利用地球“數(shù)字孿生”系統(tǒng)模擬水循環(huán)及預(yù)測(cè)自然災(zāi)害

地球水循環(huán)從理論上看好像簡(jiǎn)單，但在實(shí)踐中卻很難預(yù)測(cè)。再加上不斷變化的氣候，預(yù)測(cè)過(guò)程就會(huì)變得更加復(fù)雜。水循環(huán)專家需要來(lái)自浩瀚大地的高分辨率數(shù)據(jù)才能模擬地球上的水。

水循環(huán)的建模必須足夠復(fù)雜，要包括土壤濕度和山上的積雪等。最近，研究人員構(gòu)建了迄今為止最詳細(xì)的水循環(huán)模型，在地球水循環(huán)建模方面邁出了重要的一步。

地球的數(shù)字孿生

由意大利國(guó)家研究委員會(huì)的Luca Brocca博士帶領(lǐng)的一個(gè)研究小組為地中海盆地的水循環(huán)創(chuàng)建了數(shù)字孿生案例研究。

他們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)非專家可以運(yùn)行的交互式計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)。他們?cè)陬}為“陸地水循環(huán)的數(shù)字孿生：通過(guò)高分辨率地球觀測(cè)窺見未來(lái)”的研究報(bào)告中描述了他們的工作成果。

科學(xué)家可以利用地球的數(shù)字孿生體通過(guò)不斷更新數(shù)據(jù)模擬最好和最壞的情況。科學(xué)家還可以借助地球的數(shù)字孿生體在危險(xiǎn)情況發(fā)生之前評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)并監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)因素的變化。這些信息對(duì)于可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)弱勢(shì)群體非常重要。

Brocca和他的團(tuán)隊(duì)利用大量衛(wèi)星數(shù)據(jù)建立了一個(gè)數(shù)字孿生模型。他們將這些數(shù)據(jù)與量化的降水、土壤測(cè)量、河流排水、蒸發(fā)和積雪深度等新地球觀測(cè)數(shù)據(jù)整合在一起。獲得的新數(shù)據(jù)包括更頻繁的跨時(shí)空測(cè)量，每小時(shí)一次，每公里一次。

更高分辨率的數(shù)據(jù)可生成更詳細(xì)的圖像，類似更多像素的屏幕。該團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家們利用這些數(shù)據(jù)建立了一個(gè)模型，建好的模型可以整合到云平臺(tái)中進(jìn)行模擬和可視化。最終，他們創(chuàng)建了一個(gè)互動(dòng)工具平臺(tái)，任何人都可以用這個(gè)工具平臺(tái)繪制山體滑坡和洪水等風(fēng)險(xiǎn)地圖。

通過(guò)模擬規(guī)劃未來(lái)

該研究團(tuán)隊(duì)首先對(duì)波河（Po River）流域進(jìn)行了數(shù)字孿生建模。然后他們將該數(shù)字孿生擴(kuò)展到地中海地區(qū)的其他地方。團(tuán)隊(duì)的專家們?cè)谖磥?lái)計(jì)劃將該數(shù)字孿生擴(kuò)展到整個(gè)歐洲，并通過(guò)合作將同樣的原理應(yīng)用到全球各地。

該平臺(tái)的主要用途是改善洪水和滑坡預(yù)測(cè)以及優(yōu)化水資源管理。該項(xiàng)目要在更加基層地區(qū)發(fā)揮作用的話則需要更精細(xì)的數(shù)據(jù)和更復(fù)雜的建模。例如，要最大限度地發(fā)揮數(shù)字孿生平臺(tái)在農(nóng)業(yè)方面的潛力就需要以幾十米而不是幾百米為單位的數(shù)據(jù)分辨率。

而且還需要考慮其他的挑戰(zhàn)，包括更多的衛(wèi)星數(shù)據(jù)驗(yàn)證所需的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)、向模型傳輸衛(wèi)星數(shù)據(jù)的延遲，以及日益復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理算法。

完美的模型是不存在的，地球的數(shù)字孿生也不完美。

此外，衛(wèi)星數(shù)據(jù)可能包含不確定性，必須適當(dāng)?shù)孛枋鲞@些不確定性才能令用戶準(zhǔn)確了解模型的可靠性。

Brocca認(rèn)為，機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能可以很好地解決這些挑戰(zhàn)。其做法是采取簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估、增強(qiáng)數(shù)據(jù)分析和收集及處理的速度等方法。