1. 智能化资料获取与处理方法（负责人：徐明）

以遥感观测数据为主要来源，结合实地测量获取的地面先验知识，充分利用人工智能技术的知识学习与特征挖掘能力，突破多源遥感大数据处理等核心技术，为解剖和模拟“土壤-植被-大气耦合系统”与“人类-自然耦合系统”提供数据支撑。主要研究内容包括：

1）面向国家生态文明建设的重大战略需求，依托国家高分重大专项（2006-2020）和国家空间基础设施（2015-2025）发射的系列遥感卫星数据资源，针对农林水等生态系统的应用需求，采集生物圈、地质圈、冰冻圈、水文圈等地球系统各圈层的多模态遥感数据。

2) 针对区域 “土壤-植被-大气耦合系统的解剖与模拟” 对数据的需求，结合遥感影像的目标需求和地面先验知识，综合考虑影像的频率/波谱、极化、时空分辨率、地物类型等信息，提取地球生态系统数据的异质特征，构建具有特定生态特征的聚合模拟知识库，基于决策树、支持向量机、马尔科夫随机场、深度学习等人工智能技术，自适应地构建目标分类、识别与定量反演模型。

3) 结合遥感数据的光谱、纹理、后向散射等信息，以层次方法对多尺度遥感数据进行融合分析，完成复杂背景下多圈层生态目标的特征提取算法研究；研发多阶段自动编码器、深度信念网络、卷积神经网络等智能算法，实现地物的精细分类与识别；以生态先验知识为基础，构建适用于区域 “土壤-植被-大气耦合系统的解剖与模拟”的理论化反演模型；应用正则化方法、贝叶斯估计等约束条件，优化模型参数，完成各生态参量的反演算法。

2. 地表过程的解剖和模式的整合与优化（负责人：王波）

重点关注遥感大数据支撑下的地表过程解剖和模式的整合与优化。主要研究内容包括：

1）针对国家重大需求，系统评估现有的地球系统模式。在地球系统科学的理论指导下，结合学科优势和资源优势，对比筛选国际上已有的模式结果，整合不同地球系统模式的优势技术，开展本地化的地球系统模式改进。关注点是：土壤-植被-大气耦合模式，水文和生态耦合模式、流域尺度的气候模式与大尺度（如区域和北半球）的气候模式的耦合。

2）借助遥感大数据及机器学习等新数据和新方法，改进和优化地球/气候系统模式耦合器的效率和数据接口兼容性，整合大气/陆面/水文过程模型，重点解决和提升地球系统模式对近地表圈层交互环境的模拟效果；

拟解决的关键问题有：（i）解剖和模拟流域尺度上的“生态水文过程”和基于“水资源与碳高效”的可持续发展前景（专注于黄河中游至下游的过渡带）；（ii）解剖和模拟下垫面变化的物理机制，研究全球气候变化对区域尺度上水文、生态和农业的影响（专注于整个黄淮海平原）；（iii）解剖和模拟区域尺度上（如：整个黄淮海平原）“土壤-植被-大气耦合系统”及其与更大（如北半球）尺度上“陆面-大气-海洋耦合系统”的相互作用过程。

3. 全球变化的人文尺度（负责人：卢鹤立）

全球环境变化的人文尺度研究主要是研究由人类活动引起的环境变化以及人类对这些变化的响应。近年来，全球环境变化研究已经充分认识到：人类活动已经成为了地球系统中生物物理和生物化学过程的重要参与因子。以下为4个关键问题。（1）脆弱性/恢复力： 面对人类和自然系统的变化，决定“人类与自然耦合系统”承受能力的因素是什么？（2）阈值/转型：当“人类与自然耦合系统”承受能力的阈值被超过后，我们如何能够确保该耦合系统的平稳转型？（3）环境管理：我们如何能够调控该耦合系统，使其朝着期望的目标前进？（4）学习/适应：为了维持该耦合系统的稳定，我们该如何激发和引导社会的认知？本方向将从以下四个方面研究中原地区环境变化的人文尺度问题：(a)土地利用/土地覆盖变化；(b)全球环境变化的制度因素；(c)全球环境变化与人类安全； (4) 城市化与全球环境变化。

4. “人类-自然耦合系统”的解剖与模型（负责人：董冠鹏）

本研究方向拟借助复杂适应系统、动力系统理论和地球科学的最新理论，发展一套能模拟“人类-自然耦合系统”的数值模型。发展这样的模型不仅是提升地球系统科学理论的需求，也是地球系统科学服务于社会发展的需求。主要研究内容包括：

（1）基于黄河中下游地区过去100年气候变化、水文、生态、环境、土地利用、社会经济活动的时空数据库，厘清该地区自然资本和社会经济活动的形成与演化规律；

（2）结合本项目生成的黄河中下游地区气候模式，通过贝叶斯时空统计模型和机器学习算法，构建该地区自然资本与关键自然生态过程的关联方程、自然资本作用于经济活动和人类福祉的生产函数和福利效应函数、以及自然资本对气候变化和经济活动的响应函数；

（3）基于构建的黄河中下游地区自然生态过程机理模型、社会经济过程模型、以及能刻画两者互动机理的数值模型，扩展GreenDICE模型，开发能刻画该地区自然生态系统和社会经济系统动态互动与反馈的 “人类-自然耦合系统”模型；

（4）基于气候变化（包括水旱灾害）、针对环境管理政策取向和国家区域发展战略定制不同的情景方案，探索不同情景约束下黄河中下游地区“人类-自然耦合系统”的优化路径。

5. 气候变化与环境演化（负责人：冯兆东）

由于人类对全球气候系统的扰动和人类对地球环境的破坏，气候与环境变化是当前科学研究的热点方向。需要指出的是：中原地区是中华文明的重要发源地，中原地区的“气候变化、环境演变、文化嬗变之关系”一直是国内外学术界关注的焦点。主要研究内容包括：

（1）现代的气候与水资源变化：系统地分析“气候变化背景下”和“社会经济发展前景下”黄河中下游地区（特别是是河南省）水资源的脆弱性；

（2）过去两千年的气候变化：利用树轮资料等对过去两千年黄河中下游地区（特别是河南省）关键气候要素的变化进行重建，为认识目前的气候变化特征提供了“较长时间尺度”的参照；

（3）过去一万年的气候与环境变化和中原文明嬗变：重建过去一万年黄河中下游地区气候与环境变化的历史（包括黄河演化的历史），探讨气候与环境事件与中原文明嬗变的关系；

（4）第四纪（过去两百万年）东亚气候变化的自然规律和幅度：更广泛和更高标准地收集相关资料，以贡献于“IPCC最新报告中提及的相关问题的不确定性”的有效降低。