吉大教授潜心数字地学 云计算解矿产资源预测难题

有一个故事听来有趣。

上世纪九十年代末期，一位选区在河北省，从事矿产资源预测项目的数学地质博士曾预言：“张家口南部某区采样化验中虽然不含金，但该区却可能是一个重要的金矿靶区。”这位博士专家从来没去过张家口，怎么会知道张家口某区可能有金矿？

巧合的是，一支武警黄金部队在那里勘察打钻，居然真的找到了金矿。当时提出这个预言的博士专家，名字叫路来君。他现在是吉林大学教授、博士生导师、数字地学研究中心首席科学家。

路来君教授目前正从事数字地学理论与技术研究，他的研究目标有两项，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。目前，路来君教授正从事新一代地理信息系统开发研究，研制云计算环境下的人机交互式地学G4I系统，这套系统怎么回事？5月17日，借路来君教授来京洽谈科研项目合作之机，科技日报记者采访了他。

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、洪涝等自然灾害，如何进行早期预警？更是世界性难题。

路来君教授说：“我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。”

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。路来君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

谈起数字地学，镜头回放到2011年11月25日—27日。这期间，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，与会首先作了 “数字地质新概念”学术报告。会上赵鹏大院士说：“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。

如今，路来君教授在数字地学的教学科研领域走过了近30个春秋。1977年全国恢复高考，他没打算上大学学地质专业，却阴差阳错地进了地球化学专业。但他偏爱数学与物理学，所以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。

以数学功底及数学地质学颇为厚实的专业知识背景，路来君教授从“七五”一直到“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 “矿产资源信息系统”、“河北地勘局多元信息系统研制”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”。

10年磨一剑。正是在20年的合作项目与潜心研究中，所学的深厚理论与丰富的实践相结合，路来君教授对地学空间分布与变异性形成新的认识。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。

LED照明工程带来的启示

数学地质专业博士，在交通视频监控与LED照明工程领域，居然也干出了名堂。

那是1992年，路来君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，其中做的一个项目，就是大功率超高亮度LED亮化照明工程。在这项工程中，通过科技创新，他们研发出了超高亮度、可发出256种颜色的LED柔变组合灯。这项技术成果，简单说是在一个集成电路板上嵌入56颗LED芯片，通过红绿蓝三基色频谱合成，产生了256种颜色，可以渐变也可以突变，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灯的频谱合成技术，启发路来君教授产生一个妙想。不久，路来君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，于是他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，于是他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是他学术创新的三个亮点。

云计算为数字地学科研插上翅膀

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。路来君教授说：“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，这种做法古老而简单，难以做到科学早期预警。路来君教授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。由于高性能计算与云计算成为现实，上述林火行为仿真过程已成为可能。这不是设想，是路来君教授已经完成了前期的研发工作并在局部地区进行了实验。他说：“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。”

目前，路来君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。

路来君教授说：“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！”