基于3S技術的數字滑坡地質災害監測預警方法探討研究

司大剛 李風賢 馮小東 王艷娟 蔣光偉 高 磊

（蘭州資源環境職業技術學院，甘肅 蘭州730021）

0 引言

我國地質災害種類多、分布廣、危害大，是地質災害最為嚴重的國家之一，嚴重制約著地質災害多發地區的經濟發展。 據國土部門調查統計，目前，蘭州地區共存在地質災害隱患點4800 多個，已經威脅到60 余萬人口的安全，是我國地質災害在人口密集區最集中的城市[1]，主要地質災害類型有滑坡、泥石流、崩塌等，其中滑坡占到近三分之一。

近年來，蘭州地區不同規模的滑坡地質災害頻發，威脅著人民的生命財產安全，急需構建可靠、有效的滑坡地質災害監測預警系統。

1 3S 技術在滑坡監測預警中的應用

目前，滑坡監測方法常用的主要有宏觀地質監測法、簡易監測法、設站觀測法、大地精密測量法、儀表監測法和自動遙測法等[2]，但這些方法存在內容單一、精度低、工作量大、時效性差等各種不同程度的缺點，滑坡監測技術的新發展應運而生。

要克服以上缺點，建立準確及時的監測預警系統需要實時有效的監測手段提供技術支持，而GPS 能夠實時、快速的提供目標的空間位置，尤其是北斗導航系統和CORS 系統的快速發展，大大提高了測繪工作的精度、速度和效率；RS 可以實時、快速的提供大面積地表物體及其環境的幾何與地理信息及各種變化，高分辨率和多源遙感圖像融合技術的發展，大大提高了圖像的解譯能力、圖像判讀的可靠性和數據分類和目標識別的準確性；GIS 可作為多源時空數據的綜合處理和應用分析的平臺，云GIS 的發展改變了用戶傳統的GIS 應用方法和建設模式，以更友好的方式，低成本、高效率地使用地理信息資源。

3S 集成已初成模型在地質災害監測預警上發揮其作用， 部分地區也已建立基于該技術的監測預警系統，根據該技術已有的發展及蘭州地區滑坡地質災害的現狀特征，本文對蘭州地區滑坡監測預警系統進行研究與構想。

1.1 基于GNSS 的應用

該方法是通過建立高精度的大地控制網， 監測滑坡位移與變形，應用空間定位系統技術分析兩次監測所得的監測點坐標的差異，求取監測點的變形量[3]。 該方法既適用與滑坡變形速率很慢甚至接近于穩定不動的滑坡體監測，也適用于滑坡體的實時動態監測，可用于災害體不同變形階段水平和垂直位移監測，精度可達mm 級。

CORS 系統(連續運行衛星定位服務系統)是建立在現代GNSS(Global Navigation Satelite System—全球導航衛星系統)技術上利用多基站網絡RTK 技術建立的連續運行衛星定位服務綜合系統[4]。由于CORS 系統具有高質量連續的觀測數據，較完善的框架維護和完好性檢驗方法，極大降低了傳統基準點穩定性檢核數據處理方面的技術難度，很大程度上提高了監測基準的可靠性。 美國、英國、德國、日本等發達國家都建立或正在建立連續運行參考站（CORS），作為國家地理信息系統基準，為GNSS 差分定位、地球動力學和大氣科學提供依據，并結合各地本土情況，服務于不同層次的領域，在地質災害監測預警方面起到了不容忽視的作用。

在我國目前建設的CORS 系統主要包括：地市級、區域級、行業級的系統，以及服務于特定目標的工程級或微型的CORS 系統，基準站達千余個，在軟件、硬件方面也取得了一定程度的進展。 但是國產的CORS 系統數量較少，相關國家標準的標準實施滯后，各CORS 獨立運行，系統間存在網絡和服務縫隙，不能實現數據共享，另外部分系統的參考站間存在重疊現象，造成了人力、物力和財力的浪費[5]。 因此構建符合國家標準、實現數據共享的國家級CORS，通過授權登陸，對外開放網絡使用權等，實現用戶GPS 實時高精度差分定位，在滑坡地質災害中進行實時位移監測、預警和形變分析。

1.2 RS 的應用

遙感技術因其時效性好、宏觀性強、信息量豐富，能快速提供可靠的地形地貌、地質構造和地物的信息判別等優點，成為研究滑坡等地質災害的重要信息技術手段之一。 近年來，隨著遙感技術理論體系的不斷完善和遙感影像空間、時間、波譜分辨率的不斷提高，遙感技術在滑坡等地質災害監測、分析、預警、評估等方面正發揮著越來越重要的作用。

遙感影像能夠以形態、色調、紋理結構等影像特征，能宏觀、真實地顯示出滑坡的地貌特征，滑坡的邊界、規模、形態特征及孕育環境特征等均可以從遙感影像上直接判讀圈定；因此應用“數字滑坡技術”[6]對區域滑坡和典型個體大型高速滑坡進行定位、定性、定量調查和監測,并根據滑坡類型、規模、發育環境條件和成因機制分析和評估滑坡的穩定狀況、趨勢、可能危及范圍及可能產生的災害后果，為應用遙感技術開展滑坡災害早期識別、監測預警和滑坡災害風險評估與管理研究等提供可靠的數據保障。

1.3 GIS 的應用

近年來，隨著計算機技術的發展，以及地理信息系統（GIS）技術在地質領域的應用，GIS 強大的空間數據分析管理能力在地質災害研究中的作用日益增強，彌補了傳統管理信息系統方法缺乏空間特性與空間分析能力等缺陷， 不僅能夠對地質災害空間數據庫進行有效管理,而且可以有效地管理導致地質災害發生的內外因素。因此利用GIS 進行地質災害的信息管理，探索基于GIS 的滑坡監測預警系統的研究具有十分重要的意義。

目前，通過GIS 與統計模型、模糊邏輯模型等對滑坡等地質災害進行危險性與敏感性的評價日趨成熟，通過建立空間數據庫，完成對區域內的滑坡等地質災害進行空間分布的統計、 為決策分析提供各層級的信息和科學比較和驗證,進一步完善滑坡等地質災害信息的更新、同步與共享，最終形成融合遙感和全球定位的綜合網絡信息平臺[7-8]。

2 基于3S 技術的監測預警系統構建

根據3S 技術的特點和滑坡地質災害監測技術、 構建滑坡地質災害監測預警系統應主要包括如下幾個系統:數據獲取與提取、空間數據庫管理、空間分析、動態監測、防災救災輔助決策模塊等。

另外，蘭州地區滑坡災害引發因素仍以降雨為主。 其中以黃河兩岸山前及高階地前緣地帶、蘭臨高速公路沿線、南部山區、窯街礦區、阿干礦區、紅古區湟水河沿岸、永登縣莊浪河兩岸、皋蘭縣忠和鎮、榆中縣宛川河下游兩岸一帶，是蘭州地區地質災害的重點防治區域[1]。所以，還需建立基于GIS 的氣象信息監測預警系統。

基于GSCORS 系統，綜合運用3S 技術、充分利用計算機信息技術、物聯網技術、通信和多媒體技術、嵌入式技術，集滑坡地質災害信息系統、專業監測、危險評估、專家決策、預報預警、應急響應和指揮于一體，建立對滑坡監測點位移遠程視頻監控，進行實時動態、自動獲取并發布監測預警信息，具有全天候、無人值守、高精度、定量位移監測相結合、預報信息多元化、能準確描述形變趨勢、及時獲取滑坡災害發生先兆信息的特點，有效提高滑坡災害預警預報能力，實現滑坡災害防治管理的科學化、可視化、標準化及信息化，為防災減災決策提供科學依據，為滑坡災害防治工作質量、效率和管理水平的提高奠定基礎。

圖1 監測預警系統

3 結語

由于蘭州地處黃土高原西部，呈帶狀盆地，位于我國氣候環境變化敏感地帶，自然地理、地質環境和人類活動與其他地區不同，其滑坡地質災害的類型、組合特征和發育、危害程度具有較明顯的地域特征和區域變化規律。 隨著西北經濟建設的大規模發展，大部分地區滑坡地質災害的發育程度和破壞程度可能將不斷增強。 因此，建立實時有效的滑坡地質災害監測預警系統具有重要的意義。本文所構想的監測預警系統也可應用于其他區域或其他地質災害監測，是地質災害監測預警發展的必然趨勢。同時，若能建立更加全面的監測網絡與平臺，并與其他常規監測手段相結合，能夠更好地起到防治作用。

［1］蘭州近期將建地質災害監測預警平臺[OL].中國政府網:http://www.mlr.gov.cn/xwdt/mtsy/zgxww/,2014-04-16.

［2］鄔曉嵐，涂亞慶.滑坡監測方法及新進展[J].中國儀器儀表，2001（1）：10-12.

［3］李天文，吳琳，李家權.GPS 技術在滑坡監測中的應用[J].山地學報，2004,21（6）：713-718.

［4］唐力明,李成鋼,石曉春,等.GPS/CORS 精密區域地表位移動態監測技術研究[J],測繪通報,2010(5):6-9.

［5］張保鋼.我國連續運行基準站（CORS）的建設現狀[J].數字通信世界.2011,S1:25-27.

［6］王治華.數字滑坡技術及其應用[J].現代地質,2005,6(19):157 -164.

［7］蘭恒星,王苓涓,周成虎.地理信息系統支持下的滑坡災害分析模型研究[J].工程地質學報,2002,10(4):421-427.

［8］胡德勇,李京,陳云浩等.GIS 支持下滑坡災害空間預測方法研究[J]遙感學報,2007,11(6):852-858.