（原载http://www.gisera.com/mainform/gis/text.aspx?ID=6388）

编者按：

坐落在有“五省通衢”之称徐州的中国矿业大学是新中国第一所矿业高等学府，也是世界上规模最大、学科门类最全的矿业类大学。空间信息技术的快速发展与采矿科技进步，迎来和促进了矿山信息化改造与数字矿山建设。中国矿业大学物联网（感知矿山）中心主任、环境与测绘学院的吴立新教授，是数字矿山理念的倡导者与数字矿山科研的践行者。早在上世纪末，吴立新教授与时俱进、审时度势，随着数字地球的浪潮及时提出了数字矿山理念，并将这一理念付诸实践，希望能够为21世纪中国矿业科技发展与高效安全生产带来新的变革。

吴立新，男，1966年生，博士，教授，博士生导师，教育部长江学者特聘教授（2004）、全国百篇优秀博士学位论文（2000）和国家杰出青年基金（2005）获得者。1991—2004年在中国矿业大学（北京）工作，历任测绘与土地科学系副主任、校矿业信息处理中心常务副主任、3S与沉陷工程研究所所长、科研处副处长；2004年受聘为教育部长江学者，调任东北大学985平台建设责任教授、测绘遥感与数字矿山研究所所长；2008年5月汶川地震后，调任北京师范大学减灾与应急管理研究院985首席教授、空间信息科学与技术研究所所长。2011年10月，应中国矿业大学学科建设需要，调任中国矿业大学物联网（感知矿山）中心主任、测绘科学与技术二级教授。现兼任国际地球观测组织（GEO）煤炭与环境工作组（WGCE）组长、国际摄影测量与遥感学会（ISPRS）IV/5工作组共同组长，中国地理信息产业协会常务理事、理论与方法委员会副主任、地质矿产工作委员会副主任，中国遥感应用协会常务理事，中国测绘学会矿山测量专业委员会副主任，中国地震学会空间对地观测委员会副主任委员，以及《地理与地理信息科学》副主编、《科技导报》常务编委。

记者：作为数字矿山的倡导者，是什么原因促使您如此关注数字矿山的发展？

吴立新：当时提出数字矿山理念的时候有一个缘起，同时与我的个人经历也有很大关系。我在研究生期间是做“三下”（建筑物下、铁路下、水体下）采煤研究的，本科生学的矿山测量。

“三下”采煤是煤炭生产里最困难的一项，需要在村庄、铁路、水体等地表设施下进行安全采煤，危险性很大。“三下”采煤要处理好空间关系与平衡关系，即煤层与岩层、地下采面与地面设施之间是一个怎样的空间关系，如何进行合理的开采设计和科学地安排采掘顺序，以便在尽量多采出地下煤炭资源的前提下，将开采产生的动态移动变形及其对地面设施的影响尽量降到最低，这是关键。

我在做这些事情的时候遇到了两个问题。首先是观测问题，重复开采条件下井下老空区岩层移动与矿压观测非常危险，这促使后来我将红外遥感引入到该领域；其次就是数据处理，大量的观测数据需要及时处理和分析。上世纪90年代初的时候，我在河北峰峰矿区和四川芙蓉矿区从事矿山测量与“三下”采煤，白天要随矿工、技术人员一起到井下观测；以为晚上可以踏实睡觉，其实不然，晚上要抓紧时间处理白天的观测数据。那个时候还是笔算，最多可以拿计算器敲一敲，同时还要趴在绘图桌上进行展绘描图，工作量非常大、非常艰苦。

后来我就想，有没有一种办法能够改变这种传统的矿山测量工作模式。当时CAD已经开始应用了，但接触CAD的都知道，它只是解决几何图形的计算机绘制问题，但矿山的几何描述包括了地质测量和很多属性数据，CAD对属性的管理是很不够的。就在我思考怎么办的时候，咱们国家的GIS研究与应用开始跟上来了，1994年成立了中国GIS协会，于是我就着手研究GIS怎么用于矿山。经过一段时间的摸索，我发现当时现有的商业GIS软件并不能解决矿山应用问题。矿山有自己特定的体系，包括符号表达、立体呈现等，因此我就产生了应该自主开发一个矿山GIS的想法。当时我采取跟加拿大合作的模式，半底层地开发了第一套国产的矿山GIS软件（泰坦矿山GIS）：TT-MGIS，并在中国最早的大型煤矿——河北开滦唐山矿进行了试用。经过一段时间的实践，我发现二维方式的GIS表达远远不够，还是不能清楚的表现矿山的三维空间关系，与采矿设计的要求还有差距，应该进行三维GIS的开发。因此，我带着我的研究生从底层开始研究，进行三维矿山GIS的开发。

记者：那么“数字矿山”这个概念又是怎么提出的呢？

吴立新：1999年的时候，第一届国际数字地球大会在北京召开。正是在这届大会上，我借着“数字地球”提出了“数字矿山”的概念。大家都知道，“数字地球”是前美国副总统戈尔提出的，他的意思简单概括就是把真实的地球装进计算机里，可以查询、浏览、可视化等。“数字矿山”也一样，就是要把真实的矿山装进电脑里去，可以对矿山的几何及属性信息进行查询，可以三维建模，可以数字化设计，可以可视化。我当时给出了数字矿山的基本定义，也描述了数字矿山应该做些什么事情，要完成的几个核心任务。这个概念提出来以后，学术界和矿山的反响比较大。

记者：您曾经与其他两位学者向有关部门递交了《关于发展数字矿山，促进矿山资源高效与绿色开采的建议》，为什么会考虑递交这样一份建议呢？

吴立新：数字矿山的热潮开启之后，大家在煤矿、石油、铁矿、金矿、有色等领域都开始进行数字矿山研究与建设实践。但经过几年的发展，发现大家对此的理解好像各有侧重，不太一样，我们觉得有必要开个会，把一些概念梳理一下，把一些认识统一一下，同时也把对数字矿山存有质疑的人们联合起来，进行团结和协同，以此促进数字矿山的健康有序发展。此外，我们也希望在经费、政策、标准方面能够有一些国家层面的介入和支持。因此，2004年我们争取到中国科协支持，将“数字矿山”作为中国青年科学家论坛的主题，召开了第86次青年科学家论坛。我当时作为论坛的发起主席，同时还有两位合作主席，一位是国家安全生产监督管理局的张瑞新教授，另一位是国家自然基金委的朱旺喜高工。我们三个人作为执行主席邀请了全国矿业领域的20多位专家在北京中国科技会堂进行了两天的交流和讨论。讨论之后形成了一些共识，并以科技工作者建议的方式，通过中国科协上报到国务院和中共中央办公厅，并报送科技部、发改委相关职能部门。国家对此也非常重视，国家自然基金委专门设立了数字矿山的支持方向。因此，从2004年之后，每年都会有数字矿山方向的基金课题，同时国家“863”资源环境领域也有专门列数字矿山的课题，给予了数字矿山很好的科技政策与研发经费支持。

这也得益于国家当时对于信息技术的重视。在那时有一个口号：“利用信息技术，改造传统产业”。矿山就是一个典型的传统产业，怎么利用信息技术改造它？大家知道，矿山地质是矿山的身体，矿山测量是矿山的眼睛。因此，我们认为矿山信息化要从地质测量开始，在数字矿山理念的指导下利用GIS技术，对矿山地质测量等空间数据进行统一组织，进行数字化管理、建模与可视化，以此为切入口改造传统采矿产业。

记者：数字矿山发展到现在，目前的建设情况怎么样？还存在哪些不足吗？

吴立新：刚提出“数字矿山”概念的时候，我国的矿山信息化水平与国外的差距还是比较大的。2001年，第二届国际数字大会在加拿大举行，我利用开会的机会专门去了加拿大INCO公司——国际最大的镍矿集团考察他们的矿山信息化情况。那时候他们已经利用GIS、通讯和自动控制技术实现了遥控采矿，可在地面指挥地下进行无人或少人采矿作业。即使是现在，我国也仅有为数不多的矿区实现了这种采矿方式。

不过经过十几年的努力，我认为这个差距已经和继续在缩小，甚至在某些方面已经走在了前列。我们利用信息化提高了采矿生产与管理效率，使整个采矿形式得到了很多改变。这里面重要的技术贡献就来自GIS，来自于数字矿山，来自地测信息化。

虽然我们与国际发达国家的矿山信息化水平差距是在继续缩小，但有些问题依然没有得到解决，这也是我国信息化建设的通病：信息孤岛，这是个痼疾。造成这个问题的原因，我分析它是多方面的。

一方面，如大家所知，现在的中国矿业尤其是煤矿业，它主要是以市场经济为导向，因此它的数字矿山建设是一种自主行为，缺少国家的统筹。原来还有煤炭部、煤炭生产管理总局，但现在都不存在了。因此，数字矿山到底怎么建，它的标准、体系都缺少国家层面的统一筹划，基本上都是各自摸着石头过河。我作为这方面的先行者，也只是尽量去呼吁大家应该注意一些什么事情，包括统一的数据交换标准、数据组织模式，甚至一些相应的规范。但是，要做一个规范、标准，需要做大量的工作，需要一个行业主管部门来主导。因此，目前的一个缺憾就是还没有形成中国数字矿山的标准。不过，我相信这个事情会逐渐做起来的，或许会在其他非煤矿山领域里面先做起来。不久前，中南大学就组织在长沙开了一个全国数字矿山高层论坛。虽然煤炭系统已经没有“统管婆婆”了，但有色领域里面还存在着有色总公司，这个总公司就可以起到统管作用，可以在有色领域里先做出一个数字矿山标准。

另一方面，数据流的整个链条还没有完全打通。数字矿山是矿山数据应用的全生命周期过程：地质队伍通过在找矿过程中获取勘探、钻孔、地球物理等信息来确定某个地方有煤矿了；然后交给煤矿设计院进行设计：这个地方要建立井或平峒、那个下面要掘大巷；设计完成之后交给建设和生产单位做建井和开采布局，以及设计工作面；在开采过程中，还要根据煤层产状变化、地质构造随时调整布局，这是一个动态的过程，其关键工艺环环相扣。但我们现在的情况是，地质队伍获得勘探数据之后交给设计院时是一张图纸，而不是一个数据库、一套数据资源；设计院设计制图后交给生产单位、建设单位时又是一张图纸，数据资源没有传承下来。建设单位建成之后，生产单位后续生产过程中还会不断获得新的细化的矿体、地质信息，却并未与原来已有的信息形成有机的补充。若上述过程能共享数据资源并不断更新、互为补充，数字矿山才能做到准确、可靠，才能指导矿山的生产。但目前，由于数据链条没有打通，数据方面没有做到实时更新。

记者：现在“智慧城市”是一个很热的概念，那么您是否有考虑过对“智慧矿山”进行研究？

吴立新：我目前也正在研究数字矿山与智能技术的结合。数字矿山是智能矿山的基础，是信息保障，没有数字矿山就谈不上智能矿山。智能矿山的终极目标需要实现矿山高产、高效和高安全，要实现对生产过程的自动管理，对安全隐患的及时发现，它能够对采矿安全与生产过程进行智能决策与自动处理，包括无人采矿、遥控采矿、灾害应急等。

中国矿业大学也正在打造一个新的学科高地，叫物联网感知矿山中心，将测绘、GIS和通信、物联网有机结合起来，围绕矿山感知开展工作。过去，我们利用GIS将已有的矿山信息数字化，实现了静态信息处理和管理，同时建立了三维模型进行可视化展示；而物联网可以解决矿山信息的实时获取和传输问题。我们在原有基础上接入实时信息，通过物联网进行快速数据处理、空间分析、数据挖掘和计算，及时掌握采煤工作面发生的变化，对可能出现的隐患进行报警，实现自动控制。这就可以形成从灾害感知、隐患识别到智能感控的全流程。此外，我们中心还研发了智能矿灯设备，集成了多种传感器，可以感知井下巷道安全状况和环境参数，如温度、湿度、瓦斯浓度等，还能够通过Wi-Fi技术对矿工位置进行实时定位与跟踪。这些观测到的数据通过无线网络及光纤最后到达监控室，就可以对井下生产情况进行实时监控。同时，通过智能矿灯收集到的信息，还可以分享给周边的工友，让他们了解周边是什么状况，从而掌握自己周围的安全形势。

目前我们中心的工作重点是实现四个感知，包括井下的感知矿井环境、感知设备状况、感知矿井灾害以及地面的感知矿区环境。我们中心已经完成了包括徐州矿区在内的几个示范工程的建设；接下来要在山西霍尔辛赫矿区开展感知矿山示范工程的二期建设。希望能够借助示范工程的成功案例，树立智能矿山、感知矿山的一面旗帜，使得我国的智能矿山与感知矿山技术路线图逐渐清晰和完备起来。

记者：人们要接受一个新概念总是会有一个过程，您是如何将您的研究成果推广到实际应用中呢？

吴立新：首先是发表学术论文，我在《煤炭学报》发表了一系列关于数字矿山的文章，最近我的论文“三论数字矿山：借力物联网保障矿山安全与智能采矿”被中国科技信息所评为“领跑者F5000”优秀论文。其次是人才培养，我自己一直坚持培养数字矿山方向的研究生；同时，带动全国同行们积极参与，在一些开设有矿业工程、测绘科学与技术等学科的高校相继建立了多个数字矿山的二级学科博士点，如中国矿业大学、东北大学、山东科技大学、昆明理工大学等；对于本科教育，教育部地矿教学指导委员会在规划二十一世纪统编教材时，对矿业工程专门设立了一个新的课程，就叫《数字矿山技术》，作为采矿专业的必修课，测绘地质相关专业的选修课。第三，在技术培训方面，国家人事部门有一个技术更新工程，也称为“653工程”，在涉及煤矿方面，专门编写了一本《数字矿山新技术》的培训教材，并在《矿山测量新技术》里专门讲解数字矿山原理，面向全国煤矿系统的总工、矿长和地测人员进行技术更新培训。第四，通过举办全国性学术与技术交流会议推行数字矿山的理念，介绍数字矿山的建设成果和相应经验，让兄弟单位可以相互参照和观摩学习，例如中国煤炭学会的矿山测量专业委员会、中国测绘学会的矿山测量专业委员会，近10年来一直将数字矿山作为每次学术年会上的一项重要内容。

记者：在推广过程中有没有遇到一些困难？

吴立新：困难肯定是有的。主要有两方面的困难：第一，数字矿山作为一个新生事物，要让企业家接受的话，得要让他们看到通过数字矿山的投入与建设，是否真的能够给企业带来好处，只有这样企业才愿意投入。第二，现在企业都是市场行为，他们希望能尽快见到效益，而数字矿山往往是投资多、周期长、见效慢，因此需要花力气去说服他们，尤其是要把第一把手的工作做通，这样才能推行下去。

记者：数字矿山的研究肯定需要跨学科的人才，那么您如何看待目前国内GIS专业的教育情况？

吴立新：这个题目比较大，也是我们大家这些年一直在思考和反思的问题。现在GIS专业毕业的学生其实并不太好找工作，这其中的原因是多方面的。当时国家放开招生规模、鼓励大家扩大办学的时候，由于GIS专业办学起点比较低，因此很多高校都开设了这个专业。但随之而来的是相应的教学体系、课程安排、实践环节都没有足够的保证，这就导致有些学校GIS专业的毕业生在找工作时高不成低不就。这里说的“低不就”指的是一些需要实际动手的事情，比如操作测绘仪器获取数据，他做不了；而“高不成”就是在读研究生时，对原理性的理论知识没有储备，对算法搞不清楚。不过，现在很多高校已经意识到了这个问题，也在做出一些调整，甚至有些已经开始取消GIS专业。

我对这个现象的看法是应该区别对待。对于一些普通本科院校，它们的GIS专业还是可以继续办的，但其定位必须要明确，可以为地理信息行业与产业发展培养进行数据处理、做简单业务性和事务性工作的蓝领技术工人。而对于包括211、985在内的重点大学，可以选择继续办或暂停不办GIS专业。因为，GIS专业必须跟测绘工程、遥感科学与技术有机结合起来。至少，在一二年级的时候，应该合并上课，将学生的专业基础夯实了；到了三年级的时候再分开，或学习遥感、或做测绘、或继续学习GIS理论与算法。现在，已经有高校开始了这样实践，例如武汉大学、中国矿业大学等。这样培养出来的学生将具备扎实的基础，如果毕业后选择工作，那么他的就业能力会得到提升，因为他对遥感、测绘这些基础性、技能型的课程都学习过了，并有了基本的掌握。这样的话，GIS专业毕业的本科生走到研究生阶段来做数字矿山方向的研究与开发工作，才有必要的基础和能力。

记者：这是您对本科生教育的观点，那么针对研究生阶段的教育您比较看重什么？您认为这个阶段的学生最应该具备哪些能力？

吴立新：研究生阶段，包括硕士和博士，我的培养经验可能与主流有些不太一样。主流的培养基本是研究生跟着课题走，导师有什么课题，带的学生也跟着做，对于其中的新颖性、前沿性，或者是否是重复性的研究，不会做过多的考虑。我在培养学生时会注意区别对待，尤其是对那些有科学潜质和数理功底的学生，我一定会安排或鼓励他去做一些课题之外的探索性研究，而不是让他去做其他人已经做过的事情，以便促使他们更好地成长、更长远地发展。

我特别强调学生的空间思维和想象力，我认为这两个能力是学习GIS并进行空间分析的前提。如果他闭着眼睛不能把真实世界在脑子里三维重构起来，那么他可能很难去编辑和实现一个三维模型；如果他闭着眼睛不能对事物之间的空间关系进行想象，那么他可能很难进行三维空间分析。因此，我就要求我的学生要多进行这方面的训练。

用我在北京师范大学讲授的《GIS原理与算法》这门研究生课程做例子，我的第一堂内容就讲空间认知。无论学生的专业背景是什么，我首先教他们怎么认识地理世界，以及地理世界的对象、客体、现象、过程、空间关系怎么用时空概念进行描述，我甚至还给他们讲解唐诗中的空间思维。比如李白的“朝辞白帝彩云间，千里江陵一日还，两岸猿声啼不住，轻舟已过万重山”这首诗，我会让他们想象一幅场景，在这里面包含哪些GIS的基本元素，山川人物位置及其空间关系怎样；如此，就可以帮助学生在时空意境中回归唐代，体会诗人当下的地理环境、空间思维与时空过程。包括毛主席的诗作，“北国风光，千里冰封，万里雪飘”，这种大场景的描写，也体现了伟人对大中国地理环境与空间现象的认知与热爱。可见，这种对空间的认知与表达是人类思维的重要特征和能力，已经融入到了我们的古典诗词里了，需要我们去认真体会，进而学习和提升自身能力。