中国自然资源报：综合遥感技术已成为我国重大地质灾害隐患识别的硬核科技手段——科技赋能 “慧眼”识灾

 

 

 

本报记者 杨旋

核心提示

      在距离地球约六七百公里的高空，通过卫星能“看”到地表几毫米的微小变形，这样的卫星遥感技术，已经成为地质灾害隐患识别中的硬核科技手段。

      解决“隐患在哪里”，是地灾防治的第一道门槛，也是地灾防治的一大难题。近年来，全国每年新发生的地灾有近80%不在已掌控的“隐患库”中，如何能在事前有效发现这些隐患，特别是有重大危害的滑坡、崩塌等，成为自然资源部系统研究的重点。

      为此，自然资源部提出利用“空-天-地”综合遥感技术，快速发现“病变”山体，实现全国地质灾害高中易发区，特别是西南高山峡谷地区大型滑坡隐患的早期识别，动态掌握风险隐患底数的新思路。经过3年的技术攻关与实践探索，达到了预期目标。

      科技赋能，“慧眼”识灾，重大地质灾害隐患综合遥感识别技术为我国建立高效科学的自然灾害防治体系探索了新经验，开辟了新路径。

探新路通过遥感技术破解隐患识别难题

将遥感技术应用于地灾防治并不是新鲜事。

      早在上世纪80年代初，原地矿部地质遥感中心（中国自然资源航空物探遥感中心的前身，以下简称“航遥中心”）率先利用国外的卫星多光谱卫星影像开展三峡库区地灾调查。1999年起，航遥中心与德国地球科学研究中心合作，率先在三峡的新滩、链子崖等古滑坡体开展 InSAR技术形变监测技术试验，彼时雷达卫星数据少、分辨率不高，效果并不算好，但大家并没有放弃。

      2007年后，随着国际上新一代高分辨率 SAR卫星以及长波段雷达卫星技术逐步走向成熟，国内相关探索的步伐也在不断加快。成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室教授李为乐告诉记者，2012年，实验室承担了国家973计划项目“西部山区大型滑坡致灾因子识别、前兆信息获取与预警方法研究”，将 InSAR技术纳入研究中。

      武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室教授廖明生也是这个项目的主要参与者，他深耕测绘遥感领域多年，尤擅 InSAR技术。

      InSAR中文名称为合成孔径雷达干涉测量，是根据 SAR的成像和干涉测量原理，利用雷达回波的相位信息来精确测量地表三维地形及其微小变形的一种新型空间对地观测手段。

      “此前，我们应用 InSAR技术主要是开展地面沉降监测，长期跟上海市进行合作，随后也推广到太原、郑州等地，效果不错。”但要应用于滑坡，廖明生坦言难度不小，“山区地形地貌复杂，植被覆盖茂盛，且与缓慢的地面沉降不同，滑坡发生前往往变形过程非常快，很难及时捕捉。”

      两个国家重点实验室的强强联手，不仅攻克了 InSAR技术在滑坡识别监测应用中的“卡脖子”问题，也推动我国滑坡隐患的识别与预警走在世界前列。值得一提的是，该项目由此获得2019年国家科技进步二等奖。

一方面科技研究在不断向前突破，另一方面，现实情况也迫切需要探索一条新的路径。

2017年6月24日，四川省茂县叠溪镇新磨村突发特大山体滑坡，造成严重人员伤亡和财产损失，之后，贵州纳雍、金沙江白格均发生大型滑坡。这些地方地形条件复杂，专业人员难以到达，按传统调查方法，此类隐患实难发现。

      航遥中心遥感技术研究所所长葛大庆告诉记者，为解决这类突出问题，新磨村滑坡发生后，他们立即对周边6万多平方公里区域，开展了以 InSAR技术为主的滑坡灾害隐患识别工作，经实地核查确认，发现了几十处特别显著的滑坡隐患，显著的效果也引起了业界的广泛关注。

      此时，葛大庆意识到，契机来了。不仅是他，地灾防治和遥感测绘学界的专家们一致认为，可以通过遥感技术解决地质灾害早期识别的问题，特别是 InSAR技术，可以监测到灾害发生前山体斜坡的变形及变化过程。

我国是世界上自然灾害影响最严重的国家之一。2018年，中央财经委员会第三次会议指出：“要建立高效科学的自然灾害防治体系，提高全社会自然灾害防治能力”，并提出“实施灾害风险调查和重点隐患排查工程，掌握风险隐患底数”。

      按照中央精神，2019年，自然资源部印发《地质灾害防治三年行动实施纲要》，提出要构建国家级地质灾害隐患识别的专业力量，充分利用“空—天—地”观测手段，提前发现复杂地区大型滑坡隐患。

      集众智可定良策。围绕国家确定的防灾减灾方向，航遥中心联合中国地质环境监测院、长安大学、成都理工大学、武汉大学、北京大学等系统内外的科研单位，坚持问题导向，逐步构建了一套“空—天—地”综合遥感技术协同应用体系，力图破解隐患在哪里的难题。

集优势光学、雷达等各类遥感技术各展所长

      滑坡在孕育过程中会表现出不同程度的形变特征，而 InSAR技术的优势就是能够探测识别出大范围区域的微小地表形变。

      微小到什么程度？廖明生解释：“城市里能够做到毫米级别的形变监测，也就是说卫星距离地球六七百公里的高度，能够观测到地面上1到2毫米这么微小的变化。”

      自然资源部国土卫星遥感应用中心总工程师唐新明介绍，搭载干涉雷达的 SAR卫星应用广泛，不受天气影响，可进行全天候、全天时的观测，主要应用于基础地形测绘和地面沉降观测，也可应用于洪涝灾害监测、土壤含水量监测等。

      但只靠一个技术不可能解决所有问题。“比如做 CT，人体的结构基本一致，心肝脾肺肾的位置都是固定的，一台机器就能为所有人看病。但遥感技术对地球做诊断，情况就要复杂得多，地形地貌差异大，就要采取多种遥感手段互补结合的方式。”廖明生说，比如，穿云透雨是InSAR的一大特点，可以弥补光学遥感易受云雾干扰的缺陷，在云贵川等西南山区两种遥感技术互补性极强。

      2018年7月，经过地方调研和专家座谈，自然资源部提出综合运用 In-SAR、高分辨率卫星遥感、无人机遥感、机载 LiDAR等多种先进遥感技术手段，进一步提高全国地灾调查评价精度，搞清楚隐患点在哪里。在随后组织的示范应用工作中，综合遥感技术的概念被逐渐提出。

      “综合遥感技术，重点在‘综合’两个字上。”自然资源部地质灾害隐患识别项目负责人葛大庆解释道：“这既是观测手段的综合，也是通过这些手段获取的相关信息的综合，最后还必须经过综合研判。”

      技术上的综合包括了 InSAR技术，可以发现地表正在发生缓慢形变的区域，还有光学遥感影像，能够反应灾害发育的一些外貌形态特征，同时也能反映地质环境和承载体的一些背景信息，比如山上斜坡有没有住人，下面有没有公路桥梁、大江大河等。还有精细的机载 LiDAR DEM地形数据，可以刻画一些灾害的形态与“痕迹”。综合这些技术获取的多种信息，在地灾发育规律指导下找出疑似隐患点，研判发展形势与风险状况，最后由经验丰富的专家在现场核查做最终判定，将确认后的隐患纳入防治管理体系。

      这就是利用空天地协同观测技术，以“形变、形态、形势”为核心内容的地质灾害隐患识别技术思路。据此,航遥中心地质灾害隐患识别监测团队完成了全国14个省市区300万平方公里的示范应用，识别隐患2万余处，核查验证正确率优于50%，一些地方高达70%。

聚合力从卫星到地面各个环节联合发力

      今年年初，我国自主研发的 L波段差分干涉 SAR卫星（也称作“陆地探测一号”卫星）A、B星被成功送入预定轨道。这是我国第一组 L波段雷达干涉卫星，主要用于地表形变信息获取、地质灾害隐患早期识别、大范围地形测量等。自然资源部是卫星牵头主用户部门。

      “L波段波长约23厘米，可以穿透植被直达地表，在植被覆盖区的相干性远优于较短波长的数据，且双星四天就可覆盖全国。”唐新明介绍，这两颗卫星具备全天时、全天候、多模式、多极化等先进的对地观测能力，已经处于国际领先水平，也摆脱了过去对国外数据的严重依赖。

      为做好后续应用，国土卫星中心自主研发了一套为这两颗卫星量身打造的LandSAR软件，支持卫星数据处理业务流程一键运行，十多个环节不再需要人工操作，且24小时不间断运行，不仅可保障数据质量，还能提高工作效率，最终的形变信息产品将提供给相关单位进一步深化加工和应用。

      尽管卫星成功发射，但深化技术方法研究仍然是不懈努力的方向。葛大庆介绍，“十四五”期间将开展面向广域灾害隐患识别效率与准确性、非显著隐患探测等问题的研究，创新海量 InSAR数据滑坡分级探测与时序监测、崩滑隐患关联特征智能识别等关键技术，构建并行处理系统与可视化解译平台，朝着观测体系的协同化、数据处理的自动化、解译识别智能化方向迈进。

      地灾防治是面对地球系统科学的工作，随着科技进步，对地灾的认识也在不断深入，认识的提高也将进一步推动技术的创新。

      航遥中心地质灾害隐患识别监测技术团队灾害解译识别负责人郭兆成认为，“现场核查的意义重大，不仅能够帮助系统剔除一些误判、漏判，更重要的是在滑坡隐患点现场观察到的线索，可以通过不断地观察、积累、总结，反馈到遥感技术处理系统，优化技术思路，不断提升识别的准确率。”郭兆成对技术方法的应用有着深刻的理解。

支撑技术的背后还是人才。每一次的技术创新、融合，都离不开大量专业技术人才。遥感技术更是如此，用遥感技术来解决地质难题更需要学科交叉融合的复合型人才。

      李为乐曾于2012年到2013年在荷兰屯特大学访问学习，主要课程之一便是遥感地质解译，这是将遥感、人工智能和工程地质三门学科交叉融合的课程。受益于这段学习经历，回国后，李为乐在成都理工大学环境与土木工程学院地质工程专业的本科生和研究生开设了“3S技术和应用”“现代遥感技术”等课程，内容结合了遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）和全球导航定位系统（GPS）的基本原理，以及在工程地质领域的具体应用，推动了3S技术与工程地质专业的交叉融合，培养了一批既懂遥感技术又懂地质灾害防治技术的专业人才。

补短板广泛应用还有很长的路要走

      工作多年，葛大庆深知技术不是万能的，尤其是面对复杂多变的大自然。“这个责任感就像警察抓坏人一样，你把坏人先抓进来，但并不能保证全部抓干净了，这是做不到的。隐患识别工作也是如此，隐患的产生与发展是动态变化的。”

      能识尽识，尽量不漏，是他在工作中一直秉持的原则，但这中间仍有许多的坎需要迈过去。

      首先，准确识别的前提是数据处理的精准。在长安大学地质工程与测绘学院院长李振洪看来，卫星数据的处理，尤其是雷达影像的干涉处理及后续分析，仍有不少挑战，“比如卫星轨道误差、植被覆盖、大气干扰、相位解缠等等，都会造成结果的误差，如果不及时加以解决，千里之堤就会溃于蚁穴。”

      随着全球气候变化，极端天气事件增多，导致西北、华北等地区的地质灾害呈上升态势。不同气候、不同的地质环境条件，造成了滑坡等地灾的差异性。

      对此，葛大庆则表示，向精细化发展是主要方向，解决隐蔽条件下小规模、大隐患的探测是新的难题。通过关键技术的攻关，他们将在“十四五”期间深化以卫星观测为数据源的广域普查技术，发展航空、无人机等低空遥感技术的工程化应用技术，提高影像、DEM数据的分辨率，探索不同地区不同技术的适用性差异，建立面向不同尺度、类型与发育环境的技术方法，力图将隐患识别与监测工作做得更加细致、可靠。

      廖明生也认为，从智能研究角度，隐患识别是“小样本、大知识”的一种类型，通过综合遥感技术每找到一处隐患，实际上是在增加一个样本。通过不断累积样本，在差异中寻找规律，在规律中总结方法。

      “没有普适性的技术，常有普遍性的应用。InSAR等遥感类的技术尤其如此。”在葛大庆看来，尽管 InSAR处理方法已经趋于成熟，但不同的人员处理出来的结果仍有不小差异。

      今年6月，李为乐所在的滑坡人工智能识别团队，基于遥感影像利用人工智能算法自动识别滑坡，改变了过去通过人工目视解译等方法，极大提高了工作效率。这项技术还获得了 LandSlide4Sense国际竞赛创新创意特别奖。

      李为乐坦言，目前只有影像特征明显的滑坡才能被自动识别，发现潜在的滑坡隐患还是很难。“距离完全代替人工判别解译，还有很长的路要走。”

      廖明生团队也在智能化、自动化方面不断努力，通过提高数据处理和分析解译的效率来解放生产力。“现在关键技术都解决得比较好了，下一步的难点就是如何实现大规模应用，而且确保技术能用好。”