目錄
“地球大數(shù)據科學論叢”序
前言
第1章 大數(shù)據時代的古生物學與地層學 1
1.1 大數(shù)據的發(fā)展 1
1.2 科研范式變革 5
1.3 數(shù)據驅動古生物學與地層學研究 7
1.3.1 數(shù)據采集方法革新 7
1.3.2 數(shù)據庫體系的建立與完善 8
1.3.3 數(shù)據分析方法不斷革新 9
1.4 相關的國際大科學計劃與組織 11
1.4.1 未來地球 11
1.4.2 國際數(shù)字地球學會 12
1.4.3 地球大數(shù)據科學工程 13
1.4.4 國際地質科學聯(lián)合會的大科學計劃 16
1.4.5 深時數(shù)字地球大科學計劃 17
參考文獻 18
第2章 構建數(shù)據庫 22
2.1 科學數(shù)據庫的定位與設計 22
2.1.1 格式與標準 22
2.1.2 整合與關聯(lián) 23
2.1.3 算力與人力 24
2.1.4 算法與程序 27
2.1.5 定位與理念 29
2.1.6 框架與模型 30
2.2 從地質生物多樣性到化石本體 32
2.2.1 地質生物多樣性數(shù)據庫 32
2.2.2 化石本體 35
2.3 專業(yè)數(shù)據庫與數(shù)據平臺 38
2.3.1 數(shù)據資源平臺 38
2.3.2 研究機構的化石標本數(shù)據庫 42
2.3.3 專業(yè)的學科數(shù)據庫 44
2.3.4 地質年代與“金釘子”數(shù)據庫 49
參考文獻 51
第3章 元數(shù)據 54
3.1 元數(shù)據概述 54
3.1.1 定義 54
3.1.2 元數(shù)據內容和結構 55
3.1.3 元數(shù)據類型 56
3.1.4 元數(shù)據的作用 57
3.2 元數(shù)據研究情況 57
3.3 元數(shù)據的應用 59
3.3.1 地球科學 59
3.3.2 數(shù)字圖書館 61
3.3.3 政府和商業(yè) 61
3.3.4 醫(yī)療 61
3.4 元數(shù)據的模式與標準 62
3.4.1 互操作 62
3.4.2 元數(shù)據標準 63
3.4.3 廣泛適用的標準簡介 64
3.4.4 國外各領域元數(shù)據標準 66
3.5 古生物學與地層學元數(shù)據 69
3.5.1 化石標本元數(shù)據 69
3.5.2 化石產出記錄元數(shù)據 75
3.5.3 地層剖面的元數(shù)據 79
3.6 古生物學與地層學元數(shù)據標準的推廣與數(shù)據交換 81
參考文獻 84
第4章 數(shù)據元素與內容 87
4.1 文獻數(shù)據 87
4.1.1 作者信息 89
4.1.2 發(fā)表細節(jié) 90
4.1.3 文檔與文本信息 90
4.1.4 資助信息 90
4.1.5 引用形式 91
4.2 產地數(shù)據 91
4.2.1 行政區(qū)劃 91
4.2.2 經緯度 91
4.3 古生物學數(shù)據 92
4.3.1 大類 92
4.3.2 系統(tǒng)分類 93
4.3.3 觀點信息 93
4.3.4 標本數(shù)據 95
4.4 形態(tài)學數(shù)據 94
4.5 化石標本數(shù)據 96
4.5.1 化石標本的妥善收藏 102
4.5.2 模式情況 103
4.5.3 發(fā)表信息 105
4.5.4 館藏信息 105
4.5.5 采集與鑒定信息 105
4.5.6 圖像與三維模型信息 106
4.6 地層剖面數(shù)據 107
4.6.1 剖面基本信息 108
4.6.2 地層描述信息 109
4.6.3 其他信息 109
4.7 鉆孔巖心數(shù)據 111
4.8 化石圖像數(shù)據 114
4.8.1 大化石攝影 115
4.8.2 微觀照相和專業(yè)設備照相 120
4.8.3 圖像格式與數(shù)據化 124
4.9 三維模型數(shù)據 126
4.9.1 利用三維掃描設備采集三維模型數(shù)據 126
4.9.2 利用斷層掃描重建三維模型數(shù)據 129
4.9.3 三維模型數(shù)據格式 131
4.9.4 三維模型數(shù)據規(guī)范 134
參考文獻 135
第5章 多樣性與形態(tài)空間 137
5.1 生物多樣性研究 137
5.1.1 從統(tǒng)計中尋找規(guī)律 138
5.1.2 從數(shù)據中發(fā)現(xiàn)模式 140
5.1.3 精度與廣度的全面拓展 142
5.2 生物多樣性研究的基本方法與案例 144
5.2.1 稀疏標準化 144
5.2.2 貝葉斯法則 149
5.3 形態(tài)多樣性和形態(tài)空間 151
5.3.1 形態(tài)學數(shù)據 152
5.3.2 構建形態(tài)空間 154
5.4 形態(tài)空間在古生物學中的研究 157
5.4.1 形態(tài)學數(shù)據分析研究案例：中生代聲學景觀的演化 158
5.4.2 形態(tài)空間分析研究案例：二疊紀末滅絕事件驅動甲蟲的早期演化 159
參考文獻 163
第6章 時空與網絡 169
6.1 從“金釘子”到定量分析 169
6.1.1 圖形對比 172
6.1.2 高分辨率地質時代與生物多樣性 175
6.2 時空分布 177
6.3 網絡分析 183
6.3.1 生物地理分區(qū) 183
6.3.2 研究案例：泥盆紀植物的古地理分區(qū) 186
參考文獻 189
第7章 古地理重建 193
7.1 發(fā)展與沿革 193
7.2 構造古地理學 195
7.3 巖相古地理學 198
7.4 生物古地理學 201
參考文獻 203
第8章 機器視覺 206
8.1 定義 206
8.2 圖像分類問題 207
8.2.1 算法演進 208
8.2.2 細粒度圖像分類 209
8.2.3 深度學習與卷積神經網絡 210
8.3 構建數(shù)據集 213
8.3.1 用于細粒度圖像識別的數(shù)據集 213
8.3.2 筆石化石標本綜合數(shù)據集 214
8.4 數(shù)據處理 218
8.4.1 標注與剪裁 219
8.4.2 數(shù)據集分割 221
8.5 基于層級約束的卷積神經網絡模型 222
8.5.1 訓練流程 222
8.5.2 親緣關系作為相似性權重 223
8.5.3 距離度量作為層級約束 225
8.5.4 總損失函數(shù) 226
8.5.5 實驗結果 227
8.6 可視化展示 229
8.6.1 類激活映射（CAM）可視化 229
8.6.2 基于t-SNE的圖像嵌入可視化 232
8.6.3 基于UMAP的圖像嵌入可視化 233
參考文獻 234
第9章 三維世界 238
9.1 化石標本的超現(xiàn)實展示 238
9.1.1 三維展示 241
9.1.2 三維復制 242
9.1.3 超現(xiàn)實展示 242
9.2 化石三維重建與度量分析 244
9.3 有限元分析 245
9.4 計算流體力學 248
9.5 地質體的三維重建 249
參考文獻 253
第10章 應用拓展 257
10.1 以筆石化石識別為基礎開發(fā)的AiFossil 257
10.1.1 技術框架 259
10.1.2 主要功能 261
10.1.3 應用與影響 262
10.2 保護世界自然遺產 263
10.2.1 基于古生物學與地層學研究的地質遺產 263
10.2.2 數(shù)據服務于地質遺產保護 265
10.3 古生物學的元宇宙 265
10.3.1 虛擬現(xiàn)實 266
10.3.2 全息投影 267
10.3.3 機器人 267
參考文獻 269