三、北京地区现有基础、特色和优势 地球内部结构，特别是速度结构存在显著的非均匀性、非线性和各向异性。面对北京地区复杂、隐蔽的地下物质结构，地球科学家必须尽可能利用所获取的数据，勾画地球结构。北京及周边地区是我国政治、经济、文化和科技发展的核心地区。多数地震专家认为华北地震区已进入公元1000年以来的第四活期的后期阶段。在第四活跃期的后期阶段，华北地震区还有没有7级以上大地震发生？这个问题一直是地震预报工作者争论的难题，而在经济发达、人口稠密的地区又成为一个敏感的问题。 1998原美国副总统戈尔提出“数字地球 (Digital Earth) ”的概念，数字地球也就是信息化地球，它是个地球信息模型，它是利用全球海量空间数据，对地球所做的，包括任何一点资源、环境、经济和社会等在内的多分辨率和三维数字化的描述。它是数字化的、又是网络化的、智能化的和可视化的。1998年6月10日江泽民主席在接见两院院士时特别提到了这个概念，并提出中国发展“数字地球”的思路，讲话指明了发展信息产业，加快建设国家空间数据基础设施，早日实现中国的“数字地球”是我国走向21世纪知识经济的发展方向。1999年，刘淇市长在北京召开的“数字地球国际会议”上，正式提出北京市将要启动数字北京工程“数字北京工程”将为北京实现可持续发展提供重要的信息技术支撑。1999年12月，中共北京市委八届四次会议上，“数字北京”工程项目列为首项重大工程。“数字北京”工程，即首都信息化，也就是建设服务于人口、资源、环境、经济社会的可持续发展的信息基础设施和信息系统，其本质是建设空间数据基础设施，并在此基础上深度开发和整合应用各种信息资源。申奥成功，给北京带来空前的发展契机，市政府在5年对北京城市基础设施建设和公共绿化投入1800亿元人民币；其中300亿用于信息化建设。 改革开放以来，地球物理的资料采集遍及全国，以其高密度的观测、大信息量的数据系统和全球整体性的科学方法，使固体地球内部结构研究受到普遍的关注，北京及周边地区尤其受到地球科学工作者的重视。目前，北京及周边地区已有的大量积累的地球物理数据，使人们得到不少新认识、新概念和新理论，更提出了一系列新问题。在固体地球内部结构方面，需要不断深化和创新，在堆积如山的资料和海量的数据中寻求发现和突破机会，对资料和数据的分析合成及其可视化研究工作还不够。揭示北京及周边地区地球内部结构，所需要大量的、直接的、量化的并有足够精度的数据资料尚不够，同时需要对海量的数据加工并通过可视化技术演示。 2006年中国地震局开始实施的“地下明灯研究计划”，将获得北京及周边地区地球内部不同深度情况下不同尺度的图像、这些图像是新型的地球内部“三维地图”。它将完善和改变我们对大陆动力学、岩石圈结构和状态的认识。此外，以往的地震科学研究者在这个区域的研究工作也提供了丰富的理论知识与数据资料累积。这为我们在北京及周边地区北京及周边地区开展固体地球可视化的三维结构，建立在大规模（或超大规模）数值模拟和可视化基础之上的数值地震（余震）预报，并进行地震危险性分析，成为了一个可能的科学研究发展方向。 4
四、总体目标、考核指标（具有明确的可考核性）、主要研究开发内容（包括 要解决的主要问题、解决方案、技术关键、创新点） 总体目标：北京及周边地区是我国政治中心、文化中心、以及未来的国际金融中心，是影响世界经济发展的最重要地区之一。固体地球结构可视化并应用于地震危险性分析，尽可能勾画复杂、隐蔽的地下物质结构，揭示北京地区固体地球结构特征与演变规律，为工程抗震的设计规范和防灾减灾工作提供科学依据，推动北京及周边地区加快实现地震科学研究由监测和评估向模型预报和决策支持系统的变革。 考核指标：（1）编制北京及周边地区地质构造特征图、地震危险性分析图、地表地球物理场分布图、地壳结构和地球动力学研究图。 （2）编制地表地形、地貌三维可视化图、地下固体地球三维结构图。 （3）开发GIS平台下的北京及周边地区地表三维信息系统。 （4）提交北京及周边地区固体地球结构的三维可视化成果。 主要内容：利用北京及周边地区不同类型属性和精度的地球结构资料，结合北京及周边地区地质构造特点研究适用的数据合成和图像处理技术，借助可视化技术，建立北京及周边地区固体地球可视化的三维结构，并进行地震危险性分析，从而为工程抗震的设计规范和防灾减灾的理论与实践提供新的方法和科学依据。全面了解认识北京及周边地区固体地球三维结构，为经济建设和可持续发展服务。要解决的主要问题、技术关键及创新点： 1、各种数据量急剧增长，如何进行各种格式数据的集中管理和开发应用，成为信息技术的突出问题。我们将对数据采用网格化预处理，设置标准数据格式管理各类空间上离散的数据，并通过坐标变换、消除噪声、平滑、插值等处理方法精练和选择原始数据。这既是一项基础性工作，也是具有挑战性的创新点。 2、在数据和应用之间建立一条快捷通道，是数据使用中急需解决的难题。我们将通过建立各种原始数据的接口模块解决这一技术难题。将输入输出函数库单独编译成动态链接库，供各种数据后处理软件动态调用，实现以最小的代价、最快的速度获取最丰富的信息。 3、交互干预和引导是实现科学计算可视化的主要问题。我们将借助已有的图形软件实现系统内部与外部环境之间的数据、图形输入和输出的实时操作，以交互处理方式演示和输出常用投影坐标下各种比例尺的等值线、等值线填充、晕渲图和光照图，并以旋转和电影方式实现三维速度结构图像的连续演示和变换。可视化的信息是本项目的技术关键。 5
五、技术经济效益分析、推广应用前景分析、项目实施的风险分析（含市场风险、技术风险、政策风险、管理风险等） 技术经济效益分析、推广应用前景分析： 1、 北京及周边地区固体地球三维结构可视化是建设“数字北京”的重要内容。“数字北京”工程，即首都信息化，也就是建设服务于人口、资源、环境、经济社会的可持续发展的信息基础设施和信息系统，其本质是建设空间数据基础设施，并在此基础上深度开发和整合应用各种信息资源。在固体地球内部结构方面，需要不断深化和创新，在堆积如山的资料和海量的数据中寻求发现和突破机会，对资料和数据进行分析合成及其可视化。 2、 做好北京及周边地区防灾减灾护工作是提高北京经济、社会可持续发展能力，保障奥运会顺利进行、实现北京稳定可持续发展的工作重点。北京及周边地区是我国政治、经济、文化和科技发展的核心地区。多数地震专家认为华北地震区已进入公元1000年以来的第四活期的后期阶段。在第四活跃期的后期阶段，华北地震区还有没有7级以上大地震发生？这个问题一直是地震预报工作者争论的难题，而在经济发达、人口稠密的地区又成为一个敏感的问题。 3、 利用现代信息技术和手段、以大规模数值模拟、可视化及三维GIS为平台的数字化空间数据库和计算机成图，已成为当今地球系统科学主流工作模式。通过计算机数值模拟实验，建立固体地球三维可视化结构，分析该北京及周边地区近断层地表运动质点加速度的空间变化特征和规律，通过比较峰值加速度空间分布特征与地震动衰减关系，估算分析概率地震危险性，从而为工程抗震的设计规范和防灾减灾的理论与实践提供新的方法和依据。 综上，本项目的实施具有良好的技术经济效益，其推广应用尤其是基于数值模拟及三维GIS平台的北京及周边地区地表三维信息系统及固体地球结构的可视化成果，将在城市地球物理与地震风险研究中开拓一个全新的研究领域。 项目实施的风险分析： 在数据处理方面，我们将用系统误差补偿法对系统因素造成的条带状假异常进行纠偏，并用DSI方法模拟地质体对噪声数据进行编辑，在数据网格化中注意网格参数（网格边界、网格间距等）的设置、数据搜索方向及范围的选择等技术问题。利用专业可视化软件，实现地下结构可视化图像的有效管理。在实施过程中，市场风险、技术风险、政策风险、管理风险等都很小。 6
六、项目的课题分解初步方案（每个课题限200字，按课题数目调整篇幅） 货币单位：210万元 序号 1 课题名称 题目：地表三维结构的GIS应用 单位：中国科学院研究生院 2008年 25 市科技经费 2009年 2010年 0 0 合计 25 目标与内容简介 序号 2 借助于先进的GIS软件的三维可视化分析模块和AutoCAD建模工具，结合北京及周边地区最新的航片（卫片）数据、地形图、土地利用现状图资料及有关地表信息，来构造区域的三维仿真空间环境，开发出基于GIS平台下的北京及周边地区地表三维信息系统。 课题名称 题目：地下三维结构可视化与模型分析 单位：中国科学院研究生院 90 市科技经费 2008年 2009年 0 2010年 0 合计 90 （1） 建立原始多数据接口和系统内部多数据标准结构，提取所有的数据种类，以地震波速资料为重点，目标与内容简介 序号 3 进行数据分布范围和质量的统计分析，合成北京及周边地区固体地球结构三维数据；利用数据库技术实现海量数据的管理和利用，通过数据与成图系统的数据接口，将经过合成处理的原始数据转换为可供绘制的几何图素和属性，实现数据库管理及可视化映射。 （2） 通过计算机数值模拟实验，分析近断层地表运动质点加速度的空间变化特征和规律，通过比较峰值加速度空间分布特征与地震动衰减关系，估算分析概率地震危险性，从而为工程抗震的设计规范和防灾减灾的理论与实践提供新的方法和依据。 课题名称 题目：地震层析成像与地震危险性分析 单位：中国地震应急搜救中心 市科技经费 2008年 2009年 2010年 70 0 0 合计 70 目标与内容简介 序号 4 建立北京及周边地区3-D地壳模型。收集北京及周边地区钻孔、重磁勘探、人工地震勘探、水文地质、工程地震、断层、层析成像等资料，以及使用地脉动反演技术和地震波形反演技术，建立首都圈地区的沉积层、基岩密度、速度和衰减的3-D地壳模型。 在首都圈地区的沉积层、基岩密度、速度和衰减的3-D地壳模型基础上，结合第四纪地震地质调查，开展北京及周边地地震危险性分析，为北京工程防灾减灾服务。 课题名称 题目：华北与台湾地震危险性对比 单位：北京海峡两岸民间交流会 市科技经费 2008年 2009年 2010年 25 0 0 合计 25 目标与内容简介 通过民间交流，邀请两岸专家学者，开展华北与台湾地震危险性对比分析，探讨北京及周边地区大地震的潜在危险，为领导提供科学的决策依据。 7
七、项目年度目标和年度实施计划 年 度 分年度目标和实施内容 2008年1月起——2010年12月止：项目共计三年时间 二零零八年 其中：2008年01月——2008年12月：野外实地调研，观测，收集、整理资料。研究各种资料的分布特征、数据格式及观测精度。 二零零九年 2009年01月——2009年12月：计算、分析。对各种观测数据进行处理，开展结合北京及周边地区的地质构造特征、数据来源特点的网格插值方法研究，进行并行数值模拟，构建并行有限元计算模拟程序平台。 二零 一零 年 2010年01月——2010年12月：整理成果，建立北京及周边地区固体地球三维可视化系统，进行北京及周边地区地震危险性分析，提交成果报告。撰写学术论文。 8