智慧地質建設的初步探討

李瀟 于喆 鄭桂森 郭萌

摘要：智慧地質是充分運用新一代信息技術，發現和總結地質演化的時空規律，判斷和預測未來發展趨勢，集海量專家認知于一體，認識水平可最大程度的符合或逼近地質自然規律，從而使地質成果以智慧的方式服務于人、造福于人。其意義在于以人為本、服務于人，具體內涵表現為實現地質調查監測工作流程的信息化、地質信息資源互聯互通的統一化、地質數據分析應用的智能化、地質成果產品服務的精準化。北京市通過不斷創新城市地質工作發展理念、搭建由感知到服務的全流程信息化基礎，已經基本具備智慧地質的雛形。智慧地質的建設是一個循序漸進的過程，科學謀劃、做好頂層設計、夯實地質理論基礎、做好信息平臺基礎搭建是智慧地質當前發展的首要任務。

關鍵詞：智慧地質;云計算;物聯網;信息化;北京

中圖分類號：P628 文獻標識碼：A 文章編號：1007-1903（2019）01-0015-06

0引言

2009年，美國IBM提出了智慧城市的概念，自此全球各發達國家逐步進入了智慧城市建設的高速發展階段，以數字化、網絡化、智能化的信息手段推動城市發展的智慧城市模式，逐漸成為各國的城市發展共識。

我國智慧城市建設的大力推進始于2014年，八部委聯合印發了《關于促進智慧城市健康發展的指導意見》（發改委高技[2014]1770號），這是全面指導我國智慧城市健康發展的第一份系統性政策文件（新型智慧城市建設部際協調工作組，2016）。

智慧城市的建設包括了城市規劃、建設、運行、管理的各個方面，涉及了智慧水務、智慧園區、智慧交通、智慧市政、智慧安防、智慧農業等各行各業（王輝等，2010），中國智慧城市發展研究中心秘書長單志廣（2015）認為：“智慧城市體現了城市走向綠色、低碳、可持續發展的本質需求”。在2015年12月中央城市工作會議以后，以“新型智慧城市”的新概念為引領，我國智慧城市理念、內涵、使命、重點、路徑、模式的“中國化”探索不斷深入，在理念創新、技術創新、管理創新、模式創新、融資創新等方面的實踐不斷深化，我國智慧城市建設正在從起跑、跟跑邁向與國際先進水平并跑的新階段。

在此背景之下，地質工作的信息化建設也在快速發展。2004年開始，自然資源部（原國土資源部）相繼與上海、北京、杭州、南京、天津、廣州6個城市合作開展城市地質工作，建立了三維立體地質模型和城市地質信息管理系統。2011年，北京建立了北京城市地質安全保障服務系統，提供地質專業分析評價功能和信息共享服務（李瀟等，2015）。2013年，自然資源部（原國土資源部）開發完成了全國地質資料集群系統。2014年，中國地調局開通了全國重要鉆孔服務系統。2016年，依托貴州省地質科技園打造的礦業信息咨詢軟件平臺、互聯網農業地質大數據軟件等地質科技軟件上線運營。2017年，中國地調局的“地質云”上線，集成了地質調查、業務管理、數據共享及公開服務四個子系統，實現了云架構下的“大系統、大平臺、大數據、大集成”，形成統一、有序、規模、權威的統一信息服務平臺，一定程度上達到了智慧地質平臺的效果。

智慧地質是智慧城市的發展需要，更是地質工作的發展需要。地質工作要為城市規劃、建設、運行、管理全過程提供安全保障，是城市發展不可或缺的基礎性、先行性工作。地質工作的理念和模式也在不斷轉變和創新，需要充分借助現代信息技術，提升傳統的地質工作效率，整體提高地質工作的服務水平。《“十三五”國家科技創新規劃》中提出的“深空、深海、深地、深藍”科技創新戰略（國務院，2016），為智慧地質的發展提供了國家戰略背景，《自然資源科技創新發展規劃綱要》中發展監測技術、構建智慧平臺的任務部署（自然資源部，2018），則為智慧地質的建設進一步明確了方向。新形勢下物聯網、云計算、移動互聯、智能控制、大數據等技術手段的發展，為智慧地質建設的基礎設施、架構體系提供了充分的技術依托。作為將前沿信息技術手段與傳統地質理論方法充分融合而成的產物，智慧地質能更好的服務于我國新型智慧城市的建設與發展。

1智慧地質

智慧地質是充分運用物聯網、云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術，對地質信息進行智能采集和分析，對地質專業的既有知識進行學習和挖掘，發現和總結地質演化的時空規律，判斷和預測未來發展趨勢，集海量專家認知于一體，認識水平可最大程度的符合或逼近地質自然規律，從而使地質成果以智慧的方式服務于人、造福于人。它以已有地質工作成果為基礎，以現代化的技術手段為依托，能將地質工作水平推動到人力所不能及的高度。

建設智慧地質的意義在于以人為本、服務于人，具體體現在：

（1）對于地質從業者來說，智慧地質使其對地質科學認知的過程大幅縮短、程度大幅加深。物聯網、云計算、移動互聯等技術使傳統的調查監測、提取信息、分析匯總、形成成果、提供服務等過程的效率大大增加，數據挖掘、大數據分析、機器學習等技術使地質成果達到集海量地質專家集體智慧而形成的認知水平成為可能。

（2）對于成果使用者來說，智慧地質使其享受到更為智慧、精準、高效、實用的產品服務。讓政府管理者在決策、管理和政策制定時，能夠得到高效快捷的地質產品支撐服務，指導科學決策和管理;讓公眾在社會生活中，能夠更便利的獲取地質科學普及產品服務，提高地質認識和災害防范意識，懂得保護自然生態環境、規避地質災害風險的基本知識。

2智慧地質的內涵表現

智慧地質通過實現地質調查監測工作流程的信息化、地質信息資源互聯互通的統一化、地質數據深度挖掘的智能化、地質成果產品服務的精準化，使地質產品在為民服務、城市治理、數據開放、經濟發展、安全保障等方面同新型智慧城市的發展深度融合，達到服務于人的目的。

（1）地質調查監測工作流程的信息化

實現調查數據采集全流程信息化，如野外調查的數字編圖、運用手機APP平臺進行調查數據的錄入、通過無人機、航空遙感等手段獲取調查數據;實現各類地質要素的物聯感知：通過布設如雨量計、水質監測儀、地應力監測儀、地溫傳感器等感知設備，獲取各類地質要素的監測數據，并基于物聯網、通訊網、互聯網等傳輸匯聚。

（2）地質信息資源互聯互通的統一化

統一規范標準：地質信息資源的數據形式多樣、標準不一、數據格式和存儲方式也不盡相同，需要實現標準化管理、維護和系統間的數據共享，且有效保障數據的安全。

整合信息資源：研究地質信息資源的家底，建立真正的地質信息資源目錄，整合信息資源，掌控地質信息的管理和使用。

統一管理平臺：大量珍貴的地質信息數據孤立分散，需要建立統一的數據管理與應用平臺，提供高質量的數據整合、共享與服務，將沉淀的數據變為更有價值的資源。

統一應用平臺：所建應用系統不能各自為政，需要形成統一的應用管理與協同聯動，讓用戶的體驗簡單而高效。

（3）地質數據分析應用的智能化

當前大部分地質數據的應用還停留在查詢和統計階段，需要提升信息的綜合分析與服務的水平，提取地質信息管理的關鍵因素，利用先進的分析工具，為各服務對象提供豐富的分析和決策依據。實現大數據平臺與地質業務平臺、政務平臺、物聯網平臺中的業務數據、政務數據、監測數據的全面深度融合，實現數據的深度挖掘、分析、預警、預測功能。

（4）地質成果產品服務的精準化

緊緊圍繞國家和地方發展戰略，讓地質信息成果服務社會的精準性更強、支撐范圍更廣、層次更深、質量更高，提高人類對自然規律認識以及資源合理利用、災害防治和環境保護等方面的能力。用多種形式的線上線下產品，讓地質成果精準服務于城市與人。避免傳統的地質報告專業性過強，外行人看不懂，城市管理者不會用的局面，將地質成果產品化、通俗化、實用化，才能更精準的服務于城市規劃建設和運行管理。

3智慧地質的基本構想

智慧地質的建設可大體分為以下幾個層次：

（1）感知層——對所有地質“物”的特征進行客觀精準刻畫

主要手段是自動感知信息，輔助手段是人工及半人工獲取信息。通過新一代信息技術，如衛星遙感技術、傾斜攝影技術、三維激光掃描技術、傳感器技術、射頻識別技術、無線傳感器網絡技術、全球定位系統技術等，按約定的通信協議，集成嵌入式系統技術與互聯網系統技術，把任何地質的對象與泛在的網絡連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。通訊技術上，采用運營商的公網，寬帶專網（2G、3G、4G以及即將到來的5G），eLTE寬帶專網、窄帶專網（數字、模擬信號通道）、衛星通道GNSS技術等，實現物聯數據傳輸。

（2）基礎設施層——切皆服務

充分依托于智慧城市的公共智能基礎設施，如云數據中心、容災備份中心、主干通訊網絡、公共信息平臺等，使用云技術提供的Iaas、Daas、Paas、Saas等不同層級的服務，按需使用計算資源、存儲資源、網絡資源以及安全服務、運維服務等，充分節省基礎設施搭建的成本，將空間感知層接收的數據經由基礎設施層推送至平臺支撐層進行匯聚、融合和處理。

（3）平臺支撐層——承上啟下的聯絡員

智慧地質各個業務平臺之間，以及平臺內部各應用系統間存在大量的數據交換和系統集成需求，需要集中部署一體化交換中間件，來支撐各平臺應用系統間的數據交換，落實信息標準管控，支撐平臺內部或平臺間的應用系統集成。同時作為對外交換的中間件，可以和外部系統進行數據的共享交換。

這一層包含兩個方面：一是對基礎設施層和感知層的數據進行承接，建立分門別類的智慧地質信息資源庫二是對應用層提供數據支撐。

在數據承接這個方面，支撐層要完成將分散的異構數據源、各專業領域物聯網中的數據抽取到中間層后，進行清洗、轉換、集成，最后加載到對應的數據倉庫或分布式文件系統中，為后期的分析處理、數據挖掘提供數據資源。

在對應用層提供支撐方面，支撐層要完成地質應用開發服務（集成開發環境、業務模型工具等）、各類模型服務（預警模型、三維模型等）、地質數據服務（數據查詢、數據管理等）、地質軟件服務（GIS軟件、OLAP、挖掘工具等）等相關功能都進行有效封裝，使這些松散耦合的功能和服務可以方便的進行重組并提供其他系統調用，實現資源的共享和個性化的定制服務。

（4）應用層——智慧應用的實現

根據不同類型用戶，精準定位需求，實現量身打造式的體驗感，通過PC端、移動APP端、多媒體等多種形式，提供專業技術、決策支撐、展示服務、基礎研究、政務管理、科普服務等各類智慧應用服務，并根據需求對應用服務功能進行調整和升級。智慧應用使“地質”不再是高深難懂的學問，而是成為各類用戶可以易于依賴和使用的工具。

（5）標準體系和框架——智慧運行的保障

主要包含智慧地質建設所必須遵循的國家標準、政策、機制、行業標準、信息安全標準體系、管理標準體系、智能運維體系等，是智慧地質能夠穩定安全持續運行的保障。

4北京市智慧地質建設的初步成果

自20世紀50年代以來，北京市在地質調查、礦產勘查、水文地質、工程地質、環境地質、淺層地溫能與地熱資源勘查、國土規劃及地質災害調查等方面做了大量工作，積累了豐富的經驗和成果數據。在城市地質工作基礎理論研究方面成果豐富，為智慧地質的建立夯實了專業理論基礎，并逐步建立了以北京市多參數立體地質調查數據庫、北京市三維立體地質模型、北京城市地質安全保障服務系統、首都地質資源環境承載力監測預警平臺、北京市e地質公共服務平臺等為代表的信息化建設成果，基本具備了智慧地質的雛形。

（1）城市地質工作發展理念不斷創新，各專業理論體系和模型研究持續推進

近10年來，北京的城市地質工作在理論創新方面取得了明顯成效，主要體現在城市地質工作發展理念的多方面創新。

在城市地質工作分類創新方面，站在城市經濟社會可持續發展的高度來劃分地質工作類型，將地質工作按解決問題的途徑、地質工作方式、解決地質安全危機事件的手段分為3大類、7個亞類。在城市地質工作發展模式創新方面，提出了在城市可持續發展過程中，地質工作發展模式應該由傳統的問題推動型向理念發展型轉變。在城市地質安全危機管理理論創新方面，提出了“北京市非正常情況下城市地質安全危機管理戰略框架））建議方案（衛萬順等，2018）。并進一步強化開放共享理念、保障城市發展全過程地質安全理念。

在地質專業理論體系研究方面，創立了淺層地溫能地質學理論體系，構建了城市地質調查和城市區域工程地質勘查評價體系（衛萬順等，2018）;創新了城市地質學理論，拓展了城市地質學的內涵與外延，提出了城市選址安全底限問題、城市發展規模上限問題、城市發展可持續性問題是城市地質學研究的3個科學問題，構建了區域地質條件適宜性評價、地質資源環境承載力評價、城市地質作用研究3方面的理論體系，并給出了相應的定量化指標（鄭桂森等，2018a;鄭桂森等，2018b）。

地質工作理論是智慧地質建設的基礎，理論的不斷進步體現的是對地質科學認知程度的持續加深。城市地質涉及專業眾多，各專業的評價指標體系、預警模型、預測模型是由對地質學的定性研究到定量研究的質的提升，而這樣的研究過程也正是智慧地質的發展由信息獲取向知識累積轉化的質變過程，是智慧地質得以實現和發展的保證。

（2）由感知到服務的全流程信息化基礎設施初步搭建，監測預警平臺與公共服務平臺建設穩步發展

北京市地勘局從“十二五”期間開始規劃建設首都地質資源環境承載力監測預警平臺。隨著大數據、云計算等新一代信息技術的發展日趨成熟，結合地質業務的現實性需求，首都地質資源環境承載力監測預警平臺一直在持續建設、逐步完善，初步搭建了物聯監測網絡和信息平臺。

在物聯網建設方面，通過分析首都地區地質資源環境承載力存在的各類問題，梳理出包括地表形變、地層形變、地質體應力等在內的10余類地質要素，遵循天空地協同、平面成網、立體分層的原則（鄭桂森等，2016），采用高精度衛星遙感、北斗衛星定位、無人機傾斜攝影、地面移動測量等方法，針對不同的地質要素布設雨量計、位移計、孔隙水壓力計、水質監測儀、水溫監測儀、地溫傳感器等數十類感知設備，建立地質要素物聯感知網絡，并基于通訊網、互聯網等傳輸匯聚至信息平臺，進行數據處理和分析。

在信息平臺搭建方面，目前首都地質資源環境承載力監測預警平臺基于云計算、物聯網、多源異構數據集成技術，已實現了大量已有地質成果的集成，整合了業務信息系統，接入了物聯監測網，根據平臺使用對象的不同，分別提供專業技術類應用、決策支撐類應用、展示服務類應用和基礎研究類應用。面向專業技術人員，提供包括地下水環境、突發性地質災害、地熱及淺層地溫能、地面沉降、土壤地質環境、隱伏構造、地下空間地質安全和重大線性工程八大專業監測預警服務、分析管理服務、地質數據服務、資料檢索服務、公共制圖服務、信息發布服務等，基本實現了信息采集的及時、精準，分析研究的智能、高效。面向管理決策人員，提供地下水環境、突發性地質災害等專業的預警模型和產品，提供地上地下一體化的三維成果展示服務;并可通過建立基于數理統計、聚類分析、空間關聯分析、分形理論的綜合預警分析模型，生成綜合預警產品，為決策管理部門提供技術支撐。

在對社會公眾服務方面，北京市地勘局開發了e地質公共服務平臺，通過B/S與手機APP相結合的方式，提供突發地災的預警預報信息查詢、地質公園導覽、地質旅游路線導航、地質科普資料在線閱覽、地質標本在線博物館、地質鑒寶等各類科普服務，增強了與社會公眾的互動交流，初步實現了地質成果的社會化服務。

綜上，從對地質理論的深入研究到地質學認知水平的不斷飛躍，從對地質要素的物聯感知、基礎搭建到面向各類用戶提供不同產品服務，可以說北京市的地質工作已經逐漸走上了智慧地質的發展道路，初步取得了系列成果。

5結語

隨著全球智慧城市發展的日新月異和新一代信息技術的迅猛發展，智慧地質迎來了發展的大好機遇。如同人的大腦運作要經歷從信息積累到形成知識再到產生智慧的過程一樣，我們認為智慧地質的實現也要經歷由信息獲取一基礎設施搭建、知識累積一大數據平臺建設、智慧飛躍一地質大數據深度融合這樣循序漸進的過程。在實現過程中，不斷迭代更新的各類技術工具和不斷加深的地球科學認知，也是智慧地質持續提高“智慧水平”的重要條件。

但就現階段而言，智慧地質依然處于剛剛起步的階段，未來還有漫長的道路要走。科學謀劃、做好頂層設計、夯實地質理論基礎、做好基礎搭建仍是智慧地質當前發展的首要任務。