地勘框架下的大數(shù)據(jù)土地工程科學發(fā)展

曲少東

【摘 要】隨著社會進步與時代發(fā)展，傳統(tǒng)土地工程行業(yè)及其相應(yīng)科學的發(fā)展得到了新技術(shù)、新理念、新方法的支持。為了研究大數(shù)據(jù)時代下的土地工程科學，促進行業(yè)發(fā)展，通過對大數(shù)據(jù)時代背景的充分闡述，明確土地工程行業(yè)是基于現(xiàn)代化測量、勘探、改造、鉆探等綜合工程手段解決土地各種問題。文章根據(jù)筆者多年工作經(jīng)驗，在地質(zhì)勘查框架下探討行業(yè)內(nèi)的大數(shù)據(jù)土地工程科學發(fā)展，全面論述大數(shù)據(jù)助推土地工程科學新發(fā)展特別是地質(zhì)勘探行業(yè)的新契機和發(fā)展導向，并基于數(shù)學建模分析法為行業(yè)發(fā)展提供量化指導。

【關(guān)鍵詞】大數(shù)據(jù);地勘;土地工程;科學;發(fā)展

【中圖分類號】F301;TP311.13【文獻標識碼】A【文章編號】1674-0688（2019）05-0051-04

0 引言

土地伴隨著人類文明的發(fā)展已經(jīng)有著幾千年的利用歷史，伴隨著農(nóng)、林、牧、副、漁的發(fā)展，人類開始了土地利用的新階段。近代，隨著工業(yè)化進程的不斷發(fā)展，以經(jīng)濟利益為第一要務(wù)的野蠻資源掠奪與土地過度開發(fā)已經(jīng)讓土地運用合理性產(chǎn)生了偏差。荒漠化、鹽漬化、污染、水土流失、耕地功能單一、不同類型土地布局與組合不合理等問題凸顯。而伴隨著人口的不斷增長與人類不斷發(fā)展的物欲需求，糧食壓力、資源壓力與生態(tài)環(huán)境壓力必將激化人類與土地之間的矛盾。為此，各國都在尋求新的解決方案。

基于此，人們開創(chuàng)了“土地工程”這一學科。系統(tǒng)全面地介紹土地的使用與改造，力求運用現(xiàn)代化手段解決人類土地利用與改造的綜合問題，力求將未利用土地變?yōu)榭衫猛恋兀⒉粩嗵岣咭牙猛恋氐氖褂眯剩诒Ｗo生態(tài)環(huán)境的同時全方位協(xié)調(diào)人地關(guān)系，促進社會發(fā)展。本文根據(jù)筆者多年工作經(jīng)驗，在地質(zhì)勘查框架下探討行業(yè)內(nèi)大數(shù)據(jù)土地工程的科學發(fā)展，全面論述大數(shù)據(jù)助推土地工程科學新發(fā)展特別是地質(zhì)勘探行業(yè)的新契機和發(fā)展導向，并基于數(shù)學建模分析法為行業(yè)發(fā)展提供量化指導。

1 土地工程科學內(nèi)涵與意義

在土地工程學科教育方面，土地工程學科覆蓋面大、涉及范圍廣。在相應(yīng)學術(shù)構(gòu)建與人才培養(yǎng)體系中，土地工程可以細分為土地資源與土地信息、土地整治工程、土地利用與保護3個二級學科，每個學科又涉及行業(yè)內(nèi)多種業(yè)務(wù)和細節(jié)性項目。

在土地工程行業(yè)業(yè)務(wù)范疇方面，其本質(zhì)目的在于利用現(xiàn)代化測量、勘探、改造、鉆探等綜合工程手段解決土地利用的各種問題。將整片或零星未利用土地轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫玫耐恋兀瑫r合理分析已經(jīng)利用完善的土地，充分提高土地利用率，在人地關(guān)系上達到科學和諧發(fā)展的全價值過程。土地工程行業(yè)及其相應(yīng)學科的主要任務(wù)為明確土地土體有機重構(gòu)主體，增加土地利用范圍，在提高土地綜合生產(chǎn)力的同時進行全負荷有機生命體的最大化承載。

例如，單純的土地數(shù)據(jù)收集與處理就涉及土地資源與土地信息，包括土地資源調(diào)查、地籍管理與測量等基礎(chǔ)工作。而數(shù)據(jù)收集后又借助計算機行業(yè)的大數(shù)據(jù)處理來實現(xiàn)最終的可用目的，滿足人們生產(chǎn)生活中科學評價土地資源利用率的需要。再比如，土地綜合整治工程包含面較廣，從傳統(tǒng)來看既有土地農(nóng)業(yè)養(yǎng)分供給、土體-生物系統(tǒng)營養(yǎng)保障等宏觀層面業(yè)務(wù)，又有土木工程領(lǐng)域的土體剖面層級重構(gòu)、土體力學核算及土體重構(gòu)材料研究與實驗。隨著新興行業(yè)交叉發(fā)展，當前的土地規(guī)劃與路網(wǎng)建設(shè)配套工程需要土地工程行業(yè)充分協(xié)助，在保證水土均衡發(fā)展的前提下，實現(xiàn)土地生態(tài)文明與社會文明的共同進步。土地工程3個二級學科從不同方向研究土地工程，形成一個完整的一級學科體系，而后還會向著土地整治、污損土地改良改造、低標準用地提升、建設(shè)用地整備研究及土地整治工程信息化五大方面發(fā)展。可見，土地工程行業(yè)從業(yè)人員責任大、任務(wù)重，需要不斷提升個人業(yè)務(wù)水平，并學習交叉學科的相關(guān)知識，為后續(xù)開展各種理論、方法、技術(shù)、材料、施工工藝、科研與攻關(guān)奠定堅實基礎(chǔ)。

當前，土地工程專業(yè)的核心任務(wù)是土體重構(gòu)。土地工程面臨的問題不僅是提高生產(chǎn)力、幫助人們提高并增加土地可利用價值，更重要的是解決供需平衡問題，即為通過土地的合理規(guī)劃與使用，在滿足人類生產(chǎn)生活需要、提高土地生產(chǎn)力的同時，進行自然和諧共存式的土地保護和品質(zhì)提升，最終達到“再生土地”的目的。筆者根據(jù)多年相關(guān)工作研究經(jīng)驗，將當前土地工程科學分為五大研究方向：①運用發(fā)展土地工程技術(shù)，優(yōu)化提升土地與人類之間的生產(chǎn)生活供需矛盾。②運用大數(shù)據(jù)進行信息統(tǒng)計、分析、歸類、運算，最終做好土地管理信息化、使用合理化、改造規(guī)范化，建立和運用土地工程大數(shù)據(jù)平臺。③提高理論認識水平，不斷深化探討土地資源科學發(fā)展，總結(jié)土地高效利用規(guī)律。④促進土地工程技術(shù)體系構(gòu)建，加強土地工程行業(yè)綜合管控的新理論、新方法與新標準研究。⑤土地資源污染綜合治理舉措與土地資源再生修復方案的提出與使用。

2 大數(shù)據(jù)重塑地質(zhì)勘探形態(tài)

科技發(fā)展給人類生產(chǎn)生活帶來改變，自第一次工業(yè)革命以來，人類從傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)走向了機械化發(fā)展。20世紀50年代中期，半導體、晶體管的研制為計算機信息化技術(shù)提供了可能，隨之而來的就是人類進入信息化時代。當前，隨著計算機通信的發(fā)展，人類迎來了大數(shù)據(jù)時代。據(jù)統(tǒng)計，人類現(xiàn)今一天產(chǎn)生的文本數(shù)據(jù)相當于中世紀整個歐洲的書籍編撰量。未來以大數(shù)據(jù)處理為代表的云計算、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)會將人類推上科技信息開發(fā)的巔峰。當前，各行各業(yè)沐浴在大數(shù)據(jù)的時代光環(huán)下，伴隨著計算機進行不同數(shù)據(jù)的交互與處理，讓人類融入信息時代并充分優(yōu)化生產(chǎn)生活。隨著信息量的猛增，傳統(tǒng)土地工程行業(yè)的大數(shù)據(jù)時代即將到來。

大數(shù)據(jù)是龐大、全面、高速的代名詞，它多樣的形式與豐富的價值讓人深入人心。大數(shù)據(jù)的存在使人類能夠利用數(shù)字信息進行定量和具體的描述，加深傳統(tǒng)世界觀對經(jīng)濟發(fā)展、社會進步和世界變化規(guī)律的認知，綜合促進世界發(fā)展。大數(shù)據(jù)時代是信息時代數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的必然趨勢，數(shù)據(jù)量的全過程運用必將重新定義未來。

美國首先做了大數(shù)據(jù)未來影響力的評估，并高度重視行業(yè)運用與戰(zhàn)略性發(fā)展。2012年，美國政府發(fā)布了《大數(shù)據(jù)研究與發(fā)展計劃》，將數(shù)據(jù)定義為“未來的新能源”，并將“大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略”提升為國家意志。該計劃旨在灌輸和提高人們從海量、復雜的數(shù)據(jù)中獲取知識的能力。這將加速人類在科學和工程領(lǐng)域的前進步伐，提高國家競爭力。我國也在“十三五”規(guī)劃綱要中明確指出必須更快、更好地實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，把大數(shù)據(jù)作為基本戰(zhàn)略資源，全面實施促進大數(shù)據(jù)發(fā)展行動，加快數(shù)據(jù)資源的開發(fā)與開放，同時注意大數(shù)據(jù)資源的保護，力求促進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級與社會治理創(chuàng)新。2015年，國務(wù)院頒布了《促進大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》，為大數(shù)據(jù)的深入發(fā)展提供了頂層設(shè)計。

地質(zhì)勘探及礦物普查是土地工程學科中較為普遍的一大類，具有野外工作艱苦性、數(shù)據(jù)采集多樣性等特點。該分支發(fā)展由來已久，當前從業(yè)單位眾多，企業(yè)類型和人員結(jié)構(gòu)復雜，相關(guān)行業(yè)標準較為完善。但地質(zhì)勘查歸根結(jié)底是一門探索性的學科，需要不斷豐富和更新數(shù)據(jù)來幫助研究。從找礦效率來看，復雜多樣的巖土知識和不同設(shè)備采集的關(guān)鍵數(shù)據(jù)是關(guān)鍵，但找礦成本和野外環(huán)境復雜性不允許進行地毯式密集勘探和數(shù)據(jù)收集，這就需要在有限數(shù)據(jù)列和采集工作批次中優(yōu)選有效數(shù)據(jù)，擯棄無關(guān)干擾，并在大數(shù)據(jù)分析和云計算基礎(chǔ)上進行多快好省的工作。

土地工程科學的大數(shù)據(jù)思維理論萌芽源于歐美等計算機電子通信技術(shù)發(fā)達的國家。以美國為例，美國地質(zhì)調(diào)查局一直致力于打造全美地質(zhì)資料聯(lián)網(wǎng)共享平臺，并利用地質(zhì)愛好者和相關(guān)私人公司進行歷年地質(zhì)情況現(xiàn)場變化精度勘探和數(shù)據(jù)缺失區(qū)域的地質(zhì)普查。其中，美國在2012年底提出相關(guān)規(guī)劃綱要。查閱《美國地質(zhì)調(diào)查局核心科學體系科學戰(zhàn)略（2013～2023）》白皮書可以得知，大數(shù)據(jù)將是美國地質(zhì)勘查領(lǐng)域未來主要發(fā)展方向之一。在我國，以國土資源部為主體的行業(yè)管理機構(gòu)也提出了相應(yīng)規(guī)劃，力爭構(gòu)建“國土資源云”核心地質(zhì)資源查閱信息平臺，在結(jié)合云儲存、云技術(shù)的同時，真正做到“互聯(lián)網(wǎng)+”形勢下的信息、運算一體化，綜合提升地質(zhì)勘查行業(yè)工作效率。

由于大數(shù)據(jù)的多方優(yōu)勢和良好的發(fā)展前景，我國地質(zhì)勘查領(lǐng)域?qū)ο嚓P(guān)設(shè)備與人才培養(yǎng)的投入與日俱增。但由于行業(yè)業(yè)務(wù)量與利潤率所限，我國在2013年后開始縮小資金投入。從資金源頭渠道來看，社會資本仍占主導地位。當前，受全球經(jīng)濟低迷、貿(mào)易保護政策影響，國際礦業(yè)形勢尚未好轉(zhuǎn)，國內(nèi)礦產(chǎn)資源新格局尚未形成，社會資金投入意愿難以大幅度提高。只有地質(zhì)勘查單位依靠自身的業(yè)務(wù)優(yōu)勢在“寒冬”中生存。利用大數(shù)據(jù)、快速改進技術(shù)手段、提高勘探效率、降低成本是促進地勘事業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的必然趨勢。未來，在大數(shù)據(jù)時代下，土地工程科學可以多方面和諧發(fā)展。

綜上所述，地質(zhì)勘探是一門綜合性基礎(chǔ)類學科，主要工作由地質(zhì)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析三大部分組成。由于數(shù)據(jù)的龐大性與工作的繁瑣性，業(yè)內(nèi)迫切需要具備基礎(chǔ)資料共享的標準地質(zhì)勘探開發(fā)大數(shù)據(jù)平臺，全面優(yōu)化數(shù)據(jù)利用率，避免同一工區(qū)不必要的重復性工作，節(jié)約工作成本。但就當前行業(yè)發(fā)展情況來看，真正具有實用價值的全國性大數(shù)據(jù)平臺尚未建成，由于行業(yè)競爭與經(jīng)濟利益，數(shù)據(jù)共享根本無法進行。所以，需要對地勘框架下的大數(shù)據(jù)土地工程科學發(fā)展作出合理分析。

3 大數(shù)據(jù)土地工程科學發(fā)展分析

新時代的技術(shù)變革帶來了行業(yè)發(fā)展的新機遇，地質(zhì)勘探領(lǐng)域正沐浴在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代背景下，與大數(shù)據(jù)這一項基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源并行發(fā)展。對地質(zhì)行業(yè)而言，將大數(shù)據(jù)作為地質(zhì)行業(yè)新興增長點進行培育和挖掘，建立地勘大數(shù)據(jù)現(xiàn)場質(zhì)控體系，強化基于云計算技術(shù)的高效計算能力建設(shè)和地質(zhì)數(shù)據(jù)標準化建設(shè)，通過大數(shù)據(jù)實現(xiàn)地質(zhì)工作和信息技術(shù)的深度融合，必將為地質(zhì)工作帶來新一輪變革和全新提升。

以下基于地質(zhì)勘探框架下的大數(shù)據(jù)土地工程科學發(fā)展現(xiàn)狀，豐富問題分析寬度，以云計算、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等為代表的新一代信息技術(shù)為支撐，在充分考慮運用效果、經(jīng)濟投入和安全穩(wěn)定的同時，為土地工程科學的發(fā)展制定建設(shè)細則，并選用層次分析法做數(shù)學建模分析。層次分析法（AHP法）是將抽象化復雜問題通過決策分解為各個組成因素，再將因素與問題邏輯設(shè)定成具有分組型層次結(jié)構(gòu)的目標層、準則層、方案層，最后通過矩陣構(gòu)造，兩兩比較各因素間相互影響關(guān)系，從而量化問題組成因素，計算出各自在系統(tǒng)中的權(quán)重。

根據(jù)層次分析法的特點，首先確立土地工程科學發(fā)展為目標層。然后結(jié)合當前地勘框架下的大數(shù)據(jù)土地工程科學發(fā)展實際情況，優(yōu)選地質(zhì)大數(shù)據(jù)中心C1、基于云計算的地質(zhì)大數(shù)據(jù)平臺C2、多元化地質(zhì)大數(shù)據(jù)發(fā)展應(yīng)用C3、地質(zhì)大數(shù)據(jù)共享開放機制C4為行業(yè)發(fā)展主攻方向，并依據(jù)運用效果、經(jīng)濟投入和安全穩(wěn)定3種評價因素為方案評價導向，設(shè)為準則層。最終評價方案1～9的可行性，通過權(quán)重量化指引現(xiàn)場實施。計算步驟如下。

3.1 確定節(jié)能舉措優(yōu)選問題，構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

土地工程科學發(fā)展模型圖（如圖1所示）。

3.2 兩兩比較打分，確定下層對上層的分數(shù)

準則層中各因素在決策者衡量標準下所占比重不一致，所以設(shè)數(shù)字1～9及其倒數(shù)作為標度來定義與判斷矩陣。

3.3 層次合成計算及一致性檢驗

以上各表一次性檢驗均通過。將不同方案各準則要素的權(quán)重矩陣（見表1）Wi與各準則要素的相對權(quán)重矩陣（見表2～表4）Wi相乘，得到各方案層要素權(quán)重并排序（見表5）。

綜上所述，運用層次分析法得出的土地工程科學發(fā)展細則優(yōu)選排序：地質(zhì)大數(shù)據(jù)中心C1>基于云計算的地質(zhì)大數(shù)據(jù)平臺C2>地質(zhì)大數(shù)據(jù)共享開放機制C4>多元化地質(zhì)大數(shù)據(jù)發(fā)展應(yīng)用C3。在此依據(jù)權(quán)重相似性，將所有參與分析方案層分解為2個梯隊。第2梯隊整體權(quán)重遠小于第1梯隊，可見發(fā)展效果有限，當前業(yè)務(wù)景氣程度不迫切。而只有建立地質(zhì)大數(shù)據(jù)中心導入標準化礦業(yè)數(shù)據(jù)庫，才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息高效共享。所以C1與C4成互為因果關(guān)系。而基于云計算的地質(zhì)大數(shù)據(jù)平臺的建立能充分運用大數(shù)據(jù)資源評價體系的優(yōu)勢，降低找礦成本和風險。例如，巖性取樣分析限于成本與工區(qū)地形地貌影響，不可能進行大規(guī)模全套式取樣。只能管中窺豹式地進行區(qū)域地質(zhì)分析和大規(guī)模巖層走向、物性變化的估算。當前，相關(guān)企業(yè)已經(jīng)引進國外地質(zhì)建模軟件，在結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)的同時進行函數(shù)化數(shù)據(jù)代入，豐富建模功能，強化預測精度，并最終運用在找礦與鉆探現(xiàn)場實踐中。在該前提下土地工程行業(yè)聯(lián)和會應(yīng)牽頭進行大數(shù)據(jù)理念灌輸，并且組織相關(guān)企業(yè)進行地質(zhì)數(shù)據(jù)共享，在充分資源評價實例的基礎(chǔ)上豐富模型數(shù)據(jù)結(jié)合量，從采礦與勘查實際出發(fā)，不斷完善預測模型。最終形成大數(shù)據(jù)框架下的共享式資源評價體系，形成多種模型、多套數(shù)據(jù)現(xiàn)象函數(shù)化的展示，綜合降低找礦勘查風險。

4 結(jié)語

綜上所述，在大數(shù)據(jù)框架下，任何傳統(tǒng)行業(yè)都不可錯過這一良好的發(fā)展契機。土地工程學科作為保民生、促發(fā)展的基礎(chǔ)性多元研究肩負著巨大的時代重任。運用大數(shù)據(jù)及其附屬設(shè)備，可以豐富土地工程業(yè)務(wù)范疇，在提升企業(yè)利潤率的同時使其更好地服務(wù)耕地保護與土壤改造，在提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時緩解人與土地、工業(yè)與農(nóng)業(yè)、污染與經(jīng)濟之間的矛盾。未來必將會在地質(zhì)大數(shù)據(jù)中心、基于云計算的地質(zhì)大數(shù)據(jù)平臺、多元化地質(zhì)大數(shù)據(jù)發(fā)展應(yīng)用和地質(zhì)大數(shù)據(jù)共享開放機制等領(lǐng)域進行發(fā)展，全面促進行業(yè)進步。

參 考 文 獻

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[責任編輯：鐘聲賢]