煤炭地質(zhì)單位建設(shè)“數(shù)字地球”綜述

謝志清，彭桂輝

(1.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039； 2.中國煤炭地質(zhì)總局航測遙感局，西安 710199)

1 數(shù)字地球的基本含義

20世紀(jì)90年代末，美國前副總統(tǒng)戈爾在加利福尼亞科學(xué)中心的演講中首提“數(shù)字地球”的概念，將“數(shù)字地球”描述為可囊括海量地理數(shù)據(jù)，并對地球進(jìn)行多分辨率、三維可視，提出了用地球的數(shù)字化手段來處理地球諸多問題的思想[1-2]。

“數(shù)字地球”概念的提出得到了中國科學(xué)家的積極響應(yīng)，國內(nèi)許多專家學(xué)者對“數(shù)字城市”、“數(shù)字地球”也開展了卓有成效的研究，對“數(shù)字地球”有著不同的論述。童慶禧院士從功能和作用二方面對“數(shù)字地球”進(jìn)行了定義，他認(rèn)為“數(shù)字地球”是一個在地球空間框架下融合了地球各種數(shù)字信息的系統(tǒng)平臺， 該平臺具有數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、傳輸、通信等功能，在地球數(shù)字信息化基礎(chǔ)上，處理和分析地球科學(xué)問題，為全球資源、環(huán)境保護(hù)與利用等提供解決方案。李德仁院士則根據(jù)數(shù)據(jù)的多樣性、數(shù)據(jù)處理的高效性以及數(shù)據(jù)的管理和服務(wù)，將“數(shù)字地球”形象的比喻為一個以信息高速公路為基礎(chǔ)，以空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施為依托，具有廣泛意義的概念[3-4]。

本質(zhì)上，數(shù)字地球就是信息化的地球——一個完整的地球虛擬對照體，把有關(guān)地球上每一點(diǎn)的全部信息，按地球的地理坐標(biāo)加以整理，然后構(gòu)成一個全球的信息模型，人們可以快速、形象、完整地了解地球上任何地點(diǎn)、任何方面的信息，從而實現(xiàn)“信息就在指尖上”的夢想[5]。其核心思想是用數(shù)字化手段統(tǒng)一性地處理地球問題和最大限度地利用信息資源(圖1)。

綜合來看，數(shù)字地球基本含義可列為以下三點(diǎn)：

①數(shù)字地球以地球空間信息為基礎(chǔ)；

②數(shù)字地球以數(shù)字技術(shù)為實現(xiàn)手段；

③數(shù)字地球的目的是更好的認(rèn)識我們賴以生存的地球。

圖1 數(shù)字地球-地球信息數(shù)字化示意圖Figure 1 A schematic diagram of “digital earth”-earth information digitalization

2 “數(shù)字地球”的特點(diǎn)與組成

2.1 特點(diǎn)

“數(shù)據(jù)地球”的提出，引發(fā)了世界范圍內(nèi)的研究熱潮，對“數(shù)字地球”的特點(diǎn)達(dá)成以下共識[6-9]。

①“數(shù)字地球”具有的三個屬性，即空間性、 整體性、數(shù)字性，其屬性的相互融合，形成了獨(dú)具特色的信息系統(tǒng)；

②“數(shù)字地球”數(shù)據(jù)以分布式數(shù)據(jù)層結(jié)構(gòu)設(shè)計，呈現(xiàn)為多源、多比例尺、多分辨率、多時序的矢量和柵格等數(shù)據(jù)格式；

③“數(shù)字地球”通過聯(lián)網(wǎng)機(jī)制，實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)庫的多源數(shù)據(jù)的融合與顯示；

④“數(shù)字地球”可以根據(jù)受眾的不同要求提供最便捷的服務(wù)，內(nèi)容包括圖像、圖形圖表、文字在內(nèi)的數(shù)據(jù)、信息、知識等；

⑤“數(shù)字地球”按信息來源的要求進(jìn)行密級管理，不同的用戶對不同的數(shù)據(jù)和信息具有不同的使用權(quán)限；

⑥“數(shù)字地球”采用開放式平臺技術(shù)，其構(gòu)件、 交互操作等依賴技術(shù)的進(jìn)步；

⑦“數(shù)字地球”受眾獲取信息的方式具有多樣性，不受時間、地域限制，但不同的受眾具有不同的權(quán)限，因此其網(wǎng)絡(luò)查詢 的“數(shù)字地球”信息會有差別，但享受的便捷與可視化無級別差異；

⑧“數(shù)字地球”的活動(數(shù)據(jù)融入、處理分析、成果報告等)不受時、空等限制。

2.2 組構(gòu)

“數(shù)字地球”是一面向公眾開放的信息系統(tǒng)，其依托因特網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)在多種分辨率瀏覽器上的三維可視化，其主要由數(shù)據(jù)系統(tǒng)、軟硬件系統(tǒng)和應(yīng)用模型三部分組成(圖2)[3,9]。

圖2 數(shù)字地球組成框架Figure 2 Composition framework of “digital earth”

3 “數(shù)字地球”構(gòu)建

“數(shù)字地球”的構(gòu)建包括二個層次：①相對靜態(tài)的空間信息數(shù)字化，如地形、地貌、植被、建筑、水文等，并按地理坐標(biāo)構(gòu)建成為三維數(shù)字地球；②在三維數(shù)字地球的基礎(chǔ)上再嵌入與位置相關(guān)的變動信息，如人文、經(jīng)濟(jì)、政治、軍事、科技乃至歷史等，組成一個內(nèi)容更加豐富的多維數(shù)字地球[3,6,9]。

構(gòu)建“數(shù)字地球”依據(jù)主要的理論包涵多源多時相多分辨率數(shù)據(jù)集成理論、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論、分布式計算理論、 海量存儲理論、空間數(shù)據(jù)倉庫理論、三維仿真理論、信息的認(rèn)知理論、智能化信息提取理論(圖3)；依據(jù)的主要技術(shù)有開放平臺技術(shù)、遙感技術(shù)、動態(tài)互操作技術(shù)、構(gòu)件技術(shù)、數(shù)據(jù)發(fā)掘技術(shù)、分布式對象技術(shù)、智能代理技術(shù)、計算機(jī)圖形和虛擬環(huán)境技術(shù)、多維虛擬現(xiàn)實技術(shù)、空間數(shù)據(jù)多媒體技術(shù)等(圖4)[3,6,9]。

圖3 數(shù)字地球理論框架Figure 3 Theoretical framework of “digital earth”

圖4 數(shù)字地球關(guān)鍵技術(shù)Figure 4 Key technologies of “digital earth”

4 煤炭地質(zhì)單位在數(shù)字地球建設(shè)中形成的技術(shù)能力

煤炭地質(zhì)單位于上世紀(jì)六十年代開始了以測量為主的地理信息技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，隨著“數(shù)字地球”概念的提出，以中國煤炭地質(zhì)總局航測遙感局為代表的煤炭地質(zhì)人積極投身“數(shù)字城市”、“數(shù)字地球”的建設(shè)，數(shù)據(jù)獲取、信息提取與應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫與系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)體系正在逐步完善。

4.1 多平臺多傳感器地表遙感數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

經(jīng)過多年的發(fā)展，煤炭地質(zhì)系統(tǒng)形成了以固定翼飛機(jī)、無人機(jī)為飛行平臺的集框幅式航攝儀、推掃式航攝儀、機(jī)載激光掃描儀、傾斜航攝儀、重力測量儀、高光譜遙感相機(jī)于一體的國內(nèi)最齊全的多平臺多傳感器遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，可提供完善、高效、國內(nèi)領(lǐng)先的“一站式”測繪航攝與專題遙感數(shù)據(jù)獲取解決方案。

4.2 淺層空間數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

針對地下管線、淺層地下空間探測，煤炭地質(zhì)系統(tǒng)形成了以管線探測儀、三維探地雷達(dá)、地震技術(shù)為核心的淺層空間探測技術(shù)體系，可以精準(zhǔn)探測淺層地下管線與地下空間及不良地質(zhì)體。

4.3 地理空間信息數(shù)據(jù)處理與信息提取技術(shù)

擁有先進(jìn)的ContextCaptureCente、Inpho、IntergraphSSK、LeicaXpro、PCI、ENVI、ERDAS及自主研發(fā)的MH-DMS和LidarDP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等各類專業(yè)技術(shù)軟件，可處理各類衛(wèi)星、航空、無人機(jī)、Lidar、SAR等多種數(shù)據(jù)源，可根據(jù)需要完成不同比例尺的地形圖、正射影像圖和中小比例尺遙感地質(zhì)填圖及各種專題圖件。

4.4 地理信息數(shù)據(jù)挖掘與處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)挖掘和GIS集成才剛剛興起，理論和技術(shù)都處在探索階段，出于不同專業(yè)方向的認(rèn)識也存在差異，地理信息數(shù)據(jù)挖掘與處理系統(tǒng)構(gòu)建需要將GIS技術(shù)與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)集成，當(dāng)前GIS所管理的空間數(shù)據(jù)還是以文件作為主要方式，存在著難以管理的海量數(shù)據(jù)，共享、并發(fā)、控制和安全保護(hù)措施差等特點(diǎn)，因此逐漸出現(xiàn)了擴(kuò)展常規(guī)關(guān)系數(shù)據(jù)庫、使用對象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫來管理空間數(shù)據(jù)庫的方法，然后建立在數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)之上進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，必要情況下使用GIS對所獲得的結(jié)果進(jìn)行解釋。煤炭地質(zhì)單位近年來已開始了相關(guān)技術(shù)研究。

5 新時代煤炭地質(zhì)單位在數(shù)字地球建設(shè)中的技術(shù)發(fā)展方向

根據(jù)新時代國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展對地勘工作的新要求，結(jié)合煤炭地質(zhì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型發(fā)展的現(xiàn)實需要，中國煤炭地質(zhì)總局局長趙平2018年12月舉行的第十六屆中國企業(yè)家發(fā)展論壇會議上首次提出了共建“透明、美麗、數(shù)字地球”的愿景，并在2019年的中國煤炭地質(zhì)總局工作會議上，明確提出將“三個地球”建設(shè)作為今后煤炭地質(zhì)勘查工作的發(fā)展方向，以地質(zhì)勘查技術(shù)為依托，全面加強(qiáng)地下空間探測，投身“透明地球”建設(shè)；以地災(zāi)治理、環(huán)境修復(fù)技術(shù)為依托，做生態(tài)文明建設(shè)的先行者，奉獻(xiàn)“美麗地球”建設(shè)；以地理信息技術(shù)為依托，全面打造地質(zhì)信息化產(chǎn)業(yè)平臺，參與“數(shù)字地球”建設(shè)[10]。

隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，“數(shù)字地球”的研究與應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入了新的階段。針對多時相、多源型、多分辨率的海量地空觀測數(shù)據(jù)與人文數(shù)據(jù)，利用各種分析算法和三維模型虛擬地球，以獲取體現(xiàn)地球科學(xué)數(shù)據(jù)的重要特征[11]。

面對新階段數(shù)字地球技術(shù)發(fā)展趨勢，煤炭地質(zhì)單位工作形式由過去的粗放型模式向著勘查精細(xì)化、綜合化、綠色化、信息多維化的方向轉(zhuǎn)變將是大勢所趨。信息化應(yīng)該覆蓋煤炭資源勘探的全過程，云平臺建設(shè)將成為煤炭地質(zhì)企業(yè)信息化的主流。具體從技術(shù)層面上講，煤炭地質(zhì)單位的技術(shù)發(fā)展方向包括：①實現(xiàn)天、空、地和深部立體探測及數(shù)據(jù)采集的新技術(shù)、新方法(物探、化探、遙感)，加大高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率地理空間信息、地質(zhì)信息等多元信息的快速高效獲取與處理技術(shù)，推動數(shù)據(jù)向“云”的及時(實時)匯聚；②研發(fā)能滿足多維地下-地上、地質(zhì)-地理、時空-屬性大數(shù)據(jù)的一體化存儲、管理、調(diào)度的三維地質(zhì)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，能夠處理TB甚至PB量級的多源型、多尺度、多分辨率、的海量地質(zhì)大數(shù)據(jù)，進(jìn)行分類管理，并使多源型數(shù)據(jù)既保持獨(dú)立，對能相互地處理與調(diào)度，又能相互調(diào)用、相互印證；③多維地質(zhì)體構(gòu)造與演化等全息、精細(xì)、快速和動態(tài)建模及可視化；④多維地質(zhì)時空大數(shù)據(jù)的分析、融合與挖掘技術(shù)。特別需要重視實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的設(shè)計可視化、過程可視化、分析可視化和決策可視化[12]。要重點(diǎn)突破快速高效測圖、地質(zhì)填圖與找礦技術(shù)，地理信息+地質(zhì)信息大數(shù)據(jù)處理與挖掘技術(shù)，三維探地雷達(dá)+地震+人工智能淺層空間高精度探測技術(shù)、地上地下三維可視化技術(shù)等核心技術(shù)，為參與數(shù)字地球建設(shè)提供技術(shù)支撐。

6 結(jié)語

數(shù)字地球建設(shè)技術(shù)發(fā)展日新月異，煤炭地質(zhì)單位只有將傳統(tǒng)的地質(zhì)勘查技術(shù)、地理信息技術(shù)與云計算、人工智能等前沿技術(shù)相互融合，才能實現(xiàn)地理信息+地質(zhì)信息的大數(shù)據(jù)處理與信息挖掘，更好的參與和融入“數(shù)字地球”建設(shè)。