地質災害調查評價與監測預警技術的發展與展望

李新斌，田 輝，韓朝輝，趙 浩，朱一龍，丁廉超，趙 超

（中國地質調查局 西安礦產資源調查中心，陜西 西安 710100）

我國國土面積廣袤，山地丘陵多，地質環境復雜，構造活動頻繁，是全球地質災害最嚴重、威脅人口最多、防范難度最大的國家之一。據調查，我國地質災害高易發區面積121萬平方千米，中易發區面積273萬平方千米，高中易發區面積占陸域國土面積40以上，主要分布在青藏高原、云貴高原、黃土高原、秦巴山區、湘鄂桂山區、天山和太行山區、東南沿海和遼東山地丘陵等地區。截至2020年底，全國已發現地質災害隱患點330749處，潛在威脅1367萬人和6209億元財產的安全。按類型劃分為滑坡176851處、崩塌96293處、泥石流35403處、其他類型地質災害22202處。按險情等級劃分為特大型1751處，威脅296萬人；大型4795處，威脅175萬人；中型36498處，威脅420萬人；小型287705處，威脅476萬人。長期以來，各類地質災害對國民生產生活和財產安全造成了重大危害。

地質災害是指在自然或者人為因素的作用下形成的，對人類生命財產造成的損失、對環境造成破壞的地質作用或地質現象[1]。在中國，地質災害已成為危害人類生命財產安全、人文建設活動甚至休閑活動無法回避的重要問題[2]。地質災害的發育分布及其危害程度受多種因素制約，其中又以地形地貌、巖土體工程地質類型、水文地質條件、構造運動的強度與方式、氣候氣象、植被條件及人類經濟工程活動關系最為密切[3]。

中國在構造位置上處于喜馬拉雅構造帶和環太平洋構造帶聚匯部位。印度板塊、歐亞板塊和太平洋板塊的共同作用下，中國大陸及陸緣發生了一系列的碰撞擠壓、拉伸及剪切應變，使整個中國大陸形成了一盤破碎鑲嵌的塊體組構[4，5]，其中青藏高原的隆起和華北及松遼沉降平原形成了西高東低的強烈地勢反差，構成了中國大陸構造和地形的總體特征，也是中國地質災害種類繁多、長期高發和破壞力強的根本原因。同時中國疆域遼闊、歷史悠久、人口眾多，近40年來工業化飛速發展，林、草、濕、水、土、礦等自然資源開采利用模式粗獷，破壞了原有生態和地質力學平衡狀態，加之我國氣候復雜多樣，具有顯著的經度和緯度分帶性，在21世紀以來全球氣候變化的背景下極端天氣頻發[6]，加速了以水為主的自然資源平衡條件和巖土構造應力狀態的破壞，誘發并加劇了地面沉降、地面塌陷、地裂縫、水土流失、土地沙化、土地鹽漬、沼澤化、崩、滑、流、礦山災害等地質災害的發育和危害。

近年來，國內外相關單位在地質災害的調查評價及監測預警領域開展了眾多卓有成效的研究工作，取得了豐碩的成果，“地質災害”已經逐步發展成為一個專門的學科。但地質災害通常是地質因素、引發條件耦合作用和承災對象遭遇的結果，其從孕育到發生再到破壞是一個動態的過程。未來半個世紀將仍是我國經濟快速發展的階段，城市的擴張和大規模的基建對自然資源的開發需求仍將持續攀升，隨之而來的災害地質環境問題依然不容忽視。海岸帶海水入侵破壞地下水生態環境,降低海岸帶土壤質量，侵蝕破壞城市地下設施，但每年的入侵速率僅在米級；地下水超采誘發的華北平原地面沉降，年沉降速率在毫米量級；崩、滑、流等調查監測必須做到動態長期、精細定量；洪澇災害的監測需要以分鐘為間隔進行不間斷監測評估。現有常規技術手段和調查評價思維難以應對諸如上述的各類地質災害調查監測預警需求，必須持續提升地質災害調查評價和監測預警研究力度，推動地質災害監測預警理論研究和技術方法再上新臺階。

1 地質災害調查評價技與監測預警技術主要研究進展

從20世紀90年代以來，針對我國各類災情形勢，相關科研院所一大批專家人才從不同技術領域開展了一系列地質災害調查評價和監測預警的相關研究工作。黃潤秋在工程巖石高邊坡穩定性評價及崩滑地質災害的預測與防治領域做了大量工作[7]；劉傳正從防災減災的角度提出了區域地質災害“發育度”“潛勢度”“危險度”和“危害度”等“四度”遞進分析理論方法，并將其成功運用于四川雅安地區及三峽庫區防災減災實踐，并科學哲學角度提出了地質災害防治研究的認識論與方法論[8]；許強在西部山區大型滑坡潛在隱患早期識別與監測預警關鍵技術領域取得了重大突破[9]；張茂省針對我國黃土高原地質災害特征在黃土地質災害監測預警和風險評估方面取得了重大突破[10]。

目前地質災害調查評價和監測預警技術主要可分為航空-航天對地監測技術、地面-井中測量調查監測技術及其他調查監測技術三大類。航空-航天對地調查監測技術主要包括光學衛星影像、衛星定位、航空物探測量、SAR圖像、航空傾斜攝影等；地面-井中測量調查監測技術主要指地面和井中重、磁、電、震、放等綜合物探測量，地面變形及其他物理量高精度檢測技術等；其他調查監測技術如陸基測雨雷達、氣象觀測、三維激光掃描、陸基測雨雷達等相關技術。

2 地質災害調查評價與監測預警技術展望

隨著新一輪科技革命和產業革命的爆發，信息科學技術將飛速發展，計算機軟硬件技術會日益提高，海量數據交叉融合綜合分析計算趨于可行，三維可視化技術愈加成熟，未來的地質工作必然要從傳統的依靠肉眼和地面調查為主轉向綜合利用遙感、物探、化探等信息技術的階段。與地質災害調查評價監測預警相關的技術方法也將進入高精度、實時獲取大數據、實時處理高速度、智能化階段。在這一背景下，上述各類技術方法發展的深度和廣度都將大幅提高，智能化水平、抗干擾能力、數據精度，獲取信息的直觀性、監測儀器的可操作性和便攜性都將向好發展。同時各類調查監測技術之間所獲取的多源異構數據將能夠實現深度交叉融合，集成分析，這樣必將大幅提升地質災害隱患識別的自動化與智能化水平。

2.1 航空-航天對地調查監測技術的發展展望

當前用于遙感技術的光學傳感器空間分辨率已經達到0.31m級，光譜分辨率已經可以達到2.3-15nm級，差分雷達干涉技術（InSAR）已經可以監測到毫米級別的地地面沉降[11]；高分辨率航空磁、電測量，直升機航空磁、伽馬能譜測量和沿地形起伏低空飛行的高精度航磁測量等技術已趨于成熟。但各類技術的智能化操控、實時大數據傳輸、處理反演與可視化與地質災害調查監測預警所需求的實時高精度動態計算與傳輸仍有較大差異。

今后，發展以高分辨率光學遙感技術、更高精度InSAR地表形變監測、更高精度DEM高程分析為主要手段的地質災害智能調查監測預警技術，將是航空-航天對地災害地質調查監測技術的一個重要發展方向。進一步提升航空重、磁、電綜合物探測量的分辨率和施工環境適應能力，實現全天候、全地形低空無人機航空綜合物探作業能力也是提升地質災害監測預警技術的又一重要方向。

2.2 地面-井中測量調查監測技術的發展展望

差分GPS精確定位變形監測技術、光纖故障定位監測技術和地面高精度綜合物探監測技術將是實現崩滑流類地質災害變形實時動態監測的核心技術。未來地面-井中測量調查監測技術正處于從人力現場測量向實時自動化傳輸、從地質災害單點監測向全災區整體監測、從單一監測手段向高分辨率、多參量、多尺度、精細化和智能化的海量數據融合處理立體監測的過度階段。

2.3 其他調查監測技術的發展展望

用于地質災害調查監測的其他技術如地面合成孔徑干涉雷達技術、三維激光掃描技術、陸基測雨雷達等相關技術在新的發展時期也將趨于智能化。

地面合成孔徑干涉雷達技術是一種針對地面位移的遙感測量方法，可以在無需接觸任何斜坡的情況下實現對斜坡范圍、位移程度、運動機制、含水率和分布狀態的測量，這一方法能夠克服機載干涉測量的相關限制和干擾因素，但是也受到監測區域地表植被和能見度的影響。更高的環境適應能力、更快的獲取變形數據能力以及實時數據傳輸與運算能力將是這一技術未來的突破方向。

三維激光掃描技術能夠實現對目標地質體進行整體或局部的全自動高精度三維坐標數據測量，掃描結果能夠反映細微地物的三維形態特征，具有測量速度快，結果直觀的優點。但其測量精度受大氣折射和場地通視情況的限制，進一步縮小掃描間距、提高全地形掃描工作能力是三維激光掃描技術的重點發展方向。

陸基測雨雷達又稱氣象監視雷達，是利用大氣層中雨滴、冰晶、雪花等對電磁波的散射作用來探測大氣降水或云中大滴的濃度、分布和演變。當前陸基測雨雷達成本高昂，氣象數據均由國家發布，獲取數據存在一定時差，降雨是地質災害最主要的誘因之一，地質災害監測預警部門能夠實時獲取氣象數據將更有利于提升災害預警可靠性。

2.4 技術融合

建立以遙感為主要信息源的地質災害快速調查技術方法體系，深度融合高精度航空物探、地面物探、氣象監測、鉆探和化探等技術數據，實現海量多源異構技術數據的交叉融合，實時綜合處理解譯，是真正意義上實現地質災害全方位動態監測預警的標志（圖1）。

圖1 多源異構數據深度融合地質災害監測預警技術體系

構建面向地質災害隱患識別應用的知識庫及地表要素目標特征數據集，形成多源異構對地觀測信息的地質災害隱患訓練樣本庫，提升地質災害隱患識別的自動化與智能化水平。建立多期次高精度地質災害遙感調查技術方法，InSAR數據地質災害變形觀測技術方法，單體崩塌或滑坡無人機精細化建模、數據提取及快速查評技術，建筑、構筑等承災體遙感提取理論與算法技術，LIDAR多次回波技術去除植被的理論方法，構建地質災害快速調查技術方法體系。

為更好的發展災害地質學，支撐國家防災減災戰略實施。還必須深入研究總結各類地質災害的動力學特征，變形致災機理。還必須著力建設全國乃至全球地質災害樣本數據庫，打造災害地質學科研平臺，針對滑坡、崩塌、泥石流等典型地質災害，建立基于地質災害普適型監測預警設備的預警模型及指標體系。打造重特大地質災害應急處置技術體系，對應籌備針對各類典型地質災害行之有效監測預警裝備及數據處理體系。。

2.5 信息方法技術研究

人工智能、大數據、物聯網等通用信息處理技術也將是推動地質災害調查評價和監測預警技術體系建設的重要方面。研究將復雜神經網絡、大數據深度學習、圖像自動識別等人工智能技術，應用于地質災害調查評價監測預警實踐中，帶動傳統探測、觀測和監測設備的網絡化、智能化改造，構建由衛星通信、互聯網、業務專網等多網融合、全覆蓋、高帶寬低延遲的高效網絡通信體系，滿足對地立體動態觀測數據傳輸處理需求。推進海量數據全自動動態集成、分布式存儲、整體性組織、高效系統調度互操作、大規模并行計算、融合分析與可視化等大數據技術，對來源分散、格式多樣的海量原始數據、各技術方法監測數據和用戶數據進行關聯、融合分析，利用數值模擬進行不同數據資料的同化分析和再分析，以期達到地質災害全自動識別、預報。

3 結語

信息科學技術的大爆發時代，災害地質學的發展正面臨著前所未有的機遇和挑戰。地質大數據、機器學習、卷積神經網絡等新興科學技術必將深刻影響地質災害調查評價和監測預警技術的發展。未來災害地質調查監測的數據采集和分析將進入全天候、全方位、全自動的智能化、模型化、網絡化發展階段，智能調查監測、實時獲取多參量大數據、實時高速度關聯融合處理多源異構數據、全自動識別、高精準自動預報。