空天地一體化應對地災防治難題
——聚焦地質(zhì)災害監(jiān)測預警新技術

◎ 丹妮

我國是世界上地質(zhì)災害最嚴重、受威脅人口最多的國家之一。地質(zhì)災害具有種類多、分布地域廣、特征復雜等特點。為實現(xiàn)習近平總書記“建立高效科學的自然災害防治體系，提高全社會自然災害防治能力”的要求，我國正在按照研究原理、發(fā)現(xiàn)隱患、監(jiān)測隱患、發(fā)布預警“四步”工作方案，針對關鍵領域和薄弱環(huán)節(jié)，提升地質(zhì)災害的風險調(diào)查、重點隱患排查、綜合監(jiān)測、風險早期識別和預報預警等能力。

那么，如何搞清楚“隱患點在哪里”“什么時候可能發(fā)生”等地災防治的核心問題？近日，長安大學地質(zhì)工程與測繪工程學院教授張勤、公路學院道路災害防治研究所副教授李家春等專家，從實踐出發(fā)，談起了我國地質(zhì)災害隱患點早期識別和監(jiān)測預警技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

“三查”體系查出大量地災隱患點

目前，全國范圍內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)災害隱患點有28.2 萬處，威脅約2000 萬人的生命安全和4500 億元的財產(chǎn)安全。

據(jù)統(tǒng)計，我國自20 世紀90 年代起，先后開展了全面系統(tǒng)的地質(zhì)災害詳細調(diào)查和多輪針對災害隱患的拉網(wǎng)式、地毯式排查，由于點多面廣，過去的調(diào)查工作主要以災害隱患點調(diào)查、汛期巡查等方式，圍繞城鎮(zhèn)、重大工程等地區(qū)開展調(diào)查。但由于調(diào)查方法的局限性，近年來發(fā)生的多數(shù)重大地質(zhì)災害事件都不在預案點范圍內(nèi)。李家春介紹說，地表變形有一個尺度和研究范圍的問題，針對不同尺度的監(jiān)測對象和精度要求，要采用不同的監(jiān)測方法。

目前，在地災監(jiān)測預警方面，自然資源部強調(diào)要綜合運用合成孔徑雷達測量、高分衛(wèi)星遙感、無人機航測、機載激光雷達測量等多種新技術手段，進一步提高全國地質(zhì)災害預防水平。這也是著名地質(zhì)災害專家、成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室常務副主任許強教授提出的空天地一體化的“三查”體系。

具體來說，首先借助高分辨率的光學影像和InSAR 識別歷史上曾發(fā)生過明顯變形破壞和正在變形的區(qū)域，實現(xiàn)對重大地質(zhì)災害隱患區(qū)域性、掃面性的普查；隨后，借助機載LiDAR 和無人機航拍，詳細調(diào)查地質(zhì)災害高風險區(qū)、隱患集中分布區(qū)或重大地質(zhì)災害隱患點的地形地貌、地表變形破壞跡象，乃至巖體結(jié)構(gòu)等，實現(xiàn)對重大地質(zhì)災害隱患的詳查；最后，通過地面調(diào)查復核及地表和斜坡內(nèi)部的觀測，甄別并確認或排除普查和詳查結(jié)果，實現(xiàn)對重大地質(zhì)災害隱患的核查。目前使用無人測量船和多波束測深儀等設備，能將這種應用延伸至水域。

據(jù)悉，許強教授團隊已利用空天地一體化的“三查”體系在四川、貴州等省進行示范應用。貴州省利用InSAR、機載LiDAR，對全省高位隱蔽性災害進行專業(yè)排查，發(fā)現(xiàn)新的地質(zhì)災害隱患點2000處，其中高位隱蔽性隱患點近900 處。四川省利用InSAR 與光學遙感相結(jié)合，對6 萬平方千米地質(zhì)災害高風險區(qū)進行清掃式隱患識別，新發(fā)現(xiàn)形變區(qū)840 處，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查復核，具有明顯變形的點超過70%。

需要清醒認識的是，光學遙感、InSAR、激光雷達、無人機攝影測量等現(xiàn)代遙感技術有獨自的優(yōu)勢和能力，但也有各自的條件限制和缺點，所以不能靠單一的技術手段來解決災害隱患識別問題。如何有效結(jié)合，是當下專業(yè)人員面對的課題。

高精度監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)及時預警預報

目前，在地質(zhì)災害的地面和坡體內(nèi)部的監(jiān)測中，位移、應力、含水量、水位、雨量等各種指標的現(xiàn)場自動采集、監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸?shù)燃夹g均已成熟。但客觀地講，目前地質(zhì)災害的預警預報還是一個國際難題，還不可能提前對災害發(fā)生時間準確預報。對大多數(shù)已進行科學、專業(yè)監(jiān)測的地質(zhì)災害體而言，在災害發(fā)生前，提前數(shù)小時、數(shù)分鐘發(fā)出預警信息還是可能的。

2018 年2 月19 日，G108 周至段發(fā)生崩塌，3 萬余立方米土石崩塌而下，造成該段公路瞬間被摧毀，交通被阻斷，所幸李家春指導的團隊提前5 天發(fā)出紅色預警，避免了重大交通損失和人員傷亡。此次成功監(jiān)測預警是陜西省首例，也是公路交通部門通過預警和應急響應成功減災防災的典型案例。

3 月26 日，甘肅省水靖縣鹽鍋峽鎮(zhèn)黨川村發(fā)生了一起黃土滑坡，滑坡體積約2 萬立方米。張勤教授團隊和成都理工大學許強教授團隊聯(lián)合監(jiān)測預警，提前2 天對滑坡發(fā)出黃色預警、提前1 天發(fā)出橙色預警、提前40 分鐘發(fā)出紅色預警，相關單位做好了相應的防范工作，未造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，安裝在滑體上的遠程視頻監(jiān)測裝置記錄了滑坡災害發(fā)生的全過程。

近日，張勤教授團隊利用InSAR監(jiān)測技術檢測到四川涼山州雷波縣一個有幾百戶村民的村莊存在加速滑動滑坡威脅，立即將相關監(jiān)測資料和信息上報自然資源部相關部門，當?shù)卣S即展開了應對措施。

據(jù)李家春介紹，當前全國范圍內(nèi)在群測群防基礎上，通過逐步建立的“全方位、全天候、全要素、全尺度”的監(jiān)測體系獲取了大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，因監(jiān)測對象和監(jiān)測手段的復雜性和多樣性，如何進行現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理，以及根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)建立模型對災害的發(fā)生時間作出及時準確的預警預報，是目前地災防治研究人員面臨的最大挑戰(zhàn)。

他強調(diào)，地質(zhì)災害防治工作是一項涉及面廣、專業(yè)性強的工作，涉及的業(yè)務鏈條長，專業(yè)知識要求高，需在整個過程中對災害機理進行深入研究，結(jié)合數(shù)據(jù)反復研究。

地災防治工作期待更多技術突破

目前，在全國成功的災害預警案例中，依靠專業(yè)地質(zhì)災害早期識別并成功預警的越來越多。一方面，是因為測量學、工程地質(zhì)、遙感地質(zhì)、計算機技術等多個學科人才和技術的融合，另一方面，則是光學遙感、InSAR、激光雷達、無人機航測及各種地面和坡體內(nèi)部觀測數(shù)據(jù)多源數(shù)據(jù)的處理越來越成熟。

李家春認為，全世界歷史上發(fā)生的滑坡或者地質(zhì)災害非常多，但記錄下來的大多只是地質(zhì)災害體體積多大、人員傷亡等宏觀、簡單的數(shù)據(jù)。隨著定量數(shù)據(jù)的積累、大量資金的投入、技術的提升，將形成大量有效的多源地質(zhì)災害監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用人工智能對它們進行自主學習、綜合分析，最大可能地作出準確的預警預報指日可待。

隨著技術的進步，當前的地災監(jiān)測預警方法和手段有了很大的可選用空間。有些高位重大地質(zhì)災害往往地處山體的中上部斜坡陡峭部位，調(diào)查人員難以到達，有些災害隱患甚至處于人跡罕至部位或者無人區(qū)，災害一旦發(fā)生，讓人束手無策。針對這種情況，張勤提出了向這些地區(qū)拋撒傳感器的方案，“既能滿足精度要求，價格又很低，這是以后監(jiān)測傳感器的發(fā)展趨勢”。

甘肅省的突發(fā)性黃土滑坡監(jiān)測預警是利用張勤教授團隊最新研發(fā)的基于云平臺的千元級低成本高精度北斗/GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)的，初步驗證了相關算法和軟件硬件系統(tǒng)的可靠性，這個監(jiān)測預警系統(tǒng)是張勤教授團隊承擔的國家自然基金重點項目“基于空天地技術的滑坡識別與智能監(jiān)測預警”和國家重點研發(fā)計劃項目“特大滑坡實時監(jiān)測預警與技術裝備研發(fā)”的初步研究成果，此次成功預警為后續(xù)開展滑坡等突發(fā)性地質(zhì)災害的監(jiān)測預警和技術裝備研發(fā)奠定了基礎。

在20 余年的研究中，張勤一直在針對遇到的各種問題不斷尋求新的解決方法，并經(jīng)過反復實踐論證，她說：“一定要學會跳出固有思維，不要局限在一個特定領域，視野放開闊。首先要敢想，第二要找難點，肯下功夫就一定會有辦法?！?/p>

在地質(zhì)災害監(jiān)測和預警技術發(fā)展趨勢這個問題上，張勤說：“不要指望科技是一步到位的，遇到問題能夠馬上解決的，我們只要能夠往前推進就好，科學是一代代人努力的結(jié)果，往前推進就有價值，人類的能力也在這個過程中越來越強?！?/p>

地災防治是一場持久戰(zhàn)，很難一勞永逸。自然資源部提出，從2018 年起，力爭用3 年左右時間，完善機制、加大投入建立地災防治體系，提升我國地災防御能力，減少因地質(zhì)災害造成的重大人員傷亡事件。地災監(jiān)測預警是防治體系的重要組成部分，應強化科技支撐，利用現(xiàn)代化技術，建設互聯(lián)互通的國家、省、市、縣地質(zhì)災害監(jiān)測信息預警平臺和應急調(diào)度指揮系統(tǒng)。

中國地質(zhì)災害點多面廣，對于一般性的地質(zhì)災害，人工調(diào)查排查和群測群防必不可少，和專業(yè)監(jiān)測預警有機結(jié)合，相互補充驗證，才能最大限度地發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災害隱患。