北魏時期，地理學家酈道元步測江河，用30余萬字記錄了1252條大小河流的故事。
(資料圖片)
1400多年后的今天，首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院教授陳蓓蓓帶領團隊，通過優(yōu)化集成衛(wèi)星（GRACE）、合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）、人工智能（Geo-AI）等技術方法，結合遙感大數據和野外觀測站實測數據集，找尋太行山到渤海水循環(huán)的秘密，開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題”。
說得通俗點，這群地學人力求通過不同精度的遙感照片、數十年積累的實測數據，搞清楚京津冀平原地下水儲量的變化和地表形變長時間變化的信息，未來還可以像天氣預報一樣開展地面沉降趨勢預測。
聽上去有趣且重要的研究，卻鮮少被報道。陳蓓蓓笑著分析原因：我們參與的項目，動輒以三四年為周期，是一個慢功夫，更算不上勁爆；研究的內容和方法，聽上去和普通人的生活有距離感，需要解釋和翻譯；還有一個理由，我們大多比較內向，俗稱“社恐”，我們覺得首要目標是把活兒干好，實在沒什么好報道的……
看圖算數，觀水辨土，聽歲月“訴說”地下的秘密——只有走近這群自謙“沒有創(chuàng)造性發(fā)現”的團隊才能發(fā)現，他們獨具浪漫。
1 看圖“找不同”
陳蓓蓓長相文氣，與大多數人印象里的“勘探”“地質”完全不搭邊，她的自我介紹也多從科普引入：“我本科讀的是測繪工程，專業(yè)課有很多門，我最感興趣的是遙感科學與技術，理由是‘顏值高’——這么多好看的圖，還藏著地球‘內部’的故事。”
一眼傾心，簡單而堅定。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研究因地下水開采而引起的地表高程下降（地面沉降）。16年來，項目一個接著一個：持續(xù)更新京津冀平原地下水儲量變化和區(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”，參與京津冀重點高速鐵路、北京城市副中心等重大工程地面沉降專項勘查……但研究的焦點幾乎從未改變。
“這是我們工作的特點之一，基于長時間序列?！标愝磔碛脠F隊正在搭建的京津冀平原地面沉降模擬器舉例，“這是靠大數據驅動的，所以數據量非常大。北京的地面沉降測量數據記錄最早可以追溯到1955年。前期的數據會少一點，但隨著科技的進步，數據的量、精度都在大幅提升。簡單地說，我們要做的是整合讀懂這些數，找到地面沉降的趨勢?！?/p>
陳蓓蓓頭疼“講故事”，但是談到具體研究過程時，她的語速不自覺地變快了，“遙感技術離我們很近——人造衛(wèi)星給地球拍照，通過電磁波的輻射、反射特征，我們能看穿地面，了解地下的情況。它的優(yōu)勢在于大區(qū)域快速實時，而且不同的分辨率可以滿足不同的項目需求?！?/p>
真正看圖，卻需要足夠強大的專業(yè)背景。
外行眼里，一片不同深度的藍色中，白色點綴，紅色和淺黃色交織成色塊，是一幅色彩豐富的“畫”；到了團隊眼里，圖上每一處顏色的“漸變”，都書寫著京津冀平原地表形變的速率。
一組15張類似中學數學作業(yè)的折線圖，宛若“找不同”的游戲；在團隊眼里，線揚線抑，一個折角的度數變化，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。
“研究難點不是看圖，是按項目需求，找到看準圖的算法?！标愝磔碚f，也有“算錯”的時候——
“當時要研究北京某個區(qū)域地層高差變化，做法是選定一個相對穩(wěn)定的基準點，以不同年份、不同位置的地層與這個點做對比，用差值表示自身沉降趨勢。不巧的是，我選了一個‘活潑’的基準點。就當年數據看，沒有問題。但是后續(xù)幾年數據累計起來，我就發(fā)現這個年份的數據不對勁兒了?！?/p>
這個已經被修正的錯誤，也成了陳蓓蓓課堂上的一個案例。
最近幾年，團隊不斷嘗鮮：對標聯合國可持續(xù)發(fā)展2030目標，依托地球系統(tǒng)數值模擬裝置，自主研發(fā)“悟空云平臺”；從太行山到渤海，構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；聯合中國地質環(huán)境監(jiān)測院、北京市地質環(huán)境監(jiān)測總站等，共建京津冀及周邊地表形變動態(tài)監(jiān)測網、地下水監(jiān)測網，實現研究技術數據共享。
去年下半年，團隊還參與了河北滄州平原區(qū)地下水與地面沉降國家野外科學觀測研究站建設，這是全國第一個以地下水和地面沉降為監(jiān)測研究對象的國家野外站?！澳壳埃@項研究還處于數據積累階段?！标愝磔砜烊丝煺Z，她笑著說，做科研不急于求“快”，“不同于行政單位，我們背靠高校做科研，更針對具體的科學問題，挖掘數據背后的啟示、道理，同時讓科研成果更好的解決南水北調新水情背景下京津冀地面沉降實際問題，實現產學研一體化，將研究成果更好地應用到祖國大地上?！?/p>
2 為沉降地面“體檢”
天下柔者莫過于水，而能攻堅者又莫勝于水。和隱藏在地下的水打交道，竅門是順勢而為。陳蓓蓓說：“雖然每個項目看上去都是大數據的處理，但是沒有相對固定的公式可以套用?！?/p>
必須“一項目一方案”，找到影響沉降的主控因素。僅是常用的監(jiān)測技術，就各有所長：GPS（全球定位系統(tǒng)）的優(yōu)點是有全球性、全天候、高精度、實時性等特點，彌補了水準測量的不足；缺點是垂直方向的測量精度相對于平面測量精度一般較差。InSAR技術成本低，連續(xù)性和遙感探測能力強，區(qū)域控制力強；但是對大氣誤差、遙感衛(wèi)星軌道誤差、地表狀況非常敏感。
為了測得更準、看得更清，團隊幾乎每年都會有新專利落地。以陳蓓蓓個人而言，2019年一年就獲得了兩項專利，分別是“自適應多源InSAR監(jiān)測地面沉降時間序列數據拼接方法及系統(tǒng)”和“一種基于多源監(jiān)測技術融合的地面沉降集成監(jiān)測方法”。她說：“要根據項目目標選擇最合適的數據、算法、模型。同時對結果的可靠性和可解釋性，盡力做到最好，決不能簡單粗暴地套用一遍以往的方式?！?/p>
每次針對不同區(qū)域的沉降監(jiān)測，都被陳蓓蓓比喻為“體檢”?！昂腿艘粯?，有時候身體里有一個小問題，不會影響健康。但是，我們要動態(tài)觀察它的變化?！彼M一步解釋，這也是沉降監(jiān)測為何要因地而異，“同樣的沉降速度，放到一條高鐵線路上出現，就需要立刻采取措施，加密監(jiān)測頻率，防止危險發(fā)生。而如果發(fā)生在一個很大的區(qū)域，留觀即可?！?/p>
即便是同一個研究對象，不同時間段的監(jiān)測也要區(qū)別對待。以團隊對北京東部一個區(qū)域的監(jiān)測為例，“前幾年出現明顯沉降，原因是大范圍開采地下水。發(fā)現后，及時鋪設了市政管道，配合人口紓解，再加上南水北調工程實施，最近再測，這個區(qū)域的沉降勢頭已經明顯放緩?！标愝磔碓掍h一轉，但是，隨著地下水位的回升，又可能帶來新的問題，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，可能會帶來更復雜的區(qū)域不均勻形變問題。因此不管是監(jiān)測手段，還是對演化機制、趨勢的研究，側重點一定有所變化。
陳蓓蓓比劃著解釋，可以把地面想象成一塊海綿，水流失了，相當于海綿被擠干了，留下的土層就會被壓實，對應發(fā)生沉降的現象。后續(xù)，水補回來，可不同地層吸水度不一樣，地面就會變得“高低有別”，如果差額較大，會帶來安全隱患。
“狡猾”的地下水還會給監(jiān)測設陷阱。比如地下水開采帶來的沉降，會有滯后效應。另外，地面沉降是一維垂向的，但地層內應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，最終得到一個三維的數據。
時間因素，也要被區(qū)別對待?！皥F隊以南水北調工程的實施作為時間節(jié)點，評價該工程對區(qū)域地下水儲量動態(tài)變化的影響。”陳蓓蓓隨后的介紹，充滿了各種“聽不懂”的詞，比如自適應EEMD（集合經驗模態(tài)分解）算法、利用GRACE（散列連接算法）和GLDAS（全球陸地數據通話系統(tǒng)）的數據……“研究表明，南水北調工程實施后，地下水儲量季節(jié)性變化特征被增強，平均振幅由29.6毫米提高到37.6毫米，平均貢獻率由20%提高到28%；在實施調水工程后，地下水儲量長期變化速率仍呈現下降趨勢，但下降速率降低；華北平原有超過90%的地區(qū)地下水儲量長期消耗趨勢得到緩解?！?/p>
在研究的過程中，團隊需要時刻小心翼翼。“我們要時刻告訴自己，千萬不要盲目下結論?！?/p>
采訪過程中，陳蓓蓓唯一一次主動要求多說兩句，也是為了解釋自己的研究領域——在世界范圍內，地面沉降遍布50余個國家、150多個城市，在美國、日本和意大利等國家都出現了。北京所處的華北平原也是地面沉降地區(qū)。如果沉降嚴重，就會引起建筑物傾斜，濱海城市還會造成海水倒灌，給生產和生活帶來很大影響。
“更重要的是，地下水開采引起的地面沉降是一個不可逆的過程，即使地下水位恢復到最初水平，地層也不會恢復到原來狀態(tài)?！彼V定地說，“這就要求我們的監(jiān)測和研究必須精準、有效，加強對重點區(qū)域、重點交通干線的監(jiān)測和預警。”
天道酬勤，團隊一系列科研成果落地，成績亮眼——
3篇《科學引文索引》論文入選聯合國教科文組織（UNESCO）地面沉降推薦案例，研究成果入選《地球大數據支撐可持續(xù)發(fā)展目標報告2022》；
為北京、京津冀地面沉降防治規(guī)劃和國家綜合防災減災“十四五”規(guī)劃等重大規(guī)劃的落實，提供了重要科學依據和技術支撐；
研究成果持續(xù)服務區(qū)域發(fā)展，應用于京津冀多條軌道交通、北京城市副中心、大興國際機場等重大工程。
3 探索“不確定性”
“我們都是在追求‘確定性’的過程中，發(fā)現了‘不確定性’給自己帶來的挑戰(zhàn)。”從事地學研究十余年，陳蓓蓓在日積月累中感悟著這門學科的浪漫，“我最深的體會就是，地學與哲學有著互通之處。”
科研之外，她更看重的身份是老師。“我經常跟學生們講：不同的分辨率，會有不同的影響。說多了，學生會分不清哪些東西是確定性的。其實，我自己也經常有這樣的疑惑?！标愝磔硇χf，但是搞科研不就是這樣嗎，“我們的研究更是如此，遙感監(jiān)測出來的結果一定是確定性的，我們是在追尋結果的過程中，發(fā)現不斷變化的因素，不斷改進、突破技術，力求去解決一個個‘不確定性’?！?/p>
這種“耐磨”的好性格，在陳蓓蓓看來，其實深受導師宮輝力的影響?！白鲅芯繒r，宮老師會給我劃定一個大的框架，但不會告訴我具體該怎么做。”她說，自己感到成長最多的研究項目，還是研究生階段，參與導師的國家自然基金重點項目——“北京地區(qū)地面沉降三維形變及演化機理研究”。
這是陳蓓蓓在學生階段全程參與的最重要的項目。“其實最開始壓力還挺大的?！彼毖?，這么大的題目拿在手里，從哪開始入手、用什么樣的研究方法、如何突破現有技術難點……研究的過程就像拼圖，所有問題都等著她一塊塊親手拼上去?！皩m老師給了我很大鼓勵。每到一個研究階段，我有了新的想法去向他請教，他都會耐著性子為我解答，鼓勵我大膽地去探索，用準確的數據去解決‘不確定性’?！?/p>
正是這個項目，為陳蓓蓓日后的研究成果奠定了基礎，也讓她迅速成長?！皬囊粋€懵懂的、不會獨立從事科研項目的學生，慢慢學會了怎樣申請科研項目、怎樣設置問題，最重要的是理解了科學研究是怎樣的過程。”她笑道，研究過程中，加深了自己對北京地區(qū)地面沉降問題的理解。地學研究的魅力，讓她決定留在高校，“我感到特別幸運，能夠踩在巨人的肩膀上，做自己感興趣的事。”
如今，陳蓓蓓也有了自己的研究團隊，培養(yǎng)了7名博士生、16名碩士生?！拔揖褪且粋€普普通通的科研工作者、一個教書的老師。現在工作最大的動力，就是希望我的學生們能夠在科研和學習過程中不斷成長，有所收獲?！睒銓嵉脑捳Z中，透著她對學生的期待，“我常常跟學生們講：不要覺得自己做的事有多么‘高大上’，也不要想‘混個畢業(yè)’就得了。我希望他們把團隊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。”
帶著學生做科研，陳蓓蓓也繼承了導師的“傳統(tǒng)”?！拔視攀郑寣W生參與研究的每一個環(huán)節(jié)，引導他們在一次次探索的過程中，不斷縮小研究方向，獲得正向的反饋，直到找到某個‘確定性’?！彼f，這樣學生才能找到自己擅長的領域，“只有把研究做好、表達好，掌握了知識遷移的能力，學生才會有自信，以后不論到了什么工作崗位，面對新的問題，都有解決問題的能力。我覺得這點很重要?！?/p>
腳踏實地，鉆研更精、更準，是陳蓓蓓和團隊的研究準則。今年，團隊將研究領域的“視野”進一步拓寬——在進一步研究北京、京津冀地區(qū)地面沉降防治問題的基礎上，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業(yè)開采地下水、開采地熱的問題，影響到了地面沉降；還有黃河三角洲地區(qū)存在的開采石油、天然氣等問題，包括海平面上升和地面沉降的疊加作用對沿海環(huán)境的影響，我們會開展從水循環(huán)到地面沉降的系統(tǒng)研究。”
面對未知的領域，不少問題需要從零開始學習、研究，難不難？陳蓓蓓給出的答案簡潔明了，又充滿“地學浪漫”：“做研究、帶學生，都不可能‘原地不動’，條條大路通羅馬?！?/p>
“星”解讀
市教委科研處 手握衛(wèi)星數據，腳步丈量大地。在北京高校卓越青年科學家計劃項目中，首都師范大學陳蓓蓓團隊是唯一深耕地學領域研究的。
該團隊針對京津冀新水情、新背景下，區(qū)域地面沉降系統(tǒng)演化的新機制、新規(guī)律，首次采用云計算、聯合實體云和公共云，研建基于大數據驅動的地面沉降模擬器，揭示氣候變化背景下地面沉降演化新模式及成因機理。研究成果為聯合國教科文組織水文計劃提供技術支撐，為國家綜合防災減災“十四五”規(guī)劃等重大規(guī)劃的編制提供了科學依據。
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