国土资源报：“玻璃地球”大数据时代的选择

应用三维可视化技术，使大陆表层1000米“像玻璃一样透明”。对地球科学家而言，澳大利亚21世纪初提出的这项“玻璃地球”计划是如此诱人，又如此艰难。如今，随着大数据时代的到来，尤其是物联网、云计算等技术的飞速发展，“玻璃地球”计划已越来越触手可及，甚至被业内人士视为一项基础性的地质信息系统工程。9月3~5日，北京市地勘局、北京地质学会和北京大学联合举办的“玻璃地球与智慧城市建设”综合性论坛及“大数据时代的地质信息化技术及应用”高研班，恰恰为地质科学家们探讨大数据时代中的地学发展搭建了一个平台…

中国工程院院士卢耀如：

“玻璃地球”应当开展六维研究

“玻璃地球”的目标是看清楚地球的内部结构，这是一个认识地球的全新概念。但目前，对于地球，人类所知道的还是太少，只能通过勘探了解地球的表面，要真正使整个地球像玻璃大球一样一览无余，还是很难的事情。

从三维角度了解地球的内部，是实现“玻璃地球”的一个基本途径。然而，目前地下勘探探测的深度有限，一般在几百米至一千多米，个别深孔达几千米至万米。这种勘探可见到岩层、水、气等地下实物。物探等探测深度可达几百公里，获得地下物质的物理、化学信息的反映，需要解译以判断其物质特性。

三维地质的表现有多种形式，目前最主要的就是三维地质图。当前流行的一个错误看法是，三维地质会很清楚地完整呈现地下三维立体情况。其实，三维对地下的表现依靠的还是勘探，有多少勘探工作，就有多少的精度。

一个“智能城市”不应是资源浪费的城市，而应当是高效利用各种资源、可持续发展的绿色城市和循环经济城市，要建设这样的“智能城市”，单纯有三维地质和表层“玻璃地球”是不够的。

研究三维地质，应当加上时空概念，再研究其动态变化，实际上应是五维的研究。此外，加上岩石圈、水圈、大气圈、生物圈四个圈层的运动，以及相应各种物理、化学、生物作用，这应是六维的现象。因此，真正的“玻璃地球”，应当是六维的研究。

开拓城市地下空间面临两个重要问题：一是安全，二是经济。目前，地质—生态环境对地下空间开拓的制约作用，主要包括地面沉降、砂层稳定性、地壳稳定性等问题。以上海为例。上海在地下空间开拓时遇到了地面沉降，砂土层液化、形变，地层中沼气危害等问题。黄浦江岸上游引水工程和上海地下空间开发都已诱发地面沉降，上海地铁一号线隧道沉降量是不均匀的，严重的地带沉降量达150毫米，有的地带只有20毫米。这种不均匀的沉降情况，将长期带来不良的地质—生态环境效应。

如今，大都市空间开拓是大势所趋，切记不可草率从事、急功近利。开拓地下空间，应以安全与可持续发展为重要原则，提前进行地质环境与地灾评估；应进行风险评价和风险管理；要合理利用土地资料，节约与高效利用水资源、能源，适宜地发展与开发生物资源；要特别注意防治地面沉降、砂层液化、海平面上升以及地震等地灾和气候灾害；建议逐步建立和完善沉降监测设施；开拓替代井水水源，推广节水技术；逐步调整地下水开采布局，控制地下水开采量。

要科学合理地进行城市发展规划，其中，地球物理勘探工作需从以下方面开展。

一是探测基础地质条件，包括探测第四系地层的物理分层，第四系地层和基岩的接触面、古地形的变化，城市地下基岩地质构造的基本形态，主要断裂的分布；测定地应力和地壳升降速率，判断断层活动性。

二是进行水资源开发与保护，寻找城市外围地带地下水新源地和地表水、地下调蓄地带；圈定地下水水质污染带、不含水岩体，划定主要下部含水层向上越流补给带、岩溶含水层中主要岩溶富水带的分布以及海水入侵地下水的范围，测定地下水位的地带性变幅以及地下建筑改变地下水的流向、流速等。

三是探测地下热矿水。包括探测地下热导率、地温梯度、大地热流值、地下热矿水的分布界线、地下热源体的分布、地下热流的越流补给带等。

四是探测地下洞穴。探测第四系和基岩间隐伏土洞、浅隐伏岩溶化地层中洞穴、地下隐伏塌陷体、地下松散地层中潜蚀带，圈定潜在危险塌陷体。

五是探测城市及周边地带滑坡、泥石流，包括探测危险滑坡及泥石流的岩、土体结构及分布与特性，探测危险结构面，监测可能滑动的岩土体及周边地下水位，探测可进行加固的桩基、挡土情况等工程措施基础。

六是探测地面沉降。包括沉陷带土体特性圈定及分布带；沉陷带与外围土体水文地质特性变化；地面沉降有关土体含水层特性与物理特性变化。从地球物理参数上，进行地面沉降的分布带、地面沉降诱发海水加剧入侵的危险地带的探测、地面沉降诱发基础不稳定等地带的探测。

七是探测基础形变。包括探测桩基基础的形变；集中荷载下岩土体物理特性变化；动、静复合荷载效应下，基础物理特性变化；大都市荷载效应下岩土体物理特性变化的分带；差异性荷载影响下的基础形变；建筑物及基础损伤等。

八是城市环境与生态建设方面，需要探测与圈定污染水体、污染土体、城市废弃物填埋场的岩土体结构和反渗黏土层分布；探测与圈定有关城市湿地的土体特色及水文地质特征；探测地下岩体，特别是与地铁建设有关的放射性；探测高放废弃物的临时处置环境。

九是对海洋（岛屿）地质条件与地质环境问题进行研究。包括海洋地壳活动对气候特殊事件等的影响、海洋矿产沉积规律、海洋处理二氧化碳的地质环境问题、海水合理淡化与环境问题、海洋开发能源及有关环境效应问题。

中国地质大学 (武汉)吴冲龙：

城市“玻璃地球”建设势在必行

为了缓解资源与环境的双重压力，透视地壳地质结构、揭示制约成矿成灾的深部背景和机理，已成为各国政府和地球科学家关注的焦点。

澳大利亚的地学家率先提出开展“玻璃地球”建设的倡议。2000年，澳大利亚政府正式启动“玻璃地球”计划，加拿大、法国、荷兰、英国、美国、德国和意大利等随之响应。

2006年，国土资源部和中国地质调查局先后启动了三维城市地质填图、三维区域地质填图和矿管一张图试点，中国地质科学院启动《深部探测技术与实验研究》国家重大专项，先后围绕增强能源资源保障能力、保障地质环境安全和促进地球科学发展三大主题，建设三维地质模型与三维地质信息系统。

目前，各国的“玻璃地球”建设都取得了一定的进展，但还存在一些亟待解决的问题，包括缺乏成熟理论和方法、战略性的总体规划和顶层设计，缺乏行业间的协调、整合和协同动作，缺乏完整而强劲的技术体系支持。

在一个国家范围内，“玻璃地球”或可称为“玻璃国土”，应该是一个横向分区或连片的、多尺度的、数字化的、透明的浅层地壳模型，其中凝聚了所能采集的多来源、多层次、多主题的海量地质—地理信息。“玻璃地球”建设主要涉及三个方面的工作：一是获取新资料的能力建设；二是新资料判识、综合和解译能力建设；三是建立新的勘探模式，其核心技术是信息技术，包括实现天、空、地和深部立体探测及其数据采集的新技术、新方法等关键技术。

目前，信息化已经被列为国家“新四化”重要内容，“玻璃地球”建设与我国“国民经济信息化”、“地质勘查和矿业开发信息化”的战略目标一致。建设“玻璃地球”，开展三维乃至四维可视化建模，需着重实现其数据表达三维可视化、建模三维可视化、分析三维可视化、过程三维可视化、设计三维可视化、决策三维可视化。

为了实现全国全行业的地质信息资源的充分共享，有必要从国家层面进行总体规划和顶层设计，尽快正式启动“玻璃地球”建设计划，研究并制定相应的政策、法规和分阶段目标，进行统一部署。同时，需要建立包括国土资源、海洋、石油、煤炭、冶金、有色、水利、交通、铁路等部门，以及高等学校、科研机构共同参与的全国性地学家联盟，把各部门的信息化建设工程与相关的理论研究和技术开发协调起来，开展对所涉及的重要科学技术问题及其实现的途径、方法的深入研究和示范工程建设。

中国“玻璃地球”建设势在必行。地学工作者应抓住机遇，应对挑战，把城市“玻璃地球”建设与“智慧城市”建设结合起来，围绕“资源环境监管与预警”问题，探索利用物联网、云技术、超算平台和数据融合技术，开展面向“智能城市”的新型“玻璃地球”建设；开展面向智慧城市的地质时空大数据应用技术体系构建；并通过示范工程，形成城市地矿工作信息化整体解决方案。

一是构建城市资源、环境监测的地质大数据技术体系，把城市“玻璃地球”建设纳入“智慧城市”建设的轨道中来。研究内容包括建设地质—地理一体化的通用地球空间参考体系，多维、快速、动态、精细、全息城市地质建模，城市地质时空大数据管理、融合、同化和挖掘，构建各类应用服务专题的地质时空大数据模型。

二是基于大数据的城市地下水透视与智能监管，包括水量、水质、污染和海水入侵等动态监测、模拟、预警与管控。研究内容包括地下水水位、水质智能监测与预警，地下水污染智能监控与污染源追踪，特殊水资源智能监测、管理与保护等。

三是基于大数据的地灾智能监控与预警的方法体系，包括地面沉降、塌陷、滑坡、泥石流等可视化动态监测、模拟、预警与管控。主要研究内容包括城市工程地质条件变化智能感知与管控，地下工程与地质体相互作用的智能测控，城市地灾的智能感知、监测与预警，沿海城市地质结构与地铁安全监测预警等。

北京市地勘局总工程师郑桂森：

大数据时代，构建数字城市地质系统

在欧美国家，城市地质工作普遍受到高度重视，如美国、英国等国家将地质工作作为城市规划的前期保障工作。但因地质环境和区域地质背景的不同，各国开展城市地质工作的侧重点也不尽相同。

进入21世纪，各国高度重视城市地质工作，建立了城市地质环境监测体系，使城市地质工作能够快速响应城市发展的要求，从过去被动式转变为主动预防。如2006年英国地调局发起大地质计划，旨在建立动态的1：100万全球数字地质图库，在国际互联网上提供实时服务。

上世纪80年代，我国城市地质工作得到了空前发展。1983年，北京市、原地矿部、城建部联合开展了北京地区航空遥感方法调查，拉开了我国大规模城市地质工作的序幕。20世纪90年代，以城市为中心的水工环综合调查工作区域从单个城市到国土综合开发区、江河流域，完成了长江、黄河流域的环境地质调查和编图。与此同时，开展了全国范围内重大地灾整治和西北地下水计划。

21世纪以来，我国城市地质环境问题和城市地质工作越来越受到重视。2002年在南京召开了东部城市集中区立体填图试点工作研讨会，标志我国新一轮城市地质调查启动。2004年以来，国土资源部相继与上海、北京等六个城市合作开展了城市地质工作，建立了城市服务系统，数字城市地质雏形初现。2005年以来，浙江等七省的主要城市开展了城市环境问题调查评价工作，目前全国正在重点查清330个地级以上城市、三大城市群的环境问题。

世界各大城市发展中几乎都遇见过土地资源紧张和交通拥堵等问题，开发利用地下空间是解决上述问题的有效途径。地下空间开发利用不仅仅涉及工程地质问题，还涉及到水文地质条件、地层状况、活动断裂、土壤放射性等问题，有效开发利用地下空间是一个系统性和复杂性问题，地下空间开发和管理需要建立一个高精度三维地质结构——“玻璃地球”。“玻璃地球”是三维地质结构的第二个阶段，是数据挖掘和数据分析，包括建模、可视化、管理和服务，是地质数据的信息化程度达到一个新水平——大数据时代急需开展的一项工作。

近十年来，我国城市地质工作以建设生态城市为目标，逐步向定量化、动态化、数字化发展。未来，应加强以下方向研究:

一是城市地质工作理论更加系统更加完善。要特别加强对三维建模、地灾风险管理理论研究，建立地下水、土壤污染评价理论体系。

二是城市地质工作方法向综合性、先进性和可靠性发展，工作标准向地方工作标准研制迈进。

三是城市地质工作规模向区域化、多元化、多目标地质工作转变。应针对不同经济发展带、同一发展带内不同城市群特点开展地质工作，以资源和环境安全为原则，有侧重地部署城市地质工作内容。

四是城市地质工作成果向定量化、动态化、可视化、实用化和信息化发展，突出城市发展阶段性特点。目前，信息化向着更高层次发展。在大地质观的指导下，将涉及到大气圈、水圈、岩石圈以及生物圈海量的专业抽象数据提取出来，转化为通俗易懂的文字或图像提交给政府部门和公众，已经成为大数据时代重要地质工作。

中国地质调查局发展研究中心谭永杰：

建设我国地质调查信息化平台

地质调查实现信息化，可以提高地质工作的效率和质量。实现信息化与地质工作的深度融合，可以大大地推进地质工作的现代化。

目前，我国地质调查信息化平台建设获得以下进展：

一是国家地质数据库体系基本形成。建成20多个数据库，包括1：50万、1：25万、1：20万、1：5万区域地质图，1：20万化探、1：20万重力、1：20万自然重砂等多种比例尺的数字地质图空间数据库，地质工作程度数据库、矿产地数据库以及地质资料图文数据库、境外矿产资源数据库等各种专题数据库，数据量达数十TB。

二是基本实现了地质调查主流程信息化。开发集成了数字地质调查系统，集成了区域地质调查数据采集系统、矿产资源调查评价系统和数字罗盘，集成了矿产勘查工程数据采集与储量计算，建立了数字地质填图理论体系和方法。目前，这套系统已在全国推广5000多套，区域地质调查和矿产调查全部采用。开发了多源数据处理系统，包括重磁电数据处理系统RGIS、多元地学数据处理系统GeoExplo、化探数据处理系统GeoMIDS等，在全国已经推广1000多套。

三是地质信息化基础设施基本夯实。建立了地质调查骨干网络体系，包括广域网、业务网、内网，地调局国际互联网网站；建立了地质调查信息化标准体系，研究制定标准40多项，发布标准14项；开发建设了地质调查业务管理系统、办公自动化系统和项目管理信息系统。

四是地质数据共享平台建设基本成型。中国地质调查信息网格系统已在“5·12”汶川特大地震抗震救灾中发挥了作用；在全国部署17个结点，基本实现了分布式数据资源的共享。地质信息化技术已在许多重大工程中得到了应用。如，在全国矿业权实地核查中的数据采集方法与质量控制、实地核查数据库建设、管理信息系统开发和数据分析、矿政管理一张图建设试点。

五是社会化服务质量和水平大大提高。数字地质调查系统已经在区域地质调查、矿产资源远景调查项目实施中得到全部应用；矿产资源勘查储量计算系统已经在危机矿山接替资源找矿专项中得到应用；中国地质调查网格信息系统已经部署在17个结点，为资料的数据服务提供了支撑；数据库和网络系统改变了传统的地质资料服务模式，全国地质资料馆的服务量显著增加，接待量显著增加。资料数据加工处理服务量也逐年递增。

中国地质调查局发展研究中心张明华：

RGIS： 找矿突破的助推器

近几年，中国地质调查局发展研究中心自主研发的综合地球物理数据处理软件RGIS，通过逐年完善、升级，基本涵盖了我国重力、磁测、电法勘探工作进行资料解释处理的全部功能，在基础地质调查、油气资源评价、矿产资源勘查工作中广泛应用，有力地支撑了多专业联合的综合调查与勘查业务，尤其是在潜力评价工作中发挥了重要作用。

一是进行不同级别和规模地质构造单元划分，如大地构造分区、深部构造、断裂构造、岩浆岩带等。

二是直接预测强磁性矿产，对于磁性铁矿床等强磁性矿产，利用航磁异常直接识别、圈定和潜力预测。

三是含油气盆地“探底摸边”——圈定沉积盆地边界、反演基底深度、识别和推断次级隐伏构造和具有规模的岩体。

目前，RGIS在地矿、有色、冶金、核工业、煤田、武警黄金、考古、化工、建材地质及环境监测、测绘、地震、物探仪器研发与销售、勘探企业等10多个行业，中科院、中国地质科学院、中国地震局等20个相关院所和中国地质大学等18所大学的生产、教学、科研中得到广泛应用，用户近5000多个。不仅成为国内用户最多、普及率最高的重磁电专业数据处理解释软件，而且通过东亚东南亚地学计划协调委员会（CCOP）组织推广到了东南亚国家，“实现了科研成果到生产力的及时转化，成为加速地质找矿突破的助推器”。