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(yáng) 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(yáng) 621000)
我國(guó)是世界上地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重、受威脅人口最多的國(guó)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(guó)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(guó)務(wù)院高度重視地質(zhì)災(zāi)害防治工作,《國(guó)家中長(zhǎng)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(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究[2];《全國(guó)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(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)[3];自然資源部印發(fā)的《2022 年全國(guó)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(cè)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(cè)預(yù)警作為地質(zhì)災(zāi)害防治工作的重點(diǎn),開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警研究意義重大。
本文在研究分析國(guó)內(nèi)外已有地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè),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(xiàn)監(jiān)測(cè),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(kāi)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。
國(guó)內(nèi)外針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的方法多種多樣,根據(jù)監(jiān)測(cè)方式的不同,可分為人工實(shí)地測(cè)量[5]、傳感器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)[6-7]、激光雷達(dá)遙測(cè)[8-10]、無(wú)人機(jī)三維攝影測(cè)量[11-12]和衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)[13-14]等。其中,人工實(shí)地測(cè)量精度高,但其外業(yè)工作量大,周期長(zhǎng),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(guò)部署北斗/GPS、位移、傾斜等傳感器監(jiān)測(cè)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(cè),但該方式的成本較高且監(jiān)測(cè)范圍有限,易存在監(jiān)測(cè)盲區(qū);激光雷達(dá)遙測(cè)、無(wú)人機(jī)三維攝影測(cè)量等手段可實(shí)現(xiàn)地災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的面域監(jiān)測(cè),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(wú)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(cè)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(fǎng)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(lèi)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)手段優(yōu)略勢(shì)明顯,單一手段難以滿(mǎn)足大范圍地質(zhì)災(zāi)害的全方位、多角度監(jiān)測(cè)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(cè)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(wú)人機(jī)攝影測(cè)量和無(wú)線(xiàn)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(guò)程的“天-空-地”協(xié)同監(jiān)測(cè)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(cè)量技術(shù)(In-SAR)結(jié)合,開(kāi)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(cè)能力及風(fēng)險(xiǎn)防控水平。
我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)多面廣,分布散亂,具有可預(yù)見(jiàn)性差、來(lái)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(cè)方法越來(lái)越難以滿(mǎn)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(guó)內(nèi)外已有地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)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(cè)預(yù)警體系,即首先采用多時(shí)相中分辨率SAR 影像開(kāi)展大范圍地質(zhì)形變時(shí)序InSAR 面域測(cè)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(cè),進(jìn)一步明確形變高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)范圍,并通過(guò)在關(guān)鍵點(diǎn)位部署北斗監(jiān)測(cè)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(cè)。最后,基于高時(shí)空分辨率“北斗+InSAR”形變?nèi)诤媳O(jiān)測(cè)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(kāi)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(cè)預(yù)警技術(shù)流程
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(cè)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(lèi)型的SAR 衛(wèi)星影像分辨率、重訪(fǎng)周期、價(jià)格也各有差異。在實(shí)際工作中,通過(guò)綜合考慮監(jiān)測(cè)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(cè),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(cè)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(cè)量
當(dāng)前基于SAR 影像的地質(zhì)形變監(jiān)測(cè)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(cè),并通過(guò)分析得到的形變結(jié)果分布圖和形變速率變化曲線(xiàn),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(cè)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(cè)
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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)[17]。即通過(guò)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(cè)量,同時(shí),通過(guò)對(duì)升、降軌時(shí)序InSAR 監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)結(jié)果
由于衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)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(cè),只能獲得形變?yōu)暮c(diǎn)的周期性監(jiān)測(cè)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(cè),但其監(jiān)測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率地質(zhì)形變監(jiān)測(cè)。
首先,基于多時(shí)相SAR 影像采用時(shí)序InSAR 手段開(kāi)展地質(zhì)形變面域監(jiān)測(cè),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(guò)安裝布設(shè)角反射器輔助時(shí)序In-SAR 測(cè)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(cè)設(shè)備,進(jìn)行高頻、實(shí)時(shí)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè),從而獲得監(jiān)測(cè)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(cè)。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(guò)在北斗監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近安裝角反射器,還可實(shí)現(xiàn)對(duì)InSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果的交叉驗(yàn)證,從而有效提升InSAR 形變監(jiān)測(cè)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(cè)結(jié)果
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(cè)尤為重要。衛(wèi)星遙感具有監(jiān)測(cè)范圍廣、信息量豐富、安全高效、監(jiān)測(cè)結(jié)果客觀和便于進(jìn)行周期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)。
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(lèi)地表覆蓋信息進(jìn)行特征提取并構(gòu)建樣本庫(kù),在此基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)際情況選擇采用監(jiān)督分類(lèi)、面向?qū)ο蠓诸?lèi)、決策樹(shù)分類(lèi)等方法實(shí)現(xiàn)地表覆蓋信息分類(lèi)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(cè)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(cè),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)。
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。基于“北斗+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
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(guó)內(nèi)外已有地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)預(yù)警體系,從而有效彌補(bǔ)了單一手段地災(zāi)監(jiān)測(cè)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(cè)預(yù)警技術(shù)體系構(gòu)建,后續(xù)需根據(jù)地災(zāi)類(lèi)型的不同進(jìn)一步剖析其致災(zāi)機(jī)理及演化過(guò)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(cè)預(yù)警的效率和精度。