城市地質數字化轉型的機遇與挑戰
——中國工程院院士朱合華教授接受本刊專訪

本 刊：城市地質是新興的交叉性學科，理論學術性與實踐應用性特色鮮明且突出。在新時代，面對新的歷史時期與科技創新，城市地質的內涵如何充實豐富？城市地質的外延如何拓展延伸？其關鍵核心重點在哪里？

朱院士：隨著我國基礎設施建設的逐步完善，許多城市的建設發展已經從增量時代邁入存量時代。在新的歷史起點上，城市發展必須立足于高質量發展的需求從外延式擴展轉向內涵式發展，著力于城市品質品位的提升。城市地質工作是服務于城市建設的，目前大規模、大尺度、大范圍的城市基礎地質調查工作基本完成，也必須與時俱進走高質量發展道路。具體來說，城市建設逐步由地上向地下空間發展，地質工作則由“廣”向“深”發展；城市建設開始注重品質和內涵，地質工作則由“有”向“優”發展。為了實現更“深”更“優”的發展，可以利用數字化、智能化方面的新技術，提高城市地質勘探、地質信息分析利用、地質災害預警方面的效率、精度，提升城市地質模型的質量。

今年1 月，自然資源部長王廣華在《學習時報》發文，明確了“嚴守資源安全底線、優化國土空間格局、促進綠色低碳發展、維護資源資產權益”的自然資源工作定位。我想，未來城市地質工作的核心重點應該緊扣國家政策和行業發展的需求。嚴守資源安全底線，需要提升地理信息安全、地質災害智能監測預警和防治技術；優化國土空間格局，需要挖掘地下空間資源開發利用潛力并充分開發；促進綠色低碳發展，需要加強地熱等地下清潔能源的勘探利用，強化地下空間和資源綠色開發，保護地下水環境安全；維護資源資產權益，需要構建“開放、共享、安全”的地質資源數字平臺，強化地質資源資產產權價值。

本 刊：綠色低碳、韌性可持續發展，日益成為社會共識與行動指南。城市地質工作如何順應形勢的發展與社會的需求？如何更好地履行自身肩負的職責與使命？有哪些主攻方向與突破口？

朱院士：前面已經講到，城市地質工作應當緊扣國家政策和行業發展的需求，需要創新思路、創新技術、創新模式，以提供更精準的技術服務和數據支撐，構建高質量發展的國土空間布局和支撐體系。

在韌性城市方面，將影響城市安全的活動斷裂、地面塌陷、水土污染、城市內澇、飲水安全等作為調查研究對象，形成高效快速的調查技術體系和基于城市地質安全的防治規劃與預警技術體系，研究威脅城市安全的重大地質災害風險評估模型，調查城市地質安全風險，有效防范和化解重大地質安全風險隱患，服務于國土空間規劃和用途管制，支撐地下工程和城市基礎設施韌性提升。

在綠色低碳的可持續發展方面，以城市地質調查工作為基礎，構建高精度三維地下空間模型，評估地下空間、資源的儲備和分布，建立地下空間綜合利用體系，實現地下透明化、資源動態化、規劃協同化、開發科學化，為開發地下清潔能源、保護水土環境、整治污染等地下空間資源可持續安全利用及規劃建設提供決策依據，支撐服務自然資源調查監測、國土空間規劃、土地用途管制、環境生態恢復等工作，進而滿足人民群眾日益增長的對城市優美生態環境和“綠水青山”的需求。

本 刊：地質調查工作積累了海量基礎數據，科技進步也使數據的采集實現了自動化、實時化，更使數據的處理分析賦予了強大能力。數字地球、智慧城市，給城市地質的數字化轉型帶來哪些機遇？又面臨哪些挑戰？

朱院士：數字化技術的發展為地質勘探、建模和分析帶來了效率和精度方面的提升。精細化的三維地質數字模型，相比傳統的地質調查報告，更能夠讓工程師們清晰而直觀的掌握地質資源和風險點的分布，從而更好地進行地下空間開發和規劃地質資源利用；人工智能和大數據技術的發展，使得地質勘探數據的管理、解譯、分析更加高效，建立城市地質大數據中心可以有效保障地質資料成果齊全和穩定可靠?？傮w來看，城市地質的數字化和智慧化轉型，是高質量發展的必經之路，為地質工作者們帶來了更便捷的技術手段和更高效的管理分析工具。

城市地質數字化的益處是毋庸置疑的，但也面臨挑戰。我將數字化轉型的技術瓶頸凝練為三點：“采集數據難”、“提取信息難”、“形成知識難”。如何真正解決這“三難”問題，實現城市地質的數字化轉型？我們需要從地質信息的獲取和使用過程入手，就像從物質中提取能量，我們可以從數據中獲取知識，具體的過程是：采集、傳輸、處理、表達、分析、服務，這是復雜系統的信息化過程，也從根本回答了信息從哪里來到哪里去的本質問題，這就是城市地質工程數字化賦能的范式。

此外，在城市地質數字化轉型的相關實踐中，也存在一些不足，尤其在地下空間開發利用方面較為突出。一是我國城市地下空間開發利用數字化缺少系統性、前瞻性的頂層規劃，沒有考慮地上設施與地下空間協同、不同層次地下空間之間協同、不同開發類型地下空間協同，城市地下空間與地下水、地溫能、地質材料等地質資源綜合開發利用協同；二是地下空間數字化相關技術理論不完善，依然沿用城市地表規劃建設的一系列理論和方法；三是缺少地下空間數字化建設相關標準規范，現行法規沒能科學反映地下空間開發的地質環境制約。在城市地質數字化轉型的道路上，必須逐步解決這些問題。

本 刊：關于城市地質工程數字化賦能的范式，采集、傳輸、處理、表達、分析、服務這些環節的具體內容是什么呢？

朱院士：我們做過很多地下工程，包括廈門海底隧道、長江隧道、軌道交通等，地質體的重要性是不言而喻的，掌握地質體需要利用地質信息大數據。地下空間開發發展到今天，目前上海已經積累到了大約80 萬個鉆孔的數據，該如何利用呢？

首先，數據的共享共生。數據要廣泛地用起來，用的過程中就會檢驗數據的準確性，并且最新的工程產生的數據又會不斷地更新迭代數據，這就造就了數據的共享共生。也可以說，整個80 萬個鉆孔要為上海所用，所有用的人再對其做加法，我覺得要做到這樣，它的影響會很大。數據用的過程中才顯示其價值，用的過程中發現問題，大家再思考怎么去改進它。所以，首先要考慮海量數據怎么變成共享共生的資源，數據不共享就等于零。

第二，數據的獲取。數據獲取實際上有很多手段，但是我們今天談的地質數據，我認為，一定要低成本獲取。怎么才能低成本化呢？在施工過程中靜悄悄的獲取，例如，打一根樁，或者挖一個基坑，只做一個工程，在這個過程中可以獲取最準確的數據。打一個樁的同時要與感知地層相結合，這樣做的優勢是保證了數據的準確性，數據的采集不再是原來先打一個鉆孔那樣獲取了。我認為傳統的地質勘探的方式，從現場到室內再到現場，在這個方面是有缺陷的。因為到室內，土樣改變了，環境也改變了，不是狀的，很多參數本來是個定量數據，結果變成了定性的數據。所以，地質勘探要數字化，靜悄悄的獲取數據也是綠色化的。

第三，數據的傳輸與處理。我們現在提出，數據從現場到云端再回到現場。關于云端數據庫，未來如何使用這些數據，向我們又提出了更高的要求，因為云端數據一定與模型是關聯的。以上海土體模型研究為例，上海土體性質非常有典型性和代表性，研究本構模型需要大量參數，不能僅僅通過室內土工試驗獲取土體力學參數，更重要的是利用數據尋找規律，而真正有用的數據應該從現場到云端再回到現場，做到全程數字化，但傳統的采樣測試方式很難做到，所以用傳統方式來實現數字化轉型是不合適的。

第四，數據的標準化。我認為，今天的進步就是要在共享共生的基礎上，建立標準。一定要統一思想，不是你做一塊、我做一塊。開始是在做練習，做練習是有必要的，但是到一定時候要統一標準，建立自己的科技語境，這樣才能解決卡脖子問題。如果科技語境、概念、設計以及軟件等都不是自主創新的，就會被卡脖子。我們需要從源頭去解決這些問題，要建立從標準到系統再到應用服務的一套體系。在這個體系中，數據分析過程、數據傳輸要快，反饋到現場和決策也要快。在這個過程中，不僅僅是快，而且要準，不準就毫無用處。這涉及到數據孿生能力，其核心在于計算機處理的信息與現實的信息要基本一致，不僅“形”象，還得“神”象，也就是神形兼備。從地質體來說，需要透明化和精細化，不僅要透明化，還要可視化，目前實現這些的技術手段都有，但要保證數據的準確性，就需要研究數據的標準和地質體的“神”。

本 刊：地下空間開發是城市地質工作的主戰場，您長期致力于數字地下空間與工程研究，是地下空間研究“數字化”的引領者。城市地質該如何發揮自身的專業優勢與特點？在數字化轉型過程中如何找準自己的定位？如何尋找突破方向？更好地為城市地質服務資源環境和生態文明建設賦能？

朱院士：城市地質工作是一切城市規劃建設和地下空間開發的基礎，城市地質數字化轉型也是城市和地下工程數字化轉型的排頭兵。地下工程建設與地上工程的最顯著差異就在于地質，地下工程工作者特別關注和需要地質信息作為空間規劃和結構設計的依據。我認為，城市地質數字化轉型的重要定位就是為地下空間、資源開發和城市規劃建設提供數字化、標準化的地質信息和模型支撐，構建開放共享的地質數字化平臺，幫助決策者和工程師摸清楚地下空間和資源開發利用的“家底”，實現未來地下空間規劃和建設的可知、可控。這不僅有助于工程建設的清晰化，提升城市地下空間的韌性，促進生態文明城市建設，而且可服務于政府決策，實現地下空間開發利用的最優化；還有利于科普宣傳，實現地下空間知識的平民化。

城市地質數字化的突破方向在于解決之前提到的三個技術瓶頸問題。例如，針對“采集數據難”的問題，可以研究新型的地質感知技術與裝備，綜合鉆孔、物探、圖像等多種手段，通過較低的成本實現地質要素的分布式精準高效感知；針對“提取信息難”的問題，可以結合人工智能等技術手段研究地質信息的智能提取方法，實現關鍵特征信息的自動化辨識；針對“形成知識難”的問題，可以和巖土、地下工程專業交叉融合，將地質信息和巖土力學理論、風險演化機制等理論成果結合，實現地質風險的提前預警。

本 刊：地面沉降研究與防治，是上海城市地質工作的閃亮名片。如何繼往開來、推陳出新，不負時代、不負使命，地面沉降研究與防治需要怎樣深化和拓展？如何在城市地質數字化轉型中繼續發揮示范和引領作用？

朱院士：上海自上世紀20 年代發現地面沉降現象，到60 年代最大累積沉降量達到了2.6 米左右。市區地面沉降導致了潮水泛濫、道路損壞、管線斷裂，甚至導致了蘇州橋下通航困難等問題，不僅造成了巨大的經濟損失，也對城市建設、工業發展和人民生活構成了嚴重的威脅。1965 年之后，上海通過限制地下水開采、調整地下水開采層次及開展地下水人工回灌等措施，使得地面沉降得到有效控制。雖然上海取得的成績非常喜人，不過隨著大批高層建筑的出現，地面沉降原因由以地下水開采為主向地下水開采、城市建設等多因素轉變，在新時代上海地面沉降可能又會遇到新問題，在城市地質數字化轉型的過程中，地面沉降研究與防治仍是重要任務之一。

地面沉降防治的數字化轉型，首先需要建設多視角、高密度的地面沉降監測體系，解決傳統地面沉降監測以水準監測為主、監測密度低，局部沉降刻畫較為粗糙的問題；第二，要構建城市數字孿生模型，不僅要建立建筑物、道路等城市基礎設施的數字模型，還要建立地質、地下結構、基礎、管線、地下水的模型，各模型耦合關聯，可以從多個方向分析地質環境狀況，為城市基建、規劃設計提供準確的地下空間信息，從而有效規避風險區域，減少地面沉降發生概率；第三，要開展多因素影響下的地面沉降機理相關研究，并結合地面沉降監測數據和城市數字孿生模型，開展動態仿真分析，推算地面沉降過程中地層應力、應變和位移分布情況，預測地面沉降的速度、范圍、空間分布和對建構筑物、管線的影響，預測災害事件發生的概率及其鏈生災害，為城市防災減害、賑災救災工作提供有力支撐。