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2016年01月13日 星期三
“空”——在航空平台层面,用无人机机载LiDAR和三维摄影测量技术开展局部详查
“地”——地面专业人员有重点的进行调查复核,以及地面勘查和监测
名词解释

◆InSAR:合成孔径雷达干涉测量,是指利用雷达卫星获取的相位信息,通过干涉测量的方式实现地表形态与形变测量的雷达遥感应用技术。特点是观测范围大,精度高,快速高效,可发现正在“活动”的隐患,特别是一些微小缓慢,人不易觉察的地表变形。

◆高精度DEM:即数字高程模型,指分辨率和精度在米级的三维地形数据。特点是精细刻画地表三维形态变化,与光学遥感、InSAR等联合使用,有助于识别灾害体的位置、范围、朝向、坡向等形态信息。

◆高分辨率光学遥感:即一般意义上的“遥感”,主要通过可见光谱段对地观测成像,是目前遥感应用最广泛的影像数据。高分辨率遥感影像可直观地反映地表覆盖、地物类型等要素,揭示与隐患相关的地表特征,如裂缝、鼓丘、滑塌等现象。

◆LiDAR:一般指三维激光扫描,通过激光雷达对地观测,获取精细三维地形数据。特点是可穿透植被,清晰看到斜坡结构、断层裂缝等地表信息。

浩瀚宇宙,卫星凝视着地球,以“上帝视角”记录着地表的动态变化;山峦之上,无人机悄然掠过,精准“透视”出高山峡谷的旧伤新痕;边坡危岩,专业人员“按图索骥”,结合孕灾规律和地质条件靶向核查。

上述天空地作业,均指向同一个目标——识别地质灾害隐患。

小试牛刀

全国地灾高中易发区迎来“体检”

京城五月,繁花似锦,绿意盎然。

位于北四环边上的奥运大厦6层,此刻却充斥着紧张的气氛:2021俄罗斯欧洲杯官网自然资源航空物探遥感中心的技术团队争分夺秒解译着卫星遥感数据,赶在汛前,将全国121万平方千米地质灾害高中易发集中连片区疑似隐患“揪”出来,为各地防灾减灾提供参考。这是他们第二年开展“国家级”大规模地质灾害隐患识别。

我国地质灾害点多面广,滑坡、崩塌、泥石流等致灾因素众多。一个无法回避的现实是,全国每年新发生的地灾70%都在已查明的隐患点范围之外。其中,滑坡最为常见,占全国灾害发生次数和影响程度的92%以上。

消除“盲区”,解决“隐患在哪里”始终是“防”的难题。

“2017年6月24日四川茂县新磨村高位远程滑坡和2018年金沙江白格滑坡的发生让业内清晰地认识到,仅靠传统的调查排查和群测群防手段很难对高位、高隐蔽性的滑坡隐患进行早期识别,必须借助现代对地观测技术,尽可能全面的从广域尺度上探测和发现隐患点。”2021俄罗斯欧洲杯官网自然资源航空物探遥感中心遥感技术研究所负责人葛大庆说。

为攻克防灾“卡脖子”环节,2019年,自然资源部部署开展了基于综合遥感技术的地质灾害隐患识别示范工作,目标两个:一是论证规模化开展隐患识别的技术可行性与应用效果;二是推动构建国家级和省级隐患识别中心,形成“1﹢N”的分级组织模式,由国家级隐患识别中心统筹全国尺度上的普查识别和技术引领,省级中心负责本省详细调查与现场核查,力求在3~5年内掌握全国地灾隐患的“底数”。其中,国家级隐患识别中心主要依托航遥中心推进隐患识别业务。

经过充分论证与应用实践,确立了综合应用空天地多源遥感观测技术,以“形态、形变、形势”为识别内容的重大隐蔽性地灾隐患早期识别技术思路,形成了包括专题信息提取、隐患特征识别、野外核查验证的业务流程,丰富了地灾调查评价业务工作方式。

葛大庆介绍,地灾隐患综合遥感识别技术就是通过高分辨率光学遥感影像与高精度DEM进行潜在灾害体“形态”调查,揭示地质背景、几何形态、地表覆被变化等成灾要素;以不同分辨率lnSAR监测获取斜坡体地表“形变”信息,表征活动状态,判别变形部位、滑移规模和活动阶段;以长时序InSAR形变数据、地质资料、威胁对象等综合分析变形活动的发展趋势以及致灾“形势”,判别疑似隐患,并最终经现场核查验证完成识别确认。

“综合遥感识别从技术上体现了多源遥感手段的互补,降低了单一技术有效识别不足的概率。同时充分利用孕灾背景、基础地质条件以及已有隐患状况,从信息解译、判断、现场核查与最终确认上体现综合性,避免信息不足带来的认识偏颇。”葛大庆强调。

2020年该项工作有了实质性进展。

在自然资源部部署下,航遥中心组织相关力量对全国地灾高中易发区10省市开展地灾隐患综合遥感识别,覆盖黄河上游、四川强震区、藏东南地区、滇西北地区、三峡库区五类典型地灾分布区,面积118万平方千米。

“此次识别聚焦大型活动性灾害隐患,以滑坡、不稳定斜坡为主,兼顾泥石流、崩塌等其他类型。同时,以人为本,突出对村庄、集镇等人口聚集地区和重大基础设施威胁严重的隐患。”葛大庆告诉记者。

在识别层次上,一是发挥摸底的作用,对于“人迹罕至、人不能至”的地区,以及其他工作薄弱区或者空白区,综合遥感识别作为先行手段,为地面调查指明“靶区”;二是体现动态监测作用,通过技术手段揭示与灾害发育相关的“变化”特征,对于地面工作程度较高的地区,与大比例尺调查并行,互为补充。

在工作模式上,实行分级协同。即由航遥中心牵头组织相关技术单位进行隐患识别,为省市提供疑似隐患识别成果。各地核查时首先将疑似隐患与已有隐患库对比,现场核查主要针对新发现的隐患,并根据危险性和危害程度开展相应的防灾工作。

经过4个多月作业,全国地灾高中易发区221个县区8450处疑似隐患被“揪”了出来。经地方核查,识别正确率在30%以上。其中,青海、四川、湖北分别达到了76.5%、69.9%和62.86%,特别是四川省,核查确认的隐患近半为新增隐患,很好地体现了综合遥感技术发现未知隐患的作用。

统计显示,2020年在罕见极端天气等多种因素影响下,全国地灾发生数比2019年增加26.8%,地灾造成的死亡(失踪)人数减少37.9%。这份守护人民群众生命和财产安全的答卷上,留下了综合遥感识别技术的印记。

“地灾隐患综合遥感识别是一项非常有意义的探索性工作。”成都理工大学副校长、地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室常务副主任许强如是评价:

其一,通过示范区域研究,基本构建了一套基于综合遥感技术的地灾隐患识别技术方法体系和流程。其二,从单一技术手段到多种手段的综合运用,形成了统一认识并对各类技术的优点和局限性有了比较清楚的认知。其三,地勘队伍在技术推广应用中,思想观念和工作方法有了明显改变。其四,识别了一批新的地灾隐患,尤其是滑坡,这是实实在在的成果。

甘肃省地矿局第一地质矿产勘查院灾防院院长王岩对此深有体会。去年“8·13”陇东南特大群发地灾后,航遥中心下发了一批隐患分布图,灾防院对张家川县113个疑似隐患点进行了野外调查验证,确定地灾隐患80处,全部为滑坡,其中新增地灾隐患70处。

“综合遥感识别技术能准确判断出斜坡是否变形,为技术人员判定滑坡灾害提供了可靠依据,同时加强了工作区地灾隐患点调查程度,补充完善了隐患点数据库。希望这类遥感核查项目能辐射更多的县区,相关技术能普及到地勘单位,提高技术人员对灾害的辨识率。”王岩说。

广泛实践

地方“自选动作”有声有色

目前,地灾隐患综合遥感识别技术已被广泛接受,四川、贵州、陕西、重庆、甘肃等省市陆续开展识别任务,落实《地质灾害防治三年行动实施纲要》规定任务。技术力量雄厚的省份积极尝试“自选动作”,探索形成了具有地方特色的防灾减灾方式。

“多灾多难”的四川,便是其中之一。

四川省国土空间生态修复与地质灾害防治研究院副院长马志刚介绍,去年四川在全国开展示范工作的基础上,部署实施了省级地灾隐患综合遥感识别与监测项目,分片区对川北、川西南、川西、川东川南开展了InSAR监测和光学遥感筛查,发现和圈定了一批高位地灾隐患点;查明了重要城镇及交通沿线、地灾高易发区等重点地段的地灾情况。同时,选取了重大地灾隐患点或处于持续变形的重大工程治理点开展遥感追踪监测评价。

记者了解到,和国家示范工作相比,四川省级地灾隐患综合遥感识别有4方面特点:

一是分层级部署。在国家部署“面”的基础上,增设了“重点地段”和“重大地灾隐患点”两个层次,实现了综合遥感识别工作的粗细结合。二是多手段应用。为克服高密度植被覆盖区InSAR识别效果较差的技术短板,增加了“机载LiDAR”和无人机航空摄影,发挥其可穿透植被或高精度的优势。三是全灾种解译。将泥石流纳入隐患识别范围,实现了突发地灾滑坡、崩塌、泥石流等全灾种的解译分析。四是双路径分析。将找出存在形变且未登记在册的隐患点和查找正在变形的登记在册的隐患点作为识别的两个路径,一体化考虑,为地灾风险评价、汛前隐患排查提供了重要靶区。

“目前四川已将地灾隐患识别纳入常态化防灾工作,并将解译成果作为地灾风险调查、汛前排查、重要强降雨天气后隐患排查的工作依据,实现了从被动应急救灾到主动防灾的转变。”马志刚说。

“天无三日晴”的贵州,2016年在全国率先引进了综合遥感识别技术中的InSAR 开展地灾隐患的早期识别。5年来,全省共监测发现疑似滑坡形变区2000余处,经核查确认新发现地灾隐患600余处。

“InSAR也抓住了一些地表变形不明显的在册地灾隐患点,帮助我们加强管理,采取综合防治措施,该治理的治理,该搬迁的搬迁。把‘隐患在哪里’问题又向前推了一小步。”贵州省地质灾害应急技术指导中心研究员刘秀伟告诉记者。

近年来,贵州积极将技术逻辑与行政逻辑结合。去年9月,水城县发耳镇发生大滑坡,方量达80余万立方,InSAR和地面监测同时捕捉到地表动态,适时发布了预警信息,政府及时将受地灾隐患威胁的群众及重要财产转移到安全区域,把损失降到了最低。

“事实上,2017年我们就监测到了发耳滑坡隐患。专家调查分析认为滑坡形变在可承受范围内,暂时不用大规模搬迁,通过持续监测和防控既能保证群众安全,又可保障当地生产经营活动有序开展,最大限度降低隐患对社会的负面影响。”刘秀伟介绍,3年来当地经济社会发展有序,老百姓生产生活如常,技术保障为行政决策提供了强有力地支撑。

记者了解到,目前贵州地灾防治管理模式从以隐患点为主要管理对象,逐渐转变为以隐患点和风险斜坡为对象的“点面双控”风险管理。今年年底,全省以县为单元的精度优于1∶5万的地灾风险斜坡详细调查将全面完成。

“斜坡与隐患点不同,‘病’不算重,常规设备监测投入大,管控效果不理想,但风险又不得不防。”刘秀伟说。对此,贵州正积极探索将InSAR运用到风险斜坡管控中,力争使该技术从地灾隐患识别迈向监测预警,提高风险斜坡的综合管控能力,为“灾害什么时候发生”探路。

科学认识

地灾隐患综合遥感识别技术不能“包治百病”

多地实践证明,地灾隐患综合遥感识别成果可“指导排查,辅助调查,引导勘察”,提高了调查的针对性,减少了地面工作量,部分解决了“隐患在哪里”的难题。

但专家同时强调,地灾隐患识别是多种技术手段、多学科知识的综合运用。综合遥感识别技术有其局限性,不可能“包治百病”,现有的技术手段仍难以识别前期没有明显变形或变化很快的突发性灾害隐患,这一点务必要科学理性地认识。

“每种技术都有优势和短板,实操中须要因地制宜。”葛大庆说,比如,光学遥感容易受云雾天气和分辨率影响,大规模应用中往往难以获取亚米级的遥感数据,解译对专家经验和知识依赖度较高。

“有的观点认为,综合遥感识别就是应用InSAR技术,这也是不对的。”葛大庆进一步阐释,InSAR能敏锐捕捉地表的动态变化,与光学遥感影像综合运用,可在植被覆盖度较低、高陡地区大范围普查,识别高位、隐蔽性的灾害隐患。比如在地层内部有损伤,地表持续活动的四川强震区,效果就很好。

但是,InSAR会受到观测角度、植被状况、地形结构、水汽以及数据处理技术的影响和制约,普适性存在一定局限。同时,对于事前没有明显变形迹象,或者变形过程极短的突发性地灾,因其超出了雷达卫星有效观测的能力范围,InSAR很难发挥作用。比如2019年7月23日贵州水城县突发的特大山体滑坡,事前未出现明显变形迹象,InSAR未探测到变形信息。此外,在广东、浙江、福建等植被覆盖率较高的地区,光学遥感、InSAR等技术适用性受限,漏识率也较高。

“天空地一体化防灾,以广域普查﹢局部详查﹢重点核查的方式分层次开展,是识别和防范地灾隐患最科学有效的方式。”许强认为。

“天”指在卫星层次,用InSAR和高分辨率光学遥感技术开展广域普查;“空”指在航空平台层面,用无人机机载LiDAR和三维摄影测量技术开展局部详查;“地”即地面专业人员有重点的进行调查复核,以及地面勘查和监测。

“通常,我们会用两种或多种技术手段背靠背地做,然后相互校验和补充。如果两种方法的结果能对上和相互检验,地灾隐患就可以确认了。”许强说。

2015年,许强团队通过InSAR发现川西某村寨的山后有一处正在变形的大型滑坡区,由于最高海拔达到了4600米,人工没法上去调查复核,一直没能确认。3年后,在四川省支持下,团队运用LiDAR和三维摄影测量对该区域进行了航飞,经多种技术手段比对分析最终确认了蠢蠢欲动的滑坡隐患。

多名业内人士指出,专业知识决定了技术应用的深度。在地灾防治领域,地质专家好比“医生”,InSAR、LiDAR等技术手段应用,如同为疑似隐患点做“CT”“B超”。是否患“病”,“病”征如何,最终还得依靠“医生”根据各种测试结果综合判定。如果不掌握足够的地质知识,对灾害形成条件、发育特征、成因机理等不了解,很难用好先进技术。

扬长补短

人防技防一起上,天上地下一起看

甘肃立节北山老滑坡“苏醒”、四川洪雅突发高位远程崩滑、湖南安化切坡建房引发山体滑坡……今年以来,全国已发生200余起地灾,随着汛期的到来,地灾防治工作迎来大考。

如何牢固树立以人民为中心的思想,进一步提升防灾减灾能力?——“多层次多技术手段综合运用,人防﹢技防”是专家们的一致观点。

许强指出,近年来我国地灾防治工作取得显著进步,一是构建了一套具有中国特色的地灾群测群防体系,解决了我国地灾点多面广的问题;二是现代技术的有效运用,包括综合遥感技术、监测预警、计算机信息技术等,成效显著;三是引入了风险防控的理念,从以群测群防为代表的自发性防灾,发展到理论化防灾、技术化防灾、体系化防灾逐渐成熟。但是,地灾防治工作也面临瓶颈,最突出的就是对第三类隐患——具有突发性失稳破坏的潜在不稳定斜坡,目前还很难依靠技术手段提前发现。

“地灾隐患可分为三类,第一类是正在变形的区域。第二类是历史上曾出现过变形破坏、有损伤的区域。第三类就是潜在不稳定斜坡,即历史上从未出现变形破坏,目前也无明显变形迹象,但其稳定性相对较差,暂时处于基本稳定或欠稳定状态,一旦外部条件发生变化,比如一场强降雨或人工开挖坡角就有可能突发地灾。”许强阐释。

记者了解到,对于第一类隐患,InSAR和高分辨率光学影像能很好地进行识别。第二类隐患,运用LiDAR 最为有效,并可以三维摄影测量辅助。而第三类隐患,靠遥感技术已无能为力,必须动用物探、钻探等手段,把斜坡地下结构和含水状况查清楚才能判断其稳定性,但潜在不稳定斜坡点多面广,防不胜防。

“现阶段,第三类隐患还主要依靠群测群防来防范,当然我们也正在研发航空物探技术,希望能快速查明地下结构,评价其稳定性。”许强说。

今后一段时期,地灾防治可以从哪些方面发展突破?

许强建议,一是要构建航空遥感联盟,搭建信息共享平台,整合全国航空遥感力量,尽快实现航空遥感数据的全国全覆盖。二是要发展航空物探,尽可能多地将潜在不稳定斜坡的地下结构和含水状态搞清楚,把第三类隐患找出来。

葛大庆认为,提高综合遥感识别能力,找到更多地灾隐患,一方面要着力发展专业目标的遥感卫星,强化源头的有效观测与数据保障,进一步提升卫星监测的频率、精度和针对性。“地灾隐患识别目前主要用欧空局哨兵-1号卫星C波段数据,以及日本ALOS-2卫星L波段数据,但受卫星观测周期和范围限制,一些地方还不能有效覆盖,分辨率也不够,限制了可识别的范围、规模和精度。”葛大庆说。

另一方面,大规模业务化识别工作要进一步提高遥感识别信息处理的自动化和智能化水平,尽可能将专家知识转为模型或者方法,提升智能识别“去伪识真”的本领,降低人员劳动强度。此外,还要加快培养具有地灾专业知识,又掌握遥感、InSAR以及地理信息技术的人才。

马志刚指出,现阶段地灾源头管控理念还有待提升,“‘源头管控’虽然是旧词新用,但在地灾防治上是一个全新的认识,是推动地灾‘早期防’到‘源头控’观念转变的重要变革。”

近年来,四川按照以防为主、防治结合的方式开展了地灾易发县县域地灾风险评价、隐患识别分析等工作,初步摸清了隐患和风险的家底,获得了较为丰富的基础性成果资料。但是,扎实推进基础工作并不代表地灾“防”的工作就做好了,如何依托现有成果和技术把地灾隐患“管起来”,最大限度地降低灾害风险是当前的难题。

对此,马志刚提出两点建议,一是加快构建地灾隐患点、风险区双控新格局。充分运用地灾易发县县域地灾风险评价、遥感识别监测等成果,选择重点区域开展风险管控试点,形成“识别、监测、管控”结合的风险管控体系,不断提高地灾隐患识别和风险管控能力。

二是努力做好科技防灾。在加大群专结合监测预警体系建设的同时,重点建立一个综合监测预警平台,构建一套地灾监测预警管理体系,培养一支技术团队,形成“风险提前管控,空天地隐患识别,气象风险动态预报、专业设备持续监测、信息平台实时预警,现场人员动态核查”的监测预警新局面。

(绘图 陈舒)

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