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(xué)，四川 成都 610059）

0 引言

地球科學(xué)在過去數(shù)百年時(shí)間中不斷發(fā)展，學(xué)科分類持續(xù)細(xì)化，數(shù)據(jù)主要以學(xué)科體系為框架進(jìn)行采集。隨著全球性資源環(huán)境問題的出現(xiàn)，科學(xué)家們意識(shí)到在某一個(gè)或幾個(gè)學(xué)科內(nèi)不能給出有效解決方案，而是需要全面認(rèn)知地球系統(tǒng)各圈層的變化規(guī)律和實(shí)時(shí)狀態(tài)，才有條件預(yù)測(cè)未來趨勢(shì)和做出應(yīng)對(duì)，這對(duì)原有地球科學(xué)數(shù)據(jù)的采集和利用方式提出了新挑戰(zhàn)。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）在2020 年提出EarthMAP 愿景，要對(duì)地球系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)測(cè)[1]。同時(shí)，以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算為代表的新一代信息技術(shù)的發(fā)展，促使很多科學(xué)領(lǐng)域由“實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)變，新范式對(duì)地球科學(xué)數(shù)據(jù)的類別、體量、架構(gòu)和時(shí)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(shù)的快速發(fā)展，有些領(lǐng)域已經(jīng)涌現(xiàn)出一批自動(dòng)化、智能化的新型數(shù)據(jù)采集裝備，這些技術(shù)進(jìn)步是未來提升數(shù)據(jù)采集能力的重要支撐力量。在倡導(dǎo)地球系統(tǒng)科學(xué)理念和新技術(shù)快速變革的大背景下，地質(zhì)數(shù)據(jù)采集應(yīng)如何調(diào)整，是關(guān)系到地質(zhì)工作如何轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要命題。

1 地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)采集的若干模式

地球系統(tǒng)科學(xué)理念下的數(shù)據(jù)采集需要著眼于多圈層、長(zhǎng)時(shí)序、全屬性的數(shù)據(jù)，主要有以下三個(gè)尺度的模式。

1.1 具體地區(qū)的多元數(shù)據(jù)體系構(gòu)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(xué)科、不囿于領(lǐng)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(chǔ)數(shù)據(jù)條件。以美國(guó)粉河盆地煤系資源開發(fā)對(duì)環(huán)境和地方經(jīng)濟(jì)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(duì)地表、地下水、地表水、特定棲息地和經(jīng)濟(jì)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(guān)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，包括煤、煤層氣、地表水、地下水、部分野生動(dòng)物棲息地、牧草、土地?cái)_動(dòng)和土地所有權(quán)的數(shù)量與位置等數(shù)據(jù)，補(bǔ)充采集了煤和煤層氣的開發(fā)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了多元數(shù)據(jù)體系，為分析和預(yù)測(cè)不同能源開發(fā)情景下對(duì)水資源、生態(tài)資源、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的影響提供了基礎(chǔ)。再以盆地二氧化碳地質(zhì)封存選址工作為例，目標(biāo)是尋找安全、穩(wěn)定、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)低的二氧化碳地下儲(chǔ)存空間，需要搜集目標(biāo)區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)地質(zhì)和水文地質(zhì)特征，地層巖性、孔隙度、化學(xué)屬性和巖石力學(xué)參數(shù)，活動(dòng)斷裂、地震、地質(zhì)災(zāi)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(quán)、林權(quán)、土地所有權(quán)等已有數(shù)據(jù)，還需要補(bǔ)充采集500 m 以下的地層、斷裂和褶皺構(gòu)造等數(shù)據(jù)，確保二氧化碳封存選址的科學(xué)合理、泄露風(fēng)險(xiǎn)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(zhì)運(yùn)動(dòng)和能量轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，采用“以點(diǎn)帶面，以小見大”的理念，選擇不同類型的代表性區(qū)域建設(shè)野外觀測(cè)站網(wǎng)，配備必要的調(diào)查、觀測(cè)、探測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)裝備，為同一時(shí)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(guó)建設(shè)了10 個(gè)地球關(guān)鍵帶觀測(cè)站，在典型地區(qū)以分水嶺限定的封閉、半封閉區(qū)域?yàn)橛^測(cè)對(duì)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(cè)站通過實(shí)時(shí)監(jiān)視水文通量、氣候條件和土壤的溫度、含水率及導(dǎo)電率等參數(shù)，開展區(qū)域性地球化學(xué)、地球物理調(diào)查，采取水、土壤和巖石等樣品進(jìn)行分析測(cè)試，利用遙感、攝像和雷達(dá)等監(jiān)測(cè)動(dòng)植物情況，利用上述技術(shù)手段實(shí)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(yù)測(cè)未來趨勢(shì)創(chuàng)造了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)條件[7]。美國(guó)地球關(guān)鍵帶觀測(cè)站網(wǎng)已為區(qū)域水文功能研究和水資源管理、花崗質(zhì)基巖與紅杉林的協(xié)同演化等研究工作提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為認(rèn)識(shí)關(guān)鍵帶和水文功能的聯(lián)系、基巖風(fēng)化對(duì)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(duì)地觀測(cè)具有覆蓋面全、重復(fù)周期短、應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點(diǎn)，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(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行不同時(shí)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(chǔ)數(shù)據(jù)。美國(guó)實(shí)施的全球衛(wèi)星觀測(cè)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(yīng)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(zāi)害和地貌景觀等領(lǐng)域[8-9]。隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，觀測(cè)的分辨率和精度大幅提升，衛(wèi)星觀測(cè)的服務(wù)領(lǐng)域不斷深化和拓展。例如我國(guó)2018 年發(fā)射的海洋二號(hào)B 衛(wèi)星通過裝載海洋波譜儀和海洋散射計(jì)，可以用于測(cè)量海面高度、有效波高、海流和重力場(chǎng)參數(shù)，海面溫度、海面風(fēng)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(dòng)力環(huán)境參數(shù)[10]?？梢哉雇?，未來衛(wèi)星觀測(cè)技術(shù)能夠提取出更高精度的風(fēng)、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(zhì)災(zāi)害等陸表位移數(shù)據(jù)[11]，重力場(chǎng)、磁力場(chǎng)等地球物理數(shù)據(jù)。

2 地質(zhì)數(shù)據(jù)采集的重要趨勢(shì)

當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)正推動(dòng)各行各業(yè)大變革，地質(zhì)相關(guān)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集工作具有以下幾個(gè)重要的趨勢(shì)。

2.1 數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化

得益于無人裝備的日趨成熟和傳感器技術(shù)的快速進(jìn)步，某些領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。國(guó)際上先進(jìn)的無人水下滑翔機(jī)通過裝載特定傳感器，可以自動(dòng)獲取壓力、電導(dǎo)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(zhì)傳感器可以更高效率地自主獲取水體的溫度、鹽度、藍(lán)綠藻、氨氮、總磷等水質(zhì)數(shù)據(jù)[13]。我國(guó)已經(jīng)有無人機(jī)裝載的航磁、航拍、激光雷達(dá)等技術(shù)，應(yīng)用于地質(zhì)找礦、國(guó)土空間用途管制、地質(zhì)災(zāi)害防治等工作[14-15]。

2.2 數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)化

依托物聯(lián)網(wǎng)和5G 即時(shí)通訊技術(shù)，地震、地質(zhì)災(zāi)害等監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、傳輸、預(yù)警或展現(xiàn)的快速完成。我國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)能夠在2 min 內(nèi)監(jiān)測(cè)和定位國(guó)內(nèi)2.5 級(jí)（里氏震級(jí)）以上的地震[16]。對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害而言，陜西省205 起地質(zhì)災(zāi)害成功預(yù)報(bào)案例的分析結(jié)果顯示：預(yù)警發(fā)出后地質(zhì)災(zāi)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(yù)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(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，我國(guó)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(shí)發(fā)出預(yù)警的技術(shù)條件和能力[18]。

2.3 采集技術(shù)智能化

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，很多數(shù)據(jù)采集設(shè)備不僅能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)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(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同回波時(shí)間來推斷海洋底質(zhì)成分，結(jié)合不同底質(zhì)層聲速、地形地貌、多波束回波強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)海洋底質(zhì)層的智能分類[19]。我國(guó)正在研發(fā)的5 000 m 深度智能鉆探技術(shù)，基于孔底在線數(shù)據(jù)、地表即時(shí)數(shù)據(jù)和巖心快速測(cè)試信息等多元信息融合，實(shí)現(xiàn)鉆壓、轉(zhuǎn)速等鉆進(jìn)參數(shù)的智能化控制，自主調(diào)整鉆進(jìn)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(zhì)量[20]。隨著地球科學(xué)領(lǐng)域數(shù)據(jù)的增加和匯聚、知識(shí)庫的建設(shè)和豐富，“智能+”的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏悠毡楹蛷V泛。

2.4 采集技術(shù)集群化

通過在同一（組）運(yùn)輸載體裝配不同類型數(shù)據(jù)的采集設(shè)備，可同時(shí)獲取多門類數(shù)據(jù)，成倍提升數(shù)據(jù)采集效率。我國(guó)“海洋地質(zhì)九號(hào)”科考船通過裝配多道地震、多波束、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面、重力、磁力、海底取樣、鉆探等設(shè)備系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)地震、聲學(xué)、重力、磁力等數(shù)據(jù)的同步采集，在重點(diǎn)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(zhì)數(shù)據(jù)[21]，實(shí)現(xiàn)了多手段的集成化應(yīng)用。隨著飛機(jī)、車輛、船舶、潛水器等裝載設(shè)備的載荷更大、續(xù)航更長(zhǎng)、運(yùn)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(luò)立體化

以海洋觀測(cè)監(jiān)測(cè)體系為例，美國(guó)、歐盟等國(guó)家和地區(qū)已逐步構(gòu)建了由海洋衛(wèi)星、海洋浮標(biāo)測(cè)陣、沿海臺(tái)站、移動(dòng)潛水器、海底取樣與觀測(cè)裝置、大洋深鉆等組成的立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，可以獲取海水表層、深層、洋底、洋下巖石圈的科學(xué)數(shù)據(jù)[22]。美國(guó)利用陸地衛(wèi)星觀測(cè)實(shí)現(xiàn)了地球表面全覆蓋，構(gòu)建了網(wǎng)度70 km×70 km 的寬頻地震和大地電磁測(cè)量的深部探測(cè)網(wǎng)絡(luò)[23]，運(yùn)行著監(jiān)測(cè)地表水、地下水和大氣降水、由13 000個(gè)以上即時(shí)監(jiān)測(cè)站組成的水觀測(cè)系統(tǒng)，構(gòu)建了陸域“立體式”的地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。

3 對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)采集的啟示

3.1 以系統(tǒng)觀為指導(dǎo)構(gòu)建多元數(shù)據(jù)體系

對(duì)于區(qū)域尺度的跨學(xué)科、跨專業(yè)的綜合性問題，地質(zhì)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(guān)系，構(gòu)建和完善多圈層多要素?cái)?shù)據(jù)采集體系。一是對(duì)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)體系建設(shè)。在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)工作中，基于地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查，應(yīng)加強(qiáng)氣候、水、地表植被等其他科學(xué)數(shù)據(jù)的搜集工作，構(gòu)建影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的全要素?cái)?shù)據(jù)體系。二是對(duì)于破解制約找礦、找油等資源問題，從圈層相互作用角度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)體系建設(shè)。在能源和礦產(chǎn)資源相關(guān)工作中，持續(xù)加強(qiáng)重要成礦區(qū)帶、含油氣盆地深部地質(zhì)構(gòu)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(zhì)背景數(shù)據(jù)體系。三是對(duì)于解決區(qū)域尺度資源環(huán)境動(dòng)態(tài)和演化趨勢(shì)認(rèn)知不足的問題，建設(shè)一批野外觀測(cè)站實(shí)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(zhì)和能量作用過程的認(rèn)知程度為目的，借鑒美國(guó)地球關(guān)鍵帶觀測(cè)站網(wǎng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，在已有地球科學(xué)野外觀測(cè)站的基礎(chǔ)上，建設(shè)一批“互補(bǔ)型”觀測(cè)站。

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

堅(jiān)持生態(tài)文明建設(shè)和促進(jìn)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(zhì)背景數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)需要不斷完善。一是填補(bǔ)中比例尺區(qū)域性地質(zhì)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(rèn)知程度且較為經(jīng)濟(jì)的調(diào)查精度，我國(guó)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(cè)、航空物探和適量地面物探，結(jié)合已有鉆孔數(shù)據(jù)，對(duì)覆蓋區(qū)進(jìn)行“揭蓋”，形成陸域中比例尺的基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)。二是加強(qiáng)衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)和復(fù)雜數(shù)據(jù)提取。繼續(xù)攻關(guān)衛(wèi)星數(shù)據(jù)多要素?cái)?shù)據(jù)提取技術(shù)，推動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓展與深化。三是增加深部探測(cè)和常態(tài)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集密度。我國(guó)現(xiàn)有大地電磁測(cè)量密度僅為150 km 點(diǎn)距，應(yīng)加大建設(shè)力度。

3.3 積極研發(fā)更多智能采集技術(shù)

人工智能技術(shù)正在對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行前所未有的改造甚至替代，地質(zhì)工作“智能化”是必然趨勢(shì)。在想象所及的范圍內(nèi)，智能遙感能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和自主分析，圍繞地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、國(guó)土空間管制、自然資源監(jiān)測(cè)等不同需求開發(fā)服務(wù)產(chǎn)品；地下水智能監(jiān)測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)水量、水質(zhì)、水生態(tài)等數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和自主分析，為水資源管護(hù)自行提供決策依據(jù)；巖礦智能識(shí)別能夠?qū)崿F(xiàn)巖石、構(gòu)造和礦物的自主辨認(rèn)，機(jī)器人（車）可以在野外調(diào)查中定位、采樣和輔助填圖。地質(zhì)工作“智能化”要在以下三個(gè)關(guān)鍵方面提前布局。一是加大高精度傳感器攻關(guān)力度。傳感器是智能系統(tǒng)的“感官”，要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化、精準(zhǔn)化采集，必須依靠高精度傳感器。二是深化各專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)庫建設(shè)。知識(shí)庫是智能系統(tǒng)的“大腦”，要依靠知識(shí)庫對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別。三是不斷推進(jìn)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(tái)實(shí)現(xiàn)，要圍繞水質(zhì)、巖石、構(gòu)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(zhì)工作高質(zhì)量發(fā)展至少要做到數(shù)據(jù)采集更精準(zhǔn)、更高效、更經(jīng)濟(jì)、更綠色。形成一批高集成度的地質(zhì)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(jìn)多門類采集技術(shù)裝備集成。在船載、機(jī)載、車載平臺(tái)上不斷嘗試增加探測(cè)、觀測(cè)、分析測(cè)試等技術(shù)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(cè)技術(shù)集成水平。不斷提高無人機(jī)航磁測(cè)量性能和穩(wěn)定性，加快發(fā)展無人機(jī)電磁法、放射性測(cè)量技術(shù)，逐步構(gòu)建無人船、無人潛水器重磁測(cè)量技術(shù)體系。三是探索構(gòu)建集群探測(cè)工作體系。嘗試航空物探從單機(jī)探測(cè)到多機(jī)同時(shí)探測(cè)，海洋調(diào)查勘查工作從單船作業(yè)到多船聯(lián)動(dòng)作業(yè)，大幅提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和工作效率。

4 結(jié)語

在分析國(guó)內(nèi)外地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)采集案例、總結(jié)數(shù)據(jù)采集工作發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，指出數(shù)據(jù)采集呈現(xiàn)自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化、智能化、集群化、立體化的趨勢(shì)。面對(duì)解決具體資源環(huán)境問題的需求，要以系統(tǒng)觀為指導(dǎo)構(gòu)建多元數(shù)據(jù)體系；面對(duì)掌握全域地質(zhì)、自然資源、生態(tài)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的需求，持續(xù)健全“立體式”數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)；面對(duì)人工智能的迅猛發(fā)展勢(shì)頭，積極研發(fā)更多智能采集技術(shù)；面對(duì)地質(zhì)工作高質(zhì)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(duì)本文提出的寶貴修改意見，對(duì)提升本論文的寫作起到了重要的指導(dǎo)作用。