智慧地质建设的初步探讨

李潇 于喆 郑桂森 郭萌

摘要：智慧地质是充分运用新一代信息技术，发现和总结地质演化的时空规律，判断和预测未来发展趋势，集海量专家认知于一体，认识水平可最大程度的符合或逼近地质自然规律，从而使地质成果以智慧的方式服务于人、造福于人。其意义在于以人为本、服务于人，具体内涵表现为实现地质调查监测工作流程的信息化、地质信息资源互联互通的统一化、地质数据分析应用的智能化、地质成果产品服务的精准化。北京市通过不断创新城市地质工作发展理念、搭建由感知到服务的全流程信息化基础，已经基本具备智慧地质的雏形。智慧地质的建设是一个循序渐进的过程，科学谋划、做好顶层设计、夯实地质理论基础、做好信息平台基础搭建是智慧地质当前发展的首要任务。

关键词：智慧地质;云计算;物联网;信息化;北京

中图分类号：P628 文献标识码：A 文章编号：1007-1903（2019）01-0015-06

0引言

2009年，美国IBM提出了智慧城市的概念，自此全球各发达国家逐步进入了智慧城市建设的高速发展阶段，以数字化、网络化、智能化的信息手段推动城市发展的智慧城市模式，逐渐成为各国的城市发展共识。

我国智慧城市建设的大力推进始于2014年，八部委联合印发了《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》（发改委高技[2014]1770号），这是全面指导我国智慧城市健康发展的第一份系统性政策文件（新型智慧城市建设部际协调工作组，2016）。

智慧城市的建设包括了城市规划、建设、运行、管理的各个方面，涉及了智慧水务、智慧园区、智慧交通、智慧市政、智慧安防、智慧农业等各行各业（王辉等，2010），中国智慧城市发展研究中心秘书长单志广（2015）认为：“智慧城市体现了城市走向绿色、低碳、可持续发展的本质需求”。在2015年12月中央城市工作会议以后，以“新型智慧城市”的新概念为引领，我国智慧城市理念、内涵、使命、重点、路径、模式的“中国化”探索不断深入，在理念创新、技术创新、管理创新、模式创新、融资创新等方面的实践不断深化，我国智慧城市建设正在从起跑、跟跑迈向与国际先进水平并跑的新阶段。

在此背景之下，地质工作的信息化建设也在快速发展。2004年开始，自然资源部（原国土资源部）相继与上海、北京、杭州、南京、天津、广州6个城市合作开展城市地质工作，建立了三维立体地质模型和城市地质信息管理系统。2011年，北京建立了北京城市地质安全保障服务系统，提供地质专业分析评价功能和信息共享服务（李潇等，2015）。2013年，自然资源部（原国土资源部）开发完成了全国地质资料集群系统。2014年，中国地调局开通了全国重要钻孔服务系统。2016年，依托贵州省地质科技园打造的矿业信息咨询软件平台、互联网农业地质大数据软件等地质科技软件上线运营。2017年，中国地调局的“地质云”上线，集成了地质调查、业务管理、数据共享及公开服务四个子系统，实现了云架构下的“大系统、大平台、大数据、大集成”，形成统一、有序、规模、权威的统一信息服务平台，一定程度上达到了智慧地质平台的效果。

智慧地质是智慧城市的发展需要，更是地质工作的发展需要。地质工作要为城市规划、建设、运行、管理全过程提供安全保障，是城市发展不可或缺的基础性、先行性工作。地质工作的理念和模式也在不断转变和创新，需要充分借助现代信息技术，提升传统的地质工作效率，整体提高地质工作的服务水平。《“十三五”国家科技创新规划》中提出的“深空、深海、深地、深蓝”科技创新战略（国务院，2016），为智慧地质的发展提供了国家战略背景，《自然资源科技创新发展规划纲要》中发展监测技术、构建智慧平台的任务部署（自然资源部，2018），则为智慧地质的建设进一步明确了方向。新形势下物联网、云计算、移动互联、智能控制、大数据等技术手段的发展，为智慧地质建设的基础设施、架构体系提供了充分的技术依托。作为将前沿信息技术手段与传统地质理论方法充分融合而成的产物，智慧地质能更好的服务于我国新型智慧城市的建设与发展。

1智慧地质

智慧地质是充分运用物联网、云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术，对地质信息进行智能采集和分析，对地质专业的既有知识进行学习和挖掘，发现和总结地质演化的时空规律，判断和预测未来发展趋势，集海量专家认知于一体，认识水平可最大程度的符合或逼近地质自然规律，从而使地质成果以智慧的方式服务于人、造福于人。它以已有地质工作成果为基础，以现代化的技术手段为依托，能将地质工作水平推动到人力所不能及的高度。

建设智慧地质的意义在于以人为本、服务于人，具体体现在：

（1）对于地质从业者来说，智慧地质使其对地质科学认知的过程大幅缩短、程度大幅加深。物联网、云计算、移动互联等技术使传统的调查监测、提取信息、分析汇总、形成成果、提供服务等过程的效率大大增加，数据挖掘、大数据分析、机器学习等技术使地质成果达到集海量地质专家集体智慧而形成的认知水平成为可能。

（2）对于成果使用者来说，智慧地质使其享受到更为智慧、精准、高效、实用的产品服务。让政府管理者在决策、管理和政策制定时，能够得到高效快捷的地质产品支撑服务，指导科学决策和管理;让公众在社会生活中，能够更便利的获取地质科学普及产品服务，提高地质认识和灾害防范意识，懂得保护自然生态环境、规避地质灾害风险的基本知识。

2智慧地质的内涵表现

智慧地质通过实现地质调查监测工作流程的信息化、地质信息资源互联互通的统一化、地质数据深度挖掘的智能化、地质成果产品服务的精准化，使地质产品在为民服务、城市治理、数据开放、经济发展、安全保障等方面同新型智慧城市的发展深度融合，达到服务于人的目的。

（1）地质调查监测工作流程的信息化

實现调查数据采集全流程信息化，如野外调查的数字编图、运用手机APP平台进行调查数据的录入、通过无人机、航空遥感等手段获取调查数据;实现各类地质要素的物联感知：通过布设如雨量计、水质监测仪、地应力监测仪、地温传感器等感知设备，获取各类地质要素的监测数据，并基于物联网、通讯网、互联网等传输汇聚。

（2）地质信息资源互联互通的统一化

统一规范标准：地质信息资源的数据形式多样、标准不一、数据格式和存储方式也不尽相同，需要实现标准化管理、维护和系统间的数据共享，且有效保障数据的安全。

整合信息资源：研究地质信息资源的家底，建立真正的地质信息资源目录，整合信息资源，掌控地质信息的管理和使用。

统一管理平台：大量珍贵的地质信息数据孤立分散，需要建立统一的数据管理与应用平台，提供高质量的数据整合、共享与服务，将沉淀的数据变为更有价值的资源。

统一应用平台：所建应用系统不能各自为政，需要形成统一的应用管理与协同联动，让用户的体验简单而高效。

（3）地质数据分析应用的智能化

当前大部分地质数据的应用还停留在查询和统计阶段，需要提升信息的综合分析与服务的水平，提取地质信息管理的关键因素，利用先进的分析工具，为各服务对象提供丰富的分析和决策依据。实现大数据平台与地质业务平台、政务平台、物联网平台中的业务数据、政务数据、监测数据的全面深度融合，实现数据的深度挖掘、分析、预警、预测功能。

（4）地质成果产品服务的精准化

紧紧围绕国家和地方发展战略，让地质信息成果服务社会的精准性更强、支撑范围更广、层次更深、质量更高，提高人类对自然规律认识以及资源合理利用、灾害防治和环境保护等方面的能力。用多种形式的线上线下产品，让地质成果精准服务于城市与人。避免传统的地质报告专业性过强，外行人看不懂，城市管理者不会用的局面，将地质成果产品化、通俗化、实用化，才能更精准的服务于城市规划建设和运行管理。

3智慧地质的基本构想

智慧地质的建设可大体分为以下几个层次：

（1）感知层——对所有地质“物”的特征进行客观精准刻画

主要手段是自动感知信息，辅助手段是人工及半人工获取信息。通过新一代信息技术，如卫星遥感技术、倾斜摄影技术、三维激光扫描技术、传感器技术、射频识别技术、无线传感器网络技术、全球定位系统技术等，按约定的通信协议，集成嵌入式系统技术与互联网系统技术，把任何地质的对象与泛在的网络连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。通讯技术上，采用运营商的公网，宽带专网（2G、3G、4G以及即将到来的5G），eLTE宽带专网、窄带专网（数字、模拟信号通道）、卫星通道GNSS技术等，实现物联数据传输。

（2）基础设施层——切皆服务

充分依托于智慧城市的公共智能基础设施，如云数据中心、容灾备份中心、主干通讯网络、公共信息平台等，使用云技术提供的Iaas、Daas、Paas、Saas等不同层级的服务，按需使用计算资源、存储资源、网络资源以及安全服务、运维服务等，充分节省基础设施搭建的成本，将空间感知层接收的数据经由基础设施层推送至平台支撑层进行汇聚、融合和处理。

（3）平台支撑层——承上启下的联络员

智慧地质各个业务平台之间，以及平台内部各应用系统间存在大量的数据交换和系统集成需求，需要集中部署一体化交换中间件，来支撑各平台应用系统间的数据交换，落实信息标准管控，支撑平台内部或平台间的应用系统集成。同时作为对外交换的中间件，可以和外部系统进行数据的共享交换。

这一层包含两个方面：一是对基础设施层和感知层的数据进行承接，建立分门别类的智慧地质信息资源库二是对应用层提供数据支撑。

在数据承接这个方面，支撑层要完成将分散的异构数据源、各专业领域物联网中的数据抽取到中间层后，进行清洗、转换、集成，最后加载到对应的数据仓库或分布式文件系统中，为后期的分析处理、数据挖掘提供数据资源。

在对应用层提供支撑方面，支撑层要完成地质应用开发服务（集成开发环境、业务模型工具等）、各类模型服务（预警模型、三维模型等）、地质数据服务（数据查询、数据管理等）、地质软件服务（GIS软件、OLAP、挖掘工具等）等相关功能都进行有效封装，使这些松散耦合的功能和服务可以方便的进行重组并提供其他系统调用，实现资源的共享和个性化的定制服务。

（4）应用层——智慧应用的实现

根据不同类型用户，精准定位需求，实现量身打造式的体验感，通过PC端、移动APP端、多媒体等多种形式，提供专业技术、决策支撑、展示服务、基础研究、政务管理、科普服务等各类智慧应用服务，并根据需求对应用服务功能进行调整和升级。智慧应用使“地质”不再是高深难懂的学问，而是成为各类用户可以易于依赖和使用的工具。

（5）标准体系和框架——智慧运行的保障

主要包含智慧地质建设所必须遵循的国家标准、政策、机制、行业标准、信息安全标准体系、管理标准体系、智能运维体系等，是智慧地质能够稳定安全持续运行的保障。

4北京市智慧地質建设的初步成果

自20世纪50年代以来，北京市在地质调查、矿产勘查、水文地质、工程地质、环境地质、浅层地温能与地热资源勘查、国土规划及地质灾害调查等方面做了大量工作，积累了丰富的经验和成果数据。在城市地质工作基础理论研究方面成果丰富，为智慧地质的建立夯实了专业理论基础，并逐步建立了以北京市多参数立体地质调查数据库、北京市三维立体地质模型、北京城市地质安全保障服务系统、首都地质资源环境承载力监测预警平台、北京市e地质公共服务平台等为代表的信息化建设成果，基本具备了智慧地质的雏形。

（1）城市地质工作发展理念不断创新，各专业理论体系和模型研究持续推进

近10年来，北京的城市地质工作在理论创新方面取得了明显成效，主要体现在城市地质工作发展理念的多方面创新。

在城市地质工作分类创新方面，站在城市经济社会可持续发展的高度来划分地质工作类型，将地质工作按解决问题的途径、地质工作方式、解决地质安全危机事件的手段分为3大类、7个亚类。在城市地质工作发展模式创新方面，提出了在城市可持续发展过程中，地质工作发展模式应该由传统的问题推动型向理念发展型转变。在城市地质安全危机管理理论创新方面，提出了“北京市非正常情况下城市地质安全危机管理战略框架））建议方案（卫万顺等，2018）。并进一步强化开放共享理念、保障城市发展全过程地质安全理念。

在地质专业理论体系研究方面，创立了浅层地温能地质学理论体系，构建了城市地质调查和城市区域工程地质勘查评价体系（卫万顺等，2018）;创新了城市地质学理论，拓展了城市地质学的内涵与外延，提出了城市选址安全底限问题、城市发展规模上限问题、城市发展可持续性问题是城市地质学研究的3个科学问题，构建了区域地质条件适宜性评价、地质资源环境承载力评价、城市地质作用研究3方面的理论体系，并给出了相应的定量化指标（郑桂森等，2018a;郑桂森等，2018b）。

地質工作理论是智慧地质建设的基础，理论的不断进步体现的是对地质科学认知程度的持续加深。城市地质涉及专业众多，各专业的评价指标体系、预警模型、预测模型是由对地质学的定性研究到定量研究的质的提升，而这样的研究过程也正是智慧地质的发展由信息获取向知识累积转化的质变过程，是智慧地质得以实现和发展的保证。

（2）由感知到服务的全流程信息化基础设施初步搭建，监测预警平台与公共服务平台建设稳步发展

北京市地勘局从“十二五”期间开始规划建设首都地质资源环境承载力监测预警平台。随着大数据、云计算等新一代信息技术的发展日趋成熟，结合地质业务的现实性需求，首都地质资源环境承载力监测预警平台一直在持续建设、逐步完善，初步搭建了物联监测网络和信息平台。

在物联网建设方面，通过分析首都地区地质资源环境承载力存在的各类问题，梳理出包括地表形变、地层形变、地质体应力等在内的10余类地质要素，遵循天空地协同、平面成网、立体分层的原则（郑桂森等，2016），采用高精度卫星遥感、北斗卫星定位、无人机倾斜摄影、地面移动测量等方法，针对不同的地质要素布设雨量计、位移计、孔隙水压力计、水质监测仪、水温监测仪、地温传感器等数十类感知设备，建立地质要素物联感知网络，并基于通讯网、互联网等传输汇聚至信息平台，进行数据处理和分析。

在信息平台搭建方面，目前首都地质资源环境承载力监测预警平台基于云计算、物联网、多源异构数据集成技术，已实现了大量已有地质成果的集成，整合了业务信息系统，接入了物联监测网，根据平台使用对象的不同，分别提供专业技术类应用、决策支撑类应用、展示服务类应用和基础研究类应用。面向专业技术人员，提供包括地下水环境、突发性地质灾害、地热及浅层地温能、地面沉降、土壤地质环境、隐伏构造、地下空间地质安全和重大线性工程八大专业监测预警服务、分析管理服务、地质数据服务、资料检索服务、公共制图服务、信息发布服务等，基本实现了信息采集的及时、精准，分析研究的智能、高效。面向管理决策人员，提供地下水环境、突发性地质灾害等专业的预警模型和产品，提供地上地下一体化的三维成果展示服务;并可通过建立基于数理统计、聚类分析、空间关联分析、分形理论的综合预警分析模型，生成综合预警产品，为决策管理部门提供技术支撑。

在对社会公众服务方面，北京市地勘局开发了e地质公共服务平台，通过B/S与手机APP相结合的方式，提供突发地灾的预警预报信息查询、地质公园导览、地质旅游路线导航、地质科普资料在线阅览、地质标本在线博物馆、地质鉴宝等各类科普服务，增强了与社会公众的互动交流，初步实现了地质成果的社会化服务。

综上，从对地质理论的深入研究到地质学认知水平的不断飞跃，从对地质要素的物联感知、基础搭建到面向各类用户提供不同产品服务，可以说北京市的地质工作已经逐渐走上了智慧地质的发展道路，初步取得了系列成果。

5结语

随着全球智慧城市发展的日新月异和新一代信息技术的迅猛发展，智慧地质迎来了发展的大好机遇。如同人的大脑运作要经历从信息积累到形成知识再到产生智慧的过程一样，我们认为智慧地质的实现也要经历由信息获取一基础设施搭建、知识累积一大数据平台建设、智慧飞跃一地质大数据深度融合这样循序渐进的过程。在实现过程中，不断迭代更新的各类技术工具和不断加深的地球科学认知，也是智慧地质持续提高“智慧水平”的重要条件。

但就现阶段而言，智慧地质依然处于刚刚起步的阶段，未来还有漫长的道路要走。科学谋划、做好顶层设计、夯实地质理论基础、做好基础搭建仍是智慧地质当前发展的首要任务。