2.3 “三个地球”的理论架构

虽然“透明地球”与“数字地球”在各自领域内已经发展多年，有各自的理论和应用方向，“美丽地球”的理念也已深入到生态、环境领域，但“三个地球”作为一个系统的整体，其理论体系仍在探索之中，理论框架尚未成形。

2.3.1 “三个地球”的界定

2.3.1.1 “透明地球”与“玻璃地球”

1999年，澳大利亚的Carr博士首次提出建设“玻璃地球”时指出，建设“玻璃地球”的目的是使地壳表面1000米变得“透明（transparent）”（Carr,1999）。“玻璃地球”的主要任务大致可以分为四大类：地球物理技术、地球化学技术、建模技术、数据整合和可视化技术等。

国内外相关的“透明地球”科学计划的主要任务大致相同，且国内一些学者也沿用“玻璃地球”的表述。吴冲龙认为，“玻璃地球”的关键技术应该包括以下几个方面：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）；②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；③复杂地质体、地质结构和地质过程的多维、全息、精细、快速和动态建模；④多维地质时空大数据的分析、融合与挖掘技术（吴冲龙，2015）。吴冲龙认为，“玻璃地球’建设的核心技术是信息技术。

随着大数据概念的兴起，国内的专家学者认为，在大数据时代，应该利用大数据技术实现地球的可视化和信息挖掘，使得地球更加透明。

“透明地球”和“玻璃地球”的目标是一致的，本质上都是利用地球物理、地球化学、空间建模和可视化技术，实现地球内部的更加透明化。“透明地球”与“玻璃地球”的研究手段也是一致的，都是“地物化遥感钻”（地质填图、物探技术、化探技术、遥感探测技术和钻探技术）和数据建模可视化等。然而，“地物化遥感钻”具有自身的局限性，要实现“透明化”地球，还需加大地球内部各圈层的相互关系、圈层内物质和能量循环等方面的理论研究，以实现“透明地球”建设。

中国工程院院士卢耀如提升了“透明地球”的内涵，他指出，“研究三维地质，应当加上时空概念，再研究其动态变化，实际上应是五维的研究。此外，加上岩石圈、水圈、大气圈、生物圈四个圈层的运动，以及相应的各种物理、化学、生物作用，这应是‘维’的现象。因此，真正的‘玻璃地球’，应当是六维的研究（图2-2）。”

总体上，“玻璃地球”是利用“地物化遥感钻”和数据建模可视化手段，建立一个可视化的地球，其核心仍然是信息技术。

2.3.1.2 “透明地球”与三维地质填图

三维地质填图的基本方法是全面采用地质信息系统技术，实现从野外数据采集到室内综合整理和地质地理数据一体化存储管理，再到地质建模、图件编绘和空间分析，以及专题研究和应用的全程数字化、信息化和三维可视化（吴冲龙等，2011）。

美国、加拿大、澳大利亚等国家的三维地质填图工作开展得较早，三维可视化工作较为成熟，主要应用于地质体深部结构、矿产资源开发与管理、地下水资源调查、断裂构造变形监测、城市地质灾害防治等方面（郑翔等，2013）。我国三维地质填图工作开展得较晚，国土资源部和中国地质调查局在2006年和2011年先后启动了三维城市地质填图试点和三维区域地质填图试点。

吴冲龙（2017）认为，三维地质填图与“玻璃地球”的建设目标一致、建设内容相似、建设方式协调，三维地质填图应该作为“‘玻璃地球’建设的基础”。总体来说，“透明地球”建设是一个系统工程，需要从理论、技术、方法、装备等多个角度进行革新，三维地质填图则侧重于信息表达，可以认为三维地质填图是“透明地球”的数字化和信息化（图2-3）。

2.3.1.3 “透明地球”与大数据

大数据是“透明地球”的最大的特点之一。地质数据是天然的大数据，从研究对象上来看，包括地球形成与演化、多圈层结构、板块运动、矿物形成、地质灾害、岩体、地层、矿体、油气、土壤、沉积物、地下水等；从研究方法上来看，包括野外调查、物探、化探、钻探、遥感、分析测试和综合分析等；数据的表现形式也多种多样，包括图形、图像、视频、文本、三维模型等。地质数据具备大数据的4V特点（Volume, Velocity, Variety, Value）。仅在10年内，美国“透镜计划”获得的有关北美大陆结构、演化和动力学数据就已超过115TB（刘学，2014）。

“透明地球”是大数据的载体。地质数据具有多源、多时相、多维、多尺度、异构等特点，这些数据在空间上不连片，在时间上不连续，属性上不关联，难以实现地质数据的价值。“透明地球”通过建立一个一体化、高度集成的地质信息系统，实现地质数据的采集、存储、管理、可视化和应用，是地质大数据的有效载体。另一方面，深度学等大数据技术的应用，能够极大地推进这些空间上不连片、时间上不连续和属性上不关联数据的内在规律的发现，反过来又会进一步促使地球更加透明化。

2.3.1.4 “透明地球”与“数字地球”

“透明地球”以地质勘查技术为依托，依靠多专业、多学科、多领域综合手段，加强资源精细勘查、新能源开发以及地下空间探测。它的研究对象是地球的圈层结构、地壳的物质组成、岩石和地层的形成、各种地质作用、地层和岩体的性质、矿物理化性质等。它的研究方法包括地球物理、地球化学、钻探等方法。“数字地球”的研究对象是地球表层自然过程或人类活动的信息。它的主要研究方法包括遥感、地理信息系统、虚拟现实技术等。

吴冲龙等（2012，2015，2017）认为，“玻璃地球”是“数字地球”在地矿领域的体现。“透明地球”和“数字地球”的共同目标都是通过信息化、数字化和可视化技术实现地球的可视化。然而，目前基于3S技术（遥感、地理信息系统和全球定位系统）而建立的“数字地球”框架中，并未充分考虑地表以下的三维空间结构。“透明地球”和“数字地球”无论在研究对象、研究方法还是在表现形式上都有不小的差异，至少在短期内，“透明地球”和“数字地球”还难以统一到一个高度集成的“数字框架”当中（图2-4）。

2.3.2 “三个地球”的研究内容

2.3.2.1 “透明地球”——传统地质学向地球系统科学的转变

以遥感技术为代表的空间信息技术的发展让科学家的视线从地表观测转向太空对地观测，科学家开始系统地观测全球，地球系统科学由此逐步形成。地球系统是由岩石圈、水圈、大气圈和生物圈组成的统一整体，它是一个多圈层相互作用的复杂巨系统，具有整体性、层次性、开放性、目的性、突变性、稳定性、自组织、相似性等特点。地球系统科学是地球科学与系统科学学科深度交叉的一门学科，其主要理论包括系统论、耗散结构、非线性理论等，其采用的主要方法包括传统地质方法、地球物理、地球化学、钻探和遥感等方法（图2-5）。

“透明地球”建设应在地球系统科学的指导下进行，着眼于多圈层、多尺度、多学科集成的研究手段，通过大跨度的学科交叉，构建地球系统演变框架，理解当前正在发生的过程和机制，揭示全球资源生态环境及社会多要素协同过程与机理，为我国可持续发展与生态文明建设及全球生态环境保护提供科学支撑。

2.3.2.2 “数字地球”——地质勘探向人工智能转变

“数字地球”是地球科学与信息科学、计算机科学的交叉融合。来源于地球系统的信息流在加工、处理、分析和模拟过程中，其信息形态经历了数据—信息—知识—数据的变化，信息属性也经历了客观信息—主观信息—客观信息的变化，地球空间认知在这种信息转变过程中完成（千怀遂等，2004）。“数字地球”的相关理论是信息科学理论在地球科学中的应用，包括信息流、自组织、自相似、突变和混沌、相关性和异质性等（图2-6）。1998年，时任美国副总统戈尔初次提出“数字地球”时，“数字地球”技术主要指空间信息技术（遥感、地理信息系统、全球定位系统）、网络技术和虚拟现实。随着技术的发展，“数字地球”的内涵也在不断发生变化。

2007年，图灵奖得主吉姆·格雷发表了一次名为“科学方法的革命”的演讲，提出可将科学研究分为四类范式：经验科学、理论科学、计算科学和数据密集型科学。其中的“数据密集型科学”，现在也被我们称为“大数据科学”。

几千年前，人类主要靠描述和记录自然现象的方法完成对某一现象的科学研究，这是科学发展的初级阶段，称为“经验科学”，也就是第一范式。随着研究的推进，科学家们开始追求更精确、更系统地理解自然现象，并使用模型或归纳法进行科学研究，因此出现了第二范式，即“理论科学”。20世纪中叶，计算机得到了发展，冯·诺依曼由此提出了现代电子计算机架构，利用电子计算机对科学实验进行模拟仿真的模式得到迅速普及。人们利用计算机对复杂的现象进行模拟仿真，推演出更多复杂的现象。计算机仿真逐渐开始取代实验，成为第三范式，即“计算科学”。随着如今数据的大爆发，海量数据不断生成和累积，计算机的功能已经不再仅仅满足于模拟和仿真，还要从海量数据中进行分析总结，得到理论。由此，数据密集范式理应从第三范式中分离出来，成为一个独特的科学研究范式。这种科学研究的方式被称为第四范式，这也是大数据时代下科学发展的必然。

1956年，科学家们在达特茅斯学院的一次会议上首次提出了“人工智能”的概念，其后，人工智能渗透到各个行业。网络技术的发展催生了大数据概念，大数据概念使得人工智能重新成为热点。机器学习、深度学习、神经网络都可以归纳为人工智能的范畴。通过利用机器学习、深度学习等前沿技术为发展趋势的人工智能，是大数据时代地质发展的重要方向。未来地勘行业要基于大数据理念，运用现代数学理论、云计算、物联网、移动通信等新一代信息技术，加快推进庞大地质数据的智能处理和分析、可视化呈现步伐，逐步实现勘查技术手段智能化、精细化、快捷化，加快推进由“数字地质”向“智慧地质”转变，加快“数字矿山”“智慧矿山”研发建设步伐；提高资料数字化率，建立煤炭、化工矿产资源信息网络服务系统，提高地质信息资料综合利用率和社会化服务水平。

2.3.2.3 “美丽地球”——协调的人地关系

在早期地质勘探和矿山开采时，常常以资源为导向，未能充分考虑可持续发展和协调的“人地关系”，对人类生存空间造成了不同的危害，包括生态环境破坏、增加环境污染、土地利用效率低等（胡旭忠，2018）。

1955—1972年的骨痛病事件是日本富士县神通川流域发现的一种土壤污染公害事件，其原因是神通川上游的铅锌矿在采矿和冶炼中未处理好排放的废水，导致大量含镉废水污染了周围的耕地和水源。油气钻探过程中的井喷有可能造成毁灭性的灾害，因为钻井液中会使用大量的化学药剂，如果残留在地面则能够造成较长时间的生态危害，其同期产生的噪声污染也十分严重。石油开发和炼制过程中产生的泄露原油、天然气、污水以及各种化学药品和废泥浆等污染物质，是造成生态环境恶化的重要因素（范明霏，2014）。根据鄂尔多斯市政府给内蒙古自治区政府提供的调研报告，仅鄂尔多斯市的伊金霍洛旗就因采煤造成耕地塌陷2万亩，林地、草地面积减少2.8万亩，严重影响了当地农牧民的生产生活，造成了巨大财产损失（王玉涛等，2015）。

（1）人地关系的发展

人地关系是人类和自然环境间关系的简称。在漫长的人类历史中，人地关系的思想经历了崇拜自然、改造自然、征服自然和人地协调的几个过程。在人类社会的早期，生产力极为低下，人类依靠采摘和狩猎生存，只能被动地适应自然。在这个阶段，人类对自然存在恐惧和崇拜。

新石器时期，人类文明进入了刀耕火种的时代，产生了原始农牧业。狩猎采集者中的一部分开始从事作物栽培和动物驯化饲养业，人与自然的关系由先前的完全依赖转化为顺应自然规律进而利用自然的阶段。这一时期的人地关系思想主要表现为“环境决定论”“或然论”（张秀清等，2009）。古典时期地理环境决定论的代表是希波克拉底（Hippocrates），他认为人类特性产生于气候，气候和季节变换可以影响人类的肉体和心灵；近代地理决定论的代表是黑格尔，他将地理环境看作精神的舞台，是历史的“主要的而且必要的基础”，不同的环境会有不同的历史进程。美国历史学家巴克尔（Buckle）的历史学基本框架是：地理、气候条件影响人的生理，生理差异导致人的不同精神和气质，从而有不同的历史进程（鲁西奇，2001）。

18世纪中叶，人类进入工业文明时期，随着生产工具的革新和生产力的提高，人类利用和改造自然的能力大大增强。人类乘着蒸汽轮船踏足新的大陆，设立城镇、兴建工厂、开采矿产和开垦农田，此时人类从顺服自然转为征服自然，这个阶段的人地关系论转变为“人定胜天论”和“人类中心论”。

（2）生态文明思想

生态危机、环境破坏是工业文明的必然现象，是西方国家在工业化进程中相伴随的情况。只有扬弃、超越旧工业文明，建设、建构新型文明，才能从根源处真正解决问题。这种新型文明就是生态文明。

“美丽地球”作为专业概念是新近才出现的。20世纪中叶，西方发达国家相继发生一系列环境事件，促使人们反思人与自然的关系，警惕工业化、城市化、现代化过程中地球环境破坏的危险。慢慢地，原先多少带有一些浪漫主义色彩的“美丽地球”审美，开始越来越多渗透进环境评价的因素，“美丽”的艺术框架里开始融入环境保护的内容。

可持续发展要求地勘行业进行转变，构建一种和谐的人地关系。2019年，习近平总书记首次提出了“美丽地球”的理念。中国煤炭地质总局提出在地勘领域开展“美丽地球”建设工作，这一工作思想是对习近平总书记“美丽地球”理念的贯彻落实与行业实践。地勘行业应该在可持续发展理论、生态文明理论、人地关系理论的指导下，开展绿色勘探、环境监测与修复和灾害防治，以实现地勘领域的“美丽地球”（图2-7）。