衛(wèi)星技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控領(lǐng)域的應(yīng)用與實(shí)踐

汪鴻濱，雒永剛

（中國衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司，北京 100190）

1 需求背景

我國幅員遼闊，地形地貌、地質(zhì)條件、氣候類型復(fù)雜多樣，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)、多發(fā)、頻發(fā)，是世界上地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。據(jù)自然資源部發(fā)布的《2019年全國地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情及2020年地質(zhì)災(zāi)害趨勢(shì)預(yù)測》顯示，2019年全國共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害6 181 起，造成211人死亡、13人失蹤、75人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失27.7億元；其中，成功預(yù)報(bào)地質(zhì)災(zāi)害948起，涉及可能傷亡人員2萬多人，避免直接經(jīng)濟(jì)損失8.3億元，防災(zāi)減災(zāi)工作取得了一定成效[3]。

但不可否認(rèn)的是，我國地質(zhì)災(zāi)害防治工作目前仍面臨著地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)規(guī)律研究、隱患早期識(shí)別和精準(zhǔn)預(yù)警預(yù)報(bào)等技術(shù)挑戰(zhàn)。各類自然災(zāi)害對(duì)國家安全、國民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)的威脅不容忽視，如何利用科技手段防范災(zāi)害及其帶來的經(jīng)濟(jì)損失刻不容緩[1]。依托新一代信息技術(shù)，能夠?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害防治工作在隱患點(diǎn)普查識(shí)別、重大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)監(jiān)測預(yù)警以及災(zāi)后應(yīng)急指揮和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等應(yīng)用場景提供智能風(fēng)險(xiǎn)防控服務(wù)[6]。

2 面向地質(zhì)災(zāi)害的智能風(fēng)險(xiǎn)防控系統(tǒng)技術(shù)方案

針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害同時(shí)存在的長期漸變和瞬時(shí)突變的雙重需求，綜合要綜合運(yùn)用合成孔徑雷達(dá)、高分辨率衛(wèi)星遙感等多種技術(shù)手段，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行普查識(shí)別，提高地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的精度，搞清楚“隱患點(diǎn)在哪里”；針對(duì)重大隱患點(diǎn)，科學(xué)布設(shè)高敏感度、高精度和高穩(wěn)定性的傳感器，全面采集誘發(fā)因素；通過多回路雙備份的通信保障機(jī)制，建立“物聯(lián)網(wǎng)+地面網(wǎng)/衛(wèi)星通信”的雙向通信鏈路，確保監(jiān)測信息的無縫傳輸；基于實(shí)時(shí)監(jiān)測的智能風(fēng)險(xiǎn)防控系統(tǒng)平臺(tái)，結(jié)合專題模型對(duì)采集的監(jiān)測信息分析研判，盡可能準(zhǔn)確地預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害“什么時(shí)間可能發(fā)生”，最大限度地對(duì)可能發(fā)生的滑坡、泥石流等各類地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)[2]。

2.1 總體架構(gòu)

面向地質(zhì)災(zāi)害、管道線路、森林火災(zāi)等各個(gè)垂直領(lǐng)域在風(fēng)險(xiǎn)防控領(lǐng)域的核心需求，基于衛(wèi)星通信、北斗星座和衛(wèi)星+航空遙感的業(yè)務(wù)能力，并結(jié)合新一代信息技術(shù)手段（包括物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)和云平臺(tái)等），通過“綜合感知、融合傳輸、智能分析、分類應(yīng)用”的總體架構(gòu)，將衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)普查識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警和災(zāi)后風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估三個(gè)層面。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害智能風(fēng)險(xiǎn)防控系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

（1）綜合感知。充分利用多源遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)， 對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行各維度的普查，識(shí)別、排查潛在風(fēng)險(xiǎn)隱患；同時(shí)，結(jié)合地面各類傳感器的感知能力，通過設(shè)備和儀器全維度監(jiān)測誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可以量化的所有信息，在前端對(duì)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合感知。

（2）融合傳輸。基于衛(wèi)星通信、北斗衛(wèi)星，融合地面通信網(wǎng)絡(luò)，充分實(shí)現(xiàn)各類通信網(wǎng)絡(luò)資源的有效整合，建立“物聯(lián)網(wǎng)采集匯聚、地面網(wǎng)絡(luò)與Ka衛(wèi)星網(wǎng)智能切換傳輸”的多回路雙備份通信保障網(wǎng)絡(luò)， 確保監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸不間斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測信息的融合傳輸。

（3）智能分析。前端接入海量監(jiān)測數(shù)據(jù)具有多源、異構(gòu)、跨平臺(tái)等特點(diǎn)，依據(jù)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測、預(yù)警和信息發(fā)布的業(yè)務(wù)流程，構(gòu)建專題計(jì)算模型，對(duì)原始數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析。

（4）分類應(yīng)用。從應(yīng)用來看，能夠?qū)ΡO(jiān)測區(qū)域進(jìn)行可視化管理、查看詳細(xì)特征，輸出監(jiān)測數(shù)據(jù)及相應(yīng)的時(shí)序曲線，滿足現(xiàn)場視頻調(diào)取的需求，有利于專家研判會(huì)診。最后，在數(shù)據(jù)智能分析與應(yīng)用系統(tǒng)的支撐下，實(shí)現(xiàn)面向各個(gè)垂直行業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)防控分類應(yīng)用。

2.2 全流程的風(fēng)險(xiǎn)防控服務(wù)

按照業(yè)務(wù)流程，將地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控的服務(wù)能力劃分為三個(gè)階段：規(guī)劃建設(shè)階段、運(yùn)行維護(hù)階段和災(zāi)后評(píng)估。在規(guī)劃建設(shè)階段，主要關(guān)注風(fēng)險(xiǎn)普查識(shí)別，基于高分辨率光學(xué)衛(wèi)星，對(duì)周邊的違章建筑、違章施工以及高污穢區(qū)域進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別；通過SAR衛(wèi)星與InSAR技術(shù)，對(duì)目標(biāo)區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行普查；并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)、地形地貌、植被、地質(zhì)沉降速率等多源數(shù)據(jù)，規(guī)避高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。在運(yùn)行維護(hù)階段，主要關(guān)注風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警：一是利用多源遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析清楚地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)隱患點(diǎn)具體地點(diǎn)；二是在地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)的復(fù)雜環(huán)境下，通過多回路雙備份通信保障網(wǎng)絡(luò)對(duì)重大隱患點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警。在災(zāi)后評(píng)估階段，在滿足救援現(xiàn)場通信保障的同時(shí)，也要開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。

2.3 智能風(fēng)險(xiǎn)防控專題模型

智能風(fēng)險(xiǎn)防控專題模型是依托滑坡、崩塌、泥石流及塌陷等各類地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育過程、發(fā)育機(jī)理及各種誘發(fā)因素提取的數(shù)學(xué)物理模型對(duì)用戶進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警，模型的影響因素提取從環(huán)境科學(xué)、地質(zhì)科學(xué)、固體力學(xué)、信息科學(xué)和工程科學(xué)等多學(xué)科方向進(jìn)行參數(shù)提取，能夠提供基于多學(xué)科融合的參數(shù)化地質(zhì)災(zāi)害智能風(fēng)險(xiǎn)防控。

為了提升地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控的精度，將通過多物理場耦合計(jì)算的模式來提升整個(gè)模型的可靠性，實(shí)際上是研究工程地質(zhì)條件以及環(huán)境與地質(zhì)條件之間的相互作用，工程地質(zhì)條件是一個(gè)固、氣、液三相體系， 并在自然界各種因素的作用和影響下不斷運(yùn)動(dòng)著、變化著，從而導(dǎo)致地質(zhì)條件的改變進(jìn)而引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

3 統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于SAR遙感衛(wèi)星技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查識(shí)別

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)常常伴隨著惡劣天氣，相比于光學(xué)遙感衛(wèi)星，SAR衛(wèi)星觀測不易受天氣等因素影響（基本不受云霧雪的影響，雨的影響也有限）；而且SAR衛(wèi)星的成像模式，對(duì)地表和植被有一定的穿透能力，對(duì)地形、地貌和地表的微小變化更為敏感。

而采用高分辨率光學(xué)衛(wèi)星，能夠?qū)τ诘匚镞M(jìn)行識(shí)別及分類，識(shí)別由于人為因素（如施工、建筑等） 導(dǎo)致的地質(zhì)形變誤報(bào)。結(jié)合微波雷達(dá)衛(wèi)星、光學(xué)衛(wèi)星的分析結(jié)果，完成重點(diǎn)關(guān)注周邊的地質(zhì)形變分析，并輸出分析報(bào)告。

3.2 面向各類地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測對(duì)象的專業(yè)傳感器

按行業(yè)使用習(xí)慣，針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的各種場景， 需要使用面向特定監(jiān)測內(nèi)容的專業(yè)傳感器設(shè)備，在隱患點(diǎn)建立全方位的立體感知監(jiān)測體系，同時(shí)，各類傳感器需要具備遠(yuǎn)程控制功能，智能風(fēng)險(xiǎn)防控系統(tǒng)平臺(tái)可根據(jù)采集參數(shù)的實(shí)時(shí)變化情況，遠(yuǎn)程智能調(diào)整傳感器的采集模式并優(yōu)化監(jiān)測預(yù)警閾值[4]。

面向地質(zhì)災(zāi)害的不同場景，傳感器的種類、數(shù)量的選擇以及現(xiàn)場布設(shè)往往是需要依據(jù)隱患點(diǎn)的地勘數(shù)據(jù)、檢測指標(biāo)和監(jiān)測面積等進(jìn)行針對(duì)性分析。

圖3 面向各類地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測對(duì)象的專業(yè)傳感器

3.3 多回路雙備份的通信保障網(wǎng)絡(luò)

針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)地面網(wǎng)絡(luò)易毀的風(fēng)險(xiǎn)，建立“物聯(lián)網(wǎng)采集匯聚、地面網(wǎng)絡(luò)與Ka衛(wèi)星網(wǎng)智能切換傳輸”的多回路雙備份通信保障網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)采集鏈路利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（LoRa或NB-IoT）將方圓5 km范圍內(nèi)多個(gè)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)匯聚集中；采用自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)切換模式，在地面網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定或被損壞的情況下，自動(dòng)切換至Ka寬帶衛(wèi)星網(wǎng)，建立不中斷的信息傳輸鏈路，確保地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的信息傳輸，并支持現(xiàn)場視頻圖像的實(shí)時(shí)調(diào)取。

圖4 多回路雙備份的通信保障網(wǎng)絡(luò)

利用衛(wèi)星通信傳輸鏈路能夠有效保障地災(zāi)隱患點(diǎn)監(jiān)測信息的實(shí)時(shí)傳輸，具備以下特點(diǎn)：一是高速傳輸通道，僅需部署一臺(tái)Ka寬帶衛(wèi)星終端，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，即可收集方圓5 km范圍內(nèi)多個(gè)傳感器的監(jiān)測信息；二是支持雙向通信，可遠(yuǎn)程控制各傳感器狀態(tài)并讀取數(shù)據(jù)；三是傳輸速率支持調(diào)取現(xiàn)場視頻和圖像，最大限度地減少人員現(xiàn)場核查，并為專家研判提供動(dòng)態(tài)支持；四是一體式設(shè)計(jì)易于安裝，實(shí)現(xiàn)無人值守化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測； 五是Ka寬帶衛(wèi)星終端最大功耗35 W 左右，通過“風(fēng)光互補(bǔ)+蓄電池”的方式即可在無市電的情況下滿足正常使用[5]。

3.4 預(yù)警信息發(fā)布體系

預(yù)警信息發(fā)布主要包含監(jiān)測數(shù)據(jù)采集后的預(yù)測與預(yù)警，從時(shí)間精度上化為預(yù)測（或預(yù)估）、預(yù)警、預(yù)報(bào)、警報(bào)四個(gè)層級(jí)。

預(yù)警信息的發(fā)布主要是結(jié)合可監(jiān)測的全因素監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)物理模型，按照預(yù)警對(duì)象（即地災(zāi)監(jiān)測防治責(zé)任主體）的物理參量劃分為空間預(yù)警、事件預(yù)警和強(qiáng)度預(yù)警，預(yù)警信息的生成必須包含三個(gè)物理參量，通過數(shù)學(xué)物理模型計(jì)算出每個(gè)物理參量的發(fā)生概率，并生成預(yù)警預(yù)案，從而確定警報(bào)的發(fā)布方式、范圍和應(yīng)急反應(yīng)對(duì)策等。

4 在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控領(lǐng)域的工程實(shí)踐

4.1 利用PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測某高壓線周邊地區(qū)的地表形變

基于Sentinel-1衛(wèi)星獲取了關(guān)注區(qū)域2017年1月-2018年1月間20 m分辨率的影像，進(jìn)行了長時(shí)間雷達(dá)干涉圖像序列的分析，利用PS-InSAR技術(shù)關(guān)注塔基周邊的地表升降信息，實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)的形變監(jiān)測。

圖5 利用PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測某高壓線周邊地區(qū)的地表形變

基于PS-InSAR技術(shù)的監(jiān)測分析結(jié)果，派人現(xiàn)場核查進(jìn)行實(shí)測比對(duì)，現(xiàn)場結(jié)果與遙感監(jiān)測結(jié)果基本一致。

4.2 利用多回路雙備份通信保障網(wǎng)絡(luò)對(duì)地災(zāi)隱患點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警

針對(duì)災(zāi)害隱患點(diǎn)地面網(wǎng)絡(luò)易毀的風(fēng)險(xiǎn)，利用“物聯(lián)網(wǎng)采集匯聚、地面網(wǎng)絡(luò)與Ka衛(wèi)星網(wǎng)智能切換傳輸”的多回路雙備份通信保障網(wǎng)絡(luò)，并依托智能風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)從多個(gè)維度評(píng)估監(jiān)測對(duì)象發(fā)生概率，并生成預(yù)警預(yù)案，確定警報(bào)的發(fā)布方式、范圍和應(yīng)急反應(yīng)對(duì)策等。

圖6 利用多回路雙備份通信保障網(wǎng)絡(luò)對(duì)地災(zāi)隱患點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警

在貴州某地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將方圓5 km范圍內(nèi)約90個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集匯聚； 在現(xiàn)場無地面網(wǎng)絡(luò)等的情況下，通過單個(gè)Ka衛(wèi)星站將匯聚后的傳感器數(shù)據(jù)傳輸至用戶監(jiān)測平臺(tái)；同時(shí)，現(xiàn)場部署攝像頭，可根據(jù)需要調(diào)取現(xiàn)場圖像和視頻；通過“風(fēng)光互補(bǔ)+蓄電池”滿足無市電情況下的正常使用。

5 推廣意義

依托航天全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同優(yōu)勢(shì)，積極極聯(lián)合“通信、導(dǎo)航、遙感”等天基衛(wèi)星資源，充分融合傳感器、物聯(lián)網(wǎng)和智能分析等多種手段，通過工程實(shí)踐實(shí)現(xiàn)諸多創(chuàng)新應(yīng)用。未來，為開展更多業(yè)務(wù)應(yīng)用提供了多種方式融合的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，為科學(xué)技術(shù)部門和專業(yè)管理部門提供有效的支撐手段，實(shí)現(xiàn)我國地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查和隱患排查全覆蓋。