北魏時(shí)期，地理學(xué)家酈道元步測(cè)江河，用30余萬(wàn)字記錄了1252條大小河流的故事。
(資料圖片)
1400多年后的今天，首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院教授陳蓓蓓帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，通過(guò)優(yōu)化集成衛(wèi)星（GRACE）、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）、人工智能（Geo-AI）等技術(shù)方法，結(jié)合遙感大數(shù)據(jù)和野外觀測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集，找尋太行山到渤海水循環(huán)的秘密，開(kāi)展京津冀平原地面沉降多元演化新模式研究，支撐回答“首都地下水資源的問(wèn)題”。
說(shuō)得通俗點(diǎn)，這群地學(xué)人力求通過(guò)不同精度的遙感照片、數(shù)十年積累的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，搞清楚京津冀平原地下水儲(chǔ)量的變化和地表形變長(zhǎng)時(shí)間變化的信息，未來(lái)還可以像天氣預(yù)報(bào)一樣開(kāi)展地面沉降趨勢(shì)預(yù)測(cè)。
聽(tīng)上去有趣且重要的研究，卻鮮少被報(bào)道。陳蓓蓓笑著分析原因：我們參與的項(xiàng)目，動(dòng)輒以三四年為周期，是一個(gè)慢功夫，更算不上勁爆；研究的內(nèi)容和方法，聽(tīng)上去和普通人的生活有距離感，需要解釋和翻譯；還有一個(gè)理由，我們大多比較內(nèi)向，俗稱“社恐”，我們覺(jué)得首要目標(biāo)是把活兒干好，實(shí)在沒(méi)什么好報(bào)道的……
看圖算數(shù)，觀水辨土，聽(tīng)歲月“訴說(shuō)”地下的秘密——只有走近這群自謙“沒(méi)有創(chuàng)造性發(fā)現(xiàn)”的團(tuán)隊(duì)才能發(fā)現(xiàn)，他們獨(dú)具浪漫。
1 看圖“找不同”
陳蓓蓓長(zhǎng)相文氣，與大多數(shù)人印象里的“勘探”“地質(zhì)”完全不搭邊，她的自我介紹也多從科普引入：“我本科讀的是測(cè)繪工程，專業(yè)課有很多門(mén)，我最感興趣的是遙感科學(xué)與技術(shù)，理由是‘顏值高’——這么多好看的圖，還藏著地球‘內(nèi)部’的故事?！?/p>
一眼傾心，簡(jiǎn)單而堅(jiān)定。從2007年起，陳蓓蓓讀碩士，跟著地下水地理信息系統(tǒng)研究專家宮輝力做科研，目光鎖定在京津冀區(qū)域，方向是利用遙感技術(shù)研究因地下水開(kāi)采而引起的地表高程下降（地面沉降）。16年來(lái)，項(xiàng)目一個(gè)接著一個(gè)：持續(xù)更新京津冀平原地下水儲(chǔ)量變化和區(qū)域地表形變信息，解釋“地面沉降發(fā)生在哪里，為什么發(fā)生在那里”，參與京津冀重點(diǎn)高速鐵路、北京城市副中心等重大工程地面沉降專項(xiàng)勘查……但研究的焦點(diǎn)幾乎從未改變。
“這是我們工作的特點(diǎn)之一，基于長(zhǎng)時(shí)間序列。”陳蓓蓓用團(tuán)隊(duì)正在搭建的京津冀平原地面沉降模擬器舉例，“這是靠大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，所以數(shù)據(jù)量非常大。北京的地面沉降測(cè)量數(shù)據(jù)記錄最早可以追溯到1955年。前期的數(shù)據(jù)會(huì)少一點(diǎn)，但隨著科技的進(jìn)步，數(shù)據(jù)的量、精度都在大幅提升。簡(jiǎn)單地說(shuō)，我們要做的是整合讀懂這些數(shù)，找到地面沉降的趨勢(shì)?！?/p>
陳蓓蓓頭疼“講故事”，但是談到具體研究過(guò)程時(shí)，她的語(yǔ)速不自覺(jué)地變快了，“遙感技術(shù)離我們很近——人造衛(wèi)星給地球拍照，通過(guò)電磁波的輻射、反射特征，我們能看穿地面，了解地下的情況。它的優(yōu)勢(shì)在于大區(qū)域快速實(shí)時(shí)，而且不同的分辨率可以滿足不同的項(xiàng)目需求?！?/p>
真正看圖，卻需要足夠強(qiáng)大的專業(yè)背景。
外行眼里，一片不同深度的藍(lán)色中，白色點(diǎn)綴，紅色和淺黃色交織成色塊，是一幅色彩豐富的“畫(huà)”；到了團(tuán)隊(duì)眼里，圖上每一處顏色的“漸變”，都書(shū)寫(xiě)著京津冀平原地表形變的速率。
一組15張類似中學(xué)數(shù)學(xué)作業(yè)的折線圖，宛若“找不同”的游戲；在團(tuán)隊(duì)眼里，線揚(yáng)線抑，一個(gè)折角的度數(shù)變化，代表著北京平原區(qū)地面沉降和不同含水層地下水位變化的季節(jié)性趨勢(shì)。
“研究難點(diǎn)不是看圖，是按項(xiàng)目需求，找到看準(zhǔn)圖的算法?！标愝磔碚f(shuō)，也有“算錯(cuò)”的時(shí)候——
“當(dāng)時(shí)要研究北京某個(gè)區(qū)域地層高差變化，做法是選定一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)，以不同年份、不同位置的地層與這個(gè)點(diǎn)做對(duì)比，用差值表示自身沉降趨勢(shì)。不巧的是，我選了一個(gè)‘活潑’的基準(zhǔn)點(diǎn)。就當(dāng)年數(shù)據(jù)看，沒(méi)有問(wèn)題。但是后續(xù)幾年數(shù)據(jù)累計(jì)起來(lái)，我就發(fā)現(xiàn)這個(gè)年份的數(shù)據(jù)不對(duì)勁兒了?！?/p>
這個(gè)已經(jīng)被修正的錯(cuò)誤，也成了陳蓓蓓課堂上的一個(gè)案例。
最近幾年，團(tuán)隊(duì)不斷嘗鮮：對(duì)標(biāo)聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展2030目標(biāo)，依托地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置，自主研發(fā)“悟空云平臺(tái)”；從太行山到渤海，構(gòu)建地面沉降控制性剖面，研發(fā)區(qū)域水循環(huán)-地面沉降模擬器；聯(lián)合中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院、北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站等，共建京津冀及周邊地表形變動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)、地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)研究技術(shù)數(shù)據(jù)共享。
去年下半年，團(tuán)隊(duì)還參與了河北滄州平原區(qū)地下水與地面沉降國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站建設(shè)，這是全國(guó)第一個(gè)以地下水和地面沉降為監(jiān)測(cè)研究對(duì)象的國(guó)家野外站?！澳壳?，這項(xiàng)研究還處于數(shù)據(jù)積累階段?！标愝磔砜烊丝煺Z(yǔ)，她笑著說(shuō)，做科研不急于求“快”，“不同于行政單位，我們背靠高校做科研，更針對(duì)具體的科學(xué)問(wèn)題，挖掘數(shù)據(jù)背后的啟示、道理，同時(shí)讓科研成果更好的解決南水北調(diào)新水情背景下京津冀地面沉降實(shí)際問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研一體化，將研究成果更好地應(yīng)用到祖國(guó)大地上?！?/p>
2 為沉降地面“體檢”
天下柔者莫過(guò)于水，而能攻堅(jiān)者又莫?jiǎng)儆谒?。和隱藏在地下的水打交道，竅門(mén)是順勢(shì)而為。陳蓓蓓說(shuō)：“雖然每個(gè)項(xiàng)目看上去都是大數(shù)據(jù)的處理，但是沒(méi)有相對(duì)固定的公式可以套用?！?/p>
必須“一項(xiàng)目一方案”，找到影響沉降的主控因素。僅是常用的監(jiān)測(cè)技術(shù)，就各有所長(zhǎng)：GPS（全球定位系統(tǒng)）的優(yōu)點(diǎn)是有全球性、全天候、高精度、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了水準(zhǔn)測(cè)量的不足；缺點(diǎn)是垂直方向的測(cè)量精度相對(duì)于平面測(cè)量精度一般較差。InSAR技術(shù)成本低，連續(xù)性和遙感探測(cè)能力強(qiáng)，區(qū)域控制力強(qiáng)；但是對(duì)大氣誤差、遙感衛(wèi)星軌道誤差、地表狀況非常敏感。
為了測(cè)得更準(zhǔn)、看得更清，團(tuán)隊(duì)幾乎每年都會(huì)有新專利落地。以陳蓓蓓個(gè)人而言，2019年一年就獲得了兩項(xiàng)專利，分別是“自適應(yīng)多源InSAR監(jiān)測(cè)地面沉降時(shí)間序列數(shù)據(jù)拼接方法及系統(tǒng)”和“一種基于多源監(jiān)測(cè)技術(shù)融合的地面沉降集成監(jiān)測(cè)方法”。她說(shuō)：“要根據(jù)項(xiàng)目目標(biāo)選擇最合適的數(shù)據(jù)、算法、模型。同時(shí)對(duì)結(jié)果的可靠性和可解釋性，盡力做到最好，決不能簡(jiǎn)單粗暴地套用一遍以往的方式?！?/p>
每次針對(duì)不同區(qū)域的沉降監(jiān)測(cè)，都被陳蓓蓓比喻為“體檢”?！昂腿艘粯?，有時(shí)候身體里有一個(gè)小問(wèn)題，不會(huì)影響健康。但是，我們要?jiǎng)討B(tài)觀察它的變化?！彼M(jìn)一步解釋，這也是沉降監(jiān)測(cè)為何要因地而異，“同樣的沉降速度，放到一條高鐵線路上出現(xiàn)，就需要立刻采取措施，加密監(jiān)測(cè)頻率，防止危險(xiǎn)發(fā)生。而如果發(fā)生在一個(gè)很大的區(qū)域，留觀即可。”
即便是同一個(gè)研究對(duì)象，不同時(shí)間段的監(jiān)測(cè)也要區(qū)別對(duì)待。以團(tuán)隊(duì)對(duì)北京東部一個(gè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)為例，“前幾年出現(xiàn)明顯沉降，原因是大范圍開(kāi)采地下水。發(fā)現(xiàn)后，及時(shí)鋪設(shè)了市政管道，配合人口紓解，再加上南水北調(diào)工程實(shí)施，最近再測(cè)，這個(gè)區(qū)域的沉降勢(shì)頭已經(jīng)明顯放緩?！标愝磔碓掍h一轉(zhuǎn)，但是，隨著地下水位的回升，又可能帶來(lái)新的問(wèn)題，有些地區(qū)地層繼續(xù)下沉，有些地區(qū)有所回升，有些地層保持穩(wěn)定。多種模式的疊加，可能會(huì)帶來(lái)更復(fù)雜的區(qū)域不均勻形變問(wèn)題。因此不管是監(jiān)測(cè)手段，還是對(duì)演化機(jī)制、趨勢(shì)的研究，側(cè)重點(diǎn)一定有所變化。
陳蓓蓓比劃著解釋，可以把地面想象成一塊海綿，水流失了，相當(dāng)于海綿被擠干了，留下的土層就會(huì)被壓實(shí)，對(duì)應(yīng)發(fā)生沉降的現(xiàn)象。后續(xù)，水補(bǔ)回來(lái)，可不同地層吸水度不一樣，地面就會(huì)變得“高低有別”，如果差額較大，會(huì)帶來(lái)安全隱患。
“狡猾”的地下水還會(huì)給監(jiān)測(cè)設(shè)陷阱。比如地下水開(kāi)采帶來(lái)的沉降，會(huì)有滯后效應(yīng)。另外，地面沉降是一維垂向的，但地層內(nèi)應(yīng)力的變化和土層的變形卻是多維度的。陳蓓蓓解釋，所以監(jiān)測(cè)手段也要包含不同方向。這就意味著利用不同軌道的遙感衛(wèi)星，使用不同的算法，最終得到一個(gè)三維的數(shù)據(jù)。
時(shí)間因素，也要被區(qū)別對(duì)待?！皥F(tuán)隊(duì)以南水北調(diào)工程的實(shí)施作為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，評(píng)價(jià)該工程對(duì)區(qū)域地下水儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化的影響。”陳蓓蓓隨后的介紹，充滿了各種“聽(tīng)不懂”的詞，比如自適應(yīng)EEMD（集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解）算法、利用GRACE（散列連接算法）和GLDAS（全球陸地?cái)?shù)據(jù)通話系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)……“研究表明，南水北調(diào)工程實(shí)施后，地下水儲(chǔ)量季節(jié)性變化特征被增強(qiáng)，平均振幅由29.6毫米提高到37.6毫米，平均貢獻(xiàn)率由20%提高到28%；在實(shí)施調(diào)水工程后，地下水儲(chǔ)量長(zhǎng)期變化速率仍呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但下降速率降低；華北平原有超過(guò)90%的地區(qū)地下水儲(chǔ)量長(zhǎng)期消耗趨勢(shì)得到緩解?！?/p>
在研究的過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)需要時(shí)刻小心翼翼?！拔覀円獣r(shí)刻告訴自己，千萬(wàn)不要盲目下結(jié)論。”
采訪過(guò)程中，陳蓓蓓唯一一次主動(dòng)要求多說(shuō)兩句，也是為了解釋自己的研究領(lǐng)域——在世界范圍內(nèi)，地面沉降遍布50余個(gè)國(guó)家、150多個(gè)城市，在美國(guó)、日本和意大利等國(guó)家都出現(xiàn)了。北京所處的華北平原也是地面沉降地區(qū)。如果沉降嚴(yán)重，就會(huì)引起建筑物傾斜，濱海城市還會(huì)造成海水倒灌，給生產(chǎn)和生活帶來(lái)很大影響。
“更重要的是，地下水開(kāi)采引起的地面沉降是一個(gè)不可逆的過(guò)程，即使地下水位恢復(fù)到最初水平，地層也不會(huì)恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)?！彼V定地說(shuō)，“這就要求我們的監(jiān)測(cè)和研究必須精準(zhǔn)、有效，加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)交通干線的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。”
天道酬勤，團(tuán)隊(duì)一系列科研成果落地，成績(jī)亮眼——
3篇《科學(xué)引文索引》論文入選聯(lián)合國(guó)教科文組織（UNESCO）地面沉降推薦案例，研究成果入選《地球大數(shù)據(jù)支撐可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)報(bào)告2022》；
為北京、京津冀地面沉降防治規(guī)劃和國(guó)家綜合防災(zāi)減災(zāi)“十四五”規(guī)劃等重大規(guī)劃的落實(shí)，提供了重要科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐；
研究成果持續(xù)服務(wù)區(qū)域發(fā)展，應(yīng)用于京津冀多條軌道交通、北京城市副中心、大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)等重大工程。
3 探索“不確定性”
“我們都是在追求‘確定性’的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了‘不確定性’給自己帶來(lái)的挑戰(zhàn)?！睆氖碌貙W(xué)研究十余年，陳蓓蓓在日積月累中感悟著這門(mén)學(xué)科的浪漫，“我最深的體會(huì)就是，地學(xué)與哲學(xué)有著互通之處?！?/p>
科研之外，她更看重的身份是老師?！拔医?jīng)常跟學(xué)生們講：不同的分辨率，會(huì)有不同的影響。說(shuō)多了，學(xué)生會(huì)分不清哪些東西是確定性的。其實(shí)，我自己也經(jīng)常有這樣的疑惑?！标愝磔硇χf(shuō)，但是搞科研不就是這樣嗎，“我們的研究更是如此，遙感監(jiān)測(cè)出來(lái)的結(jié)果一定是確定性的，我們是在追尋結(jié)果的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)不斷變化的因素，不斷改進(jìn)、突破技術(shù)，力求去解決一個(gè)個(gè)‘不確定性’。”
這種“耐磨”的好性格，在陳蓓蓓看來(lái)，其實(shí)深受導(dǎo)師宮輝力的影響?！白鲅芯繒r(shí)，宮老師會(huì)給我劃定一個(gè)大的框架，但不會(huì)告訴我具體該怎么做?！彼f(shuō)，自己感到成長(zhǎng)最多的研究項(xiàng)目，還是研究生階段，參與導(dǎo)師的國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目——“北京地區(qū)地面沉降三維形變及演化機(jī)理研究”。
這是陳蓓蓓在學(xué)生階段全程參與的最重要的項(xiàng)目?！捌鋵?shí)最開(kāi)始?jí)毫€挺大的?！彼毖裕@么大的題目拿在手里，從哪開(kāi)始入手、用什么樣的研究方法、如何突破現(xiàn)有技術(shù)難點(diǎn)……研究的過(guò)程就像拼圖，所有問(wèn)題都等著她一塊塊親手拼上去?！皩m老師給了我很大鼓勵(lì)。每到一個(gè)研究階段，我有了新的想法去向他請(qǐng)教，他都會(huì)耐著性子為我解答，鼓勵(lì)我大膽地去探索，用準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)去解決‘不確定性’?！?/p>
正是這個(gè)項(xiàng)目，為陳蓓蓓日后的研究成果奠定了基礎(chǔ)，也讓她迅速成長(zhǎng)?！皬囊粋€(gè)懵懂的、不會(huì)獨(dú)立從事科研項(xiàng)目的學(xué)生，慢慢學(xué)會(huì)了怎樣申請(qǐng)科研項(xiàng)目、怎樣設(shè)置問(wèn)題，最重要的是理解了科學(xué)研究是怎樣的過(guò)程?！彼Φ溃芯窟^(guò)程中，加深了自己對(duì)北京地區(qū)地面沉降問(wèn)題的理解。地學(xué)研究的魅力，讓她決定留在高校，“我感到特別幸運(yùn)，能夠踩在巨人的肩膀上，做自己感興趣的事?！?/p>
如今，陳蓓蓓也有了自己的研究團(tuán)隊(duì)，培養(yǎng)了7名博士生、16名碩士生?！拔揖褪且粋€(gè)普普通通的科研工作者、一個(gè)教書(shū)的老師?，F(xiàn)在工作最大的動(dòng)力，就是希望我的學(xué)生們能夠在科研和學(xué)習(xí)過(guò)程中不斷成長(zhǎng)，有所收獲。”樸實(shí)的話語(yǔ)中，透著她對(duì)學(xué)生的期待，“我常常跟學(xué)生們講：不要覺(jué)得自己做的事有多么‘高大上’，也不要想‘混個(gè)畢業(yè)’就得了。我希望他們把團(tuán)隊(duì)的研究真正看作一份工作，在工作中鍛煉自己各方面的能力，找到真正感興趣、適合自己的方向。”
帶著學(xué)生做科研，陳蓓蓓也繼承了導(dǎo)師的“傳統(tǒng)”?！拔視?huì)放手，讓學(xué)生參與研究的每一個(gè)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)他們?cè)谝淮未翁剿鞯倪^(guò)程中，不斷縮小研究方向，獲得正向的反饋，直到找到某個(gè)‘確定性’。”她說(shuō)，這樣學(xué)生才能找到自己擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，“只有把研究做好、表達(dá)好，掌握了知識(shí)遷移的能力，學(xué)生才會(huì)有自信，以后不論到了什么工作崗位，面對(duì)新的問(wèn)題，都有解決問(wèn)題的能力。我覺(jué)得這點(diǎn)很重要?！?/p>
腳踏實(shí)地，鉆研更精、更準(zhǔn)，是陳蓓蓓和團(tuán)隊(duì)的研究準(zhǔn)則。今年，團(tuán)隊(duì)將研究領(lǐng)域的“視野”進(jìn)一步拓寬——在進(jìn)一步研究北京、京津冀地區(qū)地面沉降防治問(wèn)題的基礎(chǔ)上，他們將目光投向華北平原的不同區(qū)域。陳蓓蓓解釋：“比如河北省有一些農(nóng)業(yè)開(kāi)采地下水、開(kāi)采地?zé)岬膯?wèn)題，影響到了地面沉降；還有黃河三角洲地區(qū)存在的開(kāi)采石油、天然氣等問(wèn)題，包括海平面上升和地面沉降的疊加作用對(duì)沿海環(huán)境的影響，我們會(huì)開(kāi)展從水循環(huán)到地面沉降的系統(tǒng)研究?！?/p>
面對(duì)未知的領(lǐng)域，不少問(wèn)題需要從零開(kāi)始學(xué)習(xí)、研究，難不難？陳蓓蓓給出的答案簡(jiǎn)潔明了，又充滿“地學(xué)浪漫”：“做研究、帶學(xué)生，都不可能‘原地不動(dòng)’，條條大路通羅馬。”
“星”解讀
市教委科研處 手握衛(wèi)星數(shù)據(jù)，腳步丈量大地。在北京高校卓越青年科學(xué)家計(jì)劃項(xiàng)目中，首都師范大學(xué)陳蓓蓓團(tuán)隊(duì)是唯一深耕地學(xué)領(lǐng)域研究的。
該團(tuán)隊(duì)針對(duì)京津冀新水情、新背景下，區(qū)域地面沉降系統(tǒng)演化的新機(jī)制、新規(guī)律，首次采用云計(jì)算、聯(lián)合實(shí)體云和公共云，研建基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的地面沉降模擬器，揭示氣候變化背景下地面沉降演化新模式及成因機(jī)理。研究成果為聯(lián)合國(guó)教科文組織水文計(jì)劃提供技術(shù)支撐，為國(guó)家綜合防災(zāi)減災(zāi)“十四五”規(guī)劃等重大規(guī)劃的編制提供了科學(xué)依據(jù)。
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