基于“北斗+多源遙感”的地質災害監測預警體系研究

楊志坤，李 雪，陳 曦，吳 雨

（1.四川九洲投資控股集團有限公司，四川 綿陽 621000；2.四川九洲北斗導航與位置服務有限公司，四川 綿陽 621000）

我國是世界上地質災害最為嚴重、受威脅人口最多的國家之一，地質條件復雜，構造活動頻繁，災害隱患多、分布廣，且隱蔽性、突發性、破壞性強，防范難度大。相關統計結果表明，2022 年，我國共發生地質災害5 659 起，造成90 人死亡、16 人失蹤、34 人受傷，直接經濟損失15.0 億元[1]。黨中央、國務院高度重視地質災害防治工作，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020 年）》明確指出要加強地質災害監測關鍵技術研究[2]；《全國地質災害防治“十四五”規劃》指出要采用多方法、分層次手段完善地質災害專業監測預警網絡[3]；自然資源部印發的《2022 年全國地質災害防治工作要點》提出要強化地質災害監測預警體系建設，有效提高地質災害防治能力[4]。地質災害防治是一項事關人民生命財產安全、社會和諧穩定及區域經濟社會發展全局的重大工程，而地質災害監測預警作為地質災害防治工作的重點，開展地質災害風險監測預警研究意義重大。

本文在研究分析國內外已有地質災害監測預警手段的基礎上，針對地質災害全方位監測預警需求，提出以北斗和多源遙感為核心的地質災害全方位監測預警體系，即首先采用時序InSAR 技術進行大范圍地質形變風險周期監測，找出形變高風險區，在此基礎上，采用北斗進行形變高風險點實時在線監測，并結合高分辨率光學遙感影像提取的地表覆蓋及其變化信息及區域地形、氣象、水文等外部資料開展地質形變與地表覆蓋變化、氣象、水文等因素內在關系耦合分析，建立基于多源信息的地質災害預警模型，從而為地質災害防治工作提供技術支撐。

1 地質災害監測預警技術研究現狀

國內外針對地質災害監測預警的方法多種多樣，根據監測方式的不同，可分為人工實地測量[5]、傳感器在線監測[6-7]、激光雷達遙測[8-10]、無人機三維攝影測量[11-12]和衛星遙感監測[13-14]等。其中，人工實地測量精度高，但其外業工作量大，周期長，所需人力、物力、時間成本高，且不易實現自動化；通過部署北斗/GPS、位移、傾斜等傳感器監測設備，可實現對隱患點的高精度實時動態監測，但該方式的成本較高且監測范圍有限，易存在監測盲區；激光雷達遙測、無人機三維攝影測量等手段可實現地災風險的面域監測，但其對設備、人員的要求較高，操作難度較大；而衛星遙感具有廣域無遺漏、信息量豐富、結果客觀、坐標準確統一、安全高效、共享性強和周期對地進行動態監測的優勢，但其自身具有不可回避的缺點和局限，例如，星載光學遙感會受衛星重訪周期和氣候條件的限制，而InSAR 受大氣對流、地形起伏、植被覆蓋等因素影響較大等。不難看出，各類地質災害監測手段優略勢明顯，單一手段難以滿足大范圍地質災害的全方位、多角度監測預警需求，因此，融合多平臺、多層次，多手段的地質災害監測預警研究成為熱點。許強等[15]將高分辨率光學遙感、衛星InSAR、無人機攝影測量和無線傳感網絡（WSM）等多種新技術方法融合，構建了滑坡變形破壞全過程的“天－空－地”協同監測技術體系，為滑坡地質災害的科學防范提供一種新的思維范式和經驗指導；涂寬等[16]將甚高-高分辨率衛星實景三維建模技術和星載合成孔徑雷達差分干涉測量技術（In－SAR）結合，開展大范圍地質災害隱患早期識別研究，大大提高了衛星遙感地質災害隱患識別和監測能力及風險防控水平。

2 基于“北斗+多源遙感”的地質災害監測預警體系

我國地質災害點多面廣，分布散亂，具有可預見性差、來勢兇猛、成災速度快、治理難度大、易造成人員傷亡、導致公共財產或者他人財產重大損失等特點。傳統的單一手段監測方法越來越難以滿足新時代防災減災的實際需求。為此，筆者在對比分析國內外已有地質災害監測預警手段的基礎上，提出了以北斗和多源遙感為核心的地質災害全方位監測預警體系，即首先采用多時相中分辨率SAR 影像開展大范圍地質形變時序InSAR 面域測量，找出形變高風險區。在此基礎上，基于多時相高分辨率SAR 影像，進行重點區域（形變高風險區或高植被覆蓋區）“CR+時序InSAR”精細化監測，進一步明確形變高風險點范圍，并通過在關鍵點位部署北斗監測設備，實現對形變風險點的連續、實時自動化監測。最后，基于高時空分辨率“北斗+InSAR”形變融合監測結果結合高分辨率光學遙感影像提取的地表覆蓋及其變化信息，以及區域地形、氣象、水文等外部資料開展地質形變與地表覆蓋變化、氣象、水文等關系的耦合分析，建立基于多源信息的地質災害預警模型，從而實現地質災害的早期預警和主動防范。具體技術流程如圖1 所示。

圖1 基于“北斗+多源遙感”的地質災害監測預警技術流程

2.1 基于時序InSAR 的地質形變風險面域監測

2.1.1 數據選擇

地質形變風險時序InSAR 監測首先需要選擇合適的數據源，目前SAR 衛星數據源很多，如Sentinel-1、ALOS-2、RADARSAT-2、COSMO-SkyMed、TerraSARX 和GF-3 等，不同類型的SAR 衛星影像分辨率、重訪周期、價格也各有差異。在實際工作中，通過綜合考慮監測區的各項情況可先選擇中分辨率合成孔徑雷達衛星影像進行地質形變大范圍面域監測，而在形變高風險區或植被茂密的區域，選擇使用分辨率更高的SAR衛星影像進行更細致化的測量，從而實現降本增效。

2.1.2 基于多時相中分辨SAR 影像的地質形變風險時序InSAR 面域測量

當前基于SAR 影像的地質形變監測方法很多，如D-InSAR、PS-InSAR、SBAS-InSAR 和DS-InSAR 等，為克服去相干和大氣延遲的影響，這里主要基于預處理后的中分辨率時序SAR 影像，采用時序InSAR 技術（PS-InSAR、SBAS-InSAR 等）進行區域地質形變風險面域監測，并通過分析得到的形變結果分布圖和形變速率變化曲線，劃分地質形變等級，從而為后續重點區域基于“CR+時序InSAR”精細化監測提供參考依據。

2.1.3 基于多時相高分辨率SAR 影像的重點區域“CR+時序InSAR”精細化監測

基于中分辨率SAR 影像的地質形變風險時序In－SAR 面域測量找出的形變高風險區仍然是一個很大的范圍，同時，由于地質災害多發于地形結構復雜、植被茂盛的山區，地表散射特性較差，而衛星InSAR 技術進行該區域地質形變監測受植被等的影響較大易出現失相干，從而導致該區域形變監測點很少甚至形變信號丟失，影響限制了其進一步的應用。為了獲得更多高質量、分布均勻的散射體目標，更加精準地確定地質形變高風險點的范圍，這里擬采用多時相高分辨率SAR 影像進行重點區域“CR+時序InSAR”精細化監測的方式來實現[17]。即通過對基于中分辨率SAR 影像，采用時序InSAR 手段找出的地質形變高風險區和高植被覆蓋區布設角反射器，并基于高分辨率SAR 影像采用“CR+時序InSAR”技術進行區域高精度、精細化詳查測量，同時，通過對升、降軌時序InSAR 監測結果進行融合，從而獲得更為精確的時序地表形變序列，為后續“北斗+InSAR”融合監測提供有利條件，如圖2 所示。

圖2 基于時序InSAR 的地質形變風險面域監測結果

2.2 基于高時空分辨率的地質形變 “北斗+InSAR”融合監測

由于衛星對地觀測具有一定的周期性，基于時序InSAR 技術進行區域地質形變監測，只能獲得形變災害點的周期性監測信息，時效性較低，而北斗雖可實現災害點的連續實時監測，但其監測范圍有限，全域布設成本高。因此，這里考慮將北斗和InSAR 技術進行融合來實現高時空分辨率地質形變監測。

首先，基于多時相SAR 影像采用時序InSAR 手段開展地質形變面域監測，而針對植被覆蓋度高、地形結構復雜的區域，通過安裝布設角反射器輔助時序In－SAR 測量的方式，獲取區域大范圍、高精度的形變信息，并進一步確定地質形變高風險點的范圍，在此基礎上，選擇關鍵點位（形變高風險點、形變趨勢極速上升或下降的點等），有針對性地部署北斗監測設備，進行高頻、實時、自動化監測，從而獲得監測點連續、實時形變信息，多手段聯合從而實現對地質形變隱患的高時空分辨率自動監測。這里的北斗可輔助進行InSAR 相位解纏，實現對時序InSAR 的精確幾何定位或地理編碼，同時，北斗獲取的三維坐標還可以作為控制資料精確校正由InSAR 處理得到的變形分布圖，從而消除衛星軌道參數的不確定性和其他系統性的誤差。另外，通過在北斗監測點附近安裝角反射器，還可實現對InSAR 監測結果的交叉驗證，從而有效提升InSAR 形變監測的精度，為后續的災害早期預警和主動防范提供依據，如圖3 所示。

圖3 基于高時空分辨率的地質形變“北斗+InSAR”融合監測結果

2.3 基于高分辨率衛星遙感的地表覆蓋及其變化檢測

地表覆蓋及其變化情況，對區域地質災害的產生具有極其重要的影響，因此定期對區域地表覆蓋情況進行識別并對其變化信息進行周期監測尤為重要。衛星遙感具有監測范圍廣、信息量豐富、安全高效、監測結果客觀和便于進行周期動態監測等優點，有效助力大范圍地表覆蓋的智能識別及變化監測。

首先對高分辨率光學衛星影像進行幾何校正、影像配準、輻射校正、大氣校正和圖像增強等預處理，然后對各類地表覆蓋信息進行特征提取并構建樣本庫，在此基礎上，根據實際情況選擇采用監督分類、面向對象分類、決策樹分類等方法實現地表覆蓋信息分類識別。同時，基于預處理后的多時相高分辨率衛星影像數據，采用機器學習等人工智能算法對監測區地表覆蓋變化情況進行智能提取和動態監測，從而為地災高風險區的判別及定位和后續的災害預警提供參考依據。

2.4 基于多源信息耦合的地質災害預警

地質災害發生的必然條件是發生了地表形變，但同時其還會受到包括植被、氣象、水文和地形地貌等多種因素的影響?；凇氨倍?InSAR”手段獲取的高時空分辨率地質形變信息及基于高分辨率光學遙感影像提取的地表覆蓋及其變化信息，結合區域地形、氣象、水文等外部資料利用大數據挖掘的方法進行地質形變與地表覆蓋變化、地形地貌、氣象和水文等關系的耦合分析，篩選出誘發地質災害的主控因素，確定災害關鍵性指標，并建立基于多源信息的地質災害預警模型，從而實現地質災害的早期預警和主動防范，如圖4 所示。

圖4 基于多源信息耦合的地質災害預警結果

3 結束語

地質災害防治是一項事關人民生命財產安全的大事，本文在研究分析國內外已有地質災害監測預警手段的基礎上，針對地質災害全方位、高精度、立體化的監測預警需求，提出以北斗和多源遙感為核心的地質災害全方位監測預警體系，從而有效彌補了單一手段地災監測全面性不足、預警精度低等缺點，為更好地防范化解災害風險提供了更為科學的技術支撐。但是本文僅側重于進行“北斗+多源遙感”的地災監測預警技術體系構建，后續需根據地災類型的不同進一步剖析其致災機理及演化過程，并重點研究基于多源信息的地災預警模型構建方法，從而進一步提升地質災害監測預警的效率和精度。