煤炭地质单位建设“数字地球”综述

2020-01-07谢志清彭桂辉

中国煤炭地质 2019年11期

谢志清，彭桂辉

(1.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039； 2.中国煤炭地质总局航测遥感局，西安 710199)

1 数字地球的基本含义

20世纪90年代末，美国前副总统戈尔在加利福尼亚科学中心的演讲中首提“数字地球”的概念，将“数字地球”描述为可囊括海量地理数据，并对地球进行多分辨率、三维可视，提出了用地球的数字化手段来处理地球诸多问题的思想[1-2]。

“数字地球”概念的提出得到了中国科学家的积极响应，国内许多专家学者对“数字城市”、“数字地球”也开展了卓有成效的研究，对“数字地球”有着不同的论述。童庆禧院士从功能和作用二方面对“数字地球”进行了定义，他认为“数字地球”是一个在地球空间框架下融合了地球各种数字信息的系统平台，该平台具有数据采集、存储、处理、传输、通信等功能，在地球数字信息化基础上，处理和分析地球科学问题，为全球资源、环境保护与利用等提供解决方案。李德仁院士则根据数据的多样性、数据处理的高效性以及数据的管理和服务，将“数字地球”形象的比喻为一个以信息高速公路为基础，以空间数据基础设施为依托，具有广泛意义的概念[3-4]。

本质上，数字地球就是信息化的地球——一个完整的地球虚拟对照体，把有关地球上每一点的全部信息，按地球的地理坐标加以整理，然后构成一个全球的信息模型，人们可以快速、形象、完整地了解地球上任何地点、任何方面的信息，从而实现“信息就在指尖上”的梦想[5]。其核心思想是用数字化手段统一性地处理地球问题和最大限度地利用信息资源(图1)。

综合来看，数字地球基本含义可列为以下三点：

①数字地球以地球空间信息为基础；

②数字地球以数字技术为实现手段；

③数字地球的目的是更好的认识我们赖以生存的地球。

图1 数字地球-地球信息数字化示意图Figure 1 A schematic diagram of “digital earth”-earth information digitalization

2 “数字地球”的特点与组成

2.1 特点

“数据地球”的提出，引发了世界范围内的研究热潮，对“数字地球”的特点达成以下共识[6-9]。

①“数字地球”具有的三个属性，即空间性、整体性、数字性，其属性的相互融合，形成了独具特色的信息系统；

②“数字地球”数据以分布式数据层结构设计，呈现为多源、多比例尺、多分辨率、多时序的矢量和栅格等数据格式；

③“数字地球”通过联网机制，实现地理数据库的多源数据的融合与显示；

④“数字地球”可以根据受众的不同要求提供最便捷的服务，内容包括图像、图形图表、文字在内的数据、信息、知识等；

⑤“数字地球”按信息来源的要求进行密级管理，不同的用户对不同的数据和信息具有不同的使用权限；

⑥“数字地球”采用开放式平台技术，其构件、交互操作等依赖技术的进步；

⑦“数字地球”受众获取信息的方式具有多样性，不受时间、地域限制，但不同的受众具有不同的权限，因此其网络查询的“数字地球”信息会有差别，但享受的便捷与可视化无级别差异；

⑧“数字地球”的活动(数据融入、处理分析、成果报告等)不受时、空等限制。

2.2 组构

“数字地球”是一面向公众开放的信息系统，其依托因特网技术、虚拟现实技术，实现空间数据在多种分辨率浏览器上的三维可视化，其主要由数据系统、软硬件系统和应用模型三部分组成(图2)[3,9]。

图2 数字地球组成框架Figure 2 Composition framework of “digital earth”

3 “数字地球”构建

“数字地球”的构建包括二个层次：①相对静态的空间信息数字化，如地形、地貌、植被、建筑、水文等，并按地理坐标构建成为三维数字地球；②在三维数字地球的基础上再嵌入与位置相关的变动信息，如人文、经济、政治、军事、科技乃至历史等，组成一个内容更加丰富的多维数字地球[3,6,9]。

构建“数字地球”依据主要的理论包涵多源多时相多分辨率数据集成理论、数据结构理论、分布式计算理论、海量存储理论、空间数据仓库理论、三维仿真理论、信息的认知理论、智能化信息提取理论(图3)；依据的主要技术有开放平台技术、遥感技术、动态互操作技术、构件技术、数据发掘技术、分布式对象技术、智能代理技术、计算机图形和虚拟环境技术、多维虚拟现实技术、空间数据多媒体技术等(图4)[3,6,9]。

图3 数字地球理论框架Figure 3 Theoretical framework of “digital earth”

图4 数字地球关键技术Figure 4 Key technologies of “digital earth”

4 煤炭地质单位在数字地球建设中形成的技术能力

煤炭地质单位于上世纪六十年代开始了以测量为主的地理信息技术的研发与应用，随着“数字地球”概念的提出，以中国煤炭地质总局航测遥感局为代表的煤炭地质人积极投身“数字城市”、“数字地球”的建设，数据获取、信息提取与应用、数据库与系统建设的技术体系正在逐步完善。

4.1 多平台多传感器地表遥感数据获取技术

经过多年的发展，煤炭地质系统形成了以固定翼飞机、无人机为飞行平台的集框幅式航摄仪、推扫式航摄仪、机载激光扫描仪、倾斜航摄仪、重力测量仪、高光谱遥感相机于一体的国内最齐全的多平台多传感器遥感数据获取系统，可提供完善、高效、国内领先的“一站式”测绘航摄与专题遥感数据获取解决方案。

4.2 浅层空间数据获取技术

针对地下管线、浅层地下空间探测，煤炭地质系统形成了以管线探测仪、三维探地雷达、地震技术为核心的浅层空间探测技术体系，可以精准探测浅层地下管线与地下空间及不良地质体。

4.3 地理空间信息数据处理与信息提取技术

拥有先进的ContextCaptureCente、Inpho、IntergraphSSK、LeicaXpro、PCI、ENVI、ERDAS及自主研发的MH-DMS和LidarDP数据处理系统等各类专业技术软件，可处理各类卫星、航空、无人机、Lidar、SAR等多种数据源，可根据需要完成不同比例尺的地形图、正射影像图和中小比例尺遥感地质填图及各种专题图件。

4.4 地理信息数据挖掘与处理系统

数据挖掘和GIS集成才刚刚兴起，理论和技术都处在探索阶段，出于不同专业方向的认识也存在差异，地理信息数据挖掘与处理系统构建需要将GIS技术与数据挖掘技术集成，当前GIS所管理的空间数据还是以文件作为主要方式，存在着难以管理的海量数据，共享、并发、控制和安全保护措施差等特点，因此逐渐出现了扩展常规关系数据库、使用对象-关系数据库和面向对象数据库来管理空间数据库的方法，然后建立在数据管理信息系统之上进行数据挖掘，必要情况下使用GIS对所获得的结果进行解释。煤炭地质单位近年来已开始了相关技术研究。

5 新时代煤炭地质单位在数字地球建设中的技术发展方向

根据新时代国民经济和社会发展对地勘工作的新要求，结合煤炭地质系统转型发展的现实需要，中国煤炭地质总局局长赵平2018年12月举行的第十六届中国企业家发展论坛会议上首次提出了共建“透明、美丽、数字地球”的愿景，并在2019年的中国煤炭地质总局工作会议上，明确提出将“三个地球”建设作为今后煤炭地质勘查工作的发展方向，以地质勘查技术为依托，全面加强地下空间探测，投身“透明地球”建设；以地灾治理、环境修复技术为依托，做生态文明建设的先行者，奉献“美丽地球”建设；以地理信息技术为依托，全面打造地质信息化产业平台，参与“数字地球”建设[10]。

随着大数据、物联网、云计算、人工智能等新一代信息技术的不断发展，“数字地球”的研究与应用已经进入了新的阶段。针对多时相、多源型、多分辨率的海量地空观测数据与人文数据，利用各种分析算法和三维模型虚拟地球，以获取体现地球科学数据的重要特征[11]。

面对新阶段数字地球技术发展趋势，煤炭地质单位工作形式由过去的粗放型模式向着勘查精细化、综合化、绿色化、信息多维化的方向转变将是大势所趋。信息化应该覆盖煤炭资源勘探的全过程，云平台建设将成为煤炭地质企业信息化的主流。具体从技术层面上讲，煤炭地质单位的技术发展方向包括：①实现天、空、地和深部立体探测及数据采集的新技术、新方法(物探、化探、遥感)，加大高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率地理空间信息、地质信息等多元信息的快速高效获取与处理技术，推动数据向“云”的及时(实时)汇聚；②研发能满足多维地下-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，能够处理TB甚至PB量级的多源型、多尺度、多分辨率、的海量地质大数据，进行分类管理，并使多源型数据既保持独立，对能相互地处理与调度，又能相互调用、相互印证；③多维地质体构造与演化等全息、精细、快速和动态建模及可视化；④多维地质时空大数据的分析、融合与挖掘技术。特别需要重视实现三维数据的设计可视化、过程可视化、分析可视化和决策可视化[12]。要重点突破快速高效测图、地质填图与找矿技术，地理信息+地质信息大数据处理与挖掘技术，三维探地雷达+地震+人工智能浅层空间高精度探测技术、地上地下三维可视化技术等核心技术，为参与数字地球建设提供技术支撑。