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經過上千年的嬗變，科學研究理念、方法和技術已經發生深刻變化。尤其是信息與網絡技術的迅猛發展，不僅改變了人們的日常生活，而且改變了科學家的思維模式，新近國際上誕生了科學研究的第四範式，即數據密集型的知識發現。與此同時，社會所面臨的複雜問題越來越多，諸如環境汙染問題、資源耗竭問題、生態系統問題等，這些複雜性問題依靠傳統單一學科研究已很難解決，必然催生新的綜合性研究或學科。
▼ 戰略出臺的背景
美國地質調查局成立於1879年，成立初期主要從事西部找水工作。而後，經歷了多次機構調整，增加了地質礦產、地震、測繪等諸多職責，同時也剝離出美國礦業局和美國礦管局等生產性機構和管理性機構。1995年，美國地質調查局在渡過了生存危機之後，進行了深刻反省，職能不但沒有削弱，相反得到了加強，礦山局的部分研究職能和生物調查研究職能也被併入，目的是打造成一個綜合性科學研究和信息服務機構。歷經十多年的發展，美國地質調查局重新審視其戰略目標，並結合新形勢制定未來十年戰略計劃。本科學戰略出臺的背景有如下三條：
▶地球科學研究需要適應科學研究的新範式
在經歷了幾千年前以描述自然現象為主的「經驗範式」的科學研究，到數百年前的一般化歸納研究為主的「理論範式」，再到數十年前以計算和模擬為主的「計算範式」之後，隨著「大數據」時代的到來，人類迎來了科學研究的第四範式，即數據密集型科學發現。
美國政府敏銳地覺察到了「大數據」為科學研究和社會管理帶來的一系列變革，積極啟動了適應「大數據」的戰略規劃，以引領全球科學研究和社會管理。美國總統科學技術顧問委員會給總統和國會遞交的報告指出：數據正在呈指數級增長，如何收集、管理和分析數據正日漸成為我們網絡信息技術研究的重中之重。以機器學習、數據挖掘為基礎的高級數據分析技術，將促進從數據到知識的轉化、從知識到行動的跨越。該委員會還建議聯邦政府的每一個機構和部門，都應制定一個應對「大數據」 的戰略。2012年3月，美國歐巴馬政府宣布推出「大數據的研究和發展計劃」，該計劃涉及美國國家科學基金、美國能源部、美國國防部、美國地質調查局等6個聯邦政府部門，承諾將投資兩億多美元，大力推動和改善與「大數據」相關的收集、組織和分析工具及技術，以提高從大量的、複雜的數據集合中獲取知識和洞見的能力。在這種大背景下，美國地質調查局結合其新十年科學戰略計劃的研究與策劃，出臺了本戰略計劃。
▶不斷滿足社會需求的必然選擇
本戰略的出臺是美國地質調查局不斷滿足經濟社會發展要求的必然選擇。在130多年的發展歷程中，美國地質調查局的研究驅動力一直在「應用」與「研究」之間搖擺。冷戰結束後，以科學家自身興趣為主導的研究之風興盛，科學家根據自己的個人愛好，憑藉自身的技能、專長和設備儀器進行科學研究，被稱為興趣驅動型或學科驅動型科學研究，這固然很重要，但很難與社會實際相結合，滿足社會需求。這種情況甚至成為導致1995年美國地調局生存危機的重要原因之一。危機之後，美國地質調查局清醒地認識到其生存和發展取決於適應整個社會需求的能力，必須滿足不斷變化的國家需求，同廣大用戶保持更好的聯繫。於是，美國地質調查局逐步向需求驅動型的科學研究模式轉變，提出了「為不斷變化世界服務」的建局方針，進一步增強其服務意識。
經過十多年的發展，美國地質調查局服務需求的理念尚未完全得到落實。2009年，現任局長馬西婭·麥克納特女士上任，為進一步落實需求驅動的理念，提出了問題驅動的改革路徑，並於2010年重組了美國地質調查局的組織結構和預算結構，將之從與科學學科（地理學、地質學、生物學和水文學）相關的結構，轉變成以問題為依據的組織結構。同時進一步明確提出要開展問題驅動型科學研究，這便是當前美國地質調查局進行的戰略策劃中的指導方針。
▶複雜性問題的解決需要綜合性交叉性地球科學
未來面臨的許多重大社會經濟問題及環境生態問題大都是複雜性問題，需要運用綜合研究方法來解決。正如本戰略中氣候變化的實例所述，和許多現代問題一樣，氣候變化問題自從有了人類的作用以後，自然因素與人為因素便相互糾纏在一起，其複雜性讓人很難從其中抽絲剝繭地把各種因素區分開來。而要成功地解決這些影響著國家發展的問題，只能通過學科的交叉與綜合來實現，只有將橫跨科學的學科整合起來，產生新的交叉學科知識體系和方法途徑，才能解決現代複雜性問題。
正是基於此種認識及時代發展的需求，美國地質調查局在制定核心科學體系科學戰略時，高瞻遠矚，提出了大膽而長遠的模塊式科學框架，以打破傳統的學科界限，增進對生態系統的認識和理解，進而解決複雜的社會及環境問題。
▼核心科學體系科學戰略的目標和實質
核心科學體系科學戰略是美國地質調查局的一項新使命，它源於2007年科學戰略《直面明日挑戰：美國地質調查局十年科學戰略（2007～2017）》中確認的兩個交叉的科學方向，即數據集成及其他和新技術的發展。該戰略通過將美國地質調查局的核心實力、知識資產和財政經費有機整合起來，在繼續夯實美國地質調查局在地質學、地理學和生物學等學科核心實力的基礎上，開發新的技術方法，通過學科交叉和綜合提升其調查和研究能力。核心科學體系作為美國地質調查局新增的一項重要使命，不同於氣候變化和土地利用變化、生態系統、能源和礦產、環境健康、自然災害和水等其他六個科學戰略，它是美國地質調查局全局性的綜合科學戰略，其長遠目標在於實現美國地質調查局全局所有活動間的無縫連接。而其他六項則是產生重要問題的領域，即戰略問題；之所以把「核心科學體系」列入使命領域，是因為通過它可以為上述各領域工作提供解決途徑。
2012年，美國地質調查局為適應上述戰略部署將預算結構做了相應的調整，新的預算結構即按照上述七大板塊安排財政資金。其中，2012年美國地質調查局預算的核心科學體系整合了原有的生物信息管理和傳播、國家合作地質填圖項目、國家地理空間項目、國家地質和地球物理數據保管等4個項目，2013年又進行了微調，將生物信息管理和傳播與國家地質和地球物理數據保管項目的一部分合併為科學集成、分析和研究項目。
▶核心科學體系戰略的目標和目的
▷目標1：為臨界帶描述、認識及製圖提供調查研究
本目標包含了3個目的：一是改進對地質格架的描述和理解，為研究地球的複雜性作用過程提供信息；二是改善陸地表面數據，以更好地表徵和認識人為影響與地球表面自然過程之間的關係；三是提高認識生物多樣性的自然和社會文化蘊意。
這三個目的從地質學、地理學和生物學三個方面出發，一方面要提高獲取基礎資料的能力，另一方面要通過獲得的基礎數據，增強對這三方面學科的認知和理解。其中特別指出要增強兩方面的工作，一是通過調查和開發充分的四維地質圖之類的產品，提高時間和空間解析度；二是展示地球的複雜性地質結構是怎樣隨時間發生變化的。
▷目標2：通過科學服務擴展美國地質調查局調查成果的應用
本目標下設3個目的：一是信息管理和發布現代化；二是研究和開發技術性服務，支持調查工作、數據分析、可視化和信息處理的改進；三是設計和實施穩健配套的專業性服務，幫助模塊式科學框架的實施與應用。
本目標體現出美國地質調查局服務優先的原則，能通過信息的發布、技術性服務和專業性服務，使美國地質調查局的研究成果更加容易貼近普通民眾，增強其成果的社會經濟效益，而這正是國家和社會對美國地質調查局提出的要求。
▷目標3：進行科學的分析與合成，提高信息的覆蓋面、科學質量、實用性和及時性
本目標包含了2個目的：一是加速數據驅動型科學對新型合成產品的應用，確定地球系統的新假說；二是培育針對學科交叉科學的工作氛圍模式。
本目標主要側重於學科交叉和綜合的技術方法，如數據的整合、綜合性數據的觀測、開發合成產品以及建立學科交叉科學的方法途徑等。
綜合來看，目標1提出的臨界帶（Critical Zone）是問題的主要產生或產出位置。因之，要解決這些問題就要調查（研究）臨界帶，指明了解決問題所要調查的對象。目標2主要說明「核心科學體系」研究不是為研究而研究，是為了服務，滿足用戶需求。目標3則說明在現代技術條件下解決上述問題的手段。之所以作為目標，是因為採用這種手段的重要性和複雜性，必須作為戰略目標予以突破。
▶核心科學體系的關鍵要素
核心科學體系以臨界帶為重點研究對象，以傳統地質學、地理學和生物學為基礎，通過信息學和計算技術的應用實現數據信息的管理和存檔，進而實現數據高效便捷的融合合成，促進交叉學科或綜合學科的發展，以解決複雜性的科學問題和社會問題（圖1）。
圖1 核心科學體系的關鍵要素
▷核心科學體系戰略的研究對象：臨界帶
臨界帶的概念由來已久，早在2001年美國國家研究委員會（NRC）在其出版的《地球科學基礎研究的機遇》（Basic Research Opportunities in Earth Science）一書中就提出了地球科學基礎研究的6大方向，其中第一項就是「臨界帶」的綜合研究。在該書中，臨界帶被定義為地球表層由各組成部分和過程相互作用的一個綜合系統。具體而言，臨界帶是指靠近地球表面的、有滲透性的、介於大氣圈和巖石圈之間的地帶，垂直方向的範圍從樹的頂端往下直到地下水深層。臨界帶過程控制著土壤的發育、水的質量和流動、化學循環，進而影響能源和礦產資源的形成與演化，而這一切對地表生命非常重要。美國國家研究委員會認為臨界帶研究是21 世紀亟需研究的重點科學領域，通過對地表臨界帶的研究，將促進一系列社會問題的解決。
在美國國家科學基金會的支持下，美國已經建立了臨界帶觀測站和臨界帶探索網絡，並在美國德拉瓦大學成立了臨界帶研究中心。這些觀測站、研究中心的建立，推動了臨界帶的研究，同時也為核心科學體系相關工作的開展提供了支撐。
本戰略中「臨界帶」的內涵繼承了以往關於臨界帶的認識，認為臨界帶是維持著地球上生命的各生態系統的無縫集合體。本戰略要求持續關注臨界帶的複雜過程和相互作用，並對相關數據進行收集、管理、集成、分析，以促進對複雜性地球系統的綜合性描述和認識，並向美國地質調查局所有研究人員及時提供有用的可靠信息，而這反過來又可以加深對臨界帶的認識和理解。
▷核心科學體系戰略的學科基礎：地質學、地理學、生物學
在130多年的發展歷程中，美國地調局一直引導著美國乃至全世界的地質學、地理學和水文學的發展。在臨界帶這一概念廣泛應用之前，美國地調局就已經在通過地質圖、地理圖和水系網描述地球的近地表環境特徵，這些圖件和其他數據為多尺度的生態系統研究提供信息，成為核心科學體系的基礎。隨著上個世紀將生物學研究歸入美國地調局，建立生物地理學模型和對隨時間而變的生物物種分布及棲息地填圖，也已加入了臨界帶數據存儲之中。
核心科學體系的使命正是建立在美國地質調查局在上述地質學、地理學、水文學和生物學長期研究的基礎上，研究對象則側重於與人類生產生活密切相關的臨界帶。基礎性和應用性調查是臨界帶研究的第一步，也是非常重要的一步，涉及對地球複雜性地質構架的研究，對國家陸地表面作綜合性、高解析度的描述，以及認識和描述生物棲息地和生物多樣性的分析方法。
▷核心科學體系戰略的研究手段：數據密集型的工作方法
地球科學是數據密集型科學，科學數據是美國地質調查局的血液，為美國地質調查局的科學研究提供給養，為美國地質調查局的科學創新提供支撐。美國地質調查局依託地質學、地理學和生物學的調查和研究產生的大量數據，數據密集型的工作方法如何解決複雜的科學問題和社會問題，是未來美國地質調查局著力需要提升的一項核心能力。一般認為，數據密集型工作方法包括以下三個層面：
第一個層面是數據的獲取和保存。利用地質學、地理學和生物學的方法，對臨界帶生態系統進行監測、評價和研究，即通過美國地質調查局近年來實施的國家合作地質填圖項目、國家地理空間計劃項目等項目來獲取數據。這些數據的記錄和保存同樣至關重要，國家地質地球物理數據保管項目就是為這個目的服務的。
圖2 美國地質調查局科學工作流程示意圖
第二個層面是對數據進行操作的層面，包括數據挖掘和數據分析等內容。圖2虛線方框中為美國地質調查局科學數據的生命周期，始於科研項目的設計，然後是數據的獲取、處理、分析和存儲，最後是數據的發布與共享。在美國地質調查局，數據分析與合成由數據集成組負責，又下設3D/4D建模和可視化工作組、公共科學工作組、數據管理工作組、知識管理工作組和語義網工作組等小組。美國地質調查局的這種工作流程將科學家從常規數據處理的苦差事中解放出來，使他們可以專注於科學發現。這套工作流程承擔起日常工作，是以數據為中心的科學研究所必須的，同時，還可將計算資源和數據資源開放給更為廣泛的科學家和科研應用開發者。
第三個層面是知識層面。在上述工作基礎上，科學家結合自己對地球系統的已有認識，深化對地球系統的認識和理解。
值得注意的是，科學數據查詢、檢索、分析和可視化的工具和技術，對科學項目的執行已經變得極其重要，對巨大而又複雜的數據進行上述操作，面臨巨大挑戰。目前，地球科學的分析和可視化方法已經遠遠落後於創造數據的能力。而要處理諸如自動數據分析和可視化總結等問題，還需要藉助多學科的技能。
▶核心科學體系戰略的願景：模塊式科學框架
核心科學體系的最終願景是構建一個能把美國地質調查局的所有使命無縫整合起來，更有效地解決各種問題的科學框架。這個科學框架是按照生態系統的自然分層，結合當前美國地質調查局內各學科的不同研究對象劃分而成，不過這是一個有機的整體，各模塊之間存在邏輯關係，可進行融合與疊加。按臨界帶的概念理解，生態系統是特定地理區內獨特的空間特徵和時間過程產生的結果，並由這些特徵和過程來維持。圖3中生態系統被描述為特定模塊的組合，既反映出從時間和空間兩個分量出發進行的某特定地點的地球科學研究，又能說明特定地點貫穿地質環境到大氣圈的整個生態系統的特徵和過程。
圖3 模塊式科學框架
由各模塊組成的模塊式科學框架是核心科學體系使命願景的形象化表達，這個設想的框架可將美國地質調查局的所有科學資產組織到這個有邏輯、可變動和可綜合的模塊中去，包括各種科學知識、科學產品和研究能力（如協議、 數據集、方案、方法、出版物、項目和科學家），以求能夠快速有效地調用各類科學資源，聚焦於國家在其後十年或更長時間內面臨的特定複雜性問題。通過該框架可將數據、科學和技術方法及模型，組織到恰當的時間和空間尺度中去，它將有助於把大量信息組織起來驅動科學的合成，最終促進對整個地球系統運轉的理解，以促進臨界帶內的科學認識和決策支持不斷增強。
對美國地調局的科學家而言，模塊式科學框架的一個重要作用在於，通過組織在模塊式科學框架中的科學資產，將會使他們更容易發現數據和模型，分享和發布成果，發現新的學科交叉聯接點和研究機會。圖3示出了幾個模塊合成產品的例子，包括生物的相互作用、地球化學景觀、水文學景觀、缺斷分析（Gap Analysis）和地質圖等。
從美國地質調查局的角度看，模塊式科學框架提供了一種手段，用於確定近期的項目放在哪裡，未來需要在哪裡設定項目，以保持美國地調局的科學工作切合實際。這個框架本質上是跨學科、跨組織和跨國界的。在龐大的致力於這種系統建設的國際科學界內，美國地調局是其中的一個組成部分，這類系統將能把來自世界各地的地球科學數位化知識跨學科地快速整合起來。建成後的模塊式科學框架將提供一個集中式的易訪問平臺，能夠共享和提升科學信息。利用這種穩健的模塊式科學框架，用6個月就能開發出國家生物量和碳量數據集，而不是6年，只要能夠獲得新的衛星圖像，便可進行自動更新。
總而言之，模塊式科學框架並非一個整體性的軟體或數據系統，而是一種力求將整個美國地質調查局乃至全世界的許多不同數據系統聯成一體的方法，是將地球科學各分支學科有機結合起來的實現途徑，是解決人類目前面臨的各種複雜問題的手段，是美國乃至全世界地球科學研究人員共同努力的目標，需要地球科學家和數據學家的努力來不斷豐富和不斷完善。
▶核心科學體系戰略的實施指南：概念模型
地質構造、土地表面和生物地理學等基礎科學為模塊式科學框架的建立提供建模數據和理論，而信息學則為模塊式科學框架的研究與開發提供了技術支撐，這二者是模塊式科學框架構建的關鍵。圖4提供了一個概念模型，用作針對模塊式科學框架願景的行動指南。圖4頂部的數字地球代表著世界範圍的大科學界，美國地質調查局向它貢獻數字式知識，並從中獲取數據、信息和知識資源。數字地球與模塊式科學框架交叉契合，從框架中汲取數字式知識，為框架提供新的認識和研究產品。
在模塊式科學框架的概念模型中（圖4），箭頭代表著技術性服務和專業性服務，這樣的服務可以使研究過程同模塊式科學框架進行有效、及時和穩健的互動。模塊式科學框架為研究過程提供專業性服務，而研究過程則為模塊式科學框架提供技術性服務。
針對模塊式科學框架的概念模型示出了幾個步驟，在這裡，從數據和信息管理到框架功能（數據挖掘、數據發布和歸檔、科學工作流程直到最終發布），幾步研究過程是交叉的。每個步驟既要求簡便易行（可通過核心科學體系使命提供），也要求直接投入（來自美國地調局的所有使命、項目、科學中心和科學家個人）。圖4表明，在美國地質調查局的科學項目執行期內，實施的所有步驟都應當受到嚴格的檢驗，看它們怎樣才能既對模塊式科學框架的數據和信息做貢獻，又能從這些數據和信息中受益。
圖4 概念模型
模塊式科學框架下的研究過程始於複雜性科學問題的提出或決策者在管理方面的新要求，這就要求科學家針對上述問題探索綜合性的新方法。進而在模塊式科學框架中進行數據挖掘工作，用以針對問題進行數據的組配和新數據集的構建，再而進行數據管理、綜合和合成、科學分析與發現，以及科學出版等工作。如果上述流程化工作探索出了固定的研究方法，則將科學工作流、數據和知識等固化到模塊式科學框架中，從而進一步完善模塊式科學框架。
▼啟 示
▶加強臨界帶綜合研究，為基於生態系統的管理提供技術支撐
臨界帶是人類與生態系統相互作用，且常與其功能發生衝突的區域，它涉及與人類活動關係密切的地質構造、國土空間和自然生態系統等三個層次內容，這三個層次的內容是相互聯繫、不可分割的有機整體，共同構成了臨界帶生態系統。
隨著人類文明的不斷發展進步，經濟社會發展與自身生存環境惡化的矛盾日益突出。地球科學的研究對象正是與人類生存密切相關的臨界帶，其社會經濟效益越來越受到公眾的廣泛關注。這種形勢給當前的地質工作帶來了新的機遇，也帶來了新的挑戰。一方面，地球科學研究應當從地表及地下地質格架的研究，擴展到與人類生產生活緊密聯繫的整個生態系統的研究上，從單一的地質學研究擴展到地質、國土、自然生態環境的綜合研究上。另一方面，地球科學研究應當以解決實際問題為出發點，更多的關注與我們的生產生活密切相關的綜合學科領域。這樣才能使地質工作更加緊密地結合經濟社會發展需要，更加主動地服務於經濟社會發展。
▶加強地質調查數據獲取能力，提升知識服務水平
美國地質調查局以1萬人左右的隊伍，11億美元左右的年度經費，完成了讓社會公眾滿意的地質調查產品，很大程度上是由於其先進的數據獲取能力和以計算機模擬技術為支撐的表達能力。我國地質工作程度相對較低，國民經濟的發展對地質工作的要求日益提高，而受上世紀地質工作蕭條的影響，國家地質工作隊伍能力卻有所減弱，不能滿足社會經濟發展對地質工作需求。這對矛盾要求我們一方面要加強自動監測平臺建設，整合或加強系統內外已有監測平臺（數據）的共享或共建，構建多層面的對地觀測平臺。在地表層面上，利用傳感器獲取實時監測數據，如地表移動、水體質量等。在太空層面上，利用衛星獲取遙感影像等信息。通過加強數據的獲取能力，進而可大幅提升地質調查能力，將已有的數據監測平臺整合起來，形成一個統一的地質調查數據監測系統。另一方面還需加強對地質作用過程及地表演化過程的計算機模擬，通過可視化技術等表達出來，進一步提升對自然及地質作用的理解，為管理者和大眾提供簡單實用的工具，使其更好的理解和接受地質知識，實現知識服務。
▶加強地質數據的共享與交換，促進科學研究與發現
地球科學正朝著計算化和數據化的方向發展，美國地質調查局的核心科學體系不僅包含傳統的地質學、地理學和生物學等學科，同時也包括了計算機科學、信息科學等新興學科。美國地質調查局一方面強調要提升採集管理數據和信息能力，以及實物地球科學樣品長期存取能力；另一方面，還要強調完善其數據和信息處理的能力。
我國地質工作在進行了半個多世紀的發展，積累了大量的實測數據和實物資料，存儲保管機制基本形成，但缺乏共享與交換機制。隨著地球科學日益向數據密集型科學轉型，數據不再僅僅是科學研究的結果，而是變成科學研究的基礎及重要工作。我們亟須建立地質數據的共享與交換機制，實現分布式地質數據的一站式訪問平臺。這樣做的最終目的是幫助研究人員更好的開展科研項目，幫助決策者和社會公眾做出有充分信息依據的決定。
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