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)

朱成子

（江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局贛西北大隊(duì)，江西 九江 332000）

地質(zhì)災(zāi)害的形成主要受自然因素及人為因素的影響，地質(zhì)災(zāi)害是破壞環(huán)境的地質(zhì)現(xiàn)象，具有諸多特征，如漸變性、群發(fā)性、突發(fā)性、干擾時(shí)間長、多發(fā)性等，嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅到人類的生產(chǎn)及生活。伴隨著人類工程活動(dòng)逐漸增多，人為因素引起的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，分布面積、數(shù)量及規(guī)模逐漸加大；經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害帶來的損失逐漸加大。當(dāng)務(wù)之急是做好地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作，增強(qiáng)全社會(huì)防災(zāi)減災(zāi)意識，降低人員傷亡率，維護(hù)社會(huì)安全、穩(wěn)定，提升人類的生活質(zhì)量，推動(dòng)災(zāi)害嚴(yán)重地區(qū)社會(huì)各項(xiàng)事業(yè)以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)的長久發(fā)展。而在大面積地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中，現(xiàn)代空間對地觀測技術(shù)優(yōu)勢獨(dú)特，能夠提供大面積災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在一定程度上提升地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警能力。對多種對地觀測技術(shù)進(jìn)行全面運(yùn)用，站在信息化角度進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)活動(dòng)，已成為政府關(guān)鍵工作任務(wù)。為此，文章主要分析空間對地觀測技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用及發(fā)展。

1 地質(zhì)災(zāi)害的主要類型

1.1 山體滑坡

滑坡經(jīng)常會(huì)在礦山開發(fā)中及城鎮(zhèn)建設(shè)中出現(xiàn)，產(chǎn)生滑坡的主要原因是山坡上的巖土體受到了雨水及地下水的沖刷侵蝕，還有一個(gè)原因是受重力影響使得巖土體發(fā)生下滑，滑坡對礦業(yè)開發(fā)及工程建設(shè)造成了嚴(yán)重的影響，甚至?xí)＜叭藗兊纳?，從而造成巨大?jīng)濟(jì)損失。

1.2 崩塌災(zāi)害

部分陡坡受到外界各項(xiàng)因素的影響，容易發(fā)生巖土體開裂現(xiàn)象，使土體和巖體下部出現(xiàn)空缺，巖土結(jié)構(gòu)的平衡性被完全打破，引發(fā)大面積的碎裂、坍塌。由于生產(chǎn)建設(shè)的加速開展，在項(xiàng)目建設(shè)施工期間斜坡的過度開挖或產(chǎn)生的強(qiáng)烈震動(dòng)，均會(huì)引起嚴(yán)重的崩塌地質(zhì)災(zāi)害，給周圍人民群眾的日常生活帶來較大影響。

1.3 泥石流災(zāi)害

在我國山區(qū)，因?yàn)橄募窘涤炅窟^大，容易引發(fā)山體土質(zhì)松動(dòng)，出現(xiàn)大面積的泥石流災(zāi)害。受到外界暴雨的沖刷，在山坡或者溝谷中，泥石流攜帶大量的泥沙，給當(dāng)?shù)鼐用竦娜粘Ｉ顜韲?yán)重影響。

1.4 地面塌陷災(zāi)害

由于部分地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比較差，地下存在空洞，地表巖石、土體在自然或人為因素作用下突然向下陷落，引發(fā)大面積的地面塌陷災(zāi)害。

1.5 地面沉降災(zāi)害

地面沉降是指發(fā)生在較大面積的地表高程降低、地面舒緩變形的現(xiàn)象和持續(xù)過程。

1.6 地裂縫災(zāi)害

由于受到自然因素和人為因素的影響，導(dǎo)致地表巖、土體開裂，同時(shí)在地面形成一定寬度和長度的裂縫，即地裂縫，當(dāng)在有人類活動(dòng)的地區(qū)出現(xiàn)此種現(xiàn)象時(shí)，則會(huì)成為一種地質(zhì)災(zāi)害。

2 高精度地質(zhì)災(zāi)害空間監(jiān)測技術(shù)

2.1 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

將GNSS應(yīng)用在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作中，能提升地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測結(jié)果的精確度。通常有2種測量方式：①連續(xù)性實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量；②周期性靜態(tài)測量。假設(shè)災(zāi)害體在一定空間周期和時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)出較強(qiáng)的穩(wěn)定性，或者形變速度較慢，可以使用周期性靜態(tài)測量方式來監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害情況。通過對災(zāi)害體的形變速率進(jìn)行計(jì)算，對相應(yīng)的周期數(shù)值進(jìn)行確定?？剂康紾NSS由接收機(jī)同步監(jiān)測的衛(wèi)星數(shù)量在4顆以上，因此在復(fù)雜地貌如茂密的樹林等區(qū)域使用，會(huì)帶來極大不便，監(jiān)測精度也會(huì)大大降低。而GNSS的水平監(jiān)測精度較高，可達(dá)3mm～5mm，但垂直精度較弱，可達(dá)5mm～10mm。站在硬件成本角度分析，物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，應(yīng)用云平臺聯(lián)合傳感器，可將相應(yīng)設(shè)備的體積不斷縮小，進(jìn)而減少成本。對于高精度GNSS與監(jiān)測技術(shù)的結(jié)合，當(dāng)前最貼近現(xiàn)實(shí)的是構(gòu)建北斗/全球?qū)Ш叫l(wèi)星的定位算法。因此，在相關(guān)監(jiān)測領(lǐng)域?qū)嵺`中，可以全面應(yīng)用北斗云平臺的實(shí)時(shí)在線高精度監(jiān)測技術(shù)。

2.2 合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)

衛(wèi)星和地面點(diǎn)之間距離信息的主要獲取方法是InSAR，在對地面點(diǎn)變化信息以及3D位置等測量中，效用可達(dá)最佳。InSAR由于時(shí)間與空間失相干及大氣延遲等情況對效用造成影響，或者是導(dǎo)致監(jiān)測精度無法滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)前InSAR的時(shí)序分析技術(shù)已越來越成熟，推出的永久散射體技術(shù)等大體上突破了上述因素的限制，在擴(kuò)寬應(yīng)用途徑時(shí)，監(jiān)測精度也得到有效地提升。當(dāng)中，差分層析SAR技術(shù)促使合成孔徑雷達(dá)具備4D成像功能，即方位-距離-高度-時(shí)間。當(dāng)前，多分辨率、SAR衛(wèi)星和不同波段的軌道運(yùn)行，對InSAR的應(yīng)用面積擴(kuò)大以及監(jiān)測水平的提升起到重要作用，與此同時(shí)，還有效擴(kuò)充云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的地理信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，在地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警工作中，應(yīng)用InSAR的可能性也越來越大。

2.3 高分辨率遙感技術(shù)

USA于1972年發(fā)射第1顆衛(wèi)星后，在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中，遙感技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。除此之外，德國以及加拿大等國家也將遙感技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中。通過對遙感技術(shù)的應(yīng)用，能夠全面掌握不同類型規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害遙感影像的分類方式，為順利進(jìn)行遙感地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)研究工作提供了保障。伴隨著IT與空間技術(shù)的不斷發(fā)展，推動(dòng)了遙感技術(shù)的發(fā)展。高分辨率影像衛(wèi)星不但包括地表物體幾何結(jié)構(gòu)，還包括各種各樣的地表物體紋理信息，能夠?qū)⒌刭|(zhì)災(zāi)害特征全面且直觀地呈現(xiàn)出來。多時(shí)相遙感影像，可對地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)到結(jié)束的變化狀態(tài)進(jìn)行多視角、多尺度地動(dòng)態(tài)監(jiān)測，因此，高分辨率遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作中具有一定應(yīng)用優(yōu)勢。

3 高精度空間監(jiān)測技術(shù)融合

伴隨著空間技術(shù)種類的增多和不斷進(jìn)步，在地質(zhì)災(zāi)害識別和監(jiān)測方面，多技術(shù)融合得到了廣泛的重視與應(yīng)用，其中應(yīng)用次數(shù)最多的是滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測。ROERINGJJ，STIMELYLL，MACKEYBH等利用InSAR、歷史航空影像及機(jī)載LiDAR，研究了USA加利福尼亞北部鰻魚河流域滑動(dòng)緩慢的大型滑坡，研究成果：在一年內(nèi)（2007年2月～2008年2月）獲取到五個(gè)大型滑坡平均下滑速率。CHEN Roufei，CHANG K J，ANGELIER J等，在由地震引發(fā)的滑坡而導(dǎo)致的形變的監(jiān)測中應(yīng)用了激光雷達(dá)，同時(shí)依據(jù)地形圖及航空攝像影片，獲取到高精度的DEM，將滑坡體積計(jì)算出來。崔陽,魏瑩瑩,魏國振等，在中國西南地區(qū)的滑坡、危巖體的全面調(diào)查和監(jiān)測中，應(yīng)用了PS—InSAR、CR—InSAR、LiDAR、實(shí)時(shí)GNSS及高分遙感技術(shù)，所獲得的實(shí)地驗(yàn)證成果非常顯著。徐許雄,黃逢等，在某省的滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中，應(yīng)用了不同分辨率的LiDARDEM以及PS—InSAR技術(shù)，研究成果：高精度DEM為滑坡判識提供極大幫助，特別是在河流流域中的作用更顯著。

4 展望

4.1 多技術(shù)、多學(xué)科、多監(jiān)測方式的集成化

除地球物理、化學(xué)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害之外，水文氣象、地貌等自然環(huán)境變化也會(huì)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生影響地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測結(jié)果，將預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)以及多種時(shí)空技術(shù)融合一體，對地質(zhì)災(zāi)害的綜合監(jiān)測具有決定性作用。如融合地球物理學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、地球觀測技術(shù)、通信工程與技術(shù)、雷達(dá)成像技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)各技術(shù)間信息互通、優(yōu)勢互補(bǔ)、優(yōu)化集成。

4.2 多維度、多尺度

現(xiàn)階段，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測已逐漸顯現(xiàn)出多尺度化和多維度化。第一，從維度角度看，同時(shí)包括了多種指標(biāo)體系的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和單一地球物理屬性的地質(zhì)災(zāi)害；第二，從空間的角度看，同時(shí)包括了不同區(qū)域乃至微觀的局部監(jiān)測系統(tǒng)和全球化地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)；第三，從時(shí)間角度看，既包括了地質(zhì)災(zāi)害長時(shí)間序列趨勢變化監(jiān)測，又包括了地質(zhì)災(zāi)害瞬間變化監(jiān)測。進(jìn)而針對地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生情況、變化規(guī)律以及大區(qū)域地質(zhì)環(huán)境變化過程，能夠更加準(zhǔn)確且全面地掌握地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測結(jié)果。

4.3 數(shù)字化、自動(dòng)化、可視化以及網(wǎng)絡(luò)化

廣泛的應(yīng)用傳感器，促使地質(zhì)災(zāi)害特征信息的收集更加自動(dòng)化、數(shù)字化，同時(shí)應(yīng)用可視化數(shù)字技術(shù)，能夠?qū)⑵渲庇^且生動(dòng)地呈現(xiàn)出來，應(yīng)用Internet可進(jìn)行云計(jì)算以及云儲(chǔ)存等，最終促使地質(zhì)災(zāi)害信息實(shí)現(xiàn)共享，與此同時(shí)促使地質(zhì)災(zāi)害信息實(shí)現(xiàn)發(fā)布，進(jìn)而對地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)防水平進(jìn)行全面提升。

在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中，應(yīng)用現(xiàn)代空間對地觀測技術(shù)，能全面提升監(jiān)測結(jié)果精度，提升監(jiān)測能力。伴隨著監(jiān)測預(yù)警新手段、新技術(shù)以及新理論的研究與開發(fā)、應(yīng)用，人們更進(jìn)一步提升了對地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的廣度與深度，也為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測預(yù)警奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)保障。

5 結(jié)語

總而言之，我國的科技水平不斷提升，在地質(zhì)災(zāi)害方面，我國開始重視使用高精度空間對地觀測技術(shù)。伴隨著我國強(qiáng)有力的推動(dòng)與高效的領(lǐng)導(dǎo)，成功研發(fā)了一批現(xiàn)代化監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測預(yù)警新手段、新理論及新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)與應(yīng)用，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展方向會(huì)更加廣闊，相信不久的將來，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能實(shí)現(xiàn)智能化，并在實(shí)現(xiàn)國家治理體系以及提升治理能力方面發(fā)揮出重要的價(jià)值。大數(shù)據(jù)、云儲(chǔ)存、云計(jì)算等新興技術(shù)的進(jìn)步，勢必會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)。伴隨著AI被逐步應(yīng)用在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中，人們所獲得的滑坡、泥石流以及崩塌等地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警信息會(huì)越來越高效、及時(shí)。