三维地质填图——让地球深度“透明”

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玻璃地球是一个把地质信息和地理信息相结合并存储于计算机网络上的、可供多用户访问和开展决策分析的三维可视化虚拟浅层地壳。换言之,这是一个实现了地下-地上、地质-地理、空间-属性数据一体化存储、管理、处理和应用的三维可视化的地质信息系统。在一个国家范围内,玻璃地球可称为玻璃国土,它集多维地质信息系统建设和多维地质建模于一体,是地质时空大数据的有效载体。


 

玻璃地球


玻璃地球的概念最初是由澳大利亚地质学家Carr 等提出的,其含义是利用地质信息技术建立一个横向分区或连片的、多尺度的、数字化的、透明的地壳浅层模型,其中凝聚了所能采集的全部地质空间信息和属性信息。这个概念一经提出,便迅速得到欧美各发达国家的政府、地质调查机构和地质学家们的响应。




多年以来,随着资源和环境压力的增大,世界各国早就已经把眼光投向地壳深部,不断增加矿产资源的勘查深度。例如,石油最大勘探深度已经达到7000m 以上,金属矿产的勘探和开采深度最大也可达到4000m 以上。此外,为了实现对塌陷、滑坡和地震等地质灾害的预测、预报、预警和减灾,也要求开展对地壳深部结构、构造及灾害孕育、发生机理的研究。于是,对造山带深部、地震带深部和盆地基底的探测也在世界各国广泛地开展起来了。与此相应,三维地质信息化技术带来了快速的发展,区域地质调查除了在内容上增加了农业地质、环境地质、旅游地质和灾害地质之外,在工作方式上也开始了由仅仅采集、存储、管理和处理地表地质数据,变为一体化采集、存储、管理和处理地下-地上、地质-地理和物化遥钻数据;变二维地质填图为三维地质填图,甚至四维地质填图;变单纯的二维地质图件表达方式为既有二维图件又有三维可视化实体模型表达,并实现地质结构分析三维可视化、地质过程模拟三维可视化。这种三维地质填图工作,通常先在城市进行试点。


开始时,玻璃地球的内涵和外延比较局限,数据也主要来自物探和化探。经过十余年的发展,已经把露头、钻探、遥感和其他数据都包括进去了,用于不同尺度的玻璃地球建设,而且其内涵和外延也都扩大了,内容也更为丰富了。由于各个国家的学术界和地调机构对玻璃地球概念的内涵和外延的理解不同,所制定的规划、计划和做法都不太相同,但是在实现一定深度范围内的地壳透明化的目标是一致的。


 

如今,让地球深部透明化,已经成为越来越多国家关注的焦点。特别是国际合作的地质一体化one geology)活动的开展,更把玻璃地球建设推向国际合作进程,引起了各国地质科学界和政府的高度重视。地质一体化是地质调查界的一项国际性的创意活动,而且是国际地球年2007—2009)的一项旗舰项目。其目标是在网络上创建一个开放的动态世界地质地图数据库,为大众提供地质信息。目前已有超过150 多个国家和地区参加到该项目中去。最近,中国地质调查局代表我国已经参加到了这个项目中。


值得提出的是,前苏联在20 世纪六七十年代就率先开展了三维地质填图的研究和试验,出版了1万稀有金属矿区立体地质填图及深部地质填图,并强调在立体填图的基础上进行深部找矿。他们虽然没有提出玻璃地球的概念,也没有利用三维可视化的空间信息技术进行资料分析和成果表达,但不失为这个领域的先驱。


 

传统的区域地质调查的缺陷除了手工作业方式之外,还在于仅仅采集地面露头地质资料,其图件的表达方式也都是二维的,实际上是一种地面(表层)地质调查。在这样的作业方式下,即便是采用GISGPSRS DBS 技术,也不能真正解决地表以下的多源、多维、多类、多尺度、多时态和多主题地质数据的有效采集、集成和表达问题。


 

玻璃地球建设与我国国民经济信息化地质勘查和矿业开发信息化的战略目标一致,也与中国地质调查局正在启动的三维地质调查计划,以及各地矿部门和企业所进行的数字矿山”“数字油田”“数字工程数字灾区的建设目标一致,但更为系统、更为完整。这是一项庞大的系统工程,也是地质时空大数据统合应用的基础。


 

国三维地质填图工作

我国虽然没有明确地提出玻璃地球建设计划,但在实际上已经在各个领域,从各个方面开展了相关的探索性研究和试验。


大致从2000 年开始,中国地质矿产行业的一些企事业单位,也根据各自信息化的需要,尝试开展了数字矿山”“数字盆地”“数字油田”“数字煤田”“数字工程”“数字地灾”“数字水利”“数字航道数字道路等项目建设。这些工作,实际上就是大尺度玻璃国土建设的试点和实践。而在一些高等学校和研究机构中,也相继开展了包括三维地质建模在内的三维地质信息系统建设的理论、方法和技术研发。


 

国土资源部和中国地质调查局在2006 年启动了三维城市地质填图试点,随后于2011年又启动了三维区域地质填图和三维矿管一张图试点。这些试点工作围绕增强能源资源保障能力、保障地质环境安全、促进地球科学发展三大主题,把三维地质建模作为重点技术,开展大陆地壳、城市、含油气盆地、重要成矿带、重要经济区、重要地质环境脆弱区的深部探测技术、地质信息管理与服务系统建设、三维地质填图成果集成与综合研究。与此同时,中国地科院在科技部和基金委支持下,设立了《深部探测技术与实验研究专项(2008—2012)》国家重大专项,完成了约6000km 深地震反射剖面,研究并实验了地壳与地幔深部探测的一系列技术方法,其中包括长江中下游和南岭成矿带开展的矿集区立体探测、岩石圈三维结构与地球动力学数值模拟,并开展了深部探测数据共享平台建设和深部探测综合集成,还建立了相应的矿集区2000m 以浅三维地质框架模型。


 

所有这一切数字化研究和建设,都可看作是玻璃国土建设的有机组成部分,属于不同尺度的玻璃国土建设的研究和试点成果。多比例尺并行,通过试点取得经验,循序渐进逐步推开,这是中国玻璃国土玻璃地球建设的显著特点。


 

玻璃地球建设的发展


玻璃地球建设的现实状况看,世界各国的玻璃地球建设都取得了一定的进展,但进展很不平衡,存在着一些亟待解决的问题。


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玻璃地球建设存在问题

总的看来,各个国家的进展有所差异。有些国家进展比较快,建立了全国的三维地质框架模型,并融入了多源信息,甚至建立了多尺度、多分辨率的分类或分级地层框架模型;有的进展比较慢,虽引入了盆地分析方法和沉积格架模型,但只是在第四纪沉积物、水文地质和地震地质等专业领域,实现了局部三维地质框架模型构建;有的未能取得实质性进展,未能达到预期目标,止步不前,甚至改变原有的计划和方向。


 

目前玻璃地球建设所存在的问题,可以从管理和技术两个层面来分析。从管理层面上看,多数国家的地质调查机构在制定三维填图战略目标时,主要依据是机构自身的科学研究需要、客户需要或经济上的需要,缺乏总体规划、顶层设计和协调机制。各部门、各企事业单位的地质信息系统建设和三维地质建模,没有纳入统一的轨道中来,也没有统一的标准和规范,因而无法形成统一的、系列化、可共享的多尺度的玻璃国土。从技术层面上看,主要有三个方面的问题。其一:几乎所有的三维地质建模都较多地关注框架构建的效率及方便性问题,较少顾及复杂地质结构的全息、精细刻画和模型的局部动态重构,以及地层框架内的非均质性及其地质学内涵问题;其二:几乎所有的三维地质建模都较多关注模型的可视化表达问题,较少顾及如何基于所建立的三维模型实现可视化分析、可视化仿真、可视化设计和可视化决策问题,更少顾及智慧地球和智慧地矿领域的需求;其三:几乎所有三维地质建模都较多关注方法及过程问题,较少顾及模型的数据结构及其适应性,以及多源、多主题数据融合和基于三维地质模型开展时空数据挖掘和知识发现问题。此外,多数三维地质建模较多关注单一图幅、单一矿山或单一油气田模型的构建,较少考虑如何进行跨界建模,以及多尺度地质框架模型的集成、拼接和嵌套问题。


 

玻璃地球建设的发展趋势

由于地质体、地质结构和地质过程的极端复杂性、不可见性和数据采集的抽样方式,导致其出现结构信息不全、关系信息不全、参数信息不全、演化信息不全的状况。建立多维地质信息系统,有利于一体化存储、管理和处理地下-地上、地质-地理、空间-属性数据,进行三维可视化地质建模,有利于对地质对象的总体把握和整体分析。基于海量多源、异构、异质的勘查数据,构建而成的三维地质模型,可直观而形象地展现地质体和地质结构,可极大地提高对地质现象、地质资源和地质环境的认知能力。目前,开展三维地质信息系统建设和三维的数字图幅、数字矿山、数字油田、数字工程和数字地灾点地质建模,已经成为国际地矿部门和地质科学界技术创新的重要领域。


 

其发展趋势归纳起来有以下六个方面:从个别走向一般,即由个别部门的建设行为,转变为地矿行业各部门普遍参与、分工合作的建设行为;从零散走向集成,即由零散的局部三维地质建模,转为点面结合的连片集成化的多尺度三维数字地质建模;从局部走向整体,即由局部地区和局部领域,转变为全国范围的地壳整体多尺度数字化、透明化建设;从功能走向数据,即由单纯追求建模功能,转变为强化地质时空数据管理、充分发挥地质数据的价值为目标的三维地质信息系统建设;从展示走向实用,即由追求单纯的三维地质体和地质结构可视化展示效果,转为追求基于所建立的三维地质模型开展各种可视化分析、可视化仿真、可视化设计和可视化决策的能力;由网络走向云端,即由一般的利用网络进行数据传输、查询、检索和分发服务,转变为充分利用物联网、云技术和数据挖掘等大数据技术,向智慧地球方向迈进。


 

要实现玻璃地球建设的个转变,既需要有理论、方法和技术的创新,也需要有体制、政策和法规的改变,以及政府和主管部门的主导和协调。


3玻璃地球建设的关键技术

 

开展玻璃地球建设,必须具备一般地质调查信息化所需的各项软件技术,其中如下四个方面的关键技术尤为重要:实现天、空、地和深部立体探测及其数据采集的新技术、新方法(物探、化探、遥感);能满足多维地下-地上、地质-地理、时空-属性大数据的一体化存储、管理、调度的三维地质数据库技术;复杂地质体、地质结构和地质过程的多维、全息、精细、快速和动态建模;多维地质时空大数据的分析、融合与挖掘技术。这几个方面的技术和软件成果虽然已经出现,但在国内、国外都不成熟,仍存在一系列难题亟待解决。 

需要反复强调的是:建设玻璃地球不是为了好看,而是为了好用,应当在表达可视化的基础上着重实现其三维地质数据的分析可视化、设计可视化、过程可视化和决策可视化(图1)。



 

1 三维地质数据的表达可视化、分析可视化、设计可视化、过程可视化和决策可视化


三维地质填图


综上所述,玻璃地球数字地球在地质矿产领域的体现。它既是地质科学大数据的最佳载体,也是地质科学大数据可视化的集中体现,在大数据主要来源地的城市中将会发挥重要作用。为此,应当使城市地质环境调查工作与玻璃地球建设协调起来,攻克种种难关,把基础性、公益性和服务性的城市三维地质填图工作,作为建设城市多尺度玻璃地球的基础来开展,进而推动智慧城市建设。


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建设目标的一致性

城市三维地质调查与城市玻璃地球建设的目标是一致的。它们既与地质工作信息化目标一致,也与包括智慧城市”“智慧国土在内的智慧地球目标一致,都是为了保障城市的安全运行、提高居民生活质量、维护城市社会、经济与生态环境的可持续发展。城市三维地质填图是城市玻璃地球建设的基础,而玻璃地球建设是城市三维地质调查的继承和发展,反过来又可以促进基础地质调查、地质研究、矿产勘查、工程勘察、环境保护和地灾防治工作的巨大变革,有利于快速而有效地应对国家资源安全、能源安全、工程安全和环境安全的各种问题。因此,玻璃地球建设在全国的实施,必将推动大数据技术的发展及其在地矿工作中的应用,进而推动智慧地球建设。


 

城市多尺度玻璃地球建设规模大、难度高、涉及面广,而且与城市地质时空大数据的采集、存储、管理、融合、同化、处理、应用和服务密切相关。因此,有必要进行总体规划和顶层设计,把城市三维地质环境调查工作的目标,与玻璃地球建设的目标相协调起来,研究并制定相应的政策、法规和分阶段目标,进行统一部署,把相关的数字填图”“数字国土”“数字环境”“数字资源数字工程等信息化建设项目,都纳入到玻璃地球的统一轨道中来,使之既有共同的行动准则和工作规范,又顾及各自的特殊需求,实现多源多类异质异构地质时空大数据的统合与共享服务。


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建设内容的相似性

在开展城市三维地质环境调查时,需要通过基础地质、水文地质、工程地质、环境地质、灾害地质和农业地质等方面的调查,来全面采集、整理和存储、管理城市地质环境数据。同时,需要基于这些数据进行各种专题分析和三维地质模型构建。这些专题分析包括第四纪地质特征、城市区域地壳稳定性、城市工程场地稳定性、城市地下空间开发利用适宜性、城市供水安全、应急水源地、地热资源、环境地球化学、水与土壤污染状况、生活垃圾处理与填埋场址选优、江海岸冲淤动态变化、海水入侵和海平面上升影响、地质灾害隐患与成灾机理研究评价等。由于已有的各种专题空间分析都是基于GIS 进行的,三维地质模型没有得到充分利用,其构建技术也没有得到很好的发展。因此,长期以来三维地质建模技术一直停留在框架建模和表达可视化的水平上,基于三维地质模型的专题空间分析技术、地质过程动态模拟技术和资源环境评价决策技术的发展都较为缓慢。


 

然而,开展面向智慧城市智慧资(源)环(境)建设,目的是整合城市的全部多源多类异质异构地质时空大数据,并且采用数据域模型一体化存储的方式,构建一个精细和全息的静态三维可视化地质模型,然后把静态模型与那些来自各类资源开发、水源监测、土壤监测、环境监测、地灾监测和遥感观测等动态地质数据耦合起来,基于这个耦合的三维地质模型,再通过传感器、互联网、云技术、数据挖掘和智能计算,就能建成玻璃地球玻璃国土,并向智慧地球智慧国土转化,实现城市资源、环境和地灾的智能监测、管控和预警。当然,其前提是,在城市地质环境调查阶段,所建立的三维地质模型应当满足一定的要求。城市地质环境调查与玻璃地球建设不仅目标一致,而且内容高度相似,具有承接性和兼容性,二者相辅相成,完全可以协同进行。


 

建设方式的协调性

城市地质环境调查通常采用1万比例尺进行,而城市的水文地质、工程地质和环境地质勘查通常按照勘查阶段采用不同的比例尺。例如,普查阶段为150000125000,详查阶段为125000110000,精查阶段为11000015000。对于后备水源地和各种大型基础设施,例如大型地下工程和大型地面建筑工程的勘探,甚至采用1250011000 等更大比例尺。由于各种大比例尺和较大比例尺的勘查区块通常范围较小且不连续,为了有效地支持未来的城市的智慧资(源)环(境)建设,需要通过尺度匹配,把不同比例尺的城市三维地质环境调查,与不同比例尺的水文地质勘查、工程地质勘查、环境地质勘查和灾害地质勘查成果整合起来,构建不同尺度的玻璃地球玻璃国土


 

为了实现城市地质环境调查与玻璃地球建设协同发展,需要着重研究城市地质环境调查中三维地质模型的构建方式,以及玻璃地球建设中三维地质模型的构建方式,进而采用嵌套和集成的方式,把不同比例尺的城市的玻璃地球玻璃国土聚合起来,提供连续放大、缩小的三维可视化表达和三维可视化分析功能。