刘福胜，马彦良，李 华

(中煤地质集团有限公司，北京 100040 )

0 引言

随着信息化浪潮的到来和大力推动，大数据研究已逐渐上升为许多国家的国家战略。作为大数据的重要组成部分——科学大数据正在使科学世界发生巨大改变，驱动着科学研究进入一个全新的范式——数据密集型科学发现范式阶段[1]。

地学研究领域也不例外，大数据的诞生与发展正在使“数字地球”“透明地球”研究从理念走向可能。2018年12月中国煤炭地质总局局长赵平在“第十六届中国企业家发展论坛”首次提出了共建“透明、美丽、数字地球”的畅想。

贯彻“三个地球”建设的理念和战略愿景，旨在不断发挥自身优势，拓展服务领域，延伸产业链条，优化产业布局，推动转型升级，聚焦主业，在保障企业高质量发展的前提下，持续提升总局行业影响力。根本目标是使总局成为在国家层面乃至在国际上，具有不可替代性的专业化集团公司，成为地质行业的领军者、生态文明建设领域的国家队。

开展“透明地球”建设，使地球表层一定深度“像玻璃一样透明”一直是地质学家们的梦想。通过综合运用多种先进的勘查技术手段，借助地球大数据和地质信息技术，建立一个多维度、数字化、可视化的地壳地质模型，全面掌握地球内部(或地壳中、浅部岩石圈)的结构、地质体及内部蕴含各类资源的分布情况，实现对地质体特征的可视化。

本文以“透明地球”为主题，探讨和共享煤炭地质单位“透明地球”建设方面的思考。相信伴随着科学大数据、数字地球、透明地球的不断发展，必将为服务全球变化、减灾防灾、能源及新能源开发、地下空间综合利用、新型城镇化、生态农业及食品安全、军事等方面做出重要的贡献。展望未来，我们将体验大数据时代数字地球直至透明地球的巨大的科学价值与无限科学魅力；我们正在新的起点上通过构建数字地球和透明地球的信息家园，为美丽地球建设做出应有的贡献。

1 透明地球的基本概念

地球科学是指一切研究地球的科学，以地球系统(包括大气圈、水圈、岩石圈、生物圈和日地空间)的过程与变化及其相互作用为研究对象的基础学科。主要包括地理学(含土壤学与遥感)、地质学、地球物理学、地球化学、大气科学、海洋科学和空间物理学以及新的交叉学科等分支学科。纵横十万里，上下百亿年，几乎辐射到自然科学的其他各个领域。

地球科学和人类的生活息息相关，人类生产、生活所需的矿产资源、生产资料和生活物资都来自地球。因此，地球科学是一门关乎人类社会演化和发展的非常基础、重要的学科。

目前，大数据已成为知识经济时代的战略高地。在地学领域，地球大数据正催生人类用全新的思维方式去了解地球、认识地球和描述地球，地球岩石圈“像玻璃一样透明”逐渐成为可能，推动地球科学向更深层次发展，让人类在理解我们生活的地球方面取得更深入、广泛的进步[2]。

2 透明地球与地质大数据的关系

2.1 地球科学大数据来源丰富，种类繁多

地球科学通常会以物理、地理、地质、气象、数学、化学、生物的角度等研究地球，涵盖地质学、海洋学、气象学和天文学等多领域。因此，研究的科学大数据来源非常广泛，有卫星观测、航空遥感、地面测量、钻探、地球物理场观测、采掘等人类地下活动、天然地震观测、海洋观测与探测、风云观测等。这些数据具有规模大、来源广、多样化、多时相、多尺度、高维度、高复杂性和非结构化等特点，符合科学大数据的重要特征。

2.2 地球大数据需要开放和共享

许多地学专家都指出，在资源、环境、生物、生态等多学科、跨领域交叉场景下，孤立使用单一特定领域的已有挖掘分析理论和方法，已难以有效推动科学发现，需要综合应用这些方法，系统性、整体性去解决某些重大科学问题。这就对地球大数据提出了开放和共享的需求[3]。

当前大数据在地球科学中运用得还比较少，制约开放与共享积极性的主要原因有三个方面：第一，地下资源数据的获取成本巨大、周期较长、手段多样；第二，我国乃至全球还普遍存在着数据共享政策不完善以及资源分散、重复布局、成果显示度不够等情况，海量数据低效应用已经成为困扰大数据发展和应用的严峻问题和技术瓶颈；第三，大数据要取代传统科学装置、实验模型、论证方法，还有很长的技术之路要走。

国家地球大数据工程的有效推进有利于资源、环境、生物、生态等领域多学科融合、独具特色的地球大数据云服务平台建设，未来将成为支撑国家宏观决策与重大科学发现的重大科技基础设施。

2.3 地质大数据推动透明地球科学发展

地质大数据的获取需要从地球系统的不同要素，如大气圈、水圈、生物圈和岩石圈，采集、分析和整合，以便获取持续、准确的地质数据，将海量的地质数据经过科学的归集、筛选、分析、综合研究把所获得的有效信息数字化、透明化形成“透明地球”。“透明地球”为地球科学研究、地质找矿、矿业开发、生态环境保护及矿山全生命周期服务提供了全新的方法和科学依据。

透明地球建设的核心数据来源是对地探测工作，这正是我们煤炭地勘单位从事和发挥作用的重要领域。如何发挥地勘单位的技术优势，更好地利用已有的大量勘探成果，实现勘查数据的融合、协作并建立科学新范式，参与国家地球科学技术创新、科学发现、宏观决策和社会公众知识传播服务等是我们今后一个时期需要认真思考和解决的重大问题。

3 如何建设透明地球

建设透明地球离不开科学大数据。同时，建设透明地球也离不开数字化地球的建设，数字地球是基础，透明地球是手段，美丽地球是目标。

3.1 透明地球的基本架构

透明地球具备科学大数据的5V(变化速度快Velocity、体量大Volume 、模态多样Variety、真伪难辨Veracity和价值巨大Value)特性[4]，在体量上更加巨大。在类型上有图像、视频、文档、地理位置信息等，同时也涉及对地观测、地下勘查、科学模型、社会、经济等多类数据。透明地球系统要具有对海量数据进行快速处理、实现数据到信息快速转化的能力，能够为人类可持续发展面临的资源、环境、灾害和生态等问题提供信息服务支持。

透明地球中的数据系统是核心中的核心，承担着科学大数据的分析与处理功能。将来的透明地球中的数据系统可能包括地球空间数据和数据平台2个部分。地球空间数据则是数字地球数据系统的核心部分，包括各种比例尺的地理、空间数据，多传感器、多时相、多分辨率多手段的对地观测和勘查数据，以及涵盖农业、资源、环境、经济在内的各种与空间相关的社会数据。数据平台则要依托于国家空间基础设施等，架构于高速互联网络，连接多卫星数据中心和地理信息中心，完成空间数据的获取、传输、存储、处理分析、计算以及分发的全流程。

3.2 透明地球的科学大数据来源

有了总体架构，平行运算、处理科学大数据研究的就是这些科学大数据如何获取的问题。实现透明地球大致需要三大类科学大数据，即空间大数据、地下空间和资源科学大数据和社会运行产生的各类科学大数据。

空间科学大数据的主要来源偏宏观的是星载对地观测体系；另外还有偏微观的是机载对地观测的各种手段所拥有的空间测量数据成果。透明地球(壳)的地下空间和资源科学大数据的来源则大多来自于航空地球物理、地面地质勘查、海洋地质调查等地质手段。社会运行产生的各类科学大数据的来源更为广泛和持续。本文只叙述获取前两种大数据的途径和体系。

3.2.1 星载、遥感对地观测体系

至今，我国已发射了近百颗卫星和数艘无人宇宙飞船。这些卫星包括通信、气象、海洋、资源、导航、天文以及环境与灾害监测卫星、空间科学探测卫星，直接或间接提高获取遥感信息的能力。到2020年，我国将建成自主的陆地、大气、海洋先进的对地观测系统，为现代农业、防灾减灾、环境资源、公共安全等重大领域提供服务和决策支持，确保掌握信息资源自主权，促进形成空间信息产业链。

3.2.2 机载、航空地球物理对地观测、勘查体系

我国还不断加强机载对地观测系统的建设。机载对地观测系统具有高光谱分辨率、高空间分辨率、三维成像和全天候、全天时工作的能力。

在资源勘查领域，近年来小型固定翼飞机、固定翼无人机和无人直升机技术的迅速发展，为开展航空资源探测与勘查提供了可能，可以开展多用途、多手段的航空遥感测量、航空物探测量、航空放射性测量。这些测量手段一方面比卫星测量的数据精度更高，更微观具体，与勘查地面工程的结合程度更深。另一方面，又比地面开展勘探效率更高，受地形影响更小。是透明地球重要的数据来源之一。

3.2.3 地面接收站网与图像数据处理

我国于1986年建成遥感卫星地面站，经过三十余年不懈努力，中国已掌握处理气象卫星、资源卫星、机载遥感与航空摄影测量等多源遥感数据的技术，相关团队具有强大的数据存储、快速处理、传输、信息提取、应用软件设计、图形图像制作输出等能力，研制了一系列针对新型遥感技术应用的软件系统，保障了遥感数据的广泛应用。

3.2.4 地质科学大数据获取体系

地质调查是地质科学大数据获取体系的最基础、最核心的工作内容。地质科学大数据内涵十分广泛，包括地质、矿产、遥感、物探、化探、水文等勘查技术领域。广义地讲还包括地灾、生态环境等。地质调查的工作范围包括陆地与海洋。截止到2015年，中国地质调查局系统根据全国历年来开展的地质勘查、水文地质、地球物理勘查、深地深海调查、矿产源开发等人类活动所建立的各种数据库，供社会各方查询。

尽管已经建立了许多系统平台，但是依然有很多地质调查、地质勘查、地球物理、地球化学勘查等工作需要去做，去补充更全面、更具体、更微观的数据。其一，成果比例尺更大、对具体资源、矿种的数据足够的微观和细致；其二，勘查向更复杂的深地、深海进军，获取更多的资源矿产信息；其三，突破浅部空间勘查的技术，为城市的基础建设更好地保驾护航。目前，我们已经跨越勘查成果的数字化阶段，科研院所、矿产勘查单位与矿产开发单位联合基本实现了数字化矿山。我们完全有能力将多个数字化矿井形成数字化透明化的矿区，同时将勘查阶段的成果形成数字化、透明化的资源后备区，直至完成数字化、透明化中国，乃至完成数字化、透明化地球的建设。在这一点上，中国煤炭地质总局所属各勘查单位有相当大的行业优势，可以在透明地球建设中发挥生力军作用。

3.3 透明地球及平台

现行地学类的信息技术领域，实用性的单一学科的地学软件工具较多，均可以实现二维、三维成图；航空遥感领域的软件也比较成熟；而以地下矿产资源评价和地表地质灾害早期预警为目标的相应软件工具还不多。进一步讲，跨学科跨领域并具有集成空间数据为目的的分析研究平台还不成熟，这也是国际上普遍争相研发的热点之一。如何将上述的众多数据库等大数据进行整合、处理和开展应用研究是目前科学家们追求的目标。这方面，北京怀柔正在建设国际性地球大数据科学中心与平台，研究的目标无疑是将地球做得更加透明。要做好透明地球，这是重要的研发方向之一，也是最重要的基础和最具特色的内容。

透明地球不是卫星遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS、北斗导航)、地质调查等技术及成果的简单拼凑或相加，应该是完成一个质的飞跃。有专家指出，要建设透明地球，最基本的就要将时空、资源、社会大数据进行有机的、综合的和符合科学大数据运算方式的计算和显示等。要突破的核心关键技术主要包括五个基本方向[5]。

3.3.1 科学大数据及其运算结果的可视化技术

鉴于海量的多源数据，人工分析的方法已经无法达到深刻理解并进一步形成完整、正确的概念和决策。可视化技术可以帮助用户直观展示和理解空间、资源、社会大数据。

3.3.2 科学大数据智能挖掘及应用技术

科学大数据研究应该通过对多源数据信息提取、自动分析，快速获取有用的互信息和纵信息，提取出有用信息并通过可视化方式及时提供给用户。

3.3.3 科学大数据高效组织管理与应用技术

该技术是在取得数据量巨大的多源异构时空、资源、社会大数据基础上，研究基于元数据的动态自组织机制，能够进行多层次组织，允许用户交互式地创建所需的组织方式。

3.3.4 基于“一张图”的大数据综合应用技术

从多个维度充分考虑不同关注或应用领域的要求、规划和建设等信息，构建该领域“一张图”应用服务。并突破基于“一张图”的辅助规划、建设管理、安全监管与预警、应急处置、在线监测等综合应用技术，实现全面的数据共享和分析。

3.3.5 “云 + 端”时空信息与专门应用综合服务技术

利用“云”本身所具备的强大存储能力，将各“端”接入的信息全部存储于“云”端，实现信息的备份、共享。

从这些理念上可以看出，将透明地球看作是一场新技术革命并不过分。

透明地球建成后，人们只要输入一个地理坐标，就有可能搜索到该地理坐标所对应的所有信息，这也只是初步的应用；当人们输入一个区域的边界，就会查询的资源、空间等所关注的相关信息，为决策提供重要参考；甚至，当有关专家选择一个关注地区，可以针对关注的资源、空间和研究领域进行更深入的归纳、计算、分析和研究，得出研究成果，为区域发展和国计民生决策提供重要参考等。

4 煤炭地质单位在透明地球建设中如何发挥作用

4.1 地质勘查技术的发展与能力建设

煤炭地质勘查历经六十多年的发展，地质勘查技术已日臻完善，特别是近年来，随着改革开放，煤炭地质勘查技术得到了长足进步，勘查设备和技术的科技创新也进入了快车道。从煤炭地质勘查技术体系来说，勘查技术可归纳为：遥感地质调查、地质测量、山地工程、钻探工程、地球物理勘查以及化验测试等大类，但其内涵近几年都有了很大的补充和完善。在这里就不再对传统的勘查技术进行赘述，仅对近年来新技术的创新和发展予以扼要表述。

遥感地质调查：随着我国航天技术的迅猛发展，遥感数据的获取量及遥感解译的先进技术不断进步，遥感地质调查的手段不断丰富、壮大，主要有：摄影遥感、多光谱、高光谱、红外、雷达、激光、全息摄影等，加之飞机、无人飞机在行业的开发利用，使遥感数据资料的获得更趋于完善，尤其是卫星遥感(RS)、地理信息系统(GIS)以及全球定位系统(GPS)等“3S”技术相结合，极大的提高了遥感地质调查和地质测量的质量和精度。

定向井钻探工程：钻探工程是地质勘查中最普遍、最常用的方法，也是最直观、最有效的技术手段。近年来定向斜孔、多分支孔、水平孔等定向井新工艺、新技术的出现，大大提高了钻井机械转速，缩短了传统钻井的施工时间，钻井工程的目的性更加明确。使钻探工程更是如虎添翼，所获得的地质信息和数据更加广泛、有效、可信。

定向井技术发展迅猛，不同的分类对象之下有着不同的分类方式。比如按设计井眼轴线分为两维定向井、三维定向井；按照井斜角可以分为低斜度定向井、中斜度定向井、大斜度定向井、水平井；按照钻井目的分为救援井、多目标井、绕障井、多底井；按一个井场或平台的钻井数分为双筒井、丛式井等。定向井钻井技术的分类为进一步研究定向井技术提供了更加明确的发展方向。

数控物理测井：测井的概念已从传统的电测井、模拟测井和初期的数字测井发展到数控测井，仪器设备具有精确性高、测量速度快、组合率高，稳定性高，软件处理解释功能强大、方法合理、成果准确等优点；测井方法更加齐全，并研究开发了全新的技术方法，如全波列、双感应、超声波成像等参数，应用超声波成像测井技术进行煤层气测井填补了国内地勘行业在该领域的空白，测井范围也由传统地勘领域拓展到如页岩气、煤层气、致密砂岩气等非常规天然气，以及页岩油、地热田、干热岩、工程勘查、砂岩型铀矿等勘查开发。

4.2 地球物理勘查技术的发展及勘查精度

近年来，我国煤炭地震勘探事业得到了长足的发展。其技术的发展是我国煤炭地质勘探60年来的重要技术成果之一，是我国煤炭地质勘探科技进步的重要体现，对我国煤炭地质勘探技术的进步发挥了重要作用[6]。20世纪80年代数字化、90年代开展采区二维地震勘探，特别是90年代中后期成功推广三维地震勘探技术以来，地震勘探野外数据采集、处理和解释技术有了大幅度提高。不但装备水平上了大的台阶，处理技术日新月异、发展迅猛、成像效果不断提高，解释手段也实现了人机联作、自动追踪、可视化、多属性解释。而且，地震勘探技术的适应能力也有了大幅扩展，早已从平原地区拓广到了水上、草原、黄土高原、戈壁、山区、城镇等复杂地表条件地区，特别是在厚黄土地区取得了重大突破。

地震勘探解决地质问题的能力已得到了广泛认可。高分辨、高密度、高覆盖三维地震勘探技术的广泛应用大幅提高了构造勘探精度。目前可达到的目标：

(1)查明落差3m以上的小断层、小褶曲和小挠曲；查明长轴直径大于20m的陷落柱。

(2)煤层埋藏深度解释误差也达到3%以内；能够精确控制煤层沉积、冲刷缺失变薄区；控制岩浆岩侵入、老窑采空区、古河床等对煤层的影响范围。

(3)查明煤层宏观结构的变化及厚度变化趋势；预测煤层气的赋存有利区。

(4)对煤层顶底板岩性进行探测，研究提供开采所需的煤层顶底板岩性信息。

(5)确定新生界底部含、隔水层，为煤矿合理预留防水煤柱，有效提高采煤上限服务；

(6)解释煤系底部的碳酸岩界面，划分岩溶裂隙发育带、富水带。

伴随着地震勘查技术的发展，电法勘探、甚至井下地球物理勘探技术都有长足进步，这种上下联动，井地结合、多手段综合，共同完成资源、水文、岩性等多种综合地质任务的地球物理勘探技术体系日渐成熟，这些技术所取得的成果，对地球整体而言是微观的，但对地球科学数据的获取，尤其是具体点上的地质信息提取、收集以及后期的集成化、可视化处理至关重要。

我们从事的遥感、地质勘查、定向钻进、数控测井、地球物理勘查、地球化学勘查等勘查工作都是透明地球之透明矿山建设的一部分，无论是以探煤为主的资源综合勘查[7]，还是包括探煤、水、煤系气资源、煤系其它共伴生金属矿产的多目标协同勘查[8，9]，都需要提高技术进步，实现勘查能力、勘查精度和施工效率不断提高，所提供的地质勘查数据体量更加巨大、信息更加全面和精准，只有这样才能使透明地球的建设如虎添翼。

5 结语

“透明地球”“美丽地球”和“数字地球”的提出，承载着中国煤炭地质总局历史的担当和使命。2019年在总局工作会议上赵平提出总局将积极投身“三个地球”建设的号召，使“三个地球”建设成为我总局系统今后发展的战略愿景。赵平还指出：“三个地球”建设的关键技术是数据与信息技术，”透明地球”“美丽地球”“数字地球”三者互为支撑、相互促进。

作为愿景，建设好“三个地球”，数字地球是基础，透明地球是工具，美丽地球是我们追求的目标。三者是相辅相成的，既有侧重点，也有相同相通之处。同时“三个地球”建设也是具体行动，无疑对布局总今后相当一段时间的地质科技工作起到了战略引领作用，同时也给广大科技工作者提出了努力方向和奋斗目标。

我们也应该看到，“透明地球”建设是一个宏大的系统工程，具有跨部门、跨学科、跨时空领域的综合性极强的特点。我们一定要在“透明地球”建设领域抓住机遇，面对挑战迎难而上，开拓进取有所作为。因此，发挥我们自身所具备的勘查技术优势，由点到线，由线带面稳步推进，依靠“透明地球”的建设，使我局的主业有一个大的进步，真正达到转型升级的改革目的。

致谢：本项目得到国家能源局“国家大型煤炭基地开发潜力研究” 项目和中国煤炭工业协会“新时代生态地质勘查模式研究”项目资助。