地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價與監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的發(fā)展與展望

李新斌，田 輝，韓朝輝，趙 浩，朱一龍，丁廉超，趙 超

（中國地質(zhì)調(diào)查局 西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心，陜西 西安 710100）

我國國土面積廣袤，山地丘陵多，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，構(gòu)造活動頻繁，是全球地質(zhì)災(zāi)害最嚴重、威脅人口最多、防范難度最大的國家之一。據(jù)調(diào)查，我國地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)面積121萬平方千米，中易發(fā)區(qū)面積273萬平方千米，高中易發(fā)區(qū)面積占陸域國土面積40以上，主要分布在青藏高原、云貴高原、黃土高原、秦巴山區(qū)、湘鄂桂山區(qū)、天山和太行山區(qū)、東南沿海和遼東山地丘陵等地區(qū)。截至2020年底，全國已發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害隱患點330749處，潛在威脅1367萬人和6209億元財產(chǎn)的安全。按類型劃分為滑坡176851處、崩塌96293處、泥石流35403處、其他類型地質(zhì)災(zāi)害22202處。按險情等級劃分為特大型1751處，威脅296萬人；大型4795處，威脅175萬人；中型36498處，威脅420萬人；小型287705處，威脅476萬人。長期以來，各類地質(zhì)災(zāi)害對國民生產(chǎn)生活和財產(chǎn)安全造成了重大危害。

地質(zhì)災(zāi)害是指在自然或者人為因素的作用下形成的，對人類生命財產(chǎn)造成的損失、對環(huán)境造成破壞的地質(zhì)作用或地質(zhì)現(xiàn)象[1]。在中國，地質(zhì)災(zāi)害已成為危害人類生命財產(chǎn)安全、人文建設(shè)活動甚至休閑活動無法回避的重要問題[2]。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育分布及其危害程度受多種因素制約，其中又以地形地貌、巖土體工程地質(zhì)類型、水文地質(zhì)條件、構(gòu)造運動的強度與方式、氣候氣象、植被條件及人類經(jīng)濟工程活動關(guān)系最為密切[3]。

中國在構(gòu)造位置上處于喜馬拉雅構(gòu)造帶和環(huán)太平洋構(gòu)造帶聚匯部位。印度板塊、歐亞板塊和太平洋板塊的共同作用下，中國大陸及陸緣發(fā)生了一系列的碰撞擠壓、拉伸及剪切應(yīng)變，使整個中國大陸形成了一盤破碎鑲嵌的塊體組構(gòu)[4，5]，其中青藏高原的隆起和華北及松遼沉降平原形成了西高東低的強烈地勢反差，構(gòu)成了中國大陸構(gòu)造和地形的總體特征，也是中國地質(zhì)災(zāi)害種類繁多、長期高發(fā)和破壞力強的根本原因。同時中國疆域遼闊、歷史悠久、人口眾多，近40年來工業(yè)化飛速發(fā)展，林、草、濕、水、土、礦等自然資源開采利用模式粗獷，破壞了原有生態(tài)和地質(zhì)力學(xué)平衡狀態(tài)，加之我國氣候復(fù)雜多樣，具有顯著的經(jīng)度和緯度分帶性，在21世紀以來全球氣候變化的背景下極端天氣頻發(fā)[6]，加速了以水為主的自然資源平衡條件和巖土構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)的破壞，誘發(fā)并加劇了地面沉降、地面塌陷、地裂縫、水土流失、土地沙化、土地鹽漬、沼澤化、崩、滑、流、礦山災(zāi)害等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育和危害。

近年來，國內(nèi)外相關(guān)單位在地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查評價及監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)域開展了眾多卓有成效的研究工作，取得了豐碩的成果，“地質(zhì)災(zāi)害”已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個專門的學(xué)科。但地質(zhì)災(zāi)害通常是地質(zhì)因素、引發(fā)條件耦合作用和承災(zāi)對象遭遇的結(jié)果，其從孕育到發(fā)生再到破壞是一個動態(tài)的過程。未來半個世紀將仍是我國經(jīng)濟快速發(fā)展的階段，城市的擴張和大規(guī)模的基建對自然資源的開發(fā)需求仍將持續(xù)攀升，隨之而來的災(zāi)害地質(zhì)環(huán)境問題依然不容忽視。海岸帶海水入侵破壞地下水生態(tài)環(huán)境,降低海岸帶土壤質(zhì)量，侵蝕破壞城市地下設(shè)施，但每年的入侵速率僅在米級；地下水超采誘發(fā)的華北平原地面沉降，年沉降速率在毫米量級；崩、滑、流等調(diào)查監(jiān)測必須做到動態(tài)長期、精細定量；洪澇災(zāi)害的監(jiān)測需要以分鐘為間隔進行不間斷監(jiān)測評估。現(xiàn)有常規(guī)技術(shù)手段和調(diào)查評價思維難以應(yīng)對諸如上述的各類地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查監(jiān)測預(yù)警需求，必須持續(xù)提升地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價和監(jiān)測預(yù)警研究力度，推動地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警理論研究和技術(shù)方法再上新臺階。

1 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價技與監(jiān)測預(yù)警技術(shù)主要研究進展

從20世紀90年代以來，針對我國各類災(zāi)情形勢，相關(guān)科研院所一大批專家人才從不同技術(shù)領(lǐng)域開展了一系列地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價和監(jiān)測預(yù)警的相關(guān)研究工作。黃潤秋在工程巖石高邊坡穩(wěn)定性評價及崩滑地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測與防治領(lǐng)域做了大量工作[7]；劉傳正從防災(zāi)減災(zāi)的角度提出了區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害“發(fā)育度”“潛勢度”“危險度”和“危害度”等“四度”遞進分析理論方法，并將其成功運用于四川雅安地區(qū)及三峽庫區(qū)防災(zāi)減災(zāi)實踐，并科學(xué)哲學(xué)角度提出了地質(zhì)災(zāi)害防治研究的認識論與方法論[8]；許強在西部山區(qū)大型滑坡潛在隱患早期識別與監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得了重大突破[9]；張茂省針對我國黃土高原地質(zhì)災(zāi)害特征在黃土地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警和風(fēng)險評估方面取得了重大突破[10]。

目前地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價和監(jiān)測預(yù)警技術(shù)主要可分為航空-航天對地監(jiān)測技術(shù)、地面-井中測量調(diào)查監(jiān)測技術(shù)及其他調(diào)查監(jiān)測技術(shù)三大類。航空-航天對地調(diào)查監(jiān)測技術(shù)主要包括光學(xué)衛(wèi)星影像、衛(wèi)星定位、航空物探測量、SAR圖像、航空傾斜攝影等；地面-井中測量調(diào)查監(jiān)測技術(shù)主要指地面和井中重、磁、電、震、放等綜合物探測量，地面變形及其他物理量高精度檢測技術(shù)等；其他調(diào)查監(jiān)測技術(shù)如陸基測雨雷達、氣象觀測、三維激光掃描、陸基測雨雷達等相關(guān)技術(shù)。

2 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價與監(jiān)測預(yù)警技術(shù)展望

隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的爆發(fā)，信息科學(xué)技術(shù)將飛速發(fā)展，計算機軟硬件技術(shù)會日益提高，海量數(shù)據(jù)交叉融合綜合分析計算趨于可行，三維可視化技術(shù)愈加成熟，未來的地質(zhì)工作必然要從傳統(tǒng)的依靠肉眼和地面調(diào)查為主轉(zhuǎn)向綜合利用遙感、物探、化探等信息技術(shù)的階段。與地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價監(jiān)測預(yù)警相關(guān)的技術(shù)方法也將進入高精度、實時獲取大數(shù)據(jù)、實時處理高速度、智能化階段。在這一背景下，上述各類技術(shù)方法發(fā)展的深度和廣度都將大幅提高，智能化水平、抗干擾能力、數(shù)據(jù)精度，獲取信息的直觀性、監(jiān)測儀器的可操作性和便攜性都將向好發(fā)展。同時各類調(diào)查監(jiān)測技術(shù)之間所獲取的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)將能夠?qū)崿F(xiàn)深度交叉融合，集成分析，這樣必將大幅提升地質(zhì)災(zāi)害隱患識別的自動化與智能化水平。

2.1 航空-航天對地調(diào)查監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展展望

當(dāng)前用于遙感技術(shù)的光學(xué)傳感器空間分辨率已經(jīng)達到0.31m級，光譜分辨率已經(jīng)可以達到2.3-15nm級，差分雷達干涉技術(shù)（InSAR）已經(jīng)可以監(jiān)測到毫米級別的地地面沉降[11]；高分辨率航空磁、電測量，直升機航空磁、伽馬能譜測量和沿地形起伏低空飛行的高精度航磁測量等技術(shù)已趨于成熟。但各類技術(shù)的智能化操控、實時大數(shù)據(jù)傳輸、處理反演與可視化與地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查監(jiān)測預(yù)警所需求的實時高精度動態(tài)計算與傳輸仍有較大差異。

今后，發(fā)展以高分辨率光學(xué)遙感技術(shù)、更高精度InSAR地表形變監(jiān)測、更高精度DEM高程分析為主要手段的地質(zhì)災(zāi)害智能調(diào)查監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，將是航空-航天對地災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查監(jiān)測技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。進一步提升航空重、磁、電綜合物探測量的分辨率和施工環(huán)境適應(yīng)能力，實現(xiàn)全天候、全地形低空無人機航空綜合物探作業(yè)能力也是提升地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的又一重要方向。

2.2 地面-井中測量調(diào)查監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展展望

差分GPS精確定位變形監(jiān)測技術(shù)、光纖故障定位監(jiān)測技術(shù)和地面高精度綜合物探監(jiān)測技術(shù)將是實現(xiàn)崩滑流類地質(zhì)災(zāi)害變形實時動態(tài)監(jiān)測的核心技術(shù)。未來地面-井中測量調(diào)查監(jiān)測技術(shù)正處于從人力現(xiàn)場測量向?qū)崟r自動化傳輸、從地質(zhì)災(zāi)害單點監(jiān)測向全災(zāi)區(qū)整體監(jiān)測、從單一監(jiān)測手段向高分辨率、多參量、多尺度、精細化和智能化的海量數(shù)據(jù)融合處理立體監(jiān)測的過度階段。

2.3 其他調(diào)查監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展展望

用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查監(jiān)測的其他技術(shù)如地面合成孔徑干涉雷達技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、陸基測雨雷達等相關(guān)技術(shù)在新的發(fā)展時期也將趨于智能化。

地面合成孔徑干涉雷達技術(shù)是一種針對地面位移的遙感測量方法，可以在無需接觸任何斜坡的情況下實現(xiàn)對斜坡范圍、位移程度、運動機制、含水率和分布狀態(tài)的測量，這一方法能夠克服機載干涉測量的相關(guān)限制和干擾因素，但是也受到監(jiān)測區(qū)域地表植被和能見度的影響。更高的環(huán)境適應(yīng)能力、更快的獲取變形數(shù)據(jù)能力以及實時數(shù)據(jù)傳輸與運算能力將是這一技術(shù)未來的突破方向。

三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對目標地質(zhì)體進行整體或局部的全自動高精度三維坐標數(shù)據(jù)測量，掃描結(jié)果能夠反映細微地物的三維形態(tài)特征，具有測量速度快，結(jié)果直觀的優(yōu)點。但其測量精度受大氣折射和場地通視情況的限制，進一步縮小掃描間距、提高全地形掃描工作能力是三維激光掃描技術(shù)的重點發(fā)展方向。

陸基測雨雷達又稱氣象監(jiān)視雷達，是利用大氣層中雨滴、冰晶、雪花等對電磁波的散射作用來探測大氣降水或云中大滴的濃度、分布和演變。當(dāng)前陸基測雨雷達成本高昂，氣象數(shù)據(jù)均由國家發(fā)布，獲取數(shù)據(jù)存在一定時差，降雨是地質(zhì)災(zāi)害最主要的誘因之一，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警部門能夠?qū)崟r獲取氣象數(shù)據(jù)將更有利于提升災(zāi)害預(yù)警可靠性。

2.4 技術(shù)融合

建立以遙感為主要信息源的地質(zhì)災(zāi)害快速調(diào)查技術(shù)方法體系，深度融合高精度航空物探、地面物探、氣象監(jiān)測、鉆探和化探等技術(shù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)海量多源異構(gòu)技術(shù)數(shù)據(jù)的交叉融合，實時綜合處理解譯，是真正意義上實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害全方位動態(tài)監(jiān)測預(yù)警的標志（圖1）。

圖1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)深度融合地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系

構(gòu)建面向地質(zhì)災(zāi)害隱患識別應(yīng)用的知識庫及地表要素目標特征數(shù)據(jù)集，形成多源異構(gòu)對地觀測信息的地質(zhì)災(zāi)害隱患訓(xùn)練樣本庫，提升地質(zhì)災(zāi)害隱患識別的自動化與智能化水平。建立多期次高精度地質(zhì)災(zāi)害遙感調(diào)查技術(shù)方法，InSAR數(shù)據(jù)地質(zhì)災(zāi)害變形觀測技術(shù)方法，單體崩塌或滑坡無人機精細化建模、數(shù)據(jù)提取及快速查評技術(shù)，建筑、構(gòu)筑等承災(zāi)體遙感提取理論與算法技術(shù)，LIDAR多次回波技術(shù)去除植被的理論方法，構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害快速調(diào)查技術(shù)方法體系。

為更好的發(fā)展災(zāi)害地質(zhì)學(xué)，支撐國家防災(zāi)減災(zāi)戰(zhàn)略實施。還必須深入研究總結(jié)各類地質(zhì)災(zāi)害的動力學(xué)特征，變形致災(zāi)機理。還必須著力建設(shè)全國乃至全球地質(zhì)災(zāi)害樣本數(shù)據(jù)庫，打造災(zāi)害地質(zhì)學(xué)科研平臺，針對滑坡、崩塌、泥石流等典型地質(zhì)災(zāi)害，建立基于地質(zhì)災(zāi)害普適型監(jiān)測預(yù)警設(shè)備的預(yù)警模型及指標體系。打造重特大地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置技術(shù)體系，對應(yīng)籌備針對各類典型地質(zhì)災(zāi)害行之有效監(jiān)測預(yù)警裝備及數(shù)據(jù)處理體系。。

2.5 信息方法技術(shù)研究

人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等通用信息處理技術(shù)也將是推動地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價和監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系建設(shè)的重要方面。研究將復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)、圖像自動識別等人工智能技術(shù)，應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價監(jiān)測預(yù)警實踐中，帶動傳統(tǒng)探測、觀測和監(jiān)測設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化、智能化改造，構(gòu)建由衛(wèi)星通信、互聯(lián)網(wǎng)、業(yè)務(wù)專網(wǎng)等多網(wǎng)融合、全覆蓋、高帶寬低延遲的高效網(wǎng)絡(luò)通信體系，滿足對地立體動態(tài)觀測數(shù)據(jù)傳輸處理需求。推進海量數(shù)據(jù)全自動動態(tài)集成、分布式存儲、整體性組織、高效系統(tǒng)調(diào)度互操作、大規(guī)模并行計算、融合分析與可視化等大數(shù)據(jù)技術(shù)，對來源分散、格式多樣的海量原始數(shù)據(jù)、各技術(shù)方法監(jiān)測數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)、融合分析，利用數(shù)值模擬進行不同數(shù)據(jù)資料的同化分析和再分析，以期達到地質(zhì)災(zāi)害全自動識別、預(yù)報。

3 結(jié)語

信息科學(xué)技術(shù)的大爆發(fā)時代，災(zāi)害地質(zhì)學(xué)的發(fā)展正面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。地質(zhì)大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新興科學(xué)技術(shù)必將深刻影響地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價和監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的發(fā)展。未來災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集和分析將進入全天候、全方位、全自動的智能化、模型化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展階段，智能調(diào)查監(jiān)測、實時獲取多參量大數(shù)據(jù)、實時高速度關(guān)聯(lián)融合處理多源異構(gòu)數(shù)據(jù)、全自動識別、高精準自動預(yù)報。