天-空-地-内一体化技术在高寒艰险地区地质灾害调查中的应用与思考

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　　摘  要：我国地质灾害防治形势十分严峻，其中西南、西北地区是地质灾害防范的重点地区，在西南、西北部的高寒艰险山区开展地质灾害调查监测任务繁重。文章对近年来基于高分辨率光学遥感和InSAR技术，无人机航拍和LiDAR技术、集成研发和优化改进的各类传感器在地质灾害隐患普查调查和监测预警中的广泛深入应用进行了总结，对天-空-地-内一体化技术在地质灾害调查应用中存在的问题进行了思考。
　　关键词：InSAR;LiDAR;地质灾害;调查;应用与思考
　　中图分类号：P694          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）08-0178-02
　　Abstract： The situation of prevention and control of geological disasters in China is very severe， and the southwest and northwest are the key areas for geological disaster prevention， so the task of investigation and monitoring of geological disasters is arduous in the alpine and difficult mountainous areas in the southwest and northwest. This paper summarizes the extensive and in-depth application of all kinds of sensors based on high-resolution optical remote sensing and InSAR technology， UAV aerial photography and LiDAR technology， integrated research and development and optimized improvement in geological hazard survey， monitoring and early warning in recent years， and deals with the problems existing in the application of space-space-ground-interior integrated technology in geological hazard investigation.
　　Keywords： InSAR; LiDAR; geological hazard; investigation; application and thinking
　　1 概述
　　2019年全国共发生地质灾害6181起，造成了211人死亡、13人失踪、75人受伤，直接经济损失高达27.7亿元，地质灾害防治形势严峻[1]。近年来，像2017年“6.24”四川茂县新磨村高位山体滑坡-碎屑流灾害;2017年“8.28”贵州纳雍县普洒村滑坡灾害;2018年“10.11”和“11.3”西藏江达县白格村先后发生的两次滑坡堵江事件，形成的堰塞湖库容最大超过5亿立方米;2019年“7.23”贵州水城县坪地村特大山体滑坡灾害，均造成了重大人员伤亡和财产损失。这些大型地质灾害往往地处高寒艰险地区，处于高位难以到达，具有高度隐蔽性，仅靠传统技术手段难以调查清楚，需要应用天-空-地-内一体化技术开展调查[2]。
　　近年来，天-空-地-内一体化技术在地质灾害调查中的应用不断深入。天-空-地-内一体化技术中的“天”指高分辨率光学遥感、合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar，简称InSAR）技术，“空”指无人机摄影测量、机载激光雷达测量（light laser detection and ranging，简称LiDAR）技术，“地”指地面调查及常规的钻探、槽探、物探等手段，“内”指地下的意思，如在滑坡内部安装传感器进行监测。
　　2 高寒艰险地区地质灾害调查
　　我国是一个多山的国家，山区面积占一半以上，通常高寒艰险山区强烈地震将诱发大量的滑坡等地质灾害，从而导致我国地震滑坡灾害成为世界最为严重的国家之一。特别是在我国地形地貌复杂、地质构造发育活跃的西部高寒艰险山区，常受地震活动影响引发群发性大规模的地质灾害，例如2008 年汶川地震、2010 年玉树地震和2014 年鲁甸地震等均触发了数以万计的滑坡灾害，并造成严重人员伤亡和巨大经济损失[7]。
　　我国地质灾害隐患分布广泛，受强烈地震、极端气象事件频发影响，近年我国地质灾害处于多发态势，2020年地质灾害防治形势仍然严峻。预测2020年地质灾害总体趋势可能接近常年，局部地区可能加重。春季，西南和西北地区是防范重点;汛期，地质灾害将大量发生，南方大部地区，尤其是西南、中南和东南沿海以及西北部分地区仍然是地质灾害发生和危害的重点地区，其中高寒艰险山区的地质灾害调查工作尤为重要[1]。
　　3 天-空-地-内一体化技术的地质灾害调查
　　3.1 基于高分辨率光学遥感、InSAR技术的地质灾害隐患普查
　　应用高分辨率光学遥感、InSAR技术开展一定区域地质灾害隐患的普查。开展高分辨率遥感快速识别模型研究，进行地质灾害快速识别。高分辨率光学卫星遥感影像具有覆盖范围广、多光谱、多时相、多数据源、低成本等特点，对地质灾害特征要素完整、变形迹象明显的地质灾害隐患具有较好的识别能力[2]。遥感解译采用多源遥感数据、多种比例尺相结合、人机交互解译与目视解译相结合、平面影像与立体影像交互解译相结合、初步解译与详细解译相结合、室内解译研究与野外调查验证相结合等工作方法進行。 　　卫星InSAR 技术具有全天时、全天候工作、覆盖范围广、形变探测精度高等优点，很适合于开展大范围地灾普查与监测。已应用InSAR技术对甘肃黑方台地区、新疆伊犁皮里青河流域等区域进行了普查、识别和长时序监测[3-4]。
　　3.2 基于无人机航拍、LiDAR技术的地质灾害调查
　　应用无人机航拍、LiDAR技术进行地质灾害高风险区段、重大典型地质灾害隐患的调查。无人机航空倾斜摄影测量有利于圈绘灾害体边界、确定灾害类型、方量计算，解译斜坡变形特征（如拉裂缝、滑坡鼓丘、洼地等）。笔者2016年就将无人机快速三维建模技术应用在金沙江支流美姑河流域地质灾害调查工作中，美姑河地区地形复杂多变，山体高差大，应用无人机航拍快速获取灾害体高精度三维模型以及数字正射影像图、高程模型、表面模型等数据。其在获取等具有明显优势，无人机航空倾斜摄影测量能够快速获取灾害体尤其是人无法到达区、高陡危岩带、高位滑坡泥石流的高清影像和三维模型，能够直观展示灾害体的详细信息，成图精度高。
　　LiDAR技术能够直接得到真彩色三维激光点云数据。相对于传统的摄影测量，LiDAR不仅能够提供高分辨率、高精度地形地貌等三维影像，同时由于LiDAR的多次回波技术，可穿透地面植被，通过滤波算法有效去除地表植被而获取真地面高程数据，为在植被覆盖山区开展地灾调查提供新的技术方法[2]。
　　3.3 地质灾害地面调查和隐患核查
　　通过天-空技术手段进行的地质灾害普查还需要地面调查来验证。地质灾害调查将采用穿越法与追索法相结合的方法。地质灾害调查参照相关规范、技术要求，地质灾害调查内容主要为：（1）查明各类地质灾害的数量、规模，分布规律及危害状况;（2）调查潜在地质灾害的分布地段、灾害性质、规模及危害程度;（3）调查地质灾害形成的地质环境条件、人类工程活动的影响;（4）调查、分析地质灾害的发展趋势，提出防治对策建议。
　　在典型地质灾害隐患点、斜坡勘查中采用钻探，滑坡隐患点钻探为评价滑坡的稳定性提供有关参数，斜坡勘查钻探以揭露斜坡的地质结构为目的。探槽、浅井为配合野外地面调查进行。地质灾害调查采用的主要物探方法包括电法、电磁法、地震波法、声波法和地球物理测井，根据不同地质灾害类型调查需要，因地制宜选择物探方法。此外，开展相应岩土体物理力学测试与试验。
　　3.4 基于传感器技术的地质灾害监测预警
　　通过地面调查核查出的危害性大的地质灾害，对地质灾害体安装传感器进行监测预警。对于滑坡，通过天-空-地技术手段得到的其变形速率较大或进入到加速变形阶段时，在地面安装雨量计、GNSS、裂缝计等传感器，在滑坡体内部安装钻孔倾斜仪、含水率监测、压力盒、地下水位计等传感器进行监测。监测雨量、位移、应力、含水量、水位等指标，将监测得到的数据远程实时无线传输给研究人员，分析处理以对滑坡的发生时间作出准确及时的预警预报。
　　4 存在的问题与思考
　　天-空-地-内一体化技术在地质灾害调查中的应用不断深入和广泛，对其存在的问题和思考总结如下：
　　（1）光学遥感解译容易造成误判，同时受天气影响较大，在云雾天气不能获取有效影像。因InSAR 技术得到的有效干涉点有限，不能覆盖地质灾害体范围的全部，如果滑坡的形变速率过快，会导致失相干，对地质灾害隐患不能进行有效探测。另外InSAR 技术对于变形迹象不明显、形态不完整的地质灾害识别较为困难。多数据融合将成为InSAR技术将来的发展趋势，能够解决InSAR数据干涉去相干与几何畸变问题[5-6]。
　　（2）机载LiDAR对野外测图作业条件要求苛刻且成本高昂，不适合范围较大的地质灾害隐患识别。无人机倾斜摄影测量在应用中存在像在高山峡谷区GPS信号差，無人机飞手视线受阻无法选择合适起飞地点的飞行安全问题，定位精度，网络通信，天气等多方面问题。
　　（3）我国目前采用集成研发和优化改进相结合的方式，遵循适用原则，研发了雨量计、土壤含水率计、裂缝计、GNSS（全球导航卫星系统）、倾角计和加速度计等普适型地质灾害监测预警设备，提高地质灾害监测预警专业技术水平。
　　5 结束语
　　综上所述，将高分辨率光学遥感、InSAR技术，无人机航拍、LiDAR技术、集成研发和优化改进的各类传感器等天-空-地-内一体化技术在高寒艰险山区的地质灾害隐患普查调查和监测预警中的进行应用，对天-空-地-内一体化技术在地质灾害调查监测应用中存在的问题进行总结思考，对存在的关键科学技术问题进行研究解决和突破，提高我国地质灾害调查与监测的科技水平。
　　参考文献：
　　[1]自然资源部.2019年全国地质灾害灾情及2020年地质灾害趋势预测[Z].北京：中国人民共和国自然资源部，2020，1.
　　[2]许强，董秀军，李为乐.基于天-空-地一体化的重大地质灾害隐患早期识别与监测预警[J].武汉大学学报，2019，44（7）：957-966.
　　[3]魏云杰，邵海，朱赛楠，等.新疆伊宁县皮里青河滑坡成灾机理分析[J].中国地质灾害与防治学报，2017，28（4）：22-26.
　　[4]邵海，魏云杰，黄喆，等.新疆伊宁克孜勒赛黄土滑坡堵溃型泥石流成灾模式[J].中国地质灾害与防治学报，2018，29（6）：40-46.
　　[5]陆会燕，李为乐，许强，等.光学遥感与InSAR结合的金沙江白格滑坡上下游滑坡隐患早期识别[J].武汉大学学报，2019，44（9）：1342-1354.
　　[6]李振洪，宋闯，余琛，等.卫星雷达遥感在滑坡灾害探测和监测中的应用：挑战与对策[J].武汉大学学报，2019，44（7）：967-979.
　　[7]冯华锋，李科学.关于强烈地震灾后山区地质灾害防治工作的几点思考[J].科技创新与应用，2019（5）：62-64.
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