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城市化进程与地球物理学研究
【内容提要】城市是现代社会政治、经济和生活的重心，随着世界经济一体化的进一步加剧，国内外城市化的进程迅速发展。我国在面临WTO挑战的同时，必将面对我国城市机体迅速扩大所产生的各类与地学研究有关的问题。城市地球物理学在这样的背景下应运而生。主要论述城市地球物理学这一新兴学科的发生与发展、城市地球物理学重要的社会价值、关键的科学问题、主要的研究方法、当前的研究内容以及与城市地球物理学发展有关的问题，希望得到社会各界和有关部门的关注。1 国内外城市化进程发展状况
当前，城市的快速发展已成为全球的共同趋势。联合国的统计资料[1]表明，人口城市化的趋势在不断地加速发展。图1表示了这种发展趋势。从图1可以看出，1950年的世界人口约为25亿，其中仅有30%的人口生活在城市。到20世纪末，城市人口大幅度增加，已经达到世界人口的50%。根据图1所示数据，预计到2025年，城市人口将占据世界人口的60%。城市数量和城市人口的迅速增长对人居环境提出了严峻的挑战。表1给出了世界上人口在100万以上的城市数量的增长[1]。从1950-1995年期间，全世界拥有百万人口以上的城市数目由83个增加到325个，说明95年城市数量是50年的3.9倍，这种趋势在第三世界国家尤为明显，同一时期城市的数目增加了6.3倍。
表1 1950-1995年间人口在百万以上的城市数目
Table 1 City numbers of population beyond one million between 1950 to 1995
年代 1950 1995 1995:1950
第三世界城市数 34 213 6.3
发达国家城市数 49 112 2.3
全世界城市数 83 325 3.9
我国的城市化进程与世界同步，近年来呈现出高速发展的趋势。图2给出了我国城市数量增加的数据[2]。
2 城市化促进自然科学新领域的产生与发展
我们首先以传统的地理学为例。近几十年来，尤其是第二次世界大战以后城市地理研究发展迅速，内容和影响都超过了传统地理学，成为人文地理学的一门重要分支学科。对城市进行地理学研究始于19世纪。第二次世界大战以后，许多国家的城市需要重建，世界范围内的城市化进程加速，这些都要求对城市进行全面的研究和规划，促使大批地理学家投入城市研究或城市规划工作。新兴的城市地理学的核心问题是研究区域的空间组织与城市内部的空间组织两种地域系统的关系。围绕这两种地域系统，具体的研究内容有：城市化研究、城市分类研究、城市体系研究、城市群和大城市集群区研究、城市综合地理研究等。城市地理学在城市化进程中逐渐形成了独特的研究方法：早期数量方法、系统分析方法、城市信息系统方法、空间抽样调查方法等。此外，地图是地理研究的传统工具。航空像片和卫星像片在城市地理研究中表现出重要作用，是研究城市时空变化关系的基础数据。
附图
图1 全世界城市化城市人口百分比[1]
Fig.1 Percentage of urban population among the total population in world cities
附图
图2 中国城市数目随时间的变化[2]
Fig.2 Number of cities in China
以典型的工程科学——建筑学为例，随着城市化现象的迅速推进，建筑学向广度和深度发展。孤立地、狭隘地研究建筑现象已经说明不了问题，满足不了需要。客观实际已经按照系统工程的规律伸展了它固有的领域。城市及其区域已经逐步形成了一个开放的复杂的巨系统。城市化对建筑科学的影响，使得系统的思想进入到传统的建筑科学，进一步突出了新的建筑科学的关系——人与环境的关系[3]。钱学森考虑到中国传统的文化艺术和自然特色等种种因素，形象地提出了山水城市的理念，这一思想对建筑科学的发展，具有深远的意义。
以地球物理学为例，城市化问题使得传统地球物理学的研究方法、研究对象和研究内容面临新的机遇和挑战。20世纪初，地震波证实了地球铁核的存在，证明了2900km深度存在地核与地幔的边界。30年代，地球物理方法发现了地球内核的存在，在此基础上，科学家提出了地球内部分层模型。20世纪中期，各种地球物理勘探方法初步形成。40～50年代，地球物理学的主要研究对象是勘探固体矿产资源，60～70年代在此基础上增加了石油和天然气，80～90年代又增加了水资源。随着工业化进程的加快，环境问题也日益成为地球物理学的研究对象。总而言之，20世纪地球物理学的研究对象是以自然资源为主。20世纪末的全球性城市化发展趋势，使21世纪的地球物理学不可避免地要面对诸多的城市问题。80年代以来，由于地球科学各分支学科的日益成熟和全球环境问题的日益突出，人们认识到地球各圈层相互作用以及人类活动的重要性，地球科学的发展开始进入地球系统科学的新时代。城市地球物理学的发展在这样的时代背景下产生。城市地球物理学是一个全新的概念，是地球科学国际研究前沿的新兴学科。传统地球物理学的主要研究对象是自然现象，而城市地球物理学则主要研究自然现象与人类活动的相互作用。因此，在城市地球物理学研究中，除了自然科学问题之外，还应强调科学与社会的结合、各相关学科的综合及与各社会部门的协调。图3表示了城市地球物理学与环境科学和地理学之间的关系，这三者既有各自独特的研究领域，又有密切相关的交叉研究内容。
附图
图3 城市地球物理学、环境科学、地理学之间的关系
Fig.3 Relationship among urban geophysics,environmental sciences and geography
3 城市地球物理研究的社会需求
(1)城市建设。科学家们预计21世纪的城市在向高空发展的同时，也将向地下索取空间，建设深层地下都市已经在科学家构想之中。20世纪平面式的城市功能在21世纪将从地下、地上两个方面重新进行立体配置。在一系列城市建设活动中，迫切需求地学界利用地球物理的观测和预测方法对城市地下空间的结构给出定量的描述，为城市规划积累基础数据。
(2)城市灾害。人类大规模的经济—工程活动对环境的影响，已经达到了与自然地质作用相提并论的程度，而且发展速度快、影响范围大。各种灾害无情地破坏着人类的居住空间，给人类的生存造成威胁。这些灾害发生在地学研究的领域，迫切需求地学界利用地球物理的观测和预测方法对各种起因的城市地质灾害和对环境的破坏进行详细的调查。
(3)城市地下污染。原生环境的缺陷以及由人为因素造成的地下环境污染，在地下水的作用下，对生态与工业构成极大的危害，迫切需求地学界利用地球物理的观测和预测方法调查地下水的分布，为制定防治规划提供基础数据。
4 城市地球物理研究的主要科学问题及其研究方法
城市地球物理学作为一门新兴学科，其主要特点是学科的交叉性及其社会服务性，城市地球物理不仅与地学界的其他学科有广泛的交叉性，而且与地学界以外的诸如人文类、社科类学科也有不可缺少的交叉内容。城市地球物理研究的最终任务是服务于社会，科学研究的核心问题是人与自然的关系问题。具体解释为：
(1)城市近地表结构与地质灾害的相互作用关系。天然与人为的地质灾害对城市构成极大的危害。这些灾害改变和破坏近地表地质结构，近地表地质结构从客观上阻止或促成地质灾害的发生。二者之间的相互作用关系是科学研究的问题之一。
(2)城市近地表结构与地下基础设施和地下建筑的相互作用关系。地下基础设施是城市的命脉，地下基础设施的科学规划以及地下建筑计划需要对近地表结构的观测与评价，大型地下建筑有可能改变城市地下应力场的平衡，二者之间的相互作用关系在未来城市发展中为地学研究提供了一个新的研究空间。
(3)城市近地表结构与地下环境污染的相互作用关系。地下环境污染破坏生态环境、危害人类健康，地下环境污染直接受控于地下水的分布，同时受控于近地表地质结构。对地下水的分布及其浸染走向的研究是防止和治理地下环境污染的重要依据。
城市地球物理学研究方法主要依靠观测技术、数据处理技术以及综合评价系统。观测是地球物理学研究得天独厚的手段，数字地震台阵、地球信息系统、INSAR计划、浅层地球物理观测在地学研究领域发挥了重要的作用。地球物理观测数据起到了透视地下的作用，是实现地下结构定量化与可视化研究的基本条件。针对城市问题的地球物理观测，需要在提高仪器动态范围的基础上获得高分辨率的数据，需要研究城市特定环境下的观测方式。认识浅层介质的复杂性以及地球物理数据的特殊性是研究城市各类问题数据处理方法的出发点。数据处理方法研究应该从基础研究出发，研究地震波场、电磁场、重力场分布规律以获得清晰的三维地下图像。保证足够的信息量是对城市问题做出准确评价与预测的基础，综合性研究在评价和预测中至关重要。地球物理学中各类方法的优化与组合以及与地学研究领域中其他学科的交叉，包括与非地学研究领域相关学科的交叉是开展城市地球物理评价与预测研究的主要方向。
5 城市地球物理现阶段主要研究内容
(1)城市条件下地球物理观测方法研究。城市条件下的地球物理观测比常规野外条件下的观测表现出更多的复杂性。需要在已知的典型地下结构的条件下进行足够多的观测方法实验，针对“源”的问题，研究电磁波与弹性波的聚束发射，研究综合方法的同时观测技术以及时移观测技术，并根据已知条件进行数值模拟计算，对比观测数据与理论数据的差别，分别城市条件下观测噪声与干扰的特殊性，发现规律性，为实际的工业性调查提供指导性方案。
(2)城市介质地球物理正演算法研究。城市地下介质除受到地质构造运动外，更多地受到人为因素的改造，演变成为难以保存其原生地质痕迹的、极其复杂的地下介质。其地球物理响应与以往的地球物理观测必将表现出极大的差异。因此，必须以城市地下条件的特殊性为介质模型，研究地球物理正演计算方法，认识城市介质条件下观测数据的基本性质和形成规律。
(3)城市地球物理数据处理方法研究。城市地球物理需要采用非常规观测方式，其观测数据包含了大量意想不到的噪声。认识噪声的特征和有效地消除噪声，保护观测数据的分辨率是数据处理的关键问题。针对时移观测数据研究四维数据处理方法。在信号分析与数字处理方法研究中，需要充分吸收现代数字信号技术，开展适用于城市特定问题的处理方法研究，为综合评价提供准确数据。
(4)城市介质三维可视化研究。城市地下介质覆盖在水泥路面、绿地和建筑物之下。传统的钻井或探槽式观察方法在现代化城市中即落后又不适用。这项研究通过对观测数据的有效反演对城市地下介质实现三维空间可视化描述，提供三维精细成像结果。对典型问题开展有针对性的反演算法研究，为三维精细成像和可视化描述以及综合评价提供有效资料。
6 城市地球物理研究需要社会关注
城市地球物理研究如何落实与如何发展是一个非常重要的问题。大专院校和研究机构应该进行必要的学科调整，实现资源共享和优势互补，应该积极参与城市地球物理研究相关工程项目，在学科之间进行经常性交流。工业、商业与企业部门应该面向用户，以市场为导向，为城市地球物理技术的研究提供场所和经济支撑，同时有必要参与各种研究活动，各学术团体应该相互配合，设立城市地球物理专业委员会，在学术刊物上开辟专栏广泛宣传城市地球物理研究的科研成果，各专业学会之间也应进行广泛交流。政府部门应该做出具体计划，以便各职能管理部门统筹安排，实现资源的合理分配与协调，要选择典型城市和典型项目作为依托，开展研究工作，在基础研究方面需要得到自然科学基金和国家相关部门的支持。
应该充分估计到地球物理各种方法在目前技术条件下的难点，要通过研究地球物理新方法、新技术提出新的认识、加强科技创新尤其是原始性创新。要集中精力利用地球物理数据编制城市地下三维结构的图像，当前城市地球物理研究的主题是“城市三维地图(3-D Imaging of Urban Underground)”（注：国家自然科学基金委员会.中国内地—香港城市地球物理战略研讨会，香港大学.2001.）。
7 城市地球物理研究的技术支撑条件
近20年来，地理信息系统技术的出现，乃至空间数据基础的建设和“数字地球”战略的提出，使得获取地球信息的手段达到了前所未有的高度，不仅使全球的制图和动态性制图成为可能，而且在环境监测、灾害预警预报、区域与城市规划等方面也发挥着极为重要的作用。21世纪将广泛采用高分辨率的观测系统（地面、海洋和空间对地观测）、高灵敏度和高准确度的分析测试系统（包括微粒、微量、纳米级和超微量）、不同条件下的实验模拟系统、建立在动力学及高性能计算基础上的数值模似以及数字化的地球
信息系统，此外，现代化的观测技术与设施也将成为开展城市地球物理研究必要的支撑条件。
圈层相互作用研究是地球科学20世纪90年代以来的全新发展方向，方兴未艾。这些研究将导致交叉学科、综合学科的兴起与发展，形成整体性的地球系统科学。地球及其各圈层是一个整体。一些地球科学问题固然有区域性的一面，但这种区域性是寓于全球性之中的。在一定意义上，只有更好地了解全球才能更好地了解区域。同时，区域也是全球的窗口，区域性是通向全球性的大门。地球科学方面的“全球变化及其区域响应”研究计划，则为城市问题的研究提供了广泛的科学基础。
8 结语
地球不仅在自然力作用下发生变化，而且人类活动作为地球上有关过程的一种作用力将进一步得到深入研究。21世纪将从人—地关系的角度审视环境的变化，为人类社会与自然环境的协调发展提供科学理论基础，使人居环境得到最大限度地改善，同时又要保持地球的“健康”演化。在新千年和新世纪来临之际，地学界应该重新考虑地学发展的方向和重点，使地学研究在人类社会发展中体现出自身的价值。在新世纪，地学在应用研究领域所面临的主要任务是合理地利用地球资源，帮助工业界解决难题，改善地球的可居住性。为此，作为地学领域主要学科之一的地球物理学应该做出应有的贡献。
收稿日期：2002-01-08；修回日期：2002-05-23．
【参考文献】
[1] United Nations.World Demographic Estimates and Projections(1950-2025)[M].New York:Press of United Nations,1990.
[2] National Statitics Bureau of China.50 Years of city dreams[N].China Daily,National Day Special:50th Anniversary,1999-10-01(1).［国家统计局.50年的城市梦[N].中国日报国庆50周年专刊，1999-10-01(1).］
[3] Zhou Ganzhi.Urban area-a typical open complicated macrosystem[A].In:Song Jian,ed.Proceeding of workgroup on Qian Xuesen's Contribution and Academic Ideas[C].Beijing:China Science and Technology Press,2001.［周干峙.城市及其地区——一个典型的开放的复杂巨系统[A].见：宋健主编.钱学森的科学贡献暨学术思想研讨会论文集[C].北京：中国科学技术出版社，2001.］
字库未存字注释：
＠①原字为禺加页
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