楊志坤，李 雪，陳 曦，吳 雨

（1.四川九洲投資控股集團有限公司，四川 綿陽 621000；2.四川九洲北斗導航與位置服務(wù)有限公司，四川 綿陽 621000）

我國是世界上地質(zhì)災(zāi)害最為嚴重、受威脅人口最多的國家之一，地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造活動頻繁，災(zāi)害隱患多、分布廣，且隱蔽性、突發(fā)性、破壞性強，防范難度大。相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果表明，2022 年，我國共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害5 659 起，造成90 人死亡、16 人失蹤、34 人受傷，直接經(jīng)濟損失15.0 億元[1]。黨中央、國務(wù)院高度重視地質(zhì)災(zāi)害防治工作，《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020 年）》明確指出要加強地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究[2]；《全國地質(zhì)災(zāi)害防治“十四五”規(guī)劃》指出要采用多方法、分層次手段完善地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)絡(luò)[3]；自然資源部印發(fā)的《2022 年全國地質(zhì)災(zāi)害防治工作要點》提出要強化地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系建設(shè)，有效提高地質(zhì)災(zāi)害防治能力[4]。地質(zhì)災(zāi)害防治是一項事關(guān)人民生命財產(chǎn)安全、社會和諧穩(wěn)定及區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展全局的重大工程，而地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警作為地質(zhì)災(zāi)害防治工作的重點，開展地質(zhì)災(zāi)害風險監(jiān)測預(yù)警研究意義重大。

本文在研究分析國內(nèi)外已有地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警手段的基礎(chǔ)上，針對地質(zhì)災(zāi)害全方位監(jiān)測預(yù)警需求，提出以北斗和多源遙感為核心的地質(zhì)災(zāi)害全方位監(jiān)測預(yù)警體系，即首先采用時序InSAR 技術(shù)進行大范圍地質(zhì)形變風險周期監(jiān)測，找出形變高風險區(qū)，在此基礎(chǔ)上，采用北斗進行形變高風險點實時在線監(jiān)測，并結(jié)合高分辨率光學遙感影像提取的地表覆蓋及其變化信息及區(qū)域地形、氣象、水文等外部資料開展地質(zhì)形變與地表覆蓋變化、氣象、水文等因素內(nèi)在關(guān)系耦合分析，建立基于多源信息的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型，從而為地質(zhì)災(zāi)害防治工作提供技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外針對地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的方法多種多樣，根據(jù)監(jiān)測方式的不同，可分為人工實地測量[5]、傳感器在線監(jiān)測[6-7]、激光雷達遙測[8-10]、無人機三維攝影測量[11-12]和衛(wèi)星遙感監(jiān)測[13-14]等。其中，人工實地測量精度高，但其外業(yè)工作量大，周期長，所需人力、物力、時間成本高，且不易實現(xiàn)自動化；通過部署北斗/GPS、位移、傾斜等傳感器監(jiān)測設(shè)備，可實現(xiàn)對隱患點的高精度實時動態(tài)監(jiān)測，但該方式的成本較高且監(jiān)測范圍有限，易存在監(jiān)測盲區(qū)；激光雷達遙測、無人機三維攝影測量等手段可實現(xiàn)地災(zāi)風險的面域監(jiān)測，但其對設(shè)備、人員的要求較高，操作難度較大；而衛(wèi)星遙感具有廣域無遺漏、信息量豐富、結(jié)果客觀、坐標準確統(tǒng)一、安全高效、共享性強和周期對地進行動態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢，但其自身具有不可回避的缺點和局限，例如，星載光學遙感會受衛(wèi)星重訪周期和氣候條件的限制，而InSAR 受大氣對流、地形起伏、植被覆蓋等因素影響較大等。不難看出，各類地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測手段優(yōu)略勢明顯，單一手段難以滿足大范圍地質(zhì)災(zāi)害的全方位、多角度監(jiān)測預(yù)警需求，因此，融合多平臺、多層次，多手段的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警研究成為熱點。許強等[15]將高分辨率光學遙感、衛(wèi)星InSAR、無人機攝影測量和無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSM）等多種新技術(shù)方法融合，構(gòu)建了滑坡變形破壞全過程的“天－空－地”協(xié)同監(jiān)測技術(shù)體系，為滑坡地質(zhì)災(zāi)害的科學防范提供一種新的思維范式和經(jīng)驗指導；涂寬等[16]將甚高-高分辨率衛(wèi)星實景三維建模技術(shù)和星載合成孔徑雷達差分干涉測量技術(shù)（In－SAR）結(jié)合，開展大范圍地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識別研究，大大提高了衛(wèi)星遙感地質(zhì)災(zāi)害隱患識別和監(jiān)測能力及風險防控水平。

2 基于“北斗+多源遙感”的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系

我國地質(zhì)災(zāi)害點多面廣，分布散亂，具有可預(yù)見性差、來勢兇猛、成災(zāi)速度快、治理難度大、易造成人員傷亡、導致公共財產(chǎn)或者他人財產(chǎn)重大損失等特點。傳統(tǒng)的單一手段監(jiān)測方法越來越難以滿足新時代防災(zāi)減災(zāi)的實際需求。為此，筆者在對比分析國內(nèi)外已有地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警手段的基礎(chǔ)上，提出了以北斗和多源遙感為核心的地質(zhì)災(zāi)害全方位監(jiān)測預(yù)警體系，即首先采用多時相中分辨率SAR 影像開展大范圍地質(zhì)形變時序InSAR 面域測量，找出形變高風險區(qū)。在此基礎(chǔ)上，基于多時相高分辨率SAR 影像，進行重點區(qū)域（形變高風險區(qū)或高植被覆蓋區(qū)）“CR+時序InSAR”精細化監(jiān)測，進一步明確形變高風險點范圍，并通過在關(guān)鍵點位部署北斗監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)對形變風險點的連續(xù)、實時自動化監(jiān)測。最后，基于高時空分辨率“北斗+InSAR”形變?nèi)诤媳O(jiān)測結(jié)果結(jié)合高分辨率光學遙感影像提取的地表覆蓋及其變化信息，以及區(qū)域地形、氣象、水文等外部資料開展地質(zhì)形變與地表覆蓋變化、氣象、水文等關(guān)系的耦合分析，建立基于多源信息的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型，從而實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的早期預(yù)警和主動防范。具體技術(shù)流程如圖1 所示。

圖1 基于“北斗+多源遙感”的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)流程

2.1 基于時序InSAR 的地質(zhì)形變風險面域監(jiān)測

2.1.1 數(shù)據(jù)選擇

地質(zhì)形變風險時序InSAR 監(jiān)測首先需要選擇合適的數(shù)據(jù)源，目前SAR 衛(wèi)星數(shù)據(jù)源很多，如Sentinel-1、ALOS-2、RADARSAT-2、COSMO-SkyMed、TerraSARX 和GF-3 等，不同類型的SAR 衛(wèi)星影像分辨率、重訪周期、價格也各有差異。在實際工作中，通過綜合考慮監(jiān)測區(qū)的各項情況可先選擇中分辨率合成孔徑雷達衛(wèi)星影像進行地質(zhì)形變大范圍面域監(jiān)測，而在形變高風險區(qū)或植被茂密的區(qū)域，選擇使用分辨率更高的SAR衛(wèi)星影像進行更細致化的測量，從而實現(xiàn)降本增效。

2.1.2 基于多時相中分辨SAR 影像的地質(zhì)形變風險時序InSAR 面域測量

當前基于SAR 影像的地質(zhì)形變監(jiān)測方法很多，如D-InSAR、PS-InSAR、SBAS-InSAR 和DS-InSAR 等，為克服去相干和大氣延遲的影響，這里主要基于預(yù)處理后的中分辨率時序SAR 影像，采用時序InSAR 技術(shù)（PS-InSAR、SBAS-InSAR 等）進行區(qū)域地質(zhì)形變風險面域監(jiān)測，并通過分析得到的形變結(jié)果分布圖和形變速率變化曲線，劃分地質(zhì)形變等級，從而為后續(xù)重點區(qū)域基于“CR+時序InSAR”精細化監(jiān)測提供參考依據(jù)。

2.1.3 基于多時相高分辨率SAR 影像的重點區(qū)域“CR+時序InSAR”精細化監(jiān)測

基于中分辨率SAR 影像的地質(zhì)形變風險時序In－SAR 面域測量找出的形變高風險區(qū)仍然是一個很大的范圍，同時，由于地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)于地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、植被茂盛的山區(qū)，地表散射特性較差，而衛(wèi)星InSAR 技術(shù)進行該區(qū)域地質(zhì)形變監(jiān)測受植被等的影響較大易出現(xiàn)失相干，從而導致該區(qū)域形變監(jiān)測點很少甚至形變信號丟失，影響限制了其進一步的應(yīng)用。為了獲得更多高質(zhì)量、分布均勻的散射體目標，更加精準地確定地質(zhì)形變高風險點的范圍，這里擬采用多時相高分辨率SAR 影像進行重點區(qū)域“CR+時序InSAR”精細化監(jiān)測的方式來實現(xiàn)[17]。即通過對基于中分辨率SAR 影像，采用時序InSAR 手段找出的地質(zhì)形變高風險區(qū)和高植被覆蓋區(qū)布設(shè)角反射器，并基于高分辨率SAR 影像采用“CR+時序InSAR”技術(shù)進行區(qū)域高精度、精細化詳查測量，同時，通過對升、降軌時序InSAR 監(jiān)測結(jié)果進行融合，從而獲得更為精確的時序地表形變序列，為后續(xù)“北斗+InSAR”融合監(jiān)測提供有利條件，如圖2 所示。

圖2 基于時序InSAR 的地質(zhì)形變風險面域監(jiān)測結(jié)果

2.2 基于高時空分辨率的地質(zhì)形變 “北斗+InSAR”融合監(jiān)測

由于衛(wèi)星對地觀測具有一定的周期性，基于時序InSAR 技術(shù)進行區(qū)域地質(zhì)形變監(jiān)測，只能獲得形變?yōu)暮c的周期性監(jiān)測信息，時效性較低，而北斗雖可實現(xiàn)災(zāi)害點的連續(xù)實時監(jiān)測，但其監(jiān)測范圍有限，全域布設(shè)成本高。因此，這里考慮將北斗和InSAR 技術(shù)進行融合來實現(xiàn)高時空分辨率地質(zhì)形變監(jiān)測。

首先，基于多時相SAR 影像采用時序InSAR 手段開展地質(zhì)形變面域監(jiān)測，而針對植被覆蓋度高、地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域，通過安裝布設(shè)角反射器輔助時序In－SAR 測量的方式，獲取區(qū)域大范圍、高精度的形變信息，并進一步確定地質(zhì)形變高風險點的范圍，在此基礎(chǔ)上，選擇關(guān)鍵點位（形變高風險點、形變趨勢極速上升或下降的點等），有針對性地部署北斗監(jiān)測設(shè)備，進行高頻、實時、自動化監(jiān)測，從而獲得監(jiān)測點連續(xù)、實時形變信息，多手段聯(lián)合從而實現(xiàn)對地質(zhì)形變隱患的高時空分辨率自動監(jiān)測。這里的北斗可輔助進行InSAR 相位解纏，實現(xiàn)對時序InSAR 的精確幾何定位或地理編碼，同時，北斗獲取的三維坐標還可以作為控制資料精確校正由InSAR 處理得到的變形分布圖，從而消除衛(wèi)星軌道參數(shù)的不確定性和其他系統(tǒng)性的誤差。另外，通過在北斗監(jiān)測點附近安裝角反射器，還可實現(xiàn)對InSAR 監(jiān)測結(jié)果的交叉驗證，從而有效提升InSAR 形變監(jiān)測的精度，為后續(xù)的災(zāi)害早期預(yù)警和主動防范提供依據(jù)，如圖3 所示。

圖3 基于高時空分辨率的地質(zhì)形變“北斗+InSAR”融合監(jiān)測結(jié)果

2.3 基于高分辨率衛(wèi)星遙感的地表覆蓋及其變化檢測

地表覆蓋及其變化情況，對區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生具有極其重要的影響，因此定期對區(qū)域地表覆蓋情況進行識別并對其變化信息進行周期監(jiān)測尤為重要。衛(wèi)星遙感具有監(jiān)測范圍廣、信息量豐富、安全高效、監(jiān)測結(jié)果客觀和便于進行周期動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)點，有效助力大范圍地表覆蓋的智能識別及變化監(jiān)測。

首先對高分辨率光學衛(wèi)星影像進行幾何校正、影像配準、輻射校正、大氣校正和圖像增強等預(yù)處理，然后對各類地表覆蓋信息進行特征提取并構(gòu)建樣本庫，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實際情況選擇采用監(jiān)督分類、面向?qū)ο蠓诸?、決策樹分類等方法實現(xiàn)地表覆蓋信息分類識別。同時，基于預(yù)處理后的多時相高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，采用機器學習等人工智能算法對監(jiān)測區(qū)地表覆蓋變化情況進行智能提取和動態(tài)監(jiān)測，從而為地災(zāi)高風險區(qū)的判別及定位和后續(xù)的災(zāi)害預(yù)警提供參考依據(jù)。

2.4 基于多源信息耦合的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的必然條件是發(fā)生了地表形變，但同時其還會受到包括植被、氣象、水文和地形地貌等多種因素的影響?；凇氨倍?InSAR”手段獲取的高時空分辨率地質(zhì)形變信息及基于高分辨率光學遙感影像提取的地表覆蓋及其變化信息，結(jié)合區(qū)域地形、氣象、水文等外部資料利用大數(shù)據(jù)挖掘的方法進行地質(zhì)形變與地表覆蓋變化、地形地貌、氣象和水文等關(guān)系的耦合分析，篩選出誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主控因素，確定災(zāi)害關(guān)鍵性指標，并建立基于多源信息的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型，從而實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的早期預(yù)警和主動防范，如圖4 所示。

圖4 基于多源信息耦合的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警結(jié)果

3 結(jié)束語

地質(zhì)災(zāi)害防治是一項事關(guān)人民生命財產(chǎn)安全的大事，本文在研究分析國內(nèi)外已有地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警手段的基礎(chǔ)上，針對地質(zhì)災(zāi)害全方位、高精度、立體化的監(jiān)測預(yù)警需求，提出以北斗和多源遙感為核心的地質(zhì)災(zāi)害全方位監(jiān)測預(yù)警體系，從而有效彌補了單一手段地災(zāi)監(jiān)測全面性不足、預(yù)警精度低等缺點，為更好地防范化解災(zāi)害風險提供了更為科學的技術(shù)支撐。但是本文僅側(cè)重于進行“北斗+多源遙感”的地災(zāi)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系構(gòu)建，后續(xù)需根據(jù)地災(zāi)類型的不同進一步剖析其致災(zāi)機理及演化過程，并重點研究基于多源信息的地災(zāi)預(yù)警模型構(gòu)建方法，從而進一步提升地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的效率和精度。