当AI学会看山看海：坤元大模型如何重新定义地球观测？

2025年7月29日，在山东烟台举行的第三届海岸带大会上，一个特殊的“观察者”正式亮相。它不需要眼睛，却能精准识别东南亚每一寸土地的变迁；它从未潜入海，却能洞察千米深处的洋流奥秘。这就是中国科学院地理科学与资源研究所发布的“坤元”大模型——一个用人工智能重新定义地球观测的革命性工具。

“坤元·感东南”和“坤元·拟千海”，这两个充满诗意的名字背后，是中国科学家将AI技术与地球科学深度融合的最新成果。它们的出现，不仅改变了我们观察地球的方式，更可能重塑人类与环境互动的未来。

卫星地图使得人类可以从太空俯瞰地球

（图片来源：维基百科）

三十年的地球档案：AI如何成为时光机器

如果需要绘制东南亚过去30年的土地变化图，你会怎么做？森林变成了农田，城市不断扩张，海岸线悄然改变……这些变化发生得如此缓慢，以至于生活在其中的人们往往难以察觉。但对于“坤元·感东南”大模型来说，这就像在看一部快进的电影。

传统的土地覆盖监测就像考古工作——需要大量人力，一张张查看卫星图片，手工标注每一块土地的类型。一个经验丰富的专家，分析一幅覆盖数千平方公里的卫星图像，可能需要几天甚至几周的时间。而要完成整个东南亚地区30年的土地覆盖变化分析，即使动用一个团队，也需要数年时间。

遥感卫星二号模型

（图片来源：维基百科 Cristóbal Alvarado Minic）

“坤元·感东南”彻底革新了这一流程。模型负责人曹银霞博士和她的团队开发了一套革命性的方法：让AI自己学会“看图识地”。

这个过程就像教一个孩子认识不同的地貌。起初，AI什么都不懂，科学家们给它看成千上万张标注好的卫星图片——这是森林，那是农田，这里是城市，那里是水体。慢慢地，AI开始理解不同地物的特征：森林在卫星图上呈现深绿色，纹理均匀；农田则呈现规则的几何图案，颜色随季节变化；城市是灰白色的斑块，道路像血管一样延伸。

但真正的突破在于“自动样本生成”技术。传统方法需要人工标注每一个训练样本，这是一个极其耗时的过程。而“坤元·感东南”能够自动生成高质量的训练样本，就像一个勤奋的学生，不仅认真听课，还会自己出题自己练习，不断提升能力。

更令人惊叹的是它的效率。借助一块消费级的显卡——这种硬件设备常见于许多游戏爱好者的电脑里——“坤元·感东南”只需要3到4个小时，就能完成对整个东南亚地区的土地覆盖探测。这相当于把原本需要数年的工作压缩到了半天之内。

并且，“坤元·感东南”的识别精度达到了92%！这一数字意味着什么？这意味着在100块土地中，AI能正确识别92块。对于大尺度的环境监测来说，这个精度已经超过了许多人工判读的结果。更重要的是，AI不会疲劳，不会因为连续工作而降低准确率，它能始终保持稳定的判断标准。

深海探秘：当AI潜入千米海底

如果说观测陆地是一个二维的问题，那么理解海洋就是一个三维甚至四维（加入时间维度）的挑战。海洋占地球表面的71%，平均深度超过3700米，而人类对深海的了解，甚至不如对月球表面的了解深入。

特别是海洋的中层——大约1000米深的“暮光地带”水域，这里既没有表层的阳光，也缺乏深层的地热，一直是海洋学研究的盲区。这片水域的洋流对全球气候有着深远影响，但由于观测困难而长期研究滞后。

传统的海洋观测依赖于科考船和浮标：一次深海科考，动辄耗资数百万，还要面对恶劣的海况。即使是最先进的Argo浮标系统——由全球4000多个自动浮标组成的观测网络，浮标在海洋中漂流，定期下潜到2000米深处测量温度和盐度——也只能提供零星的观测点，就像在浩瀚的海洋中撒了一把沙子。

全球洋流简图示意图

（图片来源：人教版高中地理教材）

“坤元·拟千海”的出现，就像给科学家装上了“透视眼”。樊荣博士和他的团队采用了一种巧妙的策略：既然无法直接观测每一处海水，那就让AI学会“推理”。

这个推理过程基于物理规律——海水的运动遵循流体力学定律，温度和盐度的分布有其内在规律，不同深度的洋流相互影响。AI通过学习这些物理规律，结合有限的观测数据，就能推断出整个海域的流场分布（海水流动的速度和方向在空间中的分布状态）。

这类似于侦探破案：虽然不能看到犯罪现场的全过程，但通过现场留下的蛛丝马迹，运用逻辑推理，就能还原事件的真相。“坤元·拟千海”就是海洋中的“福尔摩斯”，它通过130多万条Argo浮标的轨迹数据，结合海洋物理学知识，重建了整个大洋千米层的三维流场。

最令人振奋的是，这个AI模型将预测精度提升了25%。在科学研究中，即使是1%的精度提升都可能带来重大突破，25%的提升堪称革命性进展。这意味着我们对台风路径的预测会更准确，对厄尔尼诺现象（是指东太平洋海水每隔数年就会出现的异常升温）的预警会更及时，对气候变化的理解会更深入。

从实验室到现实：AI如何守护我们的家园？

“坤元”大模型的价值不仅在于科学研究，更在于它对现实世界的深远影响。

东南亚拥有世界上最丰富的热带雨林资源，被称为“地球之肺”。但近几十年来，由于农业扩张、城市化和非法砍伐，雨林正在快速消失。传统的森林监测常是“事后诸葛亮”——当发现问题时，破坏已经造成。

有了“坤元·感东南”，情况完全不同了。它可以每周甚至每天对重点区域进行监测，一旦发现异常的森林减少，立即发出预警。这就像给雨林装上了24小时的监控摄像头，任何非法砍伐都无处遁形。

印度尼西亚的棕榈种植园扩张、马来西亚的橡胶林开发、菲律宾的城市扩展……这些变化都在AI的监视之下。政府可以据此制定更科学的土地利用政策，环保组织可以更有针对性地开展保护行动。

泰国橡胶园

（图片来源：维基百科 松岡明芳 - Sukanya）

预警海洋灾害的智能系统

2004年印度洋海啸、2011年日本海啸……这些灾难提醒我们，理解海洋动力学对于防灾减灾至关重要。“坤元·拟千海”通过精确模拟深层洋流，可以更好地预测海啸的传播路径和到达时间。

更重要的是日常的应用。渔民出海需要了解洋流和水温，航运公司需要规划最经济的航线，海上风电场需要评估海流对设施的影响。AI模型提供的高精度海洋环境信息，直接关系到千万人的生计和安全。

助力碳中和的科学工具

在应对气候变化的全球行动中，准确评估碳汇（能够吸收和储存二氧化碳的自然或人工系统）至关重要。森林和海洋是地球上最大的两个碳库。“坤元·感东南”可以精确监测森林面积的变化，计算碳储量的增减；“坤元·拟千海”则能模拟海洋的碳循环过程，评估海洋的固碳能力。

这些数据对于各国制定碳中和政策、企业进行碳交易、科学家研究气候变化都具有重要价值。可以说，AI正在成为人类应对气候危机的重要工具。

中国智慧：从追赶者到引领者

“坤元”大模型的成功，标志着中国在AI地球观测领域已经从追赶者变成了引领者。

回顾历史，中国的遥感事业起步较晚。当美国的Landsat卫星在1970年代就开始对地观测时，中国还主要依赖国外的卫星数据。但经过几十年的努力，特别是近年来在AI领域的快速发展，中国已经建立了完整的对地观测体系。

从高分系列卫星到海洋系列卫星，从风云气象卫星到资源环境卫星，中国的“天眼”越来越多、越来越亮。而“坤元”大模型的出现，则让这些“眼睛”变得更加智慧。

这种转变背后，是中国科研体制的优势。集中力量办大事的体制，使得跨学科、跨部门的协作成为可能。地理学家、海洋学家、计算机科学家、数学家……不同领域的专家汇聚在一起，共同攻关。这在许多国家是难以实现的。

同时，中国庞大的市场和丰富的应用场景，为AI技术提供了最好的试验场。从青藏高原到南海诸岛，从东北黑土地到西南喀斯特地貌，多样的地理环境催生了多样的技术需求，推动着技术不断创新。

未来已来：当AI成为地球的守护者

站在2025年的时间节点回望，我们正处在一个技术奇点。AI不再是冰冷的代码和算法，它正在成为理解地球、保护环境的有力工具。

两款模型背后的核心研发者——中国科学院地理科学与资源研究所苏奋振研究员，在发布会上描绘的未来图景令人期待：通过注入海量地理数据，“坤元”大模型将不断进化，监测维度从现在的土地覆盖和海洋流场，扩展到植被生长、空气质量、生物多样性等更多领域。系统的应用门槛将不断降低，不仅科学家可以使用，政府部门、企业甚至普通民众都能从中受益。

想象这样一个场景：一位农民通过手机APP，输入自己农田的位置，AI立即分析过去30年这块土地的变化，预测未来的气候趋势，给出最适合种植的作物建议；一位船长在出海前，查询AI生成的洋流预报，选择最安全、最经济的航线；一位环保志愿者发现某处森林异常，拍照上传，AI立即识别问题并通知相关部门……这不是科幻，而是正在到来的现实。

新时代的“地球体检师”

如果把地球比作一个生命体，那么“坤元”大模型就是最先进的体检设备。它能看到地球的“皮肤”（地表）是否健康，能感知地球的“血液”（洋流）是否正常流动，能预警地球的“疾病”（环境问题）是否在恶化。

从卫星遥感到AI智能，从被动观测到主动预警，从事后分析到超前预测，人类认识地球的方式正在发生根本性变革。“坤元”大模型的发布，不仅是中国科技实力的展示，更是人类文明进步的标志。

当AI学会看山看海，当算法开始理解自然，当模型能够预见未来，我们与地球的关系将被重新定义。这不是人类征服自然的故事，而是人类借助智慧工具，更好地理解自然、顺应自然、保护自然的新篇章。

在这个人类世（Anthropocene）的时代，“坤元”大模型提醒我们：技术的最高境界不是改造世界，而是理解世界；AI的最大价值不是替代人类，而是帮助人类更好地与地球和谐共生。

这，或许就是“坤元”这个充满东方智慧的名字所蕴含的深意——坤为地，元为始，坤元即为“大地滋养万物之德”。这是用AI开启地球观测新纪元的宣言，更是中国科学家为人类可持续发展贡献的一份厚礼。

出品：科普中国

作者：郭菲（烟台大学）

监制：中国科普博览