地质灾害监测预警新技术！空天地一体化应对地灾防治难题

地矿科技助理

我国是世界上地质灾害最严重、受威胁人口最多的国家之一。地质灾害具有种类多、分布地域广、特征复杂等特点。为实现习近平总书记“建立高效科学的自然灾害防治体系，提高全社会自然灾害防治能力”的要求，我国正在按照研究原理、发现隐患、监测隐患、发布预警“四步”工作方案，针对关键领域和薄弱环节，全面提升地质灾害的风险调查、重点隐患排查、综合监测以及风险早期识别和预报预警等能力。
那么，如何尽可能搞清楚“隐患点在哪里”“什么时候可能发生”等地灾防治的核心问题？近日，长安大学地质工程与测绘工程学院教授张勤、公路学院道路灾害防治研究所副教授李家春等专家，从实践出发，谈起了我国地质灾害隐患点早期识别和监测预警技术的现状和发展趋势。
“三查”体系查出大量地灾隐患点
目前，全国范围内已发现的地质灾害隐患点有28.2万处，威胁约2000万人的生命安全和4500亿元的财产安全。
据相关部门统计，我国自20世纪90年代起，先后开展了全面的、系统的地质灾害详细调查和多轮针对灾害隐患的拉网式、地毯式排查，由于点多面广，过去的调查工作主要是围绕城镇、重大工程等地区开展调查，以灾害隐患点调查、汛期巡查等方式。但由于其调查方法的局限性，近年来发生的绝大多数重大地质灾害事件都不在预案点范围内。
根据国务院2003年颁发的《地质灾害防治条例》，地质灾害包括山体崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降等与地质作用有关的灾害。通常，山体崩塌、滑坡、泥石流的发生具有一定的突发性，被称为突发性地质灾害；而地面塌陷、地裂缝以及地面沉降的形成和发生往往较为缓慢，被称为渐变性地质灾害。李家春介绍说，地表变形有一个尺度和研究范围的问题，针对不同尺度的监测对象和精度要求，要采用不同的监测方法。

空天地一体化监测示意图
目前，在地灾监测预警方面，自然资源部强调要综合运用合成孔径雷达测量、高分卫星遥感、无人机航测、机载激光雷达测量等多种新技术手段，进一步提高全国地质灾害预防水平。这也是著名地质灾害专家、成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室常务副主任许强教授提出的空天地一体化的“三查”体系。
具体来说，首先借助于高分辨率的光学影像和InSAR识别历史上曾经发生过明显变形破坏和正在变形的区域，实现对重大地质灾害隐患区域性、扫面性的普查；随后，借助于机载LiDAR和无人机航拍，对地质灾害高风险区、隐患集中分布区或重大地质灾害隐患点的地形地貌、地表变形破坏迹象乃至岩体结构等进行详细调查，实现对重大地质灾害隐患的详查；最后，通过地面调查复核以及地表和斜坡内部的观测，甄别并确认或排除普查和详查结果，实现对重大地质灾害隐患的核查。目前使用无人测量船和多波束测深仪等设备，还能将这种应用延伸至水域。
据悉，许强教授团队已利用空天地一体化的“三查”体系在四川、贵州等省进行示范应用，并取得了良好的成效。贵州省利用InSAR、机载LiDAR，对全省高位隐蔽性灾害进行专业排查，发现新的地质灾害隐患点2000处，其中高位隐蔽性隐患点近900处。四川省利用InSAR与光学遥感相结合，对6万平方千米地质灾害高风险区进行清扫式隐患识别，新发现形变区840处，经现场调查复核，具有明显变形的点超过70%。
需要清醒认识的是，光学遥感、InSAR、激光雷达、无人机摄影测量等现代遥感技术都有独自的优势和能力，但也都有各自的条件限制和缺点，所以不能靠单一的技术手段来解决灾害隐患识别问题。如何有效结合，是当下专业人员需要面对的课题。
高精度监测系统实现及时预警预报
目前，地质灾害的地面和坡体内部的监测中，位移、应力、含水量、水位、雨量等各种指标的现场自动采集、监测数据的远程无线传输等技术均已成熟。但客观地讲，目前地质灾害的预警预报还是一个国际难题，还不可能提前对灾害发生的时间作出准确的预报。对大多数已进行科学、专业监测的地质灾害体而言，在灾害发生前，提前数小时、数分钟发出预警信息还是可能的。
2018年2月19日，G108周至段发生崩塌，3万余立方米土石崩塌而下，造成该段公路瞬间被摧毁，交通被阻断，所幸李家春指导的团队提前5天发出红色预警，避免了重大交通损失和人员伤亡。此次成功监测预警是陕西省首例，也是公路交通部门通过预警和应急响应成功减灾防灾的典型案例。
在今年的3月26日，甘肃省水靖县盐锅峡镇党川村发生了一起黄土滑坡，滑坡体积约2万立方米。

2019年3月26日，甘肃党川6号滑坡体全貌。
张勤教授研究团队和成都理工大学许强教授研究团队联合监测预警，提前2天对滑坡发出黄色预警、提前1天发出橙色预警、提前40分钟发出红色预警，相关单位做好了相应的防范工作，未造成人员伤亡和财产损失，安装在滑体上的远程视频监测装置记录了滑坡灾害发生的全过程。
近日，张勤教授研究团队利用InSAR监测技术检测到四川凉山州雷波县一个有几百户村民的村庄存在加速滑动滑坡威胁，立即将相关监测资料和信息上报自然资源部相关部门，当地政府随即展开了应对措施。
据李家春介绍，当前全国范围内在群测群防基础上，通过逐步建立起来的“全方位、全天候、全要素、全尺度”的监测体系获取了大量的监测数据，因为监测对象和监测手段的复杂性和多样性，如何进行现场监测数据的分析处理，以及根据监测数据建立模型对灾害的发生时间作出及时准确的预警预报，是目前地灾防治研究人员面临的最大挑战。
他强调，地质灾害防治工作确实是一项涉及面广、专业性强的工作，涉及的业务链条长，专业知识要求高，需要在整个过程中对灾害机理进行深入研究，结合数据进行反复研究。
地灾防治工作期待更多技术突破
目前在全国范围内成功的灾害预警案例中，依靠专业地质灾害早期识别并成功预警的越来越多。一方面，是因为测量学、工程地质、遥感地质、计算机技术等多个学科人才和技术的融合，另一方面，则是光学遥感、InSAR、激光雷达、无人机航测以及各种地面和坡体内部观测数据多源数据的处理越来越成熟。
李家春认为，全世界历史上发生的滑坡或者地质灾害非常多，但记录下来的大多数只是地质灾害体体积多大、人员伤亡等宏观、简单的数据。随着定量数据的积累、大量资金的投入、技术的提升，将形成大量有效的多源地质灾害监测数据，利用人工智能对他们进行自主学习、综合分析，最大可能地作出准确的预警预报指日可待。
随着技术的进步，当前的地灾监测预警方法和手段已经有了很大的可选用空间。张勤是从2003年开始研究将InSAR技术应用于地质灾害监测，也是因为她们早一批研究先驱的努力，让InSAR技术成为识别和发现正在变形的地质灾害隐患的非常有效和重要手段，尤其是近年来示范应用效果显著。

2019年3月24日，北斗/GNSS监测系统提前两天预警甘肃黄土滑坡，无人伤亡。滑坡区域略图(红色区域为村庄，黄色区域为北斗GNSS监测点位置)。
有些高位重大地质灾害往往地处山体的中上部斜坡陡峭部分，调查人员难以到达，有些灾害隐患甚至处于人迹罕至部位或者无人区，灾害一旦发生，让人束手无策。针对这种情况，张勤近期提出向这些地区抛撒传感器的方案，“既能满足精度要求，价格又很低，这是以后监测传感器的发展趋势。”
甘肃省的突发性黄土滑坡监测预警是利用张勤教授团队最新研发的基于云平台的千元级低成本高精度北斗/GNSS监测系统实现的，初步验证了相关算法和软件硬件系统的可靠性，这个监测预警系统是张勤教授研究团队承担的国家自然基金重点项目“基于空天地技术的滑坡识别与智能监测预警”和国家重点研发计划项目“特大滑坡实时监测预警与技术装备研发”的初步研究成果，此次成功预警也为后续开展滑坡等突发性地质灾害的监测预警和技术装备研发奠定了基础。
20余年的研究中，张勤一直在针对遇到的各种问题不断寻求新的解决方法，并经过反复实践论证，她说：“一定要学会跳出固有思维，不要局限在一个特定领域，视野放开阔。首先要敢想，第二要找难点，肯下功夫就一定会有办法。”
在地质灾害监测和预警技术发展趋势的这个问题上，张勤说：“不要指望科技是一步到位的，遇到问题能够马上解决的，我们只要能够往前推进就好，科学是一代一代人努力的结果，往前推进，就有价值，人类的能力也在这个过程中越来越强。”
地质灾害防治是一场持久战，很难一劳永逸。自然资源部提出，从2018年起，力争用3年左右时间，完善机制、加大投入建立地质灾害防治体系，有效提升我国地质灾害防御能力，减少因地质灾害造成的重大人员伤亡事件。地质灾害监测预警是防治体系的重要组成部分，重点应强化科技支撑，利用现代化技术，建设完善互联互通的国家、省、市、县地质灾害监测信息预警平台和应急调度指挥系统。
中国地质灾害点多面广，对于一般性的地质灾害，人工调查排查和群测群防还是必不可少，和专业监测预警有机结合，相互补充验证，才能最大限度地发现地质灾害隐患。