,传统随机类数学模型已应用了很长时期且取得了许多成果,随地球系统科学的不断推进,传统随机模型局限性渐渐显露出来,其中诸如巨型花岗侵入体、特大型矿床、大型稳定盆地存在,用随机模型解释起来非常困难。20世纪90年代至21世纪初,地学混沌理论初见端倪,然而研究者少之又少,於崇文院士即是一位独具匠心的大师。路来君教授在国家973计划课题中潜心钻研、虚心请教,他凭借对“四深”(深空、深海、深地、深时)概念的理解与地学实践,提出空间大数据混沌谱理论。
该理论认为地球系统圈层是以界面耦合为基础的物质、能量平衡体系,每个界面都包括若干子系统,而每个子系统又都具有各自的组成要素,这些要素无不带有地球周期性演化特征,具有“振荡”属性,然而空间要素振荡频率多数情形下不可测量且不必要,要素自身结构一般未知,研究者仅拥有各类观测数据。此时,系统科学已转换为数据科学问题。路来君教授在重新定义地学空间与大数据基础上,以大区域地球化学元素土壤测量数据为案例,证明了地学子系统具有“3H“4C”特性,且符合“初值敏感性“状态的叠加效应”等混沌体系特征;为简化大数据空间结构,他提出了非线性降维降噪模型,实质上相当于宏观引力公式的泛化改进;他借鉴能量谱密度原理推导了空间谱密度模型,在傅利叶变换、拉普拉斯变换及希尔伯特变换下通过空间谱密度的时空转换,给出了空间分布与变异性度量函数,从而导出了时域函数与空域函数之间的变换关系,支撑这种空间变异函数的主体恰是空间大数据。于是,对每一子系统均可依大数据建立一定分辨率下的变异函数及其微分方程;他运用复杂定理证明了上述空间变异函数的收敛性,将这种收敛性定义为子系统的混沌空间吸引子,大型侵入体、盆地及矿床均系“空间吸引子”;他将上述称为地学空间混沌谱模型理论;各类地质异常可视为混沌极端态效应。
 
2 生命细胞演化过程与生态预警领域的混沌谱理论
生命细胞演化乃至肿瘤形成属于一种不确定性的生物学系统,原癌基因在个体遗传、微环境及心理因素作用下被激活分裂,而良细胞的自噬保护博弈功能相互影响,可将恶性肿瘤发生视为一种系统超临界形为,从混沌谱角度,可认为肿瘤细胞系统内部要素间处于极端状态。路来君教授将他的大数据混沌谱理论应用到精准医学领域,提出依赖基因组、蛋白质组、转录组、代谢组、表观组、微生物群组等组学数据建立细胞演化过程非线性频谱模型及临界识别解决方案,同时在计算机上建立各组学频谱的对应色码可视化模型,用大数据表达细胞演化过程,并将种多维色码图像与医学影像之间进行某种语义互译,取得关联性判读表志,在临床验证基础上为精准诊疗提供定量分析依据。
海岸带地下水受地表重金属排放物及岩溶特性、滨海海水入侵、海洋潮汐及海洋汽溶胶、海岸高位养殖等多元要素相互作用,水质成分变异形成复杂动态生态系统,临界识别及预警分析已成为国计民生重大课题。路来君教授与合作单位尝试在此领域运用大数据混沌谱理论,选择山东半岛典型区域作为试验对象,建立地下水成分变异方程模型,并提出预警分析解决方案。
专家简介
路来君,博士,吉林大学地球科学学院数字地学研究中心教授、首席科学家,国际数学地球科学会员,国际数学地球科学中国委员会理事,江西省放射性地学大数据技术工程实验室、核地学数据科学与系统工程中心首席专家,中国医科大学环境与健康研究所兼职教授。曾主持和参加国家973计划项目、国家863计划项目、国家科技支撑计划项目、国家自然科学基金项目及省部项目共30余项,发表SCI、EI论文60余篇,编写专著6部,指导博士生31名,硕士生41名。