20世纪60年代以来, 随着计算机技术的问世, 以计算机、现代通信与网络、数据库技术为代表的现代信息技术得到快速发展, 成为现代科技革命的主要牵引力, 融合改造着传统的各行各业。20世纪末到21世纪初, 以移动互联网、大数据、云计算、人工智能为代表的新一代信息技术快速发展成为当代科技革命的主要引擎, 改变、改造和颠覆了我们传统的思维模式、生活模式和生产模式等, 人类社会正式进入信息化时代^[8] 。信息化无处不在, 融入了我们工作生活的方方面面和全过程, 地质工作也不例外, 随着信息技术革命进入信息化时代。信息化就是依靠信息技术对传统生产和生活方式进行改造、重塑的过程, 信息化是现代化的主要标志, 经历了数字化阶段和网络化阶段, 目前正进入大数据阶段^[8]。

地质工作作为社会经济发展的一项基础性工作, 已经融入了信息技术革命的浪潮, 从最基本的工作手段到综合研究分析, 都在不自觉地接受信息技术的融合改造, 经历地质信息化的发展历程。地质信息化就是地质工作与信息技术结合、融合的过程, 是采用现代信息技术对传统的勘查手段和分析研究方式进行改变、改造和融合的过程, 不仅包括工作手段的改进, 还包括工作理念和工作模式的转变, 其效果是减轻地质人员劳动强度, 不断提高地质工作的质量和效率。

地质信息化和国家信息化发展历程基本一致, 经历了数字化阶段和网络化阶段, 正进入大数据阶段。

(1)数字化阶段。20世纪60年代至2002年左右, 以野外数字采集仪成功开发^{[3, 9]}为结束标志, 以形成数字记录和单机计算为主要特征。本阶段信息技术地质应用的主要特点就是地质工作的数字化: 初期是电算化, 用计算器或计算机代替人工进行计算; 中期是数据库技术的应用, 建设各种回溯性数据库, 用计算机进行储量计算和数理统计分析等; 后期是基于计算机辅助设计(computer aided design, CAD)技术开展计算机辅助制图, 逐渐发展为用地理信息系统(geographical information system, GIS)技术编制矢量图件, 对图件信息进行管理, 用计算机编制地质报告; 2002年, 成功开发野外数字采集仪^[9], 基本上实现了地质调查的数字化。在这个阶段, 地质工作其他各工作手段基本上都实现了从模拟形式到数字模式的转变。

(2)网络化阶段。约为2002年至2016年, 以开始实施地质大数据工程^{[10, 11]}为结束标志, 以互联和共享为主要特征。该阶段主要工作是在继续相关数字化工作的基础上, 开展数据文件共享、邮件传输、网络化办公、网络计算和信息服务等。中国地质调查局于1999年成立, 在此阶段组织实施了数字国土工程, 基于计算机、网络、无线通信、数据库等现代信息技术, 于2002年提出了地质调查信息化建设的总体框架(图1), 明确了地质信息化

图1

Fig.1

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	图1 地质调查信息化建设总体框架[1, 2]Fig.1 Framework of geological survey informatization construction [1, 2]

建设的总体思路: “ 一条主线, 两个支撑, 一个目标” , 即以提高地质调查社会化服务水平为目标, 以数据支撑体系和技术支撑体系建设为基础, 加速实现地质调查主流程信息化^{[1, 2]}。此后的地质调查信息化工作基本是按照此框架进行的。

(3)大数据阶段。约开始于2016年, 该阶段主要特征是数据快速集聚、信息化设施虚拟化管理、数据挖掘与融合分析。2016年以来, 随着大数据、云计算、智能化等新一代信息技术的发展, 原国土资源部组织实施了行业基金项目“ 地质大数据技术研究与应用试点” ^[4], 中国地质调查局组织实施了“ 地质大数据与信息服务工程” ^{[10, 11]}, 研究提出了地质大数据建设体系总体框架(图2)和总体思路: 一是建设地质数据采集处理体系, 推进地质数据快速规范采集; 二是建设地质大数据汇聚体系, 实现地质数据动态有效汇聚; 三是建设地质数据与信息服务产品体系, 丰富地质数据与信息服务资源; 四是建设地质数据与信息服务体系, 推进地质数据与信息协同服务; 五是建设“ 地质云” (地质大数据支撑平台), 提升地质数据与信息服务的能力和水平^[12]。中国地质调查局于2016年组织实施地质大数据工程, 建设“ 地质云” , 对信息化基础设施、网络资源、地质数字资源、数据处理系统、业务管理系统、应用分析系统、服务系统等进行整合和集成, 提升了地质数据和信息服务能力和水平, 推进了地质工作实现信息化、智能化和现代化。

图2

Fig.2

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	图2 地质大数据建设体系总体框架 [12]Fig.2 Framework of geological big data construction system[12]

各地质勘查单位也纷纷开始了地质大数据建设, 部分单位加入了中国地质调查局“ 地质云” 体系。该阶段地质信息化建设以基础设施集中与虚拟化管理、地质大数据集中管理与共享、数据挖掘分析、地质调查智能化和管理工作全流程信息化为主要特征。

经过20多年的努力, 中国地质调查局牵头建成了20多个回溯性全国性地质数据库, 并不断进行补充更新, 数据量达数十TB, 涵盖了全国地质工作的基本专业领域, 形成了比较完整的国家地质数据库体系^{[3, 13]}, 其主要组成如下。

(1)系列比例尺的全国区域地质图空间数据库。包括1:5万、1:20万(1:25万)全国标准分幅区域地质图空间数据库和全国1:50万、1:100万、1:250万、1:500万(1:400万)地质图空间数据库, 包括MapGIS和ArcGIS两种格式。

(2)标准图幅的全国区域专业地质数据库。包括1:20万全国地球化学勘探数据库、1:20万全国重力勘探数据库、1:20万自然重砂数据库、1:20万航空磁力数据库等。

(3)专题数据库。包括全国地质工作程度数据库、全国矿产地数据库等。

(4)其他数据库。包括地质资料图文数据库、境外地质矿产资源数据库等。

(1)历经近18年的建设, 完成了全国地质资料馆馆藏的11万多档纸质资料的数字化, 奠定了数字地质资料馆的基础, 并逐步集成后续接收的数字化地质资料。

(2)完成了智能库房建设, 近30多万档地质资料加贴了磁性数字标签, 实现了实体地质资料的数字化和智能化管理。

(3)完善了地质资料元数据项或部分元数据的重新采集, 更新维护了地质资料元数据库。

(4)对馆藏的地质资料以文件为单元进行加工处理, 在不影响使用的前提下去掉涉密信息, 使馆藏地质资料的可公开程度达到90%以上。

(5)开发建设了数字地质资料管理核心业务系统, 为地质资料数据的有效管理和服务提供了计算机网络系统平台。

(1)形成了规模庞大、权威性高的在线地学文献数据资源池, 可在线接入国内外权威地学文献数据库20多个, 可供使用的文献数据达7亿多条。

(2)地质调查系统单位图书文献联合编目60多万条。

(3)实现了中国地质图书馆馆藏资源30多万册图书、100多万篇期刊论文的数字化和在线服务。

(4)开发建设了地学文献服务系统、地学文献知识发现系统等, 并对中国地质调查局系统内外用户提供经常性服务。

20世纪90年代末开始野外数据采集仪研究试验, 到2002年基本成型。建立了地质点-路线-界线(point-routing-boundary, PRB)地质填图数据描述模型, 并在中国地质调查局组织实施的新一轮国土资源大调查的区域地质调查项目中全面推广应用, 实现了地质调查从野外数据采集到室内数据整理处理和成果输出的信息化, 基本实现了地质调查主流程的信息化^{[3, 9]}。

后续随着信息技术的发展逐步完善, 集成了区域地质调查数据采集系统、矿产资源调查评价系统、数字罗盘、矿产勘查过程数据采集、储量计算等功能, 形成了数字地质调查系统, 并拓展应用到矿产地质调查等专业领域。

进入大数据时代, 数字地质调查系统充分融合了大数据、云计算、无线通信等技术, 开发集成了基于位置的地质资料数据主动推送服务、远程虚拟计算、矿物岩石智能识别等功能, 形成了智能地质调查系统。

建立了数字地质填图理论和方法体系, 并系统推广到全国区域地质调查和矿产勘查评价等领域, 用户达数万人。在全国10多个地质院校开设了数字地质调查课程, 并对东盟和亚非拉70多个国家的地质人员进行了培训推广。开发形成了地质环境调查系统、地质灾害调查系统和地下水资源调查系统等, 在全国地质领域全面推广应用, 实现了地质工作主流程的信息化。

结合地质工作实际情况, 针对商业化地质数据处理系统市场不完善的缺陷, 研究开发了重磁电数据处理系统(RGIS)^[14]、多元地学数据处理系统(GeoExplo)^[3]、化探数据处理系统(GeoMIDS)^[15]和智绘地质编图系统^[16]。这些具有地质专业特色的软件系统在全国地质勘查行业得到广泛推广和应用, 提升了地球物理堪探和地球化学堪探的专业数据处理与分析能力, 推进了地质编图工作, 有效弥补了商业化地质勘查软件的空缺, 助推了地质信息化建设。

2003年开始, 依托国家863计划, 基于网格技术, 采用对等式结点管理器和对等式结点管理方法, 开发建设了中国地质调查信息网格系统^[17], 在全国部署了近20个结点, 基本实现了分布式地质数据资源的共享与虚拟计算, 并在2008年5· 12汶川地震抗震救灾的后方地质数据集中处理分析中发挥了重要作用^[3]。

随着信息技术的发展, 在中国地质调查信息网格系统基础上, 集成了可公开的地质数据库、数字地质调查系统、北斗卫星和其他卫星通信, 建设形成了中国地质调查信息共享平台, 为地质调查和地质数据共享提供了支撑和服务。

基于馆藏地质资料数据, 采用现代信息技术, 开发建设了地质资料数据信息服务网, 可为社会提供地质资料数据共享和信息服务^[18]。

2000年初开始, 结合地质调查管理实际, 基于最基本的办公业务需求, 研发建设了中国地质调查局办公信息系统(OA)。此后不断完善扩展业务领域和覆盖面, 逐步形成了各单位的办公系统以及项目、财务、人事等专题的业务管理信息系统和综合业务管理信息系统^[19], 有力提升了管理信息化能力和水平。

建立了地质调查骨干网络体系, 形成了地质调查广域网、地质调查业务网、单位内网、涉密网等网络链接方式, 实现了地质调查系统各单位及内部物理上的互联互通, 可满足不同的业务需求。

建立了地质调查信息化标准体系, 研究制定了40多项技术标准, 以局标或行标形式发布了近20项, 有力规范和促进了地质信息化建设。

建设了中国地质调查局门户网站和各单位门户网站, 形成网站群, 成为地质调查信息发布的权威平台^[20]; 建设形成了原国土资源部地质信息技术重点实验室^[21]、自然资源部地质信息工程技术创新中心^[13]等地质信息化代表性的科技创新平台。

在“ 十一五” 原国土资源部组织实施的矿产资源领域基本国情调查重大专项“ 全国矿业权实地核查” 和“ 全国矿产资源潜力评价” 中, 地质信息技术发挥了重要作用, 向全国各参加单位分发了基本比例尺的全国标准分幅区域地质图空间数据库, 研发了各专业的地质数据模型, 建成了全国矿业权实地核查数据库和全国矿产资源潜力评价数据库, 以及相应的数据处理分析系统, 有效支持了专项的实施和成果的推广应用^{[22, 23, 24, 25]}。

地质信息化建设成果有效支撑服务了“ 金土工程” 一期建设、自然资源数据库建设、国土空间规划基础信息平台等国家重大信息化工程建设^{[3, 13]}。

中国地质调查局于2015年提出开展地质大数据建设研究方面的工作, 并开始筹划实施“ 地质云” 建设^{[4, 12]}。“ 地质云1.0” 于2017年11月建成上线运行, 于2018年10月、2021年5月相继发布了“ 地质云2.0” 和“ 地质云3.0” 。

“ 地质云” 是基于云计算、大数据、人工智能等的新一代信息技术, 是对地质调查信息化建设多年成果进行的大集成, 包括数据资源成果、主流程信息化研发成果、数据处理系统、办公和业务管理系统、数据信息服务系统、计算与网络基础设施等, 有助于建设形成计算机网络信息系统, 实现地质调查、业务管理、数据共享和信息服务等业务一网支撑和运行, 可有效推进地质调查工作现代化, 提升地质数据信息的社会化服务能力和水平。

针对异构、异主、异地“ 三异” 系统难整合的实际情况, “ 地质云” 采用分布式的混合云架构, 在不改变数据、用户、基础设施资源的所有权和管理权的前提下, 实现了网络、数据与业务的“ 三通” 。采用标准云架构进行建设, 包括基础设施层、数据层、平台层和服务层。为保障平台稳定可持续运行, 建设了技术标准体系、制度机制体系和安全防护体系, 并按照网络信息系统等级保护三级设防。

“ 地质云” 由1个主节点、2个灾备节点(同城+异地)、N个区域或专业节点组成, 各节点之间采用专线链接, 覆盖中国地质调查局所有直属单位, 每个单位都设一个物理节点(物理上独立的节点)或逻辑节点(物理集中逻辑隔离的节点), 由最初的19个节点发展到现在的40多个节点, 并逐步向各省地质调查单位、地质院校等单位扩充。“ 地质云” 分别部署在互联网和地质调查业务网上: 互联网版本部署在公共网络上, 主要为社会各界提供地质信息服务; 业务网版本部署在中国地质调查局逻辑隔离的内网上, 仅为中国地质调查局及其下属单位提供野外地质调查系统支持、地质数据共享、业务管理支持和地质信息服务。

“ 地质云” 集成了中国地质调查局系统几乎所有已建成的数据库近200个, 数据量经过2 PB, 包括了全部基本的国家地质数据库, 采用“ 集中+分布” 方式, 由各建设单位运行维护和提供服务。源数据库部署在业务网上, 为各地质调查单位和个人提供共享服务, 同时, 对数据库进行加工, 形成1 000 多个接口服务, 通过互联网为社会单位和公众提供服务。

“ 地质云” 上集成了大量基于源数据库开发形成的信息服务产品, 包括10多万档地质资料、数亿份图书文献、新加工的数万件综合产品和地学科普、设备仪器信息等, 采用“ 数据-平台-用户” 集成方式, 建设形成了国家地质信息服务系统, 相当于地质领域的“ 淘宝网” , 通过“ 地质云” 互联网版本提供社会化服务。

在应用方面, “ 地质云” 集成了智能地质调查系统、地质调查业务管理系统、地质调查数据汇聚系统等。地质人员通过“ 地质云” 统一的网络与基础设施资源、统一的用户界面和用户管理系统等, 实施智能化的地质调查、业务办理、调查数据的汇聚提交等工作, 实现了地质调查一张网的运行和管理。同时基于云环境, 集成了桌面云系统, 用户可通过虚拟环境, 使用公共软件工具, 包括MapGIS、ArcGIS、PCI等代表性专业软件系统。

“ 地质云” 是地质信息化建设多年成果的总集成, 是集地质调查、业务管理、数据共享、信息服务于一体的综合性网络信息系统, 实现了数据信息资源、计算机网络资源、用户资源、系统资源的统一管理和运行, 实现了中国地质调查局全局数据库资源的交换共享、地质信息社会化服务的统一协调和地质调查业务管理的有机协同, 支撑了现代模式的地质调查工作, 可为中国地质调查局系统提供软件工具(大型专业软件、地质工具软件、常用软件、邮件系统、网站系统等)共享服务, 并为中国地质调查局系统和社会用户提供存储与计算资源。“ 地质云” 上线以来, 应用效果良好, 引起媒体和社会各界的高度关注。

地质数据采集来源于多种方式、多种空间平台、多个单位, 国家公益性地质调查单位应研究制定地质数据表达的通用模型和各专业模型。表达模型应该朝着结构化表达和方便后续处理的目标, 在此基础上形成行业标准, 以此引领和规范地质工作野外数据采集、地球物理勘探数据采集、地球化学勘探数据采集、分析测试数据采集和各种处理分析成果数据的表达, 为地质大数据的快速汇聚奠定基础。

进一步整合地质数据资源, 实现依托地质调查项目汇聚的地质调查数据和依托地质资料管理体系汇交的地质资料数据的有效融合, 形成国家地质大数据中心, 丰富地质信息服务的数据资源。加强专业化服务, 充分发挥专业地质单位熟悉专业地质数据的优势, 促进专业地质单位为社会提供专业特色的数据以及专业化的数据处理和信息服务。进一步优化整合地质信息服务平台, 提升数据检索查询的精准性, 优化概要浏览、在线浏览、在线调用、下载、专题服务等功能, 提升地质信息服务的能力和水平。

数字地质调查系统已在区域地质调查、矿产资源调查等专业领域得到广泛推广应用, 并依托“ 地质云” , 采用大数据、人工智能、无线通信等新一代信息技术, 实现了部分智能地质调查功能。另外, 数字地质调查技术还在地质灾害调查、地下水资源调查、地质环境调查等领域进行了本土化研发和推广。应继续完善系统应用的友好性, 使用户体验更顺畅、更方便、更符合地质工作的习惯和特点; 深化人工智能的地质应用, 开发完善野外肉眼尺度的岩石、矿物、古生物自动识别, 优化基于位置的地质数据信息自动服务, 研发集成基于专家经验的数据分析模型, 并形成相应的系统模块; 延长系统服务链, 涵盖项目申请、项目设计编写、数据采集、数据整理与处理、成果图件编绘与成果报告编写等主要环节; 拓展系统覆盖的业务领域, 扩充覆盖到地质工作的所有专业, 分专业实现地质调查主流程的数字化、结构化、信息化和智能化。

进一步整合、集成已有的各种业务管理系统, 以法人单位为基本单元, 以项目为基本管理对象, 以业务管理环节为基本主线, 涵盖单位的技术、财务、人力资源、仪器设备等领域, 梳理业务管理流程和责任分解, 形成程序科学、层级清晰、责任明确、纵横结构合理、覆盖所有方面和环节的业务管理模型, 开发完善单位业务管理信息系统, 实现业务管理核心数据共享和关键环节的协同, 并部署到中国地质调查局所有直属单位, 实现完全的业务化运行。

升级完善中国地质调查局本级业务管理系统, 该系统以局属法人单位业务管理系统为基础或基本数据源, 能够实现数据的有效查询、调用、汇聚和分析, 并具有中国地质调查局本级的业务管理功能。

完善地质调查业务网, 提高节点之间网络专线的带宽; 加强主节点建设, 提高主节点计算能力和存储能力; 提高主节点与广域互联网链接的带宽, 逐步减少区域或专业分节点的实体建设, 形成基础设施相对集中、分节点逻辑分布合理的结构。逐步形成业务网上的“ 地质云” , 作为一个大节点与广域网链接, 通过国际互联网为社会提供服务, 提高网络基础设施资源的利用率和效率, 提升地质云的应用水平。