基于“北斗+多源遙感”的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系研究

楊志坤，李 雪，陳 曦，吳 雨

（1.四川九洲投資控股集團(tuán)有限公司，四川 綿陽 621000；2.四川九洲北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)有限公司，四川 綿陽 621000）

我國是世界上地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重、受威脅人口最多的國家之一，地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造活動(dòng)頻繁，災(zāi)害隱患多、分布廣，且隱蔽性、突發(fā)性、破壞性強(qiáng)，防范難度大。相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，2022 年，我國共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害5 659 起，造成90 人死亡、16 人失蹤、34 人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失15.0 億元[1]。黨中央、國務(wù)院高度重視地質(zhì)災(zāi)害防治工作，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020 年）》明確指出要加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究[2]；《全國地質(zhì)災(zāi)害防治“十四五”規(guī)劃》指出要采用多方法、分層次手段完善地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)絡(luò)[3]；自然資源部印發(fā)的《2022 年全國地質(zhì)災(zāi)害防治工作要點(diǎn)》提出要強(qiáng)化地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系建設(shè)，有效提高地質(zhì)災(zāi)害防治能力[4]。地質(zhì)災(zāi)害防治是一項(xiàng)事關(guān)人民生命財(cái)產(chǎn)安全、社會(huì)和諧穩(wěn)定及區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全局的重大工程，而地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警作為地質(zhì)災(zāi)害防治工作的重點(diǎn)，開展地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警研究意義重大。

本文在研究分析國內(nèi)外已有地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警手段的基礎(chǔ)上，針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害全方位監(jiān)測預(yù)警需求，提出以北斗和多源遙感為核心的地質(zhì)災(zāi)害全方位監(jiān)測預(yù)警體系，即首先采用時(shí)序InSAR 技術(shù)進(jìn)行大范圍地質(zhì)形變風(fēng)險(xiǎn)周期監(jiān)測，找出形變高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，在此基礎(chǔ)上，采用北斗進(jìn)行形變高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，并結(jié)合高分辨率光學(xué)遙感影像提取的地表覆蓋及其變化信息及區(qū)域地形、氣象、水文等外部資料開展地質(zhì)形變與地表覆蓋變化、氣象、水文等因素內(nèi)在關(guān)系耦合分析，建立基于多源信息的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型，從而為地質(zhì)災(zāi)害防治工作提供技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的方法多種多樣，根據(jù)監(jiān)測方式的不同，可分為人工實(shí)地測量[5]、傳感器在線監(jiān)測[6-7]、激光雷達(dá)遙測[8-10]、無人機(jī)三維攝影測量[11-12]和衛(wèi)星遙感監(jiān)測[13-14]等。其中，人工實(shí)地測量精度高，但其外業(yè)工作量大，周期長，所需人力、物力、時(shí)間成本高，且不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；通過部署北斗/GPS、位移、傾斜等傳感器監(jiān)測設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對(duì)隱患點(diǎn)的高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，但該方式的成本較高且監(jiān)測范圍有限，易存在監(jiān)測盲區(qū)；激光雷達(dá)遙測、無人機(jī)三維攝影測量等手段可實(shí)現(xiàn)地災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的面域監(jiān)測，但其對(duì)設(shè)備、人員的要求較高，操作難度較大；而衛(wèi)星遙感具有廣域無遺漏、信息量豐富、結(jié)果客觀、坐標(biāo)準(zhǔn)確統(tǒng)一、安全高效、共享性強(qiáng)和周期對(duì)地進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢(shì)，但其自身具有不可回避的缺點(diǎn)和局限，例如，星載光學(xué)遙感會(huì)受衛(wèi)星重訪周期和氣候條件的限制，而InSAR 受大氣對(duì)流、地形起伏、植被覆蓋等因素影響較大等。不難看出，各類地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測手段優(yōu)略勢(shì)明顯，單一手段難以滿足大范圍地質(zhì)災(zāi)害的全方位、多角度監(jiān)測預(yù)警需求，因此，融合多平臺(tái)、多層次，多手段的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警研究成為熱點(diǎn)。許強(qiáng)等[15]將高分辨率光學(xué)遙感、衛(wèi)星InSAR、無人機(jī)攝影測量和無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSM）等多種新技術(shù)方法融合，構(gòu)建了滑坡變形破壞全過程的“天－空－地”協(xié)同監(jiān)測技術(shù)體系，為滑坡地質(zhì)災(zāi)害的科學(xué)防范提供一種新的思維范式和經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)；涂寬等[16]將甚高-高分辨率衛(wèi)星實(shí)景三維建模技術(shù)和星載合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量技術(shù)（In－SAR）結(jié)合，開展大范圍地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識(shí)別研究，大大提高了衛(wèi)星遙感地質(zhì)災(zāi)害隱患識(shí)別和監(jiān)測能力及風(fēng)險(xiǎn)防控水平。

2 基于“北斗+多源遙感”的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系

我國地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)多面廣，分布散亂，具有可預(yù)見性差、來勢(shì)兇猛、成災(zāi)速度快、治理難度大、易造成人員傷亡、導(dǎo)致公共財(cái)產(chǎn)或者他人財(cái)產(chǎn)重大損失等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的單一手段監(jiān)測方法越來越難以滿足新時(shí)代防災(zāi)減災(zāi)的實(shí)際需求。為此，筆者在對(duì)比分析國內(nèi)外已有地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警手段的基礎(chǔ)上，提出了以北斗和多源遙感為核心的地質(zhì)災(zāi)害全方位監(jiān)測預(yù)警體系，即首先采用多時(shí)相中分辨率SAR 影像開展大范圍地質(zhì)形變時(shí)序InSAR 面域測量，找出形變高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。在此基礎(chǔ)上，基于多時(shí)相高分辨率SAR 影像，進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域（形變高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)或高植被覆蓋區(qū)）“CR+時(shí)序InSAR”精細(xì)化監(jiān)測，進(jìn)一步明確形變高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)范圍，并通過在關(guān)鍵點(diǎn)位部署北斗監(jiān)測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)形變風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的連續(xù)、實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測。最后，基于高時(shí)空分辨率“北斗+InSAR”形變?nèi)诤媳O(jiān)測結(jié)果結(jié)合高分辨率光學(xué)遙感影像提取的地表覆蓋及其變化信息，以及區(qū)域地形、氣象、水文等外部資料開展地質(zhì)形變與地表覆蓋變化、氣象、水文等關(guān)系的耦合分析，建立基于多源信息的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型，從而實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的早期預(yù)警和主動(dòng)防范。具體技術(shù)流程如圖1 所示。

圖1 基于“北斗+多源遙感”的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)流程

2.1 基于時(shí)序InSAR 的地質(zhì)形變風(fēng)險(xiǎn)面域監(jiān)測

2.1.1 數(shù)據(jù)選擇

地質(zhì)形變風(fēng)險(xiǎn)時(shí)序InSAR 監(jiān)測首先需要選擇合適的數(shù)據(jù)源，目前SAR 衛(wèi)星數(shù)據(jù)源很多，如Sentinel-1、ALOS-2、RADARSAT-2、COSMO-SkyMed、TerraSARX 和GF-3 等，不同類型的SAR 衛(wèi)星影像分辨率、重訪周期、價(jià)格也各有差異。在實(shí)際工作中，通過綜合考慮監(jiān)測區(qū)的各項(xiàng)情況可先選擇中分辨率合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星影像進(jìn)行地質(zhì)形變大范圍面域監(jiān)測，而在形變高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)或植被茂密的區(qū)域，選擇使用分辨率更高的SAR衛(wèi)星影像進(jìn)行更細(xì)致化的測量，從而實(shí)現(xiàn)降本增效。

2.1.2 基于多時(shí)相中分辨SAR 影像的地質(zhì)形變風(fēng)險(xiǎn)時(shí)序InSAR 面域測量

當(dāng)前基于SAR 影像的地質(zhì)形變監(jiān)測方法很多，如D-InSAR、PS-InSAR、SBAS-InSAR 和DS-InSAR 等，為克服去相干和大氣延遲的影響，這里主要基于預(yù)處理后的中分辨率時(shí)序SAR 影像，采用時(shí)序InSAR 技術(shù)（PS-InSAR、SBAS-InSAR 等）進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)形變風(fēng)險(xiǎn)面域監(jiān)測，并通過分析得到的形變結(jié)果分布圖和形變速率變化曲線，劃分地質(zhì)形變等級(jí)，從而為后續(xù)重點(diǎn)區(qū)域基于“CR+時(shí)序InSAR”精細(xì)化監(jiān)測提供參考依據(jù)。

2.1.3 基于多時(shí)相高分辨率SAR 影像的重點(diǎn)區(qū)域“CR+時(shí)序InSAR”精細(xì)化監(jiān)測

基于中分辨率SAR 影像的地質(zhì)形變風(fēng)險(xiǎn)時(shí)序In－SAR 面域測量找出的形變高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)仍然是一個(gè)很大的范圍，同時(shí)，由于地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)于地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、植被茂盛的山區(qū)，地表散射特性較差，而衛(wèi)星InSAR 技術(shù)進(jìn)行該區(qū)域地質(zhì)形變監(jiān)測受植被等的影響較大易出現(xiàn)失相干，從而導(dǎo)致該區(qū)域形變監(jiān)測點(diǎn)很少甚至形變信號(hào)丟失，影響限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。為了獲得更多高質(zhì)量、分布均勻的散射體目標(biāo)，更加精準(zhǔn)地確定地質(zhì)形變高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的范圍，這里擬采用多時(shí)相高分辨率SAR 影像進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域“CR+時(shí)序InSAR”精細(xì)化監(jiān)測的方式來實(shí)現(xiàn)[17]。即通過對(duì)基于中分辨率SAR 影像，采用時(shí)序InSAR 手段找出的地質(zhì)形變高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高植被覆蓋區(qū)布設(shè)角反射器，并基于高分辨率SAR 影像采用“CR+時(shí)序InSAR”技術(shù)進(jìn)行區(qū)域高精度、精細(xì)化詳查測量，同時(shí)，通過對(duì)升、降軌時(shí)序InSAR 監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行融合，從而獲得更為精確的時(shí)序地表形變序列，為后續(xù)“北斗+InSAR”融合監(jiān)測提供有利條件，如圖2 所示。

圖2 基于時(shí)序InSAR 的地質(zhì)形變風(fēng)險(xiǎn)面域監(jiān)測結(jié)果

2.2 基于高時(shí)空分辨率的地質(zhì)形變 “北斗+InSAR”融合監(jiān)測

由于衛(wèi)星對(duì)地觀測具有一定的周期性，基于時(shí)序InSAR 技術(shù)進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)形變監(jiān)測，只能獲得形變?yōu)暮c(diǎn)的周期性監(jiān)測信息，時(shí)效性較低，而北斗雖可實(shí)現(xiàn)災(zāi)害點(diǎn)的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，但其監(jiān)測范圍有限，全域布設(shè)成本高。因此，這里考慮將北斗和InSAR 技術(shù)進(jìn)行融合來實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率地質(zhì)形變監(jiān)測。

首先，基于多時(shí)相SAR 影像采用時(shí)序InSAR 手段開展地質(zhì)形變面域監(jiān)測，而針對(duì)植被覆蓋度高、地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域，通過安裝布設(shè)角反射器輔助時(shí)序In－SAR 測量的方式，獲取區(qū)域大范圍、高精度的形變信息，并進(jìn)一步確定地質(zhì)形變高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的范圍，在此基礎(chǔ)上，選擇關(guān)鍵點(diǎn)位（形變高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、形變趨勢(shì)極速上升或下降的點(diǎn)等），有針對(duì)性地部署北斗監(jiān)測設(shè)備，進(jìn)行高頻、實(shí)時(shí)、自動(dòng)化監(jiān)測，從而獲得監(jiān)測點(diǎn)連續(xù)、實(shí)時(shí)形變信息，多手段聯(lián)合從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)形變隱患的高時(shí)空分辨率自動(dòng)監(jiān)測。這里的北斗可輔助進(jìn)行InSAR 相位解纏，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)序InSAR 的精確幾何定位或地理編碼，同時(shí)，北斗獲取的三維坐標(biāo)還可以作為控制資料精確校正由InSAR 處理得到的變形分布圖，從而消除衛(wèi)星軌道參數(shù)的不確定性和其他系統(tǒng)性的誤差。另外，通過在北斗監(jiān)測點(diǎn)附近安裝角反射器，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)InSAR 監(jiān)測結(jié)果的交叉驗(yàn)證，從而有效提升InSAR 形變監(jiān)測的精度，為后續(xù)的災(zāi)害早期預(yù)警和主動(dòng)防范提供依據(jù)，如圖3 所示。

圖3 基于高時(shí)空分辨率的地質(zhì)形變“北斗+InSAR”融合監(jiān)測結(jié)果

2.3 基于高分辨率衛(wèi)星遙感的地表覆蓋及其變化檢測

地表覆蓋及其變化情況，對(duì)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生具有極其重要的影響，因此定期對(duì)區(qū)域地表覆蓋情況進(jìn)行識(shí)別并對(duì)其變化信息進(jìn)行周期監(jiān)測尤為重要。衛(wèi)星遙感具有監(jiān)測范圍廣、信息量豐富、安全高效、監(jiān)測結(jié)果客觀和便于進(jìn)行周期動(dòng)態(tài)監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，有效助力大范圍地表覆蓋的智能識(shí)別及變化監(jiān)測。

首先對(duì)高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像進(jìn)行幾何校正、影像配準(zhǔn)、輻射校正、大氣校正和圖像增強(qiáng)等預(yù)處理，然后對(duì)各類地表覆蓋信息進(jìn)行特征提取并構(gòu)建樣本庫，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況選擇采用監(jiān)督分類、面向?qū)ο蠓诸?、決策樹分類等方法實(shí)現(xiàn)地表覆蓋信息分類識(shí)別。同時(shí)，基于預(yù)處理后的多時(shí)相高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能算法對(duì)監(jiān)測區(qū)地表覆蓋變化情況進(jìn)行智能提取和動(dòng)態(tài)監(jiān)測，從而為地災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的判別及定位和后續(xù)的災(zāi)害預(yù)警提供參考依據(jù)。

2.4 基于多源信息耦合的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的必然條件是發(fā)生了地表形變，但同時(shí)其還會(huì)受到包括植被、氣象、水文和地形地貌等多種因素的影響?；凇氨倍?InSAR”手段獲取的高時(shí)空分辨率地質(zhì)形變信息及基于高分辨率光學(xué)遙感影像提取的地表覆蓋及其變化信息，結(jié)合區(qū)域地形、氣象、水文等外部資料利用大數(shù)據(jù)挖掘的方法進(jìn)行地質(zhì)形變與地表覆蓋變化、地形地貌、氣象和水文等關(guān)系的耦合分析，篩選出誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主控因素，確定災(zāi)害關(guān)鍵性指標(biāo)，并建立基于多源信息的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型，從而實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的早期預(yù)警和主動(dòng)防范，如圖4 所示。

圖4 基于多源信息耦合的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警結(jié)果

3 結(jié)束語

地質(zhì)災(zāi)害防治是一項(xiàng)事關(guān)人民生命財(cái)產(chǎn)安全的大事，本文在研究分析國內(nèi)外已有地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警手段的基礎(chǔ)上，針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害全方位、高精度、立體化的監(jiān)測預(yù)警需求，提出以北斗和多源遙感為核心的地質(zhì)災(zāi)害全方位監(jiān)測預(yù)警體系，從而有效彌補(bǔ)了單一手段地災(zāi)監(jiān)測全面性不足、預(yù)警精度低等缺點(diǎn)，為更好地防范化解災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)提供了更為科學(xué)的技術(shù)支撐。但是本文僅側(cè)重于進(jìn)行“北斗+多源遙感”的地災(zāi)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系構(gòu)建，后續(xù)需根據(jù)地災(zāi)類型的不同進(jìn)一步剖析其致災(zāi)機(jī)理及演化過程，并重點(diǎn)研究基于多源信息的地災(zāi)預(yù)警模型構(gòu)建方法，從而進(jìn)一步提升地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的效率和精度。