張 勤，黃觀文，楊成生

長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中的精密空間對地觀測技術(shù)

張 勤，黃觀文，楊成生

長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054

21世紀(jì)以來，隨著世界環(huán)境惡化和人類活動(dòng)劇烈，地質(zhì)災(zāi)害呈現(xiàn)頻發(fā)態(tài)勢，精密對地觀測技術(shù)成為其監(jiān)測預(yù)警的重要手段。本文首先介紹了常見地質(zhì)災(zāi)害特點(diǎn)和監(jiān)測方法，并對InSAR、LiDAR、高分遙感和GNSS 4種技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用進(jìn)行了闡述，其次對高精度空間監(jiān)測技術(shù)融合進(jìn)行了綜述和展望，最后對未來地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)趨勢進(jìn)行了總結(jié)。

地質(zhì)災(zāi)害；大地測量；空間技術(shù)；監(jiān)測預(yù)警；GNSS；InSAR

地質(zhì)災(zāi)害是在內(nèi)、外動(dòng)力或人為動(dòng)力作用下，地球發(fā)生異常能量釋放、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、巖土體變形位移以及環(huán)境異常變化等，對人類生命財(cái)產(chǎn)、環(huán)境造成破壞和損失的地質(zhì)作用(現(xiàn)象)或過程。由于地質(zhì)災(zāi)害具有突發(fā)性、多發(fā)性、群發(fā)性、漸變性及影響持久的特點(diǎn)，其造成危害對人類生活及安全的影響較為突出[1-2]。特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著世界氣候環(huán)境的惡化和人類活動(dòng)能力及范圍的拓展，地質(zhì)災(zāi)害在自然動(dòng)力和人為動(dòng)力的共同作用下，其發(fā)生頻率呈現(xiàn)頻發(fā)態(tài)勢[3]。根據(jù)2017年國土資源部召開的全國汛期地質(zhì)災(zāi)害防治工作會(huì)議公布的數(shù)據(jù)，我國已查明的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)28.2萬余處，威脅人員1782萬，威脅財(cái)產(chǎn)4000多億元。

各類地質(zhì)災(zāi)害中對我國危害最大的是地震災(zāi)害、崩塌、滑坡、泥石流災(zāi)害和土地退化災(zāi)害，其次為地面變形和礦山井巷災(zāi)害。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，全國共有較大型崩塌、滑坡、泥石流災(zāi)害點(diǎn)7000余處，近十多年來，每年造成的死亡人數(shù)近千人，經(jīng)濟(jì)損失上百億元。抽水引起的地面沉降已在全國平原區(qū)的46個(gè)城市發(fā)生，總的沉降面積近50 000 km2，上海、天津、西安、太原的沉降量都已超過1 m。地面沉降造成沿海城市的地面及堤防標(biāo)高降低，導(dǎo)致地面積水和排水不暢，防風(fēng)暴潮能力削弱，以及地基變形和橋梁錯(cuò)斷，并導(dǎo)致了某些城市地面的開裂。地下采空塌陷在我國大型礦區(qū)發(fā)育強(qiáng)烈，礦山井下災(zāi)害廣泛發(fā)生于全國各地的井下開采活動(dòng)中，估計(jì)每年造成的經(jīng)濟(jì)損失超過數(shù)十億元。因此，在我國現(xiàn)代化建設(shè)中，保護(hù)地質(zhì)環(huán)境、防治地質(zhì)災(zāi)害已成為刻不容緩的任務(wù)。

對災(zāi)害的研究由來已久，其研究內(nèi)容主要包括災(zāi)害的調(diào)查與監(jiān)測、機(jī)理反演以及預(yù)測防治等，其中首要任務(wù)是對變形體進(jìn)行高精度、高可靠性和周期性監(jiān)測以獲取其真實(shí)多維度和長時(shí)間序列的變形規(guī)律。因此，開展地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警是進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害減災(zāi)防災(zāi)的一項(xiàng)長期重要基礎(chǔ)工作，也是有效減災(zāi)、防災(zāi)的必要前提[4-5]?，F(xiàn)代空間對地觀測技術(shù)在大范圍地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，可提供大范圍內(nèi)災(zāi)害體連續(xù)準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，極大提高了對地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測與預(yù)警能力。充分利用各種對地觀測技術(shù)，從信息化角度支持防災(zāi)救災(zāi)行動(dòng)，已被列入政府重要工作內(nèi)容。本文將對地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中主要空間對地觀測技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方面的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行論述總結(jié)。

1 地質(zhì)災(zāi)害種類

由于角度與標(biāo)準(zhǔn)不同，地質(zhì)災(zāi)害分類十分復(fù)雜。按照地質(zhì)災(zāi)害形成原因，可分為自然地質(zhì)災(zāi)害和人為地質(zhì)災(zāi)害，前者包括地震、火山、崩塌、斷層錯(cuò)動(dòng)等，后者包括開采沉陷、建筑荷載沉降、工程滑坡等。按照地質(zhì)環(huán)境或地質(zhì)體變化速度，又可分為突發(fā)性和緩變性地質(zhì)災(zāi)害，前者包含地震、崩塌、滑坡、泥石流、地裂縫、地面沉降、地面塌陷，即習(xí)慣上的狹義地質(zhì)災(zāi)害；后者如水土流失、土地沙漠化等，又稱環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害。按照地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)的地理或地貌特征，可分為山地地質(zhì)災(zāi)害，如崩塌、滑坡、泥石流等；平原地質(zhì)災(zāi)害，如地質(zhì)沉降等。按危害程度和規(guī)模大小分為特大型、大型、中型、小型地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情和地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情4個(gè)級等(http:∥www.mlr.gov.cn/zt/dzfz/)。由于突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，如地震、崩塌、滑坡、泥石流等，具有周期短、威脅大、破壞強(qiáng)、成因復(fù)雜等特點(diǎn)，是當(dāng)前地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)的主要研究熱點(diǎn)對象[6]。常見地質(zhì)災(zāi)害的特點(diǎn)及監(jiān)測手段見表1。

表1 常見地質(zhì)災(zāi)害特點(diǎn)及監(jiān)測手段

續(xù)表1

2 高精度地質(zhì)災(zāi)害空間監(jiān)測技術(shù)

傳統(tǒng)地面大地測量技術(shù)方法，如全站儀、水準(zhǔn)儀測量及近景攝影測量等，長期以來在地質(zhì)災(zāi)害形變監(jiān)測和預(yù)警中，發(fā)揮了重要的作用。隨著地質(zhì)災(zāi)害的增多，人類對地質(zhì)災(zāi)害的大范圍監(jiān)測預(yù)警及災(zāi)害監(jiān)測更新的時(shí)效性需求增強(qiáng)，而現(xiàn)代空間對地觀測技術(shù)為大范圍的地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警手段帶來了革命。

2.1 InSAR技術(shù)

合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)(synthetic aperture radar interferometry,InSAR)，是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種空間對地觀測技術(shù)，進(jìn)入21世紀(jì)以后得到廣泛應(yīng)用，尤其是在地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域成為不可或缺的技術(shù)之一。InSAR技術(shù)是利用合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星獲取的同一地區(qū)兩幅復(fù)數(shù)影像來進(jìn)行干涉，由于兩幅影像獲取時(shí)刻衛(wèi)星姿態(tài)不同造成的干涉相位差中包含了衛(wèi)星到地面點(diǎn)的距離信息，因此可以用來測量地面點(diǎn)三維位置和變化信息[7]。常規(guī)差分合成孔徑雷達(dá)干涉測量(differential-InSAR,D-InSAR)技術(shù)主要受到時(shí)間失相干、空間失相干和大氣延遲等因素影響，使得其監(jiān)測精度和應(yīng)用受到了限制。先進(jìn)InSAR時(shí)序分析技術(shù)的發(fā)展，如永久散射體技術(shù)(persistent scatterers InSAR,PS-InSAR)、相干點(diǎn)目標(biāo)方法(coherence point target InSAR,CPT-InSAR)、臨時(shí)相干點(diǎn)(temporal coherence point InSAR,TCP-InSAR)、短基線集方法(small baseline subset,SBAS)和SqueeSAR技術(shù)等，大大削弱了上述限制因素影響，提高了InSAR形變監(jiān)測的精度，并被用于監(jiān)測眾多精細(xì)地球物理現(xiàn)象。差分層析SAR技術(shù)(differential SAR tomography,D-TomoSAR)使合成孔徑雷達(dá)具備了方位-距離-高度-時(shí)間四維成像能力。StaMPS(2007)和SqueenSAR技術(shù)(2011)的提出進(jìn)一步增加了InSAR在農(nóng)田區(qū)域的可監(jiān)測點(diǎn)數(shù)密度。2016年S.V.Samsonov提出了多維短基線集技術(shù)MSBAS(multidimensional small baseline subset)，實(shí)現(xiàn)了多傳感器數(shù)據(jù)聯(lián)合提取地表二維形變場時(shí)間序列。

在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方面，文獻(xiàn)[7]首次論證了D-InSAR技術(shù)用于探測厘米級的地表形變的可能性。文獻(xiàn)[8]獲取了世界上第1幅InSAR地震形變觀測結(jié)果，并在1993年的《Nature》雜志上發(fā)表了美國Lander同震干涉圖，為地震形變觀測開辟了新途徑，極大地引起了全球地學(xué)界對InSAR技術(shù)的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[9]首次利用InSAR技術(shù)獲取了意大利Etna活火山巖漿收縮過程中的地表形變。文獻(xiàn)[10]最早利用InSAR技術(shù)對荷蘭地區(qū)由天然氣開采引起的地面沉降進(jìn)行了監(jiān)測。InSAR最早成功用于滑坡形變監(jiān)測可追溯到文獻(xiàn)[11]利用ERS衛(wèi)星對法國南部saint-Etienne-de-Tinee滑坡進(jìn)行監(jiān)測。1996年Carnec等利用差分干涉測量觀測地下煤礦開采造成的地面沉降。此后隨著InSAR處理技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域的逐漸拓展，InSAR技術(shù)既可監(jiān)測包括自然因素引起的地震、火山、冰川消融等不同時(shí)間段形變，也可監(jiān)測包括人類活動(dòng)或與自然因素共同作用引起的地面沉降、地裂縫、崩塌、滑坡、泥石流、采礦塌陷等。如文獻(xiàn)[12]利用InSAR和GPS數(shù)據(jù)，通過模型比較與分析，獲取了對美國San Andreas斷裂高分辨率的震間形變結(jié)果；文獻(xiàn)[13]對阿留申群島火山群近20年的火山活動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了InSAR監(jiān)測和模擬研究，對理解該地區(qū)火巖漿力學(xué)機(jī)制以及噴發(fā)災(zāi)害預(yù)報(bào)具有重要意義；文獻(xiàn)[14]利用C、L和X波段的數(shù)據(jù)對太原盆地的地表二維形變場進(jìn)行了監(jiān)測，并分析了監(jiān)測結(jié)果與周圍斷裂、地下水抽取的影響關(guān)系；文獻(xiàn)[15]利用MSBAS技術(shù)對獲取了墨西哥高分辨率的地表二維形變場時(shí)間序列結(jié)果。

目前有多種高分辨率、不同波段、多重訪周期SAR衛(wèi)星的在軌運(yùn)行見表2，進(jìn)一步提高了InSAR技術(shù)的監(jiān)測能力和應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算平臺的地理信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)正在被廣泛研究，屆時(shí)基于InSAR技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害準(zhǔn)實(shí)時(shí)探測和監(jiān)測也將成為可能。

表2 目前在軌的主要SAR衛(wèi)星

2.2 機(jī)載激光雷達(dá)(LiDAR)技術(shù)

機(jī)載激光雷達(dá)(airborne light detection and ranging，LiDAR)系統(tǒng)作為一種新型的航空遙感技術(shù)，集合了激光測距、計(jì)算機(jī)技術(shù)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)GPS差分定位技術(shù)為一身，并通過測量激光脈沖的往返時(shí)間，結(jié)合高精度的定位姿態(tài)數(shù)據(jù)，獲取地面三維激光點(diǎn)云坐標(biāo)。LiDAR技術(shù)具有全天候觀測、強(qiáng)抗干擾、短時(shí)間內(nèi)獲取海量、高精度三維點(diǎn)云的優(yōu)勢，使得快速、低成本、大面積地面測量成為可能，為變化檢測提供了新的研究思路[16-17]。尤其是利用LiDAR技術(shù)能夠生成高精度的DEM，并基于高精度DEM開展地質(zhì)災(zāi)害定性或定量分析。

LiDAR技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用主要基于其對微觀地形的清晰描述。文獻(xiàn)[18]在2000年就已經(jīng)將LiDAR數(shù)據(jù)用于大城市的洪水災(zāi)害模擬和潛在損失評價(jià)。文獻(xiàn)[19]在2003年就已利用LiDAR系統(tǒng)獲取了荷蘭和瑞士全國的DEM數(shù)據(jù)，LiDAR技術(shù)還被成功地用于美國Minnesota州藍(lán)地河沿岸從2001年到2002年的河灘侵蝕災(zāi)害，并計(jì)算出了地形受侵蝕的體積。近年來LiDAR技術(shù)的發(fā)展迅速，國內(nèi)學(xué)者在滑坡、危巖體、活動(dòng)斷裂等地質(zhì)環(huán)境領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[20-21]。尤其在滑坡應(yīng)用方面，利用LiDAR DEM提取精細(xì)的地形地貌參數(shù)，借助LiDAR山體陰影圖及坡度和粗糙度圖，能夠準(zhǔn)確地識別滑坡滑動(dòng)的范圍，并準(zhǔn)確圈定出滑坡后緣、滑坡側(cè)緣、滑舌等滑坡要素[22]。同時(shí)結(jié)合多期LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還可對滑坡表面位移進(jìn)行監(jiān)測，獲取滑坡的真實(shí)動(dòng)態(tài)、總體變形趨勢等特點(diǎn)。

機(jī)載LiDAR技術(shù)在應(yīng)用上受到植被及監(jiān)測環(huán)境影響，如滑坡、危巖體表面有大量的植被覆蓋時(shí)，LiDAR無法測量到地形表面，雖然后期可經(jīng)過各種濾波方法進(jìn)行處理，但仍會(huì)對最終成果精度產(chǎn)生影響；其次，遇到云雨等較差天氣時(shí)，LiDAR掃描會(huì)受到限制，形變監(jiān)測精度會(huì)受到影響；另外，LiDAR的應(yīng)用范圍較小，主要側(cè)重于針對性較強(qiáng)的小范圍地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及監(jiān)測，不適用于大范圍地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，且難以捕獲災(zāi)害體前期的微小形變。然而，LiDAR技術(shù)發(fā)展至今，已逐漸成為一種重要的信息獲取技術(shù)，作為一種新型技術(shù)，LiDAR還有很多發(fā)展空間。

2.3 高分辨率遙感技術(shù)

隨著現(xiàn)代航天技術(shù)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，遙感技術(shù)在空間分辨率(spatial resolution)、時(shí)間分辨率(temporal resolution)、光譜分辨率(spectral resolution)及輻射分辨率(radiant resolution)等方面都得到了迅猛發(fā)展，尤其是國內(nèi)外商業(yè)高分辨率遙感衛(wèi)星的相繼發(fā)射，意味將越來越容易、周期越來越短、精度越來越高地獲取同一地區(qū)的高空間分辨率遙感影像。由于高分辨率衛(wèi)星影像包含了豐富的地表物體幾何結(jié)構(gòu)及紋理信息等，能夠直觀、形象、全面地表現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害特征，多時(shí)像遙感影像還能實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展等過程的多視角、多尺度動(dòng)態(tài)觀測，因此高分辨率遙感技術(shù)為地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測研究提供了嶄新的手段。

遙感技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，最早起源于20世紀(jì)70年代。自1972年美國發(fā)射了第一顆陸地衛(wèi)星后，遙感技術(shù)得到了迅速發(fā)展。美國、加拿大、德國等將遙感技術(shù)應(yīng)用在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，通過研究遙感技術(shù)在泥石流、崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與防治方面的特點(diǎn)，較為系統(tǒng)地總結(jié)了不同類型、不同規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害遙感影像的解譯尺度和分類方法，為遙感地質(zhì)災(zāi)害研究提供了權(quán)威的參考。我國學(xué)者利用高分辨率遙感技術(shù)研究地質(zhì)災(zāi)害也取得了許多重要的成果。文獻(xiàn)[23]基于高分辨遙感影像技術(shù)對道路的受損情況進(jìn)行了判別評估；文獻(xiàn)[24]利用美國高分辨“快鳥”遙感影像對昆明東川城區(qū)泥石流災(zāi)害損失評估的途徑和方法進(jìn)行了探討；文獻(xiàn)[25]利用高分辨遙感影像技術(shù)對發(fā)生在四川達(dá)縣巖門村的滑坡進(jìn)行變化解譯。總之，高分遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查、監(jiān)測、預(yù)警及評估中都發(fā)揮著重要的作用，不僅提供了災(zāi)害有關(guān)的數(shù)據(jù)信息，還可以輔助開展地質(zhì)災(zāi)害的治理，是地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)不可或缺的重要手段。

2.4 全球?qū)Ш叫l(wèi)星(GNSS)技術(shù)

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)具有全天候、高精度和自動(dòng)化獲取地表三維坐標(biāo)和速度的能力，且定位速度快、不受站點(diǎn)間通視條件限制，定位誤差不隨時(shí)間積累的特點(diǎn)，在災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[26-28]。GNSS用于災(zāi)害監(jiān)測的作業(yè)方式可分為周期性靜態(tài)測量和連續(xù)性實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量。當(dāng)災(zāi)害體形變速率非常緩慢或者在一定的時(shí)間和空間周期內(nèi)認(rèn)為是穩(wěn)定時(shí)，即可采用周期性靜態(tài)GNSS測量，監(jiān)測周期根據(jù)災(zāi)害體的形變速率而定。GNSS連續(xù)性實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量則是將GNSS接收機(jī)直接安裝在災(zāi)害體上，進(jìn)行連續(xù)觀測，具有較高的時(shí)間分辨率、可以獲取實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)形變結(jié)果。由于GNSS測量需要接收機(jī)同步觀測至少4顆衛(wèi)星，因此在高山峽谷區(qū)、建筑物密集區(qū)及林木茂密區(qū)，監(jiān)測精度和可靠性不能保證。目前GNSS水平監(jiān)測精度較高，可以到3～5 mm，而垂直精度相對較低，約為5～10 mm。文獻(xiàn)[29]通過長時(shí)間連續(xù)GPS地面沉降監(jiān)測并輔以精細(xì)數(shù)據(jù)處理，GNSS高程監(jiān)測精度可提升至3 mm以內(nèi)[29]。

目前地質(zhì)災(zāi)害GNSS監(jiān)測存在硬件成本高、實(shí)時(shí)性差、實(shí)時(shí)監(jiān)測精度低三大技術(shù)瓶頸，隨著中國北斗系統(tǒng)和歐盟伽利略系統(tǒng)逐步建設(shè)和完善，天空可用衛(wèi)星數(shù)超80顆，利用覆蓋面較廣的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和GNSS融合監(jiān)測技術(shù)有望解決上述瓶頸。以滑坡災(zāi)害監(jiān)測為例，依靠移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，GNSS接收機(jī)成本可大幅降低，監(jiān)測數(shù)據(jù)可通過無線網(wǎng)路實(shí)時(shí)回傳服務(wù)中心，對災(zāi)害體監(jiān)測將從傳統(tǒng)周期性轉(zhuǎn)變?yōu)槿旌驅(qū)崟r(shí)監(jiān)測，提供實(shí)時(shí)單歷元解同時(shí)可以并行處理時(shí)段解，保障實(shí)時(shí)性同時(shí)提高解算可靠性。

對于接收機(jī)硬件成本問題，可考慮基于物聯(lián)網(wǎng)思維，引入云平臺加傳感器(云+端)的技術(shù)理念，研究低成本小型化的高精度滑坡監(jiān)測傳感器技術(shù)。對于高精度GNSS融合監(jiān)測技術(shù)，可通過構(gòu)建北斗/GNSS多系統(tǒng)多頻率多手段(PPP/差分/基線)融合定位算法，實(shí)現(xiàn)基于北斗云平臺的實(shí)時(shí)在線高精度監(jiān)測技術(shù)。融合數(shù)據(jù)處理中，應(yīng)充分顧及災(zāi)害監(jiān)測的先驗(yàn)信息和邊界約束，對地形和環(huán)境噪聲進(jìn)行建模，研究復(fù)雜地形的實(shí)時(shí)定位誤差修正技術(shù)，構(gòu)建實(shí)時(shí)監(jiān)測成果可靠性及完備性模型。簡要的GNSS云平臺加傳感器監(jiān)測方案示意圖，如圖1所示。

圖1 GNSS云平臺加傳感器監(jiān)測方案示意Fig.1 GNSS cloud platform and sensor monitoring scheme

3 高精度空間監(jiān)測技術(shù)融合

隨著多類空天技術(shù)的迅猛發(fā)展，多技術(shù)融合在災(zāi)害體識別與監(jiān)測方面得到廣泛重視與實(shí)踐，尤其是在滑坡災(zāi)害應(yīng)用方面。文獻(xiàn)[30]利用差分干涉測量(D-InSAR)、機(jī)載LiDAR和歷史航空影像對加利福尼亞北部鰻魚河流域滑動(dòng)緩慢的大型滑坡進(jìn)行了分析研究，確定并獲得了2007年2月到2008年2月期間5個(gè)大型滑坡平均下滑速率。文獻(xiàn)[31]利用LiDAR數(shù)據(jù)對由地震引發(fā)的滑坡而造成的地形變化進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合航空攝影相片和地形圖提取高分辨率的DEM，計(jì)算了滑坡體積。歐洲空間局資助的SLAM(service for landslide monitoring)項(xiàng)目利用合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量(D-InSAR)，永久散射體(PS-InSAR)，干涉點(diǎn)目標(biāo)分析(IPTA)方法獲取了毫米級精度的地表形變規(guī)律，并結(jié)合傳統(tǒng)光學(xué)影像分析和地質(zhì)分析方法開展滑坡敏感性、危險(xiǎn)性制圖[32-33]；文獻(xiàn)[34]利用PS-InSAR、CR-InSAR、LiDAR、實(shí)時(shí)GNSS及高分遙感技術(shù)對中國西南地區(qū)開展了大范圍的滑坡、危巖體調(diào)查與監(jiān)測研究，取得了較好的實(shí)地驗(yàn)證成果。文獻(xiàn)[35]介紹了歐洲委員會(huì)應(yīng)急響應(yīng)服務(wù)與應(yīng)用項(xiàng)目(SAFER)在利用雷達(dá)和光學(xué)遙感進(jìn)行滑坡調(diào)查與監(jiān)測方面的成果，展示了InSAR與面向?qū)ο蟮挠跋穹治龇椒ㄏ嘟Y(jié)合在不同地質(zhì)環(huán)境下的滑坡監(jiān)測成果。文獻(xiàn)[36]利用PS-InSAR技術(shù)和不同分辨率的LiDAR DEM對意大利Messina省的滑坡進(jìn)行了調(diào)查，分析指出高精度DEM對滑坡判識具有明顯幫助，尤其是在河流流域地區(qū)。基于GNSS、InSAR、無人機(jī)以及其他傳感器監(jiān)測技術(shù)融合，進(jìn)行多尺度點(diǎn)面綜合處理，可實(shí)現(xiàn)災(zāi)害體時(shí)間域和空間域的全覆蓋，融合處理中需要對多傳感器信息可靠性進(jìn)行校驗(yàn)，構(gòu)建多傳感器下統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)多尺度全天候的高精度監(jiān)測信息提取。北斗/多源傳感器的地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測技術(shù)簡要實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

4 總結(jié)與展望

圖2 基于北斗/多源傳感器的地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測技術(shù)Fig.2 The real-time high-precision monitoring technology of geological hazard based on BDS/multi-source sensor

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測是一項(xiàng)復(fù)雜系統(tǒng)工程。隨著航空航天技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，多元化的觀測手段、高性能的觀測系統(tǒng)、先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理理論、迅捷的信息通信、海量的數(shù)據(jù)分析使得地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)發(fā)展將產(chǎn)生新的趨勢：

(1) 多技術(shù)、多學(xué)科、多監(jiān)測手段的集成化趨勢逐漸明顯。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生不僅與地球物理、化學(xué)場有關(guān)，而且還有水文氣象、地貌等自然環(huán)境變化有關(guān)，決定了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測將綜合多種時(shí)空技術(shù)和預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)為一體進(jìn)行綜合監(jiān)測，如集成地球物理、對地觀測技術(shù)、雷達(dá)成像、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等為一體，實(shí)現(xiàn)各技術(shù)間優(yōu)勢互補(bǔ)、信息互通、優(yōu)化集成。

(2) 多維度、多尺度地質(zhì)監(jiān)測成為趨勢。目前地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測已呈現(xiàn)出明顯的多維度化和多尺度化，首先在時(shí)間上，既有地質(zhì)災(zāi)害的瞬間變化監(jiān)測，又有地質(zhì)災(zāi)害的長時(shí)間序列趨勢變化監(jiān)測；在空間上，既有全球化地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)，又有不同區(qū)域甚至微觀的局部監(jiān)測系統(tǒng)；維度上，既有基于單一地球物理屬性的災(zāi)害監(jiān)測，又有基于多種指標(biāo)體系的災(zāi)害監(jiān)測。從而更加有利于掌握地質(zhì)災(zāi)害的大區(qū)域地質(zhì)環(huán)境演變過程及災(zāi)害發(fā)生及變化規(guī)律。

(3) 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)向數(shù)字化、自動(dòng)化、可視化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。傳感器的大量使用，正在使得地質(zhì)災(zāi)害特征的信息采集實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)采集，并通過可視化數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用以生動(dòng)的形式呈現(xiàn)，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可進(jìn)行云存儲(chǔ)、云計(jì)算等，最終實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的信息共享與發(fā)布，從而有效提高地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)防水平。

我國地緣遼闊，各類地質(zhì)災(zāi)害對人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警是減少災(zāi)害的有效途徑?，F(xiàn)代空間對地觀測技術(shù)的應(yīng)用極大拓展了對地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的能力。隨著監(jiān)測預(yù)警新理論、新技術(shù)和新方法的不斷研發(fā)與應(yīng)用，人們對地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的深度和廣度將會(huì)得到進(jìn)一步提升，也為逐步實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測預(yù)警提供重要保證。未來的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、云存儲(chǔ)等基因幾何級的加速發(fā)展將對地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)帶來革命性改變。地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)將具備人工智能，存在于網(wǎng)絡(luò)空間的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)中，各類地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警將更加便捷、高效。

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(責(zé)任編輯：張艷玲)

Precision Space Observation Technique for Geological Hazard Monitoring and Early Warning

ZHANG Qin,HUANG Guanwen,YANG Chengsheng

College of Geology Engineering and Geomatics, Chang’an University, Xi’an 710054，China

Since the 21st century, with the deterioration of the world environment and the intense human activities, geological disasters have been occurred more frequently. Precision space observation technology is an important means for geological disasters monitoring and early warning. In this paper, the characteristics and monitoring methods of common geological disasters are introduced. The technical characteristics and application of InSAR, LiDAR, high resolution remote sensing and GNSS are discussed. The integration of high precision spatial monitoring technology are reviewed and prospected. Finally, the future trends of the geological disaster monitoring and early warning technology are summarized.

geological disasters; geodetic measurement; space technology; monitoring and early warning; GNSS; InSAR

The National Natural Science Foundation of China (Nos. 41731066； 41774025；41628401)；The National Basic Research Program of China (No. 2014CB744703)； The Special Foundation for Earthquake Research (No. 201508009)

ZHANG Qin(1958—), female,PhD，professor,majors in space positioning technology theory and its geological hazard monitoring and early warning application.

YANG Chengsheng

張勤，黃觀文,楊成生.地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中的精密空間對地觀測技術(shù)[J].測繪學(xué)報(bào)，2017,46(10)：1300-1307.

10.11947/j.AGCS.2017.20170453.

ZHANG Qin,HUANG Guanwen,YANG Chengsheng.Precision Space Observation Technique for Geological Hazard Monitoring and Early Warning[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(10):1300-1307. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170453.

P228

A

1001-1595(2017)10-1300-08

國家自然科學(xué)基金(41731066；41774025；41628401)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014CB744703)；地震行業(yè)專項(xiàng)基金(201508009)

2017-08-08

修回日期： 2017-09-11

張勤(1958—)，女，博士，教授，研究方向?yàn)榭臻g定位技術(shù)理論與方法及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警。

E-mail： zhangqinle@263.net.cn

楊成生

E-mail： ycsgps@163.com