城市地质数字化转型的机遇与挑战——中国工程院院士朱合华教授接受本刊专访

本 刊：城市地质是新兴的交叉性学科，理论学术性与实践应用性特色鲜明且突出。在新时代，面对新的历史时期与科技创新，城市地质的内涵如何充实丰富？城市地质的外延如何拓展延伸？其关键核心重点在哪里？

朱院士：随着我国基础设施建设的逐步完善，许多城市的建设发展已经从增量时代迈入存量时代。在新的历史起点上，城市发展必须立足于高质量发展的需求从外延式扩展转向内涵式发展，着力于城市品质品位的提升。城市地质工作是服务于城市建设的，目前大规模、大尺度、大范围的城市基础地质调查工作基本完成，也必须与时俱进走高质量发展道路。具体来说，城市建设逐步由地上向地下空间发展，地质工作则由“广”向“深”发展；城市建设开始注重品质和内涵，地质工作则由“有”向“优”发展。为了实现更“深”更“优”的发展，可以利用数字化、智能化方面的新技术，提高城市地质勘探、地质信息分析利用、地质灾害预警方面的效率、精度，提升城市地质模型的质量。

今年1 月，自然资源部长王广华在《学习时报》发文，明确了“严守资源安全底线、优化国土空间格局、促进绿色低碳发展、维护资源资产权益”的自然资源工作定位。我想，未来城市地质工作的核心重点应该紧扣国家政策和行业发展的需求。严守资源安全底线，需要提升地理信息安全、地质灾害智能监测预警和防治技术；优化国土空间格局，需要挖掘地下空间资源开发利用潜力并充分开发；促进绿色低碳发展，需要加强地热等地下清洁能源的勘探利用，强化地下空间和资源绿色开发，保护地下水环境安全；维护资源资产权益，需要构建“开放、共享、安全”的地质资源数字平台，强化地质资源资产产权价值。

本 刊：绿色低碳、韧性可持续发展，日益成为社会共识与行动指南。城市地质工作如何顺应形势的发展与社会的需求？如何更好地履行自身肩负的职责与使命？有哪些主攻方向与突破口？

朱院士：前面已经讲到，城市地质工作应当紧扣国家政策和行业发展的需求，需要创新思路、创新技术、创新模式，以提供更精准的技术服务和数据支撑，构建高质量发展的国土空间布局和支撑体系。

在韧性城市方面，将影响城市安全的活动断裂、地面塌陷、水土污染、城市内涝、饮水安全等作为调查研究对象，形成高效快速的调查技术体系和基于城市地质安全的防治规划与预警技术体系，研究威胁城市安全的重大地质灾害风险评估模型，调查城市地质安全风险，有效防范和化解重大地质安全风险隐患，服务于国土空间规划和用途管制，支撑地下工程和城市基础设施韧性提升。

在绿色低碳的可持续发展方面，以城市地质调查工作为基础，构建高精度三维地下空间模型，评估地下空间、资源的储备和分布，建立地下空间综合利用体系，实现地下透明化、资源动态化、规划协同化、开发科学化，为开发地下清洁能源、保护水土环境、整治污染等地下空间资源可持续安全利用及规划建设提供决策依据，支撑服务自然资源调查监测、国土空间规划、土地用途管制、环境生态恢复等工作，进而满足人民群众日益增长的对城市优美生态环境和“绿水青山”的需求。

本 刊：地质调查工作积累了海量基础数据，科技进步也使数据的采集实现了自动化、实时化，更使数据的处理分析赋予了强大能力。数字地球、智慧城市，给城市地质的数字化转型带来哪些机遇？又面临哪些挑战？

朱院士：数字化技术的发展为地质勘探、建模和分析带来了效率和精度方面的提升。精细化的三维地质数字模型，相比传统的地质调查报告，更能够让工程师们清晰而直观的掌握地质资源和风险点的分布，从而更好地进行地下空间开发和规划地质资源利用；人工智能和大数据技术的发展，使得地质勘探数据的管理、解译、分析更加高效，建立城市地质大数据中心可以有效保障地质资料成果齐全和稳定可靠。总体来看，城市地质的数字化和智慧化转型，是高质量发展的必经之路，为地质工作者们带来了更便捷的技术手段和更高效的管理分析工具。

城市地质数字化的益处是毋庸置疑的，但也面临挑战。我将数字化转型的技术瓶颈凝练为三点：“采集数据难”、“提取信息难”、“形成知识难”。如何真正解决这“三难”问题，实现城市地质的数字化转型？我们需要从地质信息的获取和使用过程入手，就像从物质中提取能量，我们可以从数据中获取知识，具体的过程是：采集、传输、处理、表达、分析、服务，这是复杂系统的信息化过程，也从根本回答了信息从哪里来到哪里去的本质问题，这就是城市地质工程数字化赋能的范式。

此外，在城市地质数字化转型的相关实践中，也存在一些不足，尤其在地下空间开发利用方面较为突出。一是我国城市地下空间开发利用数字化缺少系统性、前瞻性的顶层规划，没有考虑地上设施与地下空间协同、不同层次地下空间之间协同、不同开发类型地下空间协同，城市地下空间与地下水、地温能、地质材料等地质资源综合开发利用协同；二是地下空间数字化相关技术理论不完善，依然沿用城市地表规划建设的一系列理论和方法；三是缺少地下空间数字化建设相关标准规范，现行法规没能科学反映地下空间开发的地质环境制约。在城市地质数字化转型的道路上，必须逐步解决这些问题。

本 刊：关于城市地质工程数字化赋能的范式，采集、传输、处理、表达、分析、服务这些环节的具体内容是什么呢？

朱院士：我们做过很多地下工程，包括厦门海底隧道、长江隧道、轨道交通等，地质体的重要性是不言而喻的，掌握地质体需要利用地质信息大数据。地下空间开发发展到今天，目前上海已经积累到了大约80 万个钻孔的数据，该如何利用呢？

首先，数据的共享共生。数据要广泛地用起来，用的过程中就会检验数据的准确性，并且最新的工程产生的数据又会不断地更新迭代数据，这就造就了数据的共享共生。也可以说，整个80 万个钻孔要为上海所用，所有用的人再对其做加法，我觉得要做到这样，它的影响会很大。数据用的过程中才显示其价值，用的过程中发现问题，大家再思考怎么去改进它。所以，首先要考虑海量数据怎么变成共享共生的资源，数据不共享就等于零。

第二，数据的获取。数据获取实际上有很多手段，但是我们今天谈的地质数据，我认为，一定要低成本获取。怎么才能低成本化呢？在施工过程中静悄悄的获取，例如，打一根桩，或者挖一个基坑，只做一个工程，在这个过程中可以获取最准确的数据。打一个桩的同时要与感知地层相结合，这样做的优势是保证了数据的准确性，数据的采集不再是原来先打一个钻孔那样获取了。我认为传统的地质勘探的方式，从现场到室内再到现场，在这个方面是有缺陷的。因为到室内，土样改变了，环境也改变了，不是状的，很多参数本来是个定量数据，结果变成了定性的数据。所以，地质勘探要数字化，静悄悄的获取数据也是绿色化的。

第三，数据的传输与处理。我们现在提出，数据从现场到云端再回到现场。关于云端数据库，未来如何使用这些数据，向我们又提出了更高的要求，因为云端数据一定与模型是关联的。以上海土体模型研究为例，上海土体性质非常有典型性和代表性，研究本构模型需要大量参数，不能仅仅通过室内土工试验获取土体力学参数，更重要的是利用数据寻找规律，而真正有用的数据应该从现场到云端再回到现场，做到全程数字化，但传统的采样测试方式很难做到，所以用传统方式来实现数字化转型是不合适的。

第四，数据的标准化。我认为，今天的进步就是要在共享共生的基础上，建立标准。一定要统一思想，不是你做一块、我做一块。开始是在做练习，做练习是有必要的，但是到一定时候要统一标准，建立自己的科技语境，这样才能解决卡脖子问题。如果科技语境、概念、设计以及软件等都不是自主创新的，就会被卡脖子。我们需要从源头去解决这些问题，要建立从标准到系统再到应用服务的一套体系。在这个体系中，数据分析过程、数据传输要快，反馈到现场和决策也要快。在这个过程中，不仅仅是快，而且要准，不准就毫无用处。这涉及到数据孪生能力，其核心在于计算机处理的信息与现实的信息要基本一致，不仅“形”象，还得“神”象，也就是神形兼备。从地质体来说，需要透明化和精细化，不仅要透明化，还要可视化，目前实现这些的技术手段都有，但要保证数据的准确性，就需要研究数据的标准和地质体的“神”。

本 刊：地下空间开发是城市地质工作的主战场，您长期致力于数字地下空间与工程研究，是地下空间研究“数字化”的引领者。城市地质该如何发挥自身的专业优势与特点？在数字化转型过程中如何找准自己的定位？如何寻找突破方向？更好地为城市地质服务资源环境和生态文明建设赋能？

朱院士：城市地质工作是一切城市规划建设和地下空间开发的基础，城市地质数字化转型也是城市和地下工程数字化转型的排头兵。地下工程建设与地上工程的最显著差异就在于地质，地下工程工作者特别关注和需要地质信息作为空间规划和结构设计的依据。我认为，城市地质数字化转型的重要定位就是为地下空间、资源开发和城市规划建设提供数字化、标准化的地质信息和模型支撑，构建开放共享的地质数字化平台，帮助决策者和工程师摸清楚地下空间和资源开发利用的“家底”，实现未来地下空间规划和建设的可知、可控。这不仅有助于工程建设的清晰化，提升城市地下空间的韧性，促进生态文明城市建设，而且可服务于政府决策，实现地下空间开发利用的最优化；还有利于科普宣传，实现地下空间知识的平民化。

城市地质数字化的突破方向在于解决之前提到的三个技术瓶颈问题。例如，针对“采集数据难”的问题，可以研究新型的地质感知技术与装备，综合钻孔、物探、图像等多种手段，通过较低的成本实现地质要素的分布式精准高效感知；针对“提取信息难”的问题，可以结合人工智能等技术手段研究地质信息的智能提取方法，实现关键特征信息的自动化辨识；针对“形成知识难”的问题，可以和岩土、地下工程专业交叉融合，将地质信息和岩土力学理论、风险演化机制等理论成果结合，实现地质风险的提前预警。

本 刊：地面沉降研究与防治，是上海城市地质工作的闪亮名片。如何继往开来、推陈出新，不负时代、不负使命，地面沉降研究与防治需要怎样深化和拓展？如何在城市地质数字化转型中继续发挥示范和引领作用？

朱院士：上海自上世纪20 年代发现地面沉降现象，到60 年代最大累积沉降量达到了2.6 米左右。市区地面沉降导致了潮水泛滥、道路损坏、管线断裂，甚至导致了苏州桥下通航困难等问题，不仅造成了巨大的经济损失，也对城市建设、工业发展和人民生活构成了严重的威胁。1965 年之后，上海通过限制地下水开采、调整地下水开采层次及开展地下水人工回灌等措施，使得地面沉降得到有效控制。虽然上海取得的成绩非常喜人，不过随着大批高层建筑的出现，地面沉降原因由以地下水开采为主向地下水开采、城市建设等多因素转变，在新时代上海地面沉降可能又会遇到新问题，在城市地质数字化转型的过程中，地面沉降研究与防治仍是重要任务之一。

地面沉降防治的数字化转型，首先需要建设多视角、高密度的地面沉降监测体系，解决传统地面沉降监测以水准监测为主、监测密度低，局部沉降刻画较为粗糙的问题；第二，要构建城市数字孪生模型，不仅要建立建筑物、道路等城市基础设施的数字模型，还要建立地质、地下结构、基础、管线、地下水的模型，各模型耦合关联，可以从多个方向分析地质环境状况，为城市基建、规划设计提供准确的地下空间信息，从而有效规避风险区域，减少地面沉降发生概率；第三，要开展多因素影响下的地面沉降机理相关研究，并结合地面沉降监测数据和城市数字孪生模型，开展动态仿真分析，推算地面沉降过程中地层应力、应变和位移分布情况，预测地面沉降的速度、范围、空间分布和对建构筑物、管线的影响，预测灾害事件发生的概率及其链生灾害，为城市防灾减害、赈灾救灾工作提供有力支撑。