冰川流域孕災(zāi)環(huán)境及災(zāi)害的天空地協(xié)同智能監(jiān)測模式與方向

吳立新，李 佳，苗則朗，王 威，陳必焰，李志偉，戴吾蛟，許文斌

1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.中南大學(xué)地災(zāi)感知認(rèn)知預(yù)知研究室，湖南 長沙 410083

中國大陸冰川十分發(fā)育，西部地區(qū)共有山地冰川48 571條，覆蓋陸地面積51 840.11 km2[1]。山地冰川不僅是局部水循環(huán)和局部氣候的重要調(diào)節(jié)劑，而且是氣候干旱地區(qū)無可替代的水資源。山地冰川壯麗多姿、令人向往，還是獨(dú)特的旅游資源和地理景觀。因此，山地冰川兼具環(huán)境要素、自然資源和地理景觀的多重屬性。但是，山地冰川對全球氣候變化十分敏感。隨著中國西部氣候逐漸由干冷型向暖濕型轉(zhuǎn)變[2]，山地冰川消融加劇，越來越多的冰川及冰川流域正在成為重大災(zāi)害的驅(qū)動(dòng)因子與孕育環(huán)境[3]。

冰川躍動(dòng)是冰川災(zāi)害的一種重要形式，是重力作用下冰川前進(jìn)動(dòng)力和阻力平衡被打破，冰川物質(zhì)快速重布但總質(zhì)量不變的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象[4]。山地冰川躍動(dòng)時(shí)表面流速急劇上升，大量固體物質(zhì)從高海拔位置轉(zhuǎn)移到低海拔位置，進(jìn)而演化成冰崩或冰川泥石流。冰川躍動(dòng)機(jī)制主要分為“熱力學(xué)控制”和“水文學(xué)控制”兩種。其中，“熱力學(xué)控制”是指冰川底部溫度因物質(zhì)累積和摩擦熱達(dá)到壓融點(diǎn)，底部形成潤滑面，基底滑動(dòng)隨著潤滑面擴(kuò)張而持續(xù)增強(qiáng)，直至躍動(dòng)發(fā)生[5-6]?！八膶W(xué)控制”是指冰川底部水壓持續(xù)升高并突破極限而躍動(dòng)[7]。由于冰川體及其下游的冰磧物質(zhì)量巨大，且海拔高、勢能大，冰崩、冰川躍動(dòng)及其引發(fā)的冰川泥石流可直接摧毀和吞噬冰川流域內(nèi)及流域谷口附近的基礎(chǔ)設(shè)施與人居環(huán)境。中國天山、喜馬拉雅山和念青唐古拉山發(fā)育了大量復(fù)合型和海洋型冰川[8]。外部液態(tài)水(包括冰面融水和雨水)進(jìn)入這些冰川底部后，可能導(dǎo)致底部水壓突破臨界值而觸發(fā)冰川災(zāi)害。因此，在藏東南氣候暖濕化背景下，喜馬拉雅山東段和念青唐古拉山的冰川泥石流災(zāi)害頻率會持續(xù)增加。針對冰川流域進(jìn)行災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估與防災(zāi)減災(zāi)，以及在冰川泥石流災(zāi)害發(fā)生后進(jìn)行應(yīng)急處理，已成為國家及當(dāng)?shù)卣块T的重要工作內(nèi)容。

冰川災(zāi)害一般具有鏈?zhǔn)桨l(fā)育特點(diǎn)，現(xiàn)有單一、常規(guī)的地災(zāi)觀測手段[9-10]均無法滿足冰川流域孕災(zāi)環(huán)境及災(zāi)害發(fā)展過程的精準(zhǔn)與完備性監(jiān)測需求。傳統(tǒng)的泥石流監(jiān)測方法，幾乎沒有顧及冰川流域上游復(fù)雜地形和陡峭山坡的動(dòng)態(tài)變化[11]；現(xiàn)有針對地質(zhì)滑坡和礦區(qū)邊坡災(zāi)害的天空地一體化監(jiān)測方法[12-13]，因孕災(zāi)環(huán)境的巨大差異而不能直接或有效應(yīng)地用于冰川流域。在對藏東南典型冰川流域及災(zāi)害實(shí)地考察的基礎(chǔ)上，本文介紹冰川流域孕災(zāi)環(huán)境與災(zāi)害的智能監(jiān)測需求，提出基于天空地協(xié)同的智能化監(jiān)測技術(shù)模式，旨在快速、準(zhǔn)確、全面獲取冰川流域?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)識別和災(zāi)害應(yīng)急處置所需的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)與關(guān)鍵信息，對于推動(dòng)現(xiàn)代測繪技術(shù)在我國西部地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)和交通要道(如川藏鐵路、川藏公路)安全保障工作中的新應(yīng)用，具有重要的科技價(jià)值和戰(zhàn)略意義。

1 冰川流域?yàn)?zāi)害監(jiān)測的技術(shù)難點(diǎn)

波密縣天摩溝是藏東南典型冰川泥石流災(zāi)害發(fā)育點(diǎn)之一。2007年9月4日、2010年7月25—31日、9月5—8日，2018年7月11—15日，天摩溝發(fā)生過大規(guī)模冰川泥石流災(zāi)害，多次嚴(yán)重?fù)p毀由東進(jìn)藏咽喉要道(318國道)。天摩溝流域面積約18 km2，地形極為復(fù)雜險(xiǎn)峻，主溝長7.1 km，溝口海拔2460 m，頂峰海拔5560 m，流域平均坡度39.8°[14]。流域內(nèi)發(fā)育的現(xiàn)代冰川總面積4.7 km2，冰川末端海拔約3800 m[14]。野外科考照片顯示(圖1)：天摩溝冰川上游地形陡峭、積雪豐富、云霧繚繞；冰川厚度大，冰川物質(zhì)與周圍基巖顏色區(qū)別較明顯；冰川流域槽谷空間狹窄，邊坡陡峭；邊坡裸露、質(zhì)地松散，顯性及隱性泥石流物源極為豐富；下游植被茂密，谷口堆積大型扇形堰塞體。由于地形極為險(xiǎn)峻，觀測人員及地面設(shè)備雖可進(jìn)入山谷下游短暫作業(yè)，但極難到達(dá)冰川槽谷中游乃至冰川之上。因此，對于類似于天摩溝這樣的復(fù)雜冰川流域，任何單一的衛(wèi)星遙感、無人機(jī)遙感和地面觀測平臺和技術(shù)手段，均無法實(shí)現(xiàn)時(shí)空連續(xù)覆蓋與精準(zhǔn)可靠監(jiān)測。因此大量復(fù)雜冰川流域?yàn)?zāi)害監(jiān)測是測繪領(lǐng)域有待開辟的新戰(zhàn)場。

圖1 西藏波密縣天摩溝冰川流域及災(zāi)害照片(拍攝于2020年10月)

結(jié)合對藏東南多個(gè)冰川流域與災(zāi)害點(diǎn)的實(shí)地考察結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)與一般地質(zhì)滑坡、泥石流、礦區(qū)邊坡監(jiān)測技術(shù)相比，冰川災(zāi)害監(jiān)測具備以下基本特征：①監(jiān)測范圍更廣，單一冰川流域面積可達(dá)10～103km2；②監(jiān)測對象復(fù)雜，不僅包括位于冰川流域上游的粒雪盆與冰斗冰川、流域中游的冰蝕崖與陡坡、流域下游的槽谷與溜坡，還包括流域內(nèi)的冰磧物、崩滑堆積體、冰磧湖，以及流域谷口的堰塞體等；③監(jiān)測對象極不穩(wěn)定，冰川流域形變速度快、崩塌多，監(jiān)測對象的表面發(fā)射與吸收特性變化大，對遙感監(jiān)測技術(shù)要求更高；④監(jiān)測環(huán)境惡劣，地形復(fù)雜、云霧繚繞，海拔高、溫度低、坡度大，監(jiān)測對象距離人員可達(dá)位置一般超過5 km，有效觀測視場十分窄小。因此，冰川流域孕災(zāi)環(huán)境及災(zāi)害監(jiān)測對天空地網(wǎng)協(xié)同觀測的要求更高、更迫切，亟須發(fā)展智能化協(xié)同觀測技術(shù)。

2 冰川流域可用的現(xiàn)代測繪技術(shù)

現(xiàn)代測繪技術(shù)的快速發(fā)展為山地冰川流域孕災(zāi)環(huán)境與災(zāi)害的智能監(jiān)測提供了可能。本文重點(diǎn)介紹3類可用于冰川流域的測繪技術(shù)，包括：①衛(wèi)星觀測技術(shù)，含合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar,SAR)和光學(xué)遙感技術(shù)；②航空觀測技術(shù)，含無人機(jī)(unmanned aerial vehicle，UAV)熱紅外遙感、UAV光學(xué)遙感和UAV激光雷達(dá)(LiDAR)；③地面觀測技術(shù)，含地基三維激光掃描(terrestrial laser scanning,TLS)、測量機(jī)器人等。本文擇要對以上可用測繪技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 可用的衛(wèi)星遙感技術(shù)

2.1.1 衛(wèi)星SAR技術(shù)

由于SAR衛(wèi)星信號可以穿透云霧、覆蓋范圍廣、分辨率較高，在大面積和長時(shí)段目標(biāo)高程變化觀測方面有明顯優(yōu)勢。通過SAR影像獲取冰川流域的DEM，再與歷史高程數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后差分，可獲取災(zāi)害點(diǎn)冰川厚度變化和邊坡高程變化[9,15]。但是，目前在軌SAR衛(wèi)星大多采用重軌單發(fā)單收干涉模式，受大氣變化、地表散射特征變化以及地表形變影響較大，無法獲取高精度DEM；同步雙軌單發(fā)雙收雖然不受大氣、地表散射特征變化以及地表形變(如冰川流動(dòng))的影響，無須地面控制點(diǎn)即可獲取較高精度DEM，但目前可用的在軌民用星載同步雙軌單發(fā)雙收干涉SAR(interferometry SAR, InSAR)數(shù)據(jù)源僅有TanDEM-X影像，導(dǎo)致觀測時(shí)間不夠靈活。

基于相位信息的差分干涉(differential InSAR,D-InSAR)技術(shù)能獲取地表在雷達(dá)視線向(LOS)的形變觀測值，可用于滑坡形變和冰川運(yùn)動(dòng)監(jiān)測[16-18]，但其受目標(biāo)散射特征變化、形變梯度和大氣變化影響較大[19]。在D-InSAR技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的時(shí)序InSAR技術(shù)(包括基于單主影像的PS-InSAR和基于多主影像的SBAS-InSAR)，通過對多景SAR影像進(jìn)行特定條件干涉組合來削弱大氣變化和時(shí)空去相干對干涉相位的影響，可獲取更高精度的地表形變[20-22]。目前，該技術(shù)監(jiān)測地質(zhì)滑坡和礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性的國內(nèi)外案例雖然較多[10,13,19-20,23-25]，但對目標(biāo)散射穩(wěn)定性要求較高，僅適合簡單地表覆蓋條件，無法用于冰川流域的復(fù)雜地表環(huán)境。相比于D-InSAR技術(shù)，基于影像強(qiáng)度信息的匹配跟蹤技術(shù)(intensity tracking)理論上監(jiān)測精度更低，但受目標(biāo)表面散射變化和形變梯度影響較小，且不受水汽變化影響，適合冰川運(yùn)動(dòng)和大型滑坡監(jiān)測?；趩斡跋駥?，intensity tracking技術(shù)能獲取目標(biāo)在LOS向和方位向的形變觀測值[26-28]；若對同一軌道的多影像對進(jìn)行小基線集強(qiáng)度跟蹤(intensity tracking-SBAS)處理，則可在一定程度上提升時(shí)序形變監(jiān)測精度[29]。雖然該技術(shù)在單一方向上的形變估計(jì)精度不及時(shí)序InSAR技術(shù)，但可基于單個(gè)衛(wèi)星的升軌和降軌影像集獲取真三維形變時(shí)間序列，有利于準(zhǔn)確掌握目標(biāo)動(dòng)態(tài)，是相位失相干時(shí)的形變監(jiān)測有效技術(shù)[30]，在冰川躍動(dòng)和滑坡監(jiān)測方面已有一些成功案例[30-32]。

總體來說，經(jīng)過40多年的發(fā)展，SAR技術(shù)在大氣誤差改正、軌道誤差改正、低相干區(qū)測量、多維形變測量、時(shí)空分辨率改善等方面均取得了長足的進(jìn)步[22]，但由于采用斜距成像方式，SAR技術(shù)(包括intensity tracking在內(nèi))監(jiān)測冰川泥石流災(zāi)害體時(shí)不可避免地受險(xiǎn)峻地形、高坡角和南北坡向限制。

2.1.2 光學(xué)遙感技術(shù)

由于光學(xué)影像紋理清晰，通過對比不同時(shí)期的光學(xué)影像的分類與解譯結(jié)果，可獲取冰川面積、末端位置變化、邊坡裂縫變化、物源種類和面積等信息，為泥石流形成機(jī)制分析提供證據(jù)支持[12,14,28,33-34]?；诳臻g前方交匯原理，光學(xué)遙感攝影測量技術(shù)可從立體像對提取DEM。將攝影測量獲取的DEM與歷史DEM配準(zhǔn)后再差分，也可獲取冰川的厚度變化和邊坡高程變化[35-36]。由于光學(xué)衛(wèi)星立體像對數(shù)據(jù)源豐富，影像幅寬較大，且光學(xué)DEM不受冰面信號穿透影響，目前星載光學(xué)DEM差分是估計(jì)高分辨冰川厚度變化的主流方法[37-40]。但是，光學(xué)信號受云霧干擾，而且冰川積累區(qū)表面的新降雪會導(dǎo)致表面缺乏紋理特征，星載攝影測量技術(shù)可能因立體影像無法匹配而失效。

基于光學(xué)影像的互相關(guān)匹配可獲取目標(biāo)二維形變。類似SAR intensity tracking技術(shù)，光學(xué)影像匹配的核心步驟是尋找主輔影像中的同名點(diǎn)，通過計(jì)算同一框架下主輔影像上同名點(diǎn)之間的坐標(biāo)偏差來獲取目標(biāo)形變量。同名點(diǎn)定位可直接基于像元亮度值進(jìn)行，其原理與SAR影像intensity tracking同名點(diǎn)定位過程相似，也可基于像元亮度值轉(zhuǎn)化的頻率域相位值來開展[41]。得益于星下點(diǎn)成像方式，山地條件下光學(xué)影像比SAR影像的畸變程度小得多。對于陡坡滑移形變和冰川流動(dòng)形變估計(jì)來說，光學(xué)影像匹配比SAR intensity tacking更穩(wěn)健，而且數(shù)據(jù)源更豐富。目前該方法在滑坡和冰川形變監(jiān)測中均有較多應(yīng)用案例[32,42-47]。但是，類似于攝影測量技術(shù)，光學(xué)影像匹配技術(shù)也會因云霧和降雪而失效。

2.2 可用的航空遙感技術(shù)

2.2.1 UAV熱紅外遙感

高位陡峭坡體的凍融風(fēng)化和溝谷邊坡的冰川融水侵蝕，是冰川泥石流災(zāi)害崩滑物源產(chǎn)生的重要原因，而陡峭坡體凍融風(fēng)化程度和溝谷邊坡融水侵蝕程度均與介質(zhì)的滲水率或含水量直接關(guān)聯(lián)。通過現(xiàn)場觀察或多光譜影像分析，一般難以區(qū)分物源區(qū)的含水量、孔隙度與風(fēng)化程度。熱紅外成像技術(shù)利用目標(biāo)與周圍物體之間的亮溫差異，基于紅外輻射能量密度分布進(jìn)行熱成像識別與特性分析。由于水的熱容量和熱傳導(dǎo)性能明顯高于巖土介質(zhì)，太陽照射時(shí)含水或滲水巖土目標(biāo)的溫度上升速度明顯慢于干燥目標(biāo)，尤其慢于破碎及疏松多孔的干燥目標(biāo)。此外，由于水分蒸發(fā)時(shí)需要吸收熱量，導(dǎo)致目標(biāo)表面溫度降低，無熱源時(shí)含水量較高的坡體溫度也比其他部位更低。

基于上述目標(biāo)特性，可利用熱紅外遙感探測滲水的陡峭坡體和凍融風(fēng)化巖體對象，識別物源區(qū)的崩塌隱患體，分析物源區(qū)的風(fēng)化程度和松散程度[48-51]。熱紅外相機(jī)既可架設(shè)于地面，也可搭載于UAV上進(jìn)行長距離成像觀測，作業(yè)方式較靈活，成本較低。但是，熱紅外遙感只能反映崩塌隱患區(qū)的空間分布與變化，無法定量估計(jì)潛在物源體積。

2.2.2 UAV光學(xué)遙感

UAV攝影測量機(jī)動(dòng)靈活、成本低、時(shí)空分辨率高，被廣泛用于地質(zhì)勘查和災(zāi)害監(jiān)測。UAV攝影測量原理與航空攝影測量原理類似，利用共面條件方程來獲取像片間的相對位置關(guān)系：將所有像片納入到統(tǒng)一的空中三角測量模型中，利用UAV配套的RTK信息和少量地面控制點(diǎn)來求解像片的外方位元素；再通過同名點(diǎn)空間前方交會解算像元點(diǎn)的地面坐標(biāo)，生成目標(biāo)區(qū)高分辨率數(shù)字表面模型(DSM)和數(shù)字正射影像(DOM)[52]。通過對高分辨率DOM時(shí)間序列進(jìn)行目視解譯，可初步檢測邊坡地形地貌條件、溝內(nèi)松散物源種類(包括冰磧物、崩滑物源、溝內(nèi)堆積物源[14,53])、物源組成(包括黏土顆粒、砂土顆粒、礫石顆粒[11])和物源移動(dòng)情況，以及邊坡滑移垮塌情況[54-57]。

由于UAV影像的空間分辨率為厘米至分米級(取決于相機(jī)像素與成像距離)，可據(jù)此發(fā)現(xiàn)高分衛(wèi)星難以感知的地表裂紋[58]。通過對UAV影像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)恢復(fù)(structure from motion,SfM)可獲取災(zāi)區(qū)影像三維場景和DSM，估計(jì)滑動(dòng)的物源體積，有助于災(zāi)情調(diào)查[59]。通過差分不同時(shí)期UAV光學(xué)相機(jī)獲取的山谷DSM，可精細(xì)估計(jì)地面高程變化和邊坡形變；若結(jié)合與DSM處于同一格網(wǎng)下的DOM分類結(jié)果，還可定量估計(jì)冰川、崩滑物源、溝內(nèi)堆積物源等目標(biāo)的體積變化，精準(zhǔn)掌握冰川物質(zhì)和溝內(nèi)物源的移動(dòng)情況[60-64]。但是，UAV光學(xué)遙感也受云霧和地表積雪影響，且光學(xué)信號無法穿透植被獲取地面信息。此外，UAV本身還受飛行條件、續(xù)航能力和航高限制，在高山地區(qū)的作業(yè)能力受到制約。

2.2.3 UAV LiDAR系統(tǒng)

現(xiàn)有的UAV LiDAR系統(tǒng)集LiDAR、CCD相機(jī)、GNSS、慣性測量系統(tǒng)于一體，可以精確獲取高分辨DEM、DSM和DOM。因系統(tǒng)自帶定位定向裝置，無須布設(shè)地面控制點(diǎn)，只需在測區(qū)周圍安置1臺以上GPS基準(zhǔn)站即可。LiDAR主動(dòng)發(fā)射激光信號，無須影像匹配而直接獲取地表點(diǎn)三維坐標(biāo)，在夜晚或者地表積雪時(shí)也能工作。由于激光束可穿透稀疏植被(冰川流域植被區(qū)以灌木為主)，LiDAR可獲取邊坡地表三維形態(tài)[65]。若將UAV LiDAR系統(tǒng)獲取的正射影像與三維點(diǎn)云相融合，還可獲取隱患滑坡體輪廓，估算潛在泥石流物源量[12,66-69]。通過差分不同時(shí)期UAV LiDAR獲取的山谷DSM，也可精細(xì)估計(jì)地面高程變化和邊坡形變；若再結(jié)合與DSM處于同一格網(wǎng)下的DOM分類結(jié)果，則可進(jìn)一步估算冰川、崩滑物源、溝內(nèi)堆積物源等目標(biāo)的體積變化[70-71]。但是，UAV LiDAR系統(tǒng)作業(yè)成本較高，其CCD獲取的是小相幅影像，生成DSM和DOM是兩個(gè)獨(dú)立過程，存在二者的匹配問題。此外，UAV LiDAR系統(tǒng)也受水汽云霧影響，對山區(qū)蒸發(fā)水汽的敏感度要大于UAV攝影測量。

2.3 可用的地面觀測技術(shù)

2.3.1 TLS技術(shù)

星載和UAV測量手段在冰川流域陡坡地區(qū)的有效觀測數(shù)據(jù)較少。攜帶較方便的TLS是一種重要的補(bǔ)充測量手段。通過地面掃描獲取目標(biāo)區(qū)的三維位置點(diǎn)云和表面紋理信息，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)三維建模與地物識別[72]。通過配準(zhǔn)和差分不同時(shí)期獲取的TLS點(diǎn)云，可精確估計(jì)冰川末端的厚度變化、溝谷邊坡崩滑量、溝谷邊坡侵蝕量、溝谷內(nèi)堆積物源體積及山谷邊坡形變[65,73-76]。結(jié)合多期TLS和UAV LiDAR觀測數(shù)據(jù)對冰川泥石流災(zāi)害發(fā)生前后溝谷內(nèi)堆積物源體積和邊坡崩滑量變化進(jìn)行精細(xì)估計(jì)，有助于建立冰川流域氣溫、降水與泥石流規(guī)模之間的關(guān)系。但是，TLS信號易受地物遮擋，觀測范圍有限，且需觀測人員攜帶設(shè)備進(jìn)入泥石流溝內(nèi)作業(yè)，受可達(dá)地點(diǎn)、海拔高度和監(jiān)測環(huán)境制約較大。

2.3.2 測量機(jī)器人技術(shù)

測量機(jī)器人也稱自動(dòng)全站儀，可在固定站點(diǎn)連續(xù)觀測工作模式下實(shí)現(xiàn)無人值守、目標(biāo)自動(dòng)識別、自動(dòng)跟蹤觀測與數(shù)據(jù)處理[77]。除全自動(dòng)化外，該技術(shù)比GNSS更為靈活，比TLS更具近實(shí)時(shí)觀測能力，已在工程設(shè)施變形監(jiān)測、邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測等方面得到了較廣泛應(yīng)用[78-80]。利用該技術(shù)固定站點(diǎn)的點(diǎn)群目標(biāo)精密實(shí)時(shí)觀測能力，可以實(shí)現(xiàn)對冰川末端、堆積物源體邊緣、滑塌體、危巖等重點(diǎn)對象或關(guān)鍵特征點(diǎn)的位移變化進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)化觀測，并進(jìn)行崩滑智能預(yù)警。但是，測量機(jī)器人觀測范圍和有效距離受冰川流域的復(fù)雜地形影響，因此需要提前鎖定靶區(qū)并優(yōu)化部署觀測站的位置。

綜上，鑒于山地冰川流域地形地貌、目標(biāo)地物及與監(jiān)測條件的極端復(fù)雜性與多變性，任何單一手段及常規(guī)方法均難以完成冰川流域孕災(zāi)環(huán)境及災(zāi)害的精準(zhǔn)感知任務(wù)。亟須采用智能化技術(shù)、協(xié)同多種現(xiàn)代測繪遙感手段，開展基于天空地網(wǎng)協(xié)同的冰川流域孕災(zāi)環(huán)境與災(zāi)害智能監(jiān)測方法、模式與關(guān)鍵技術(shù)研究。

3 天空地協(xié)同的冰川流域智能監(jiān)測技術(shù)

3.1 監(jiān)測內(nèi)容與質(zhì)量要求

冰川泥石流是冰川流域的典型地災(zāi)現(xiàn)象，其發(fā)生主要包含以下機(jī)制[3,11,14,33,53,81-85]：①強(qiáng)降雨過程中冰川發(fā)生躍動(dòng)/冰崩，移動(dòng)冰體對冰川下游V型溝谷兩側(cè)和底部巖土層產(chǎn)生削蝕作用，觸發(fā)山谷兩側(cè)滑坡或垮塌，碎冰體、冰磧物、崩滑物源、溝道堆積物源組成的固體混合物在雨水和冰川融水沖刷下形成泥石流；②冰川末端大規(guī)模移動(dòng)前進(jìn)，冰體阻塞相鄰山谷的河道，形成堰塞湖，后期冰壩潰決形成山谷洪水，進(jìn)而轉(zhuǎn)為泥石流；③冰川發(fā)生躍動(dòng)或崩塌時(shí)，移動(dòng)冰體摧毀前方冰磧湖的壩體，潰決洪水轉(zhuǎn)化為泥石流；④冰川發(fā)生躍動(dòng)/崩塌后，碎冰體及各種物源組成的混合物堆積在山谷中，后期雨水和冰川融水沖刷使混合物堆積體失穩(wěn)，形成泥石流；⑤冰川融水和寒凍風(fēng)化長期侵蝕高位陡峭山坡，在降雨或其他外力作用下陡崖崩滑，被雨水和冰川融水裹挾而從高處傾瀉而下，形成泥石流；⑥冰川融水長期侵蝕溝谷邊坡，在降雨或其他外力作用下邊坡崩滑，形成臨時(shí)沖溝攔擋壩，隨著水位升高，臨時(shí)壩體潰決，雨水和冰川融水裹挾著各種物源從高處傾瀉而下，形成泥石流。盡管冰川泥石流的發(fā)生條件和普通泥石流一樣，都需要陡峭的地形、豐富的松散固體物源和充足的水源[86]，但冰川泥石流啟動(dòng)的降雨量閾值遠(yuǎn)低于一般降雨型泥石流[14]。此外，由于冰體對河床有鏟削作用、冰川融水對高位陡坡有侵蝕作用，冰川泥石流的物質(zhì)來源途徑比一般降雨型泥石流更多，物源累積更快，危害更大。

冰川在躍動(dòng)/崩塌之前的表面流速會明顯增加，部分冰川還會有明顯的局部增厚和末端前進(jìn)現(xiàn)象，近期發(fā)生了末端躍動(dòng)/崩塌的冰川，其下游的面積和厚度會顯著增加[28]。因此，圍繞冰川主體對象，冰川分布、冰川流速與厚度變化、冰磧湖邊界等是冰川流域孕災(zāi)環(huán)境監(jiān)測的基本要素。此外，冰川周圍高位陡坡的穩(wěn)定性、沖溝邊坡的穩(wěn)定性、流域內(nèi)巖土體的崩滑情況、溝內(nèi)物源的堆積情況等，是冰川流域孕災(zāi)環(huán)境監(jiān)測的重要內(nèi)容。與此相關(guān)的隱患坡體面積與形變速度、崩滑物源體積、冰磧物體積、溝內(nèi)堆積物源體積變化等，也是冰川流域孕災(zāi)環(huán)境監(jiān)測的基本要素。根據(jù)冰川流域監(jiān)測對象的空間尺度和變化幅度，結(jié)合冰川泥石流災(zāi)害研究、過程模擬與風(fēng)險(xiǎn)分析的數(shù)據(jù)要求[32,61-62,76,87-88]，本文總結(jié)了冰川流域孕災(zāi)環(huán)境與災(zāi)害的監(jiān)測對象、幾何要素與質(zhì)量要求，見表1。

表1 冰川流域孕災(zāi)環(huán)境與災(zāi)害的監(jiān)測內(nèi)容與質(zhì)量要求

3.2 天空地協(xié)同內(nèi)涵

針對冰川流域復(fù)雜地形條件和冰川泥石流災(zāi)害的監(jiān)測內(nèi)容與質(zhì)量要求，本文提出冰川流域孕災(zāi)環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測的天空地協(xié)同內(nèi)涵，包括平臺協(xié)同、時(shí)間協(xié)同、參數(shù)協(xié)同和尺度協(xié)同4個(gè)方面。

(1)平臺協(xié)同。首先，需要突破單一手段、單一平臺的局限，構(gòu)建基于天基平臺(高分辨率SAR和光學(xué)衛(wèi)星)、空基平臺(UAV攝影測量、UAV LiDAR和UAV熱紅外)、地基平臺(TLS和測量機(jī)器人)的天空地多平臺立體觀測體系。針對冰川流域地形條件、目標(biāo)特征和監(jiān)測要求，發(fā)揮各平臺優(yōu)勢，進(jìn)行點(diǎn)與面、高精度重點(diǎn)區(qū)和低精度全覆蓋區(qū)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對冰川流域孕災(zāi)環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測基本要素與重要內(nèi)容的全覆蓋，并對各平臺觀測范圍的重疊部分進(jìn)行交叉驗(yàn)證與互補(bǔ)增強(qiáng)，提高時(shí)空覆蓋度和觀測精度。

(2)時(shí)間協(xié)同。在基于衛(wèi)星遙感進(jìn)行冰川流域整體觀測的基礎(chǔ)上，一方面要根據(jù)冰川流域內(nèi)不同隱患區(qū)的災(zāi)害發(fā)育態(tài)勢進(jìn)行監(jiān)測資源優(yōu)化配置，以高效率、低成本、高精度監(jiān)測為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)重要隱患區(qū)與災(zāi)害點(diǎn)的連續(xù)監(jiān)測和聚焦監(jiān)測，近實(shí)時(shí)地獲取災(zāi)害隱患態(tài)勢研判與災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)分析所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與關(guān)鍵信息；另一方面，針對重特大災(zāi)害事件與應(yīng)急搶險(xiǎn)救援行動(dòng)，必要時(shí)要根據(jù)衛(wèi)星過境或者UAV作業(yè)時(shí)間，采用天空，或天地，或空地，或天空地觀測手段同步作業(yè)，確保多平臺觀測結(jié)果相互驗(yàn)證、及時(shí)可靠。

(3)參數(shù)協(xié)同。基于上述天空地測繪遙感手段，協(xié)同獲取冰川流域關(guān)鍵點(diǎn)位、冰川邊界與冰面高程信息，以及冰面正射影像、泥石流物源區(qū)三維場景、DEM、DOM、DSM、熱紅外影像等表觀數(shù)據(jù)，進(jìn)而反演冰川厚度變化、冰川邊界變化、冰川表面流速變化、冰川周圍高位陡坡形變、溝內(nèi)邊坡形變、崩滑物源體積、堆積物源體積變化、冰磧湖/堰塞湖面積變化等空間要素，以及邊坡巖體風(fēng)化程度、物源組成等物理要素，同步獲取冰川流域關(guān)鍵點(diǎn)位的氣溫與降雨數(shù)據(jù)，以及流域及周邊的外部環(huán)境要素(如地震活動(dòng))，以便開展冰川流域?yàn)?zāi)害科學(xué)研究和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析。

(4)尺度協(xié)同。根據(jù)不同任務(wù)需求、不同冰川流域、不同災(zāi)害現(xiàn)象，基于監(jiān)測任務(wù)進(jìn)行大尺度(如藏東南地區(qū))、中尺度(如藏東南交通要道兩側(cè)10～20 km緩沖區(qū))、小尺度(單一冰川流域或?yàn)?zāi)害隱患區(qū))的冰川流域孕災(zāi)環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測資源配置與協(xié)同方案設(shè)計(jì)，既能進(jìn)行大尺度的區(qū)域孕災(zāi)環(huán)境調(diào)查與災(zāi)害隱患排查以及中尺度的危險(xiǎn)流域與災(zāi)害隱患區(qū)鎖定，又能進(jìn)行小尺度的災(zāi)變過程聚焦與災(zāi)害事件應(yīng)急，進(jìn)而從不同時(shí)空尺度有效獲取冰川流域孕災(zāi)環(huán)境的本底信息、災(zāi)變影響因素與驅(qū)動(dòng)因子變化，以及災(zāi)害與災(zāi)情動(dòng)態(tài)變化。

3.3 天空地協(xié)同智能監(jiān)測技術(shù)模式

基于現(xiàn)代測繪遙感手段的天空地協(xié)同監(jiān)測是全面獲取和精準(zhǔn)掌握冰川流域地形地貌、地表形變及災(zāi)害物源信息與變化態(tài)勢的有效手段，但其協(xié)同監(jiān)測方式與數(shù)據(jù)處理過程需要智能化，尤其需要引入相關(guān)知識(包括冰川流域形變特征、冰川泥石流形成與發(fā)育過程、冰川泥石流災(zāi)害鏈演化規(guī)律，以及地質(zhì)巖土知識、自然地理學(xué)知識、氣象水文學(xué)知識、災(zāi)害學(xué)知識等)作為4項(xiàng)協(xié)同的信息基礎(chǔ)與知識引導(dǎo)。本文針對監(jiān)測內(nèi)容、難點(diǎn)與特殊性，提出任務(wù)驅(qū)動(dòng)、知識引導(dǎo)和天空地協(xié)同的冰川流域孕災(zāi)環(huán)境與災(zāi)害智能監(jiān)測技術(shù)模式(圖2)。

圖2 冰川流域孕災(zāi)環(huán)境與災(zāi)害的天空地協(xié)同智能監(jiān)測技術(shù)模式

知識引導(dǎo)和智能規(guī)劃旨在建立科學(xué)有效的天空地協(xié)同智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)可根據(jù)具體任務(wù)需求與冰川流域觀測條件，自動(dòng)搭建天空地協(xié)同觀測方案；進(jìn)而根據(jù)觀測獲得的流域地形、地表形變速度、水汽分布、物源態(tài)勢信息，對觀測資源與協(xié)同作業(yè)模式及時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化；智能化模塊指揮任務(wù)執(zhí)行單元自動(dòng)執(zhí)行協(xié)同觀測方案和動(dòng)態(tài)優(yōu)化，從而降低觀測指揮者的決策難度，提高協(xié)同觀測的科學(xué)性與觀測數(shù)據(jù)的有效性。

3.4 智能監(jiān)測初步方案

顧及觀測區(qū)域的空間尺度與觀測數(shù)據(jù)的時(shí)效性，本文將冰川流域孕災(zāi)環(huán)境與災(zāi)害智能監(jiān)測任務(wù)分為3個(gè)基本類型：A類——面向單一冰川流域?yàn)?zāi)變過程情景模擬的協(xié)同觀測；B類——面向冰川流域群孕災(zāi)環(huán)境差異與風(fēng)險(xiǎn)分析的協(xié)同觀測；C類——面向冰川泥石流災(zāi)害事件應(yīng)急響應(yīng)的協(xié)同監(jiān)測。針對3類基本任務(wù)，提出不同任務(wù)驅(qū)動(dòng)的天空地協(xié)同智能監(jiān)測初步方案：

A類監(jiān)測方案：旨在精細(xì)獲取單一冰川流域孕災(zāi)環(huán)境本底信息與災(zāi)變過程表觀數(shù)據(jù)。顧及相關(guān)監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和表1所列監(jiān)測質(zhì)量要求，協(xié)同監(jiān)測方案為：①通過天基平臺和空基平臺獲取冰川流域地形與地表覆蓋、冰川流速與消融速度——優(yōu)先采用SAR和InSAR技術(shù)獲取冰川流域地形、冰川表面高程、冰面坡度、冰川消融速度，以及冰川躍動(dòng)/崩塌物質(zhì)體積，以光學(xué)遙感技術(shù)進(jìn)行協(xié)同，采用光學(xué)遙感技術(shù)獲取冰川、冰磧湖或堰塞湖面積；②通過空基平臺獲取冰川下游槽谷三維模型，反演沖溝長度、溝床比降、山體坡度等關(guān)鍵孕災(zāi)環(huán)境要素——優(yōu)先使用UAV LiDAR技術(shù)，以UAV光學(xué)影像SfM三維重構(gòu)技術(shù)進(jìn)行協(xié)同；③通過空、地平臺獲取溝內(nèi)冰磧物體積、崩滑物源體積、溝內(nèi)堆積物源體積，判識物源組成——優(yōu)先使用UAV光學(xué)影像SfM三維重構(gòu)技術(shù)估計(jì)物源體積，以UAV LiDA、TLS技術(shù)進(jìn)行協(xié)同，優(yōu)先使用UAV光學(xué)遙感解譯判識物源組成，以野外采樣和地球物理勘探技術(shù)進(jìn)行協(xié)同。

B類監(jiān)測方案：旨在獲取和分析大范圍內(nèi)多個(gè)冰川流域、多個(gè)災(zāi)害要素的長期變化信息。協(xié)同監(jiān)測方案為：①首先，通過天基平臺觀測冰川和冰川湖長期動(dòng)態(tài)變化——優(yōu)先采用SAR和InSAR技術(shù)獲取冰川流域地形、冰川表面高程、冰面坡度、冰川消融速度，以及冰川躍動(dòng)/崩塌物質(zhì)體積，以光學(xué)遙感技術(shù)進(jìn)行協(xié)同，采用光學(xué)遙感技術(shù)獲取冰川、冰磧湖或堰塞湖面積及其邊界長期變化；②其次，對衛(wèi)星觀測結(jié)果進(jìn)行綜合分析，解譯識別危險(xiǎn)冰川流域與災(zāi)害隱患區(qū)；③進(jìn)而，通過天基、空基平臺對危險(xiǎn)流域與隱患區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測——優(yōu)先采用InSAR時(shí)序形變估計(jì)技術(shù)監(jiān)測崩滑隱患區(qū)，以UAV熱紅外災(zāi)變體探測和UAV光學(xué)遙感影像解譯進(jìn)行協(xié)同。

C類監(jiān)測方案：旨在冰川流域?yàn)?zāi)害發(fā)生后及時(shí)為國家及地方政府的應(yīng)急救災(zāi)提供數(shù)據(jù)保障與信息支持。協(xié)同監(jiān)測方案為：①通過天基和空基平臺識別受災(zāi)范圍、受損程度與泥石流堰塞體，確定救災(zāi)處置對象和優(yōu)先級別——優(yōu)先使用高分辨光學(xué)衛(wèi)星影像解譯技術(shù)，以高分辨SAR衛(wèi)星影像解譯和UAV光學(xué)影像解譯技術(shù)進(jìn)行協(xié)同；②通過空基、地基平臺監(jiān)測流域山谷中堆積物源剩余量和分布情況，以及溝谷邊坡穩(wěn)定性，識別災(zāi)害鏈及短期二次災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，確保救援隊(duì)伍安全——優(yōu)先使用UAV光學(xué)遙感SfM三維重構(gòu)技術(shù)調(diào)查山谷堆積物源剩余量和分布，以UAV LiDAR和TLS進(jìn)行協(xié)同，使用UAV熱紅外災(zāi)變體探測技術(shù)確定崩滑隱患區(qū)，優(yōu)先使用UAV光學(xué)/LiDAR DSM差分來精確估計(jì)隱患邊坡的形變量，以測量機(jī)器人形變監(jiān)測進(jìn)行協(xié)同，識別崩滑風(fēng)險(xiǎn)；③通過天基、空基平臺監(jiān)測山谷冰川邊界、厚度和流速變化，確定近期是否存在二次躍動(dòng)可能，識別中長期二次災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，為受損基礎(chǔ)設(shè)施修護(hù)和重建提供時(shí)間節(jié)點(diǎn)信息參考——優(yōu)先使用光學(xué)衛(wèi)星遙感影像解譯和跟蹤冰川邊界變化，以UAV光學(xué)影像解譯進(jìn)行協(xié)同，優(yōu)先使用衛(wèi)星InSAR DEM差分技術(shù)和SAR影像匹配技術(shù)估計(jì)冰川厚度變化和流速變化，以衛(wèi)星光學(xué)DEM差分技術(shù)和影像匹配技術(shù)進(jìn)行協(xié)同，條件允許時(shí)還可采用UAV光學(xué)/LiDAR DSM差分技術(shù)進(jìn)行輔助協(xié)同。

3.5 智能化工作方向

現(xiàn)有的天空地協(xié)同監(jiān)測方法用于復(fù)雜多變的冰川流域孕災(zāi)環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測時(shí)，缺乏智能化技術(shù)，難以滿足實(shí)際需求。需要引入地學(xué)、氣象水文學(xué)和冰川災(zāi)害學(xué)知識，并結(jié)合任務(wù)需求，開發(fā)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的協(xié)同規(guī)劃智能模型、數(shù)據(jù)融合處理智能方法、災(zāi)害態(tài)勢分析智能技術(shù)，形成天空地協(xié)同的智能監(jiān)測系統(tǒng)。為此，本文提出針對不同監(jiān)測任務(wù)的智能化工作方向。

A類任務(wù)：以現(xiàn)場可達(dá)、結(jié)果精準(zhǔn)、成本較低為準(zhǔn)則，根據(jù)冰川流域的具體觀測條件(例如海拔位置、地形地貌、云霧覆蓋、人員及設(shè)備可達(dá)性)、觀測目標(biāo)屬性(例如尺寸大小、形變速度、表面坡度和朝向、表面覆蓋物、表面散射特征穩(wěn)定性)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集質(zhì)量(歷史地形數(shù)據(jù)、存檔衛(wèi)星影像、可編程衛(wèi)星影像)等，以時(shí)空協(xié)同、互補(bǔ)增強(qiáng)為目標(biāo)，構(gòu)建復(fù)合型多目標(biāo)協(xié)同規(guī)劃模型，設(shè)計(jì)多源融合智能算法；突破監(jiān)測資源時(shí)空分配和協(xié)同模式動(dòng)態(tài)優(yōu)化的智能瓶頸，實(shí)現(xiàn)多平臺、多尺度、多參數(shù)協(xié)同智能監(jiān)測，保障冰川流域?yàn)?zāi)害情景模擬所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)獲取。

B類任務(wù)：以作業(yè)便捷高效、時(shí)空覆蓋度高、總體成本低為準(zhǔn)測，結(jié)合區(qū)域地理地貌、地質(zhì)水文及氣象學(xué)知識，構(gòu)建邊際效益最大化協(xié)同規(guī)劃模型；根據(jù)冰川流域群孕災(zāi)環(huán)境的共性特征與個(gè)體差異、冰川泥石流災(zāi)害隱患區(qū)的空間分布與發(fā)育特征等，對有限的時(shí)間、人力、和觀測資源進(jìn)行時(shí)空智能分配，實(shí)現(xiàn)各類觀測資源的應(yīng)用效益最大化，保障冰川流域群孕災(zāi)環(huán)境差異分析與風(fēng)險(xiǎn)識別所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的全面獲取。

C類任務(wù)：以監(jiān)測及時(shí)、要素完備為準(zhǔn)則，結(jié)合災(zāi)害發(fā)生和災(zāi)害鏈時(shí)空演化知識，構(gòu)建時(shí)效性最佳的協(xié)同規(guī)劃模型，設(shè)計(jì)相應(yīng)的智能算法；根據(jù)災(zāi)害點(diǎn)觀測條件、觀測目標(biāo)屬性、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集等，智能分配效率最優(yōu)的傳感器和效果最佳的監(jiān)測模式，對災(zāi)情評估與災(zāi)害態(tài)勢研判亟需的空間信息和關(guān)鍵要素進(jìn)行近實(shí)時(shí)、全覆蓋、高精度監(jiān)測，保障災(zāi)情研判與搶險(xiǎn)救災(zāi)所需關(guān)鍵數(shù)據(jù)的聚焦獲取。

4 結(jié)論與展望

冰川流域地形險(xiǎn)峻、地表覆蓋復(fù)雜，冰川泥石流災(zāi)害危害大、致災(zāi)因素多。冰川流域孕災(zāi)環(huán)境與災(zāi)害的智能監(jiān)測需求迫切，對觀測數(shù)據(jù)的點(diǎn)面融合、時(shí)空互補(bǔ)、參數(shù)增強(qiáng)和精度提升的要求遠(yuǎn)高于地質(zhì)滑坡和露天礦邊坡。充分發(fā)揮現(xiàn)代測繪遙感技術(shù)的各項(xiàng)優(yōu)勢及其協(xié)同能力，構(gòu)建冰川流域孕災(zāi)環(huán)境與災(zāi)害的天空地協(xié)同智能監(jiān)測技術(shù)體系，具有挑戰(zhàn)性與前瞻性。天空地協(xié)同監(jiān)測資源的優(yōu)化配置、觀測工作的任務(wù)驅(qū)動(dòng)、規(guī)劃模型的自動(dòng)生成、監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息融合、災(zāi)害演化的態(tài)勢研判等，均是智能化的重要方向。亟須面向冰川流域的不同監(jiān)測任務(wù)，研發(fā)相應(yīng)的天空地協(xié)同智能規(guī)劃模型、設(shè)計(jì)智能算法、開發(fā)智能平臺，以滿足防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急保障和科學(xué)研究的重大需求。

在氣候暖濕化背景下，藏東南交通要道面臨冰川災(zāi)害嚴(yán)重威脅。圍繞平臺協(xié)同、時(shí)空協(xié)同、參數(shù)協(xié)同、尺度協(xié)同開展藏東南冰川流域孕災(zāi)環(huán)境及冰川泥石流災(zāi)害隱患區(qū)智能監(jiān)測研究，具有典型性與代表性。整合可用的衛(wèi)星遙感、UAV遙感和地基觀測資源，構(gòu)建天空地協(xié)同的智能監(jiān)測技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)冰川流域孕災(zāi)環(huán)境、變化態(tài)勢與災(zāi)害事件智能監(jiān)測，是獲取藏東南減災(zāi)防災(zāi)、風(fēng)險(xiǎn)分析和應(yīng)急處置所需空間基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)的必由之路。隨著質(zhì)量更好、分辨率更高的衛(wèi)星數(shù)據(jù)越來越豐富，功能更強(qiáng)、性價(jià)比更優(yōu)的現(xiàn)代測繪儀器(如UAV-SAR)的不斷涌現(xiàn)，新數(shù)據(jù)新設(shè)備必將在冰川流域孕災(zāi)環(huán)境與災(zāi)害觀測中有用武之地。本文提出的方法與模式也將與時(shí)俱進(jìn)，不斷修正和完善。