地球系統(tǒng)科學理念下地質數(shù)據(jù)采集趨勢及啟示

唐曉倩，王菲菲

（1.北京中礦聯(lián)咨詢中心，北京 100029；2.成都理工大學，四川 成都 610059）

0 引言

地球科學在過去數(shù)百年時間中不斷發(fā)展，學科分類持續(xù)細化，數(shù)據(jù)主要以學科體系為框架進行采集。隨著全球性資源環(huán)境問題的出現(xiàn)，科學家們意識到在某一個或幾個學科內(nèi)不能給出有效解決方案，而是需要全面認知地球系統(tǒng)各圈層的變化規(guī)律和實時狀態(tài)，才有條件預測未來趨勢和做出應對，這對原有地球科學數(shù)據(jù)的采集和利用方式提出了新挑戰(zhàn)。美國地質調(diào)查局（USGS）在2020 年提出EarthMAP 愿景，要對地球系統(tǒng)進行監(jiān)測、分析和預測[1]。同時，以大數(shù)據(jù)、云計算為代表的新一代信息技術的發(fā)展，促使很多科學領域由“實驗歸納”“模型推演”范式快速向“仿真模擬”“密集數(shù)據(jù)分析”的范式轉變，新范式對地球科學數(shù)據(jù)的類別、體量、架構和時效性都有新要求。隨著物聯(lián)網(wǎng)、傳感、通訊、人工智能等技術的快速發(fā)展，有些領域已經(jīng)涌現(xiàn)出一批自動化、智能化的新型數(shù)據(jù)采集裝備，這些技術進步是未來提升數(shù)據(jù)采集能力的重要支撐力量。在倡導地球系統(tǒng)科學理念和新技術快速變革的大背景下，地質數(shù)據(jù)采集應如何調(diào)整，是關系到地質工作如何轉型發(fā)展的重要命題。

1 地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)采集的若干模式

地球系統(tǒng)科學理念下的數(shù)據(jù)采集需要著眼于多圈層、長時序、全屬性的數(shù)據(jù)，主要有以下三個尺度的模式。

1.1 具體地區(qū)的多元數(shù)據(jù)體系構建

從解決具體地區(qū)、具體問題的需求出發(fā)，著眼于人地相互作用系統(tǒng)，不拘于學科、不囿于領域、不限于手段，采集、搜集和整合所有影響問題解決的各類數(shù)據(jù)，為解決問題創(chuàng)造基礎數(shù)據(jù)條件。以美國粉河盆地煤系資源開發(fā)對環(huán)境和地方經(jīng)濟影響研究為例，將煤炭和煤層氣開發(fā)作為主要變量，分析煤系資源開采對地表、地下水、地表水、特定棲息地和經(jīng)濟收益等方面的影響。研究工作主要搜集了人地作用系統(tǒng)相關領域的數(shù)據(jù)，包括煤、煤層氣、地表水、地下水、部分野生動物棲息地、牧草、土地擾動和土地所有權的數(shù)量與位置等數(shù)據(jù)，補充采集了煤和煤層氣的開發(fā)數(shù)據(jù)，構建了多元數(shù)據(jù)體系，為分析和預測不同能源開發(fā)情景下對水資源、生態(tài)資源、經(jīng)濟和社會效益的影響提供了基礎。再以盆地二氧化碳地質封存選址工作為例，目標是尋找安全、穩(wěn)定、環(huán)境風險低的二氧化碳地下儲存空間，需要搜集目標區(qū)內(nèi)基礎地質和水文地質特征，地層巖性、孔隙度、化學屬性和巖石力學參數(shù)，活動斷裂、地震、地質災害等特征，咸水層、煤礦采空區(qū)、枯竭油氣藏的分布范圍及層位，地形地貌、人口密度、城鎮(zhèn)分布等地面條件，礦業(yè)權、林權、土地所有權等已有數(shù)據(jù)，還需要補充采集500 m 以下的地層、斷裂和褶皺構造等數(shù)據(jù)，確保二氧化碳封存選址的科學合理、泄露風險最小、環(huán)境干擾最低[2]。

1.2 區(qū)域尺度的巖土水氣生數(shù)據(jù)聯(lián)合采集

為獲取圈層物質運動和能量轉化的動態(tài)數(shù)據(jù)，采用“以點帶面，以小見大”的理念，選擇不同類型的代表性區(qū)域建設野外觀測站網(wǎng)，配備必要的調(diào)查、觀測、探測和監(jiān)測技術裝備，為同一時空條件的圈層數(shù)據(jù)耦合分析創(chuàng)造條件，為分析更大尺度的圈層相互作用提供“窗口”。美國建設了10 個地球關鍵帶觀測站，在典型地區(qū)以分水嶺限定的封閉、半封閉區(qū)域為觀測對象，旨在研究發(fā)生在巖石、土壤、水、空氣以及生物之間的相互作用[3-6]。觀測站通過實時監(jiān)視水文通量、氣候條件和土壤的溫度、含水率及導電率等參數(shù)，開展區(qū)域性地球化學、地球物理調(diào)查，采取水、土壤和巖石等樣品進行分析測試，利用遙感、攝像和雷達等監(jiān)測動植物情況，利用上述技術手段實現(xiàn)巖土水氣生多元數(shù)據(jù)采集，為監(jiān)視地表作用過程和預測未來趨勢創(chuàng)造了基礎數(shù)據(jù)條件[7]。美國地球關鍵帶觀測站網(wǎng)已為區(qū)域水文功能研究和水資源管理、花崗質基巖與紅杉林的協(xié)同演化等研究工作提供了基礎數(shù)據(jù)，為認識關鍵帶和水文功能的聯(lián)系、基巖風化對植被的控制發(fā)揮了重要作用[5]。

1.3 全球尺度上的多要素多屬性數(shù)據(jù)提取

衛(wèi)星對地觀測具有覆蓋面全、重復周期短、應用領域廣等特點，能夠獲取全球絕大多數(shù)地區(qū)的地表信息和地球物理信息，通過對原始數(shù)據(jù)進行不同時段、不同用途、不同層次的提取分析，能為解決全球性資源環(huán)境問題提供基礎數(shù)據(jù)。美國實施的全球衛(wèi)星觀測系統(tǒng)記錄了1972 年以來的地表數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以應用于土地利用變化、森林變化、城鎮(zhèn)化、地球變暖、礦產(chǎn)資源、自然災害和地貌景觀等領域[8-9]。隨著傳感器技術的快速發(fā)展，觀測的分辨率和精度大幅提升，衛(wèi)星觀測的服務領域不斷深化和拓展。例如我國2018 年發(fā)射的海洋二號B 衛(wèi)星通過裝載海洋波譜儀和海洋散射計，可以用于測量海面高度、有效波高、海流和重力場參數(shù)，海面溫度、海面風速、海冰、海洋上空降雨量、水蒸氣含量、液態(tài)水含量等海洋動力環(huán)境參數(shù)[10]?？梢哉雇磥硇l(wèi)星觀測技術能夠提取出更高精度的風、雨等氣候數(shù)據(jù)，森林、草原、濕地、地表水、土壤、冰川、荒漠等地表自然資源與生態(tài)數(shù)據(jù)[9]，地表形變、地質災害等陸表位移數(shù)據(jù)[11]，重力場、磁力場等地球物理數(shù)據(jù)。

2 地質數(shù)據(jù)采集的重要趨勢

當前物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術正推動各行各業(yè)大變革，地質相關領域的數(shù)據(jù)采集工作具有以下幾個重要的趨勢。

2.1 數(shù)據(jù)采集自動化

得益于無人裝備的日趨成熟和傳感器技術的快速進步，某些領域已經(jīng)實現(xiàn)自動采集數(shù)據(jù)。國際上先進的無人水下滑翔機通過裝載特定傳感器，可以自動獲取壓力、電導率、溫度、湍流、海流、硝酸鹽以及溶解氧等海洋環(huán)境參數(shù)[12]。無人船搭載水質傳感器可以更高效率地自主獲取水體的溫度、鹽度、藍綠藻、氨氮、總磷等水質數(shù)據(jù)[13]。我國已經(jīng)有無人機裝載的航磁、航拍、激光雷達等技術，應用于地質找礦、國土空間用途管制、地質災害防治等工作[14-15]。

2.2 數(shù)據(jù)采集實時化

依托物聯(lián)網(wǎng)和5G 即時通訊技術，地震、地質災害等監(jiān)測領域實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、傳輸、預警或展現(xiàn)的快速完成。我國地震臺網(wǎng)能夠在2 min 內(nèi)監(jiān)測和定位國內(nèi)2.5 級（里氏震級）以上的地震[16]。對于地質災害而言，陜西省205 起地質災害成功預報案例的分析結果顯示：預警發(fā)出后地質災害在1 h 內(nèi)發(fā)生的比例為12.2%；1～3 h 發(fā)生的比例為15.6%；3 h 以上發(fā)生的比例為72.2%，預警提前至1 h 內(nèi)就可以發(fā)揮重要作用[17]。依托現(xiàn)代化的地質災害監(jiān)測預警體系，我國目前具備泥石流提前數(shù)分鐘至十幾分鐘、崩塌和滑坡提前數(shù)分鐘至數(shù)小時發(fā)出預警的技術條件和能力[18]。

2.3 采集技術智能化

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等技術的發(fā)展，很多數(shù)據(jù)采集設備不僅能實現(xiàn)自動化運行，還能夠自主分析、判斷和決策，采集智能化水平不斷提高。海洋淺地層剖面探測系統(tǒng)可以實現(xiàn)根據(jù)不同回波時間來推斷海洋底質成分，結合不同底質層聲速、地形地貌、多波束回波強度等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)海洋底質層的智能分類[19]。我國正在研發(fā)的5 000 m 深度智能鉆探技術，基于孔底在線數(shù)據(jù)、地表即時數(shù)據(jù)和巖心快速測試信息等多元信息融合，實現(xiàn)鉆壓、轉速等鉆進參數(shù)的智能化控制，自主調(diào)整鉆進操作以規(guī)避異常狀態(tài)，提高鉆探作業(yè)的安全性、效率和取芯質量[20]。隨著地球科學領域數(shù)據(jù)的增加和匯聚、知識庫的建設和豐富，“智能+”的應用領域將更加普遍和廣泛。

2.4 采集技術集群化

通過在同一（組）運輸載體裝配不同類型數(shù)據(jù)的采集設備，可同時獲取多門類數(shù)據(jù)，成倍提升數(shù)據(jù)采集效率。我國“海洋地質九號”科考船通過裝配多道地震、多波束、側掃聲吶、淺地層剖面、重力、磁力、海底取樣、鉆探等設備系統(tǒng)，可以實現(xiàn)地震、聲學、重力、磁力等數(shù)據(jù)的同步采集，在重點區(qū)域還可以通過海底采樣和鉆探獲取洋底沉積物和洋殼的地質數(shù)據(jù)[21]，實現(xiàn)了多手段的集成化應用。隨著飛機、車輛、船舶、潛水器等裝載設備的載荷更大、續(xù)航更長、運行更穩(wěn)定，將為研發(fā)大型集成裝備創(chuàng)造有利條件[19]。

2.5 采集網(wǎng)絡立體化

以海洋觀測監(jiān)測體系為例，美國、歐盟等國家和地區(qū)已逐步構建了由海洋衛(wèi)星、海洋浮標測陣、沿海臺站、移動潛水器、海底取樣與觀測裝置、大洋深鉆等組成的立體監(jiān)測網(wǎng)絡，可以獲取海水表層、深層、洋底、洋下巖石圈的科學數(shù)據(jù)[22]。美國利用陸地衛(wèi)星觀測實現(xiàn)了地球表面全覆蓋，構建了網(wǎng)度70 km×70 km 的寬頻地震和大地電磁測量的深部探測網(wǎng)絡[23]，運行著監(jiān)測地表水、地下水和大氣降水、由13 000個以上即時監(jiān)測站組成的水觀測系統(tǒng)，構建了陸域“立體式”的地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡。

3 對地質數(shù)據(jù)采集的啟示

3.1 以系統(tǒng)觀為指導構建多元數(shù)據(jù)體系

對于區(qū)域尺度的跨學科、跨專業(yè)的綜合性問題，地質工作要著眼于地球多圈層系統(tǒng)、人類生活生產(chǎn)系統(tǒng)及二者相互關系，構建和完善多圈層多要素數(shù)據(jù)采集體系。一是對于解決流域、平原區(qū)、城市群等區(qū)域內(nèi)影響人類生產(chǎn)生活的環(huán)境問題，要聚焦人地相互作用進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)體系建設。在地質災害調(diào)查評價工作中，基于地質災害風險調(diào)查，應加強氣候、水、地表植被等其他科學數(shù)據(jù)的搜集工作，構建影響地質災害發(fā)生的全要素數(shù)據(jù)體系。二是對于破解制約找礦、找油等資源問題，從圈層相互作用角度進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)體系建設。在能源和礦產(chǎn)資源相關工作中，持續(xù)加強重要成礦區(qū)帶、含油氣盆地深部地質構造的數(shù)據(jù)采集，形成從巖石圈淺部到深部的成藏成礦地質背景數(shù)據(jù)體系。三是對于解決區(qū)域尺度資源環(huán)境動態(tài)和演化趨勢認知不足的問題，建設一批野外觀測站實現(xiàn)多元數(shù)據(jù)采集。聚焦流域、盆地、海岸帶、生態(tài)功能區(qū)等代表性區(qū)域，以提升地上、地下物質和能量作用過程的認知程度為目的，借鑒美國地球關鍵帶觀測站網(wǎng)建設經(jīng)驗，在已有地球科學野外觀測站的基礎上，建設一批“互補型”觀測站。

3.2 持續(xù)健全“立體式”數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡

堅持生態(tài)文明建設和促進人地和諧共生，需要掌握域內(nèi)自然資源、生態(tài)本底及承載二者的地質背景數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡需要不斷完善。一是填補中比例尺區(qū)域性地質調(diào)查數(shù)據(jù)空白。中比例尺（1∶20萬～1∶25 萬）是有利于提升認知程度且較為經(jīng)濟的調(diào)查精度，我國剩余空白區(qū)主要為覆蓋區(qū)，可以充分利用衛(wèi)星重力、衛(wèi)星磁測、航空物探和適量地面物探，結合已有鉆孔數(shù)據(jù)，對覆蓋區(qū)進行“揭蓋”，形成陸域中比例尺的基礎地質數(shù)據(jù)。二是加強衛(wèi)星對地觀測和復雜數(shù)據(jù)提取。繼續(xù)攻關衛(wèi)星數(shù)據(jù)多要素數(shù)據(jù)提取技術，推動應用領域進一步拓展與深化。三是增加深部探測和常態(tài)化監(jiān)測數(shù)據(jù)采集密度。我國現(xiàn)有大地電磁測量密度僅為150 km 點距，應加大建設力度。

3.3 積極研發(fā)更多智能采集技術

人工智能技術正在對傳統(tǒng)行業(yè)進行前所未有的改造甚至替代，地質工作“智能化”是必然趨勢。在想象所及的范圍內(nèi)，智能遙感能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集和自主分析，圍繞地質災害預警、國土空間管制、自然資源監(jiān)測等不同需求開發(fā)服務產(chǎn)品；地下水智能監(jiān)測能夠實現(xiàn)水量、水質、水生態(tài)等數(shù)據(jù)的自動采集和自主分析，為水資源管護自行提供決策依據(jù)；巖礦智能識別能夠實現(xiàn)巖石、構造和礦物的自主辨認，機器人（車）可以在野外調(diào)查中定位、采樣和輔助填圖。地質工作“智能化”要在以下三個關鍵方面提前布局。一是加大高精度傳感器攻關力度。傳感器是智能系統(tǒng)的“感官”，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動化、實時化、精準化采集，必須依靠高精度傳感器。二是深化各專業(yè)領域的知識庫建設。知識庫是智能系統(tǒng)的“大腦”，要依靠知識庫對采集數(shù)據(jù)進行識別。三是不斷推進軟件系統(tǒng)開發(fā)。軟件是智能系統(tǒng)“中樞神經(jīng)”，數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理等系列工作都要基于軟件平臺實現(xiàn)，要圍繞水質、巖石、構造等數(shù)據(jù)的智能采集開發(fā)一批軟件系統(tǒng)。

3.4 打造高集成度的數(shù)據(jù)采集工作體系

邁入新發(fā)展階段，地質工作高質量發(fā)展至少要做到數(shù)據(jù)采集更精準、更高效、更經(jīng)濟、更綠色。形成一批高集成度的地質數(shù)據(jù)采集裝備體系和工作體系，大幅提高調(diào)查效率、降低成本和減少環(huán)境干擾。一是推進多門類采集技術裝備集成。在船載、機載、車載平臺上不斷嘗試增加探測、觀測、分析測試等技術裝備，在不同裝備相互影響可控的前提下持續(xù)提高集成度。二是提升無人裝備的探測技術集成水平。不斷提高無人機航磁測量性能和穩(wěn)定性，加快發(fā)展無人機電磁法、放射性測量技術，逐步構建無人船、無人潛水器重磁測量技術體系。三是探索構建集群探測工作體系。嘗試航空物探從單機探測到多機同時探測，海洋調(diào)查勘查工作從單船作業(yè)到多船聯(lián)動作業(yè)，大幅提高數(shù)據(jù)采集質量和工作效率。

4 結語

在分析國內(nèi)外地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)采集案例、總結數(shù)據(jù)采集工作發(fā)展趨勢的基礎上，指出數(shù)據(jù)采集呈現(xiàn)自動化、實時化、智能化、集群化、立體化的趨勢。面對解決具體資源環(huán)境問題的需求，要以系統(tǒng)觀為指導構建多元數(shù)據(jù)體系；面對掌握全域地質、自然資源、生態(tài)等基礎數(shù)據(jù)的需求，持續(xù)健全“立體式”數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡；面對人工智能的迅猛發(fā)展勢頭，積極研發(fā)更多智能采集技術；面對地質工作高質量發(fā)展的內(nèi)在需求，打造高集成度的數(shù)據(jù)采集工作體系。

致謝：感謝匿名審稿專家對本文提出的寶貴修改意見，對提升本論文的寫作起到了重要的指導作用。