智慧国土与数字地学前沿理论探讨与应用实践

报告。2003年3月，在路教授的倡议和推进下，吉林大学地球科学学院在国内率先设立数字地学专业。

通俗地说，数字地学就是在数字地球科学研究背景下，将地球信息科学融为一体而形成的一门新兴的二级学科。其诞生是地学、数字地球科学、地球信息科学、计算机技术等多学科发展交叉融合的大势所趋，也是自然科学与技术发展的必然结果。属于地球系统科学的范畴。数字地学是传统地学发展到信息网络和大数据时代的历史见证，与传统地学存在相互依赖、相互促进、相互引领的关系，用数字化手段、数学模型研究地学，无疑为地学发展增加了亮点和活力，将引导和推动地学沿着信息化、智能化与可视化方向发展。

在数字地学领域，路教授有独到的学术见解和明智的选择。近些年主要从事数字地学理论与核心技术研究，主要研究目标有两项：一项是矿产资源精细化、智能化与可视化预测；另一项是地质灾害早期预警预告。目前，还在结合云计算、大数据时代的信息产业发展规律，从事新一代地理信息系统开发研究，研制开发云计算环境下的人机交互式地学G4I系统。这些选题与矿产资源智能勘探与认知、地质灾害预警预告关联紧密。

矿产资源是在漫长的地质历史时期由地质作用形成于地壳中的有用元素物质堆积，是人类赖以生存发展的天然资源，也是国民经济重要的物质基础。由于资源的不可再生性，地壳上的矿产资源随着开采量的不断提高而不断减少，矿产资源的供需形势日趋紧张。矿产资源勘察与预测越来越向地下深部发展。无论是煤、石油、天然气等能源矿产，还是金银铜铁锡等金属矿产，一般都深埋在地下。如何准确预测？构成世界性的地学难题。

频繁发生的地质灾害，诸如地震、海啸、森林火灾、山体滑坡、泥石流、塌方、洪涝等自然灾害，如何进行早期预警？更是世界性难题。

路教授目前开展的科研项目，主要是在上述两个领域开展地学空间变异性理论、方法与技术研究，特别是在高性能计算、云计算环境下，寻求地学空间分析中的理论突破与技术创新，为矿产资源预测和地质灾害早期预警研究提供新理论、新方法与新技术。

据介绍，现行地学空间信息技术中，实用性的地学软件工具多以二维、三维制图功能者居多，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地学软件工具并不多见，应用跨学科空间数据库集成为基础的空间分析软件是国际上普遍争相研发的热点。路教授根据他所提出的空间分析理论与技术集成，融合人工解释与机器学习互为一体的操作模式，通过云计算解决矿产资源预测与地质灾害预警难题。

数字地学理论的创新

2011年11月25日—27日，全国数学地质与地学信息学术会议在武汉中国地质大学召开。中国数学地质学界泰斗级人物、中国科学院院士赵鹏大教授与会做了题为 “数字地质新概念”学术报告。赵鹏大院士提及“刚才与路来君教授交流得知，数学地质专业已经开始招博士生了。”也就是说，数字地质科学这个新领域将有宽广的前途与发展。

路教授在数字地学的教学科研领域已辛勤耕耘近30个春秋。1977年全国恢复高考，他考取大学后没打算攻读地质专业，却阴差阳错地进了地球化学专业。但他偏爱数学与物理学，在大学本科期间学完了大学数学课程，以至后来攻读硕士、博士，所选专业均为数学地质学专业。

凭借扎实深厚的数学功底及数学地质学专业知识背景，路教授从“七五”到“十五”前后20年，与河北省地勘局合作，开展河北省各种比例尺的多金属矿产资源预测研究，并先后开发完成“河北省金矿资源总量预测项目”；“河北省二轮区划铜铅锌金银多金属矿产资源评价项目”；“河北省多元信息系统研制项目”等任务。“河北省矿产资源信息系统”、“河北省多元信息系统研制”等项目，通过中科院院士赵鹏大主持的评审，被评价为“达到国际先进水平，部分方法研究达到国际领先水平”。还陆续完成了“科技部多元信息系统研制项目”；辽宁省矿产资源信息系统MRIS研制项目；吉林大学地学G4I系统研制项目；基于地学化学数据处理图像分析技术等课题任务。

宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。正是4长达20年的合作项目与潜心研究，路教授将其所学的深厚理论与丰富的实践相结合，对地学空间分布与变异性形成新的认识，构建出系列数学模型和理论框架体系。地质空间分布具有复杂性、异构性、周期性及广延性，在同一空间范围内，地质的形成年代可能相差甚远。他认为，地理信息系统中的地理空间，应包括狭义地理空间与地质空间两个层次。学界对地质空间范畴内的地理信息系统（GIS）技术研究，尚处在探索阶段。路来君教授开发的地学G4I系统，是以地理学、地质学、地球化学、地球物理学（4G）等地学空间数据集成为基础，以地学空间信息先进理论为内核，面向矿产资源精细化预测目标而开发的地理信息系统（GIS）。为解决精细化预测问题，他在理论上创新性提出，将复杂地质空间划分为“同化空间、异化空间、杂化空间”三种类型，并形成“三化模型理论”。在此基础上，按地质空间类型，建立同化函数、异化函数、杂化函数三种变异函数，在函数具体形式研究中，建立了地学频谱分析理论。

理论与方法的创新，终于另辟蹊径为GIS的空间分析提供了一种数学解析方法，也为模块的研制提供了一种新的思路。路教授的理论体系和数学模型，已经被国际科技界、学术界广泛认可。他也因此多次应邀到美国纽约州立大学、阿拉斯加州立大学等高等学府进行学术交流与科研合作。

科技创新触类旁通

路教授兴趣广泛，触类旁通。作为数学地质专业博士，在交通视频监控与LED照明工程领域也居然也干出了大名堂。

1992年，路教授在沈阳东北大学做博士后，继而留校任教。辽宁省人事厅请他做博士后联合会会长，主要工作目标是带领一批博士，实施科技成果转化与应用开发，其中之一是大功率超高亮度LED亮化照明工程。在这项工程中，通过科技创新，研发出了超高亮度、可发出256种颜色的LED柔变组合灯。在一块集成电路板上嵌入56颗LED芯片，通过红绿蓝三基色频谱合成，产生出256种颜色，可以渐变或者突变，理论上可以产生无限种颜色。

科技创新，往往产生于奇思妙想。正是这种LED灯频谱合成技术，启发路教授产生出“思想火花”。路教授作为引进人才回到吉林大学，受LED柔变灯频谱合成的启发，他想到了地质空间中的地质实体各具有频谱特性，这些频谱特性应该充分反映地质体的数字特征，于是提出了地学频谱分析理论模型；同时由于地质体的三维属性，应在计算机上实现可视化，于是路教授根据地学频谱分析模型进而构建了三维空间色码理论及其实现技术。上述三个理论与技术构成其学术创新的三个亮点。

云计算助力数字地学科研与应用

矿产资源预测与地质灾害预警涉及到海量的地学空间数据处理，跨学科数据融合和多元成矿模式识别，处理分析过程十分浩繁，用人工计算不大可能实现。路教授说：“以前缺少高性能计算机，地学计算往往精度低，有些过程无法实现，现在有了高性能计算和云计算，做起项目来事半功倍，得心应手。”

以森林火灾早期预警为例。森林起火的原因是多方面的。但专业森林防火护林员都知道，森林火灾起因于地被可燃物及枯枝落叶形成的厚厚的腐植层，老百姓称之为“草炭”，正是这种“草炭”干燥和温度达到燃烧临界点后，稍有林火行为即可引发森林火灾。

传统的森林防火措施是依靠护林员登塔瞭望报警，这种做法一直沿袭至今，古老而简单，难以做到科学早期预警，贻误救火时间。与信息时代发展脉搏极不协调。路教授1999年即提出，按森林的林形林相带分布点埋设自电传感器芯片，进行现场实时监测采集数据，再用扩频微波和有线传输网络，将现场采集的温度、湿度、风向三度数据信息传至指挥中心，模拟仿真林火行为，从而实现森林火灾早期预警。由于对地遥感观测、高性能计算与云计算技术的重大突破，上述林火行为仿真过程已成为可能。这不再是纸上谈兵，而是路教授已经完成了前期的研发工作并在局部地区进行了现场实验。路教授认为：“如果没有高性能计算机和云计算，靠人工处理数据是做不成的。”这项科技成果已经进入推广应用阶段。在东北、西北、华南、西南等人烟罕至的林区有重要的使用价值。

目前，路教授正在根据他所提出的地学空间三化模型理论、地学频谱分析理论与色码技术，构建海量地学数据解析方法并编制计算机程序语言，就云计算的接口服务等难题进行联合攻关。同时，将地质找矿专家的知识作为系统的有机部分，因为，机器代替不了地学专家的智慧，所以采用人机交互式实施系统的执行过程，即在功能模块设计中，将机器学习理论及知识处理作为系统的智能模块，与地质专家的人工操作形成一体式的操作模式，优化地质成矿模型与地质找矿模型的分析过程。同时将云计算技术与地理信息系统相融合，实现地学数据资源共享和快速运算。

路教授说：“地理信息系统下的全球动态异构空间信息协同标绘与空间知识服务项目研究中，地质空间下的矿产资源预测理论模型、空间数据库集成、机器学习及云计算技术等方面，有一道道难题，有待我们去攻关，去突破！”

数字地学产业正在形成 智慧国土与智能产业值得期待

结合智慧城市、智能产业的健康与可持续发展，路教授也有许多选题准备。在理论创新研究的同时，路教授率领课题组已先后研制成功了3种地理信息系统（GIS）软件，并研发成功基于4G地学空间数据库的地学G4I系统软件多用户版，并获得同行评审专家认可，被吉林省科技厅评定为国际先进水平科技成果。

关于“基于云计算技术与色码技术的地学G4I系统内核研究”项目，路教授做了概要的介绍。地学G4I系统是以4G（地质学、地理学、地球化学、地球物理学）空间数据库集成为基础，以矿产资源精细化预测为目标的地学信息系统，该系统具有我国自主知识产权，目前已经开发出多用户版。

4G地学技术是目前地学信息化的前沿技术。目前系统开发的难点在于其内核技术的突破，即地学空间分布与变异性问题，内容包括地学信息噪声滤波、弱信号异常放大、空间组合求异、空间图形图像数据转换与互操作、地学过程仿真等一系列关键技术。

系统的内核研究主要包括：1.嵌入式地学G4I系统的结构设计与优化设计；2.系统的数据处理技术突破，包括基于色码技术的理论计算，解决地质体的数字特征表达问题；基于小波技术的地学信息噪声滤波问题；非线性函数的空间定量组合求异计算与三维表达技术；空间变异性的组合异常信号放大技术；地球化学组合异常溯源技术；地质过程虚拟仿真技术；全部运行过程的云计算技术与接口。这些问题的解决将使地学G4I系统极大提高运行质量与效率。最终解决多尺度、多学科矿产资源精细化评价中的各种技术瓶颈问题，提高资源靶区预测命中率。

地学G4I系统并非简单GIS二次开发，而是将目前国际国内商业化成熟的、功能强大的GIS工具进行消化吸收，将其主要的空间图形图像分析功能模块重新改造与集成设计，使之成为G4I系统的支撑模块，具有开放性的、嵌入式的设计模式，然后将矿产资源评价软件包与之接口，最后实施系统集成。系统的开发模式包括微机版、工作站版、多用户版、基于云计算的网络版等，目前多用户版已经开发完成。

目前，路教授正忙于进行地学G4I系统的云计算、大数据升级版研究开发，同时开展基于分布式传感器网络数据链的地质灾害早期预警预告关键技术研究。期待着借助智慧城市规划建设、战略性新兴产业大发展的政策背景和有力条件，在科技（信息）惠民、智慧国土、智能安防产业等领域有所作为。

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