本书对古生物学与地层学大数据进行了全面介绍，包括数据的结构、内容、类型、分析方法以及可视化展示，以案例形式对古生物学与地层学大数据在科学研究、地质调查、资源勘查以及科学传播等领域的应用进行了回顾、解析与展望，对古生物学与地层学数据库的建设进行了全面梳理。
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中国科学院, 战略性先导科技专项B类, XDB26010502, 地史时期海陆生物多样性与古地理古气候重建
目录
“地球大数据科学论丛”序
前言
第1章 大数据时代的古生物学与地层学 1
1.1 大数据的发展 1
1.2 科研范式变革 5
1.3 数据驱动古生物学与地层学研究 7
1.3.1 数据采集方法革新 7
1.3.2 数据库体系的建立与完善 8
1.3.3 数据分析方法不断革新 9
1.4 相关的国际大科学计划与组织 11
1.4.1 未来地球 11
1.4.2 国际数字地球学会 12
1.4.3 地球大数据科学工程 13
1.4.4 国际地质科学联合会的大科学计划 16
1.4.5 深时数字地球大科学计划 17
参考文献 18
第2章 构建数据库 22
2.1 科学数据库的定位与设计 22
2.1.1 格式与标准 22
2.1.2 整合与关联 23
2.1.3 算力与人力 24
2.1.4 算法与程序 27
2.1.5 定位与理念 29
2.1.6 框架与模型 30
2.2 从地质生物多样性到化石本体 32
2.2.1 地质生物多样性数据库 32
2.2.2 化石本体 35
2.3 专业数据库与数据平台 38
2.3.1 数据资源平台 38
2.3.2 研究机构的化石标本数据库 42
2.3.3 专业的学科数据库 44
2.3.4 地质年代与“金钉子”数据库 49
参考文献 51
第3章 元数据 54
3.1 元数据概述 54
3.1.1 定义 54
3.1.2 元数据内容和结构 55
3.1.3 元数据类型 56
3.1.4 元数据的作用 57
3.2 元数据研究情况 57
3.3 元数据的应用 59
3.3.1 地球科学 59
3.3.2 数字图书馆 61
3.3.3 政府和商业 61
3.3.4 医疗 61
3.4 元数据的模式与标准 62
3.4.1 互操作 62
3.4.2 元数据标准 63
3.4.3 广泛适用的标准简介 64
3.4.4 国外各领域元数据标准 66
3.5 古生物学与地层学元数据 69
3.5.1 化石标本元数据 69
3.5.2 化石产出记录元数据 75
3.5.3 地层剖面的元数据 79
3.6 古生物学与地层学元数据标准的推广与数据交换 81
参考文献 84
第4章 数据元素与内容 87
4.1 文献数据 87
4.1.1 作者信息 89
4.1.2 发表细节 90
4.1.3 文档与文本信息 90
4.1.4 资助信息 90
4.1.5 引用形式 91
4.2 产地数据 91
4.2.1 行政区划 91
4.2.2 经纬度 91
4.3 古生物学数据 92
4.3.1 大类 92
4.3.2 系统分类 93
4.3.3 观点信息 93
4.3.4 标本数据 95
4.4 形态学数据 94
4.5 化石标本数据 96
4.5.1 化石标本的妥善收藏 102
4.5.2 模式情况 103
4.5.3 发表信息 105
4.5.4 馆藏信息 105
4.5.5 采集与鉴定信息 105
4.5.6 图像与三维模型信息 106
4.6 地层剖面数据 107
4.6.1 剖面基本信息 108
4.6.2 地层描述信息 109
4.6.3 其他信息 109
4.7 钻孔岩心数据 111
4.8 化石图像数据 114
4.8.1 大化石摄影 115
4.8.2 微观照相和专业设备照相 120
4.8.3 图像格式与数据化 124
4.9 三维模型数据 126
4.9.1 利用三维扫描设备采集三维模型数据 126
4.9.2 利用断层扫描重建三维模型数据 129
4.9.3 三维模型数据格式 131
4.9.4 三维模型数据规范 134
参考文献 135
第5章 多样性与形态空间 137
5.1 生物多样性研究 137
5.1.1 从统计中寻找规律 138
5.1.2 从数据中发现模式 140
5.1.3 精度与广度的全面拓展 142
5.2 生物多样性研究的基本方法与案例 144
5.2.1 稀疏标准化 144
5.2.2 贝叶斯法则 149
5.3 形态多样性和形态空间 151
5.3.1 形态学数据 152
5.3.2 构建形态空间 154
5.4 形态空间在古生物学中的研究 157
5.4.1 形态学数据分析研究案例：中生代声学景观的演化 158
5.4.2 形态空间分析研究案例：二叠纪末灭绝事件驱动甲虫的早期演化 159
参考文献 163
第6章 时空与网络 169
6.1 从“金钉子”到定量分析 169
6.1.1 图形对比 172
6.1.2 高分辨率地质时代与生物多样性 175
6.2 时空分布 177
6.3 网络分析 183
6.3.1 生物地理分区 183
6.3.2 研究案例：泥盆纪植物的古地理分区 186
参考文献 189
第7章 古地理重建 193
7.1 发展与沿革 193
7.2 构造古地理学 195
7.3 岩相古地理学 198
7.4 生物古地理学 201
参考文献 203
第8章 机器视觉 206
8.1 定义 206
8.2 图像分类问题 207
8.2.1 算法演进 208
8.2.2 细粒度图像分类 209
8.2.3 深度学习与卷积神经网络 210
8.3 构建数据集 213
8.3.1 用于细粒度图像识别的数据集 213
8.3.2 笔石化石标本综合数据集 214
8.4 数据处理 218
8.4.1 标注与剪裁 219
8.4.2 数据集分割 221
8.5 基于层级约束的卷积神经网络模型 222
8.5.1 训练流程 222
8.5.2 亲缘关系作为相似性权重 223
8.5.3 距离度量作为层级约束 225
8.5.4 总损失函数 226
8.5.5 实验结果 227
8.6 可视化展示 229
8.6.1 类激活映射（CAM）可视化 229
8.6.2 基于t-SNE的图像嵌入可视化 232
8.6.3 基于UMAP的图像嵌入可视化 233
参考文献 234
第9章 三维世界 238
9.1 化石标本的超现实展示 238
9.1.1 三维展示 241
9.1.2 三维复制 242
9.1.3 超现实展示 242
9.2 化石三维重建与度量分析 244
9.3 有限元分析 245
9.4 计算流体力学 248
9.5 地质体的三维重建 249
参考文献 253
第10章 应用拓展 257
10.1 以笔石化石识别为基础开发的AiFossil 257
10.1.1 技术框架 259
10.1.2 主要功能 261
10.1.3 应用与影响 262
10.2 保护世界自然遗产 263
10.2.1 基于古生物学与地层学研究的地质遗产 263
10.2.2 数据服务于地质遗产保护 265
10.3 古生物学的元宇宙 265
10.3.1 虚拟现实 266
10.3.2 全息投影 267
10.3.3 机器人 267
参考文献 269
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