地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)與監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的發(fā)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(zhì)調(diào)查局 西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心，陜西 西安 710100）

我國國土面積廣袤，山地丘陵多，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，構(gòu)造活動(dòng)頻繁，是全球地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重、威脅人口最多、防范難度最大的國家之一。據(jù)調(diào)查，我國地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)面積121萬平方千米，中易發(fā)區(qū)面積273萬平方千米，高中易發(fā)區(qū)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(qū)、湘鄂桂山區(qū)、天山和太行山區(qū)、東南沿海和遼東山地丘陵等地區(qū)。截至2020年底，全國已發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)330749處，潛在威脅1367萬人和6209億元財(cái)產(chǎn)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(zhì)災(zāi)害22202處。按險(xiǎn)情等級(jí)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(zhì)災(zāi)害對國民生產(chǎn)生活和財(cái)產(chǎn)安全造成了重大危害。

地質(zhì)災(zāi)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(cái)產(chǎn)造成的損失、對環(huán)境造成破壞的地質(zhì)作用或地質(zhì)現(xiàn)象[1]。在中國，地質(zhì)災(zāi)害已成為危害人類生命財(cái)產(chǎn)安全、人文建設(shè)活動(dòng)甚至休閑活動(dòng)無法回避的重要問題[2]。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)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(zhì)類型、水文地質(zhì)條件、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度與方式、氣候氣象、植被條件及人類經(jīng)濟(jì)工程活動(dòng)關(guān)系最為密切[3]。

中國在構(gòu)造位置上處于喜馬拉雅構(gòu)造帶和環(huán)太平洋構(gòu)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(fā)生了一系列的碰撞擠壓、拉伸及剪切應(yīng)變，使整個(gè)中國大陸形成了一盤破碎鑲嵌的塊體組構(gòu)[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(qiáng)烈地勢反差，構(gòu)成了中國大陸構(gòu)造和地形的總體特征，也是中國地質(zhì)災(zāi)害種類繁多、長期高發(fā)和破壞力強(qiáng)的根本原因。同時(shí)中國疆域遼闊、歷史悠久、人口眾多，近40年來工業(yè)化飛速發(fā)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(tài)和地質(zhì)力學(xué)平衡狀態(tài)，加之我國氣候復(fù)雜多樣，具有顯著的經(jīng)度和緯度分帶性，在21世紀(jì)以來全球氣候變化的背景下極端天氣頻發(fā)[6]，加速了以水為主的自然資源平衡條件和巖土構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)的破壞，誘發(fā)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(zāi)害等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育和危害。

近年來，國內(nèi)外相關(guān)單位在地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查評(píng)價(jià)及監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)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(zhì)災(zāi)害”已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個(gè)專門的學(xué)科。但地質(zhì)災(zāi)害通常是地質(zhì)因素、引發(fā)條件耦合作用和承災(zāi)對象遭遇的結(jié)果，其從孕育到發(fā)生再到破壞是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。未來半個(gè)世紀(jì)將仍是我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的階段，城市的擴(kuò)張和大規(guī)模的基建對自然資源的開發(fā)需求仍將持續(xù)攀升，隨之而來的災(zāi)害地質(zhì)環(huán)境問題依然不容忽視。海岸帶海水入侵破壞地下水生態(tài)環(huán)境,降低海岸帶土壤質(zhì)量，侵蝕破壞城市地下設(shè)施，但每年的入侵速率僅在米級(jí)；地下水超采誘發(fā)的華北平原地面沉降，年沉降速率在毫米量級(jí)；崩、滑、流等調(diào)查監(jiān)測必須做到動(dòng)態(tài)長期、精細(xì)定量；洪澇災(zāi)害的監(jiān)測需要以分鐘為間隔進(jìn)行不間斷監(jiān)測評(píng)估?，F(xiàn)有常規(guī)技術(shù)手段和調(diào)查評(píng)價(jià)思維難以應(yīng)對諸如上述的各類地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查監(jiān)測預(yù)警需求，必須持續(xù)提升地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)和監(jiān)測預(yù)警研究力度，推動(dòng)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警理論研究和技術(shù)方法再上新臺(tái)階。

1 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)技與監(jiān)測預(yù)警技術(shù)主要研究進(jìn)展

從20世紀(jì)90年代以來，針對我國各類災(zāi)情形勢，相關(guān)科研院所一大批專家人才從不同技術(shù)領(lǐng)域開展了一系列地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)和監(jiān)測預(yù)警的相關(guān)研究工作。黃潤秋在工程巖石高邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及崩滑地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測與防治領(lǐng)域做了大量工作[7]；劉傳正從防災(zāi)減災(zāi)的角度提出了區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害“發(fā)育度”“潛勢度”“危險(xiǎn)度”和“危害度”等“四度”遞進(jìn)分析理論方法，并將其成功運(yùn)用于四川雅安地區(qū)及三峽庫區(qū)防災(zāi)減災(zāi)實(shí)踐，并科學(xué)哲學(xué)角度提出了地質(zhì)災(zāi)害防治研究的認(rèn)識(shí)論與方法論[8]；許強(qiáng)在西部山區(qū)大型滑坡潛在隱患早期識(shí)別與監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得了重大突破[9]；張茂省針對我國黃土高原地質(zhì)災(zāi)害特征在黃土地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面取得了重大突破[10]。

目前地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)和監(jiān)測預(yù)警技術(shù)主要可分為航空-航天對地監(jiān)測技術(shù)、地面-井中測量調(diào)查監(jiān)測技術(shù)及其他調(diào)查監(jiān)測技術(shù)三大類。航空-航天對地調(diào)查監(jiān)測技術(shù)主要包括光學(xué)衛(wèi)星影像、衛(wèi)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(diào)查監(jiān)測技術(shù)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(shù)等；其他調(diào)查監(jiān)測技術(shù)如陸基測雨雷達(dá)、氣象觀測、三維激光掃描、陸基測雨雷達(dá)等相關(guān)技術(shù)。

2 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)與監(jiān)測預(yù)警技術(shù)展望

隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的爆發(fā)，信息科學(xué)技術(shù)將飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)會(huì)日益提高，海量數(shù)據(jù)交叉融合綜合分析計(jì)算趨于可行，三維可視化技術(shù)愈加成熟，未來的地質(zhì)工作必然要從傳統(tǒng)的依靠肉眼和地面調(diào)查為主轉(zhuǎn)向綜合利用遙感、物探、化探等信息技術(shù)的階段。與地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)監(jiān)測預(yù)警相關(guān)的技術(shù)方法也將進(jìn)入高精度、實(shí)時(shí)獲取大數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)處理高速度、智能化階段。在這一背景下，上述各類技術(shù)方法發(fā)展的深度和廣度都將大幅提高，智能化水平、抗干擾能力、數(shù)據(jù)精度，獲取信息的直觀性、監(jiān)測儀器的可操作性和便攜性都將向好發(fā)展。同時(shí)各類調(diào)查監(jiān)測技術(shù)之間所獲取的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)將能夠?qū)崿F(xiàn)深度交叉融合，集成分析，這樣必將大幅提升地質(zhì)災(zāi)害隱患識(shí)別的自動(dòng)化與智能化水平。

2.1 航空-航天對地調(diào)查監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展展望

當(dāng)前用于遙感技術(shù)的光學(xué)傳感器空間分辨率已經(jīng)達(dá)到0.31m級(jí)，光譜分辨率已經(jīng)可以達(dá)到2.3-15nm級(jí)，差分雷達(dá)干涉技術(shù)（InSAR）已經(jīng)可以監(jiān)測到毫米級(jí)別的地地面沉降[11]；高分辨率航空磁、電測量，直升機(jī)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(shù)已趨于成熟。但各類技術(shù)的智能化操控、實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)傳輸、處理反演與可視化與地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查監(jiān)測預(yù)警所需求的實(shí)時(shí)高精度動(dòng)態(tài)計(jì)算與傳輸仍有較大差異。

今后，發(fā)展以高分辨率光學(xué)遙感技術(shù)、更高精度InSAR地表形變監(jiān)測、更高精度DEM高程分析為主要手段的地質(zhì)災(zāi)害智能調(diào)查監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，將是航空-航天對地災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查監(jiān)測技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。進(jìn)一步提升航空重、磁、電綜合物探測量的分辨率和施工環(huán)境適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)全天候、全地形低空無人機(jī)航空綜合物探作業(yè)能力也是提升地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的又一重要方向。

2.2 地面-井中測量調(diào)查監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展展望

差分GPS精確定位變形監(jiān)測技術(shù)、光纖故障定位監(jiān)測技術(shù)和地面高精度綜合物探監(jiān)測技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)崩滑流類地質(zhì)災(zāi)害變形實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測的核心技術(shù)。未來地面-井中測量調(diào)查監(jiān)測技術(shù)正處于從人力現(xiàn)場測量向?qū)崟r(shí)自動(dòng)化傳輸、從地質(zhì)災(zāi)害單點(diǎn)監(jiān)測向全災(zāi)區(qū)整體監(jiān)測、從單一監(jiān)測手段向高分辨率、多參量、多尺度、精細(xì)化和智能化的海量數(shù)據(jù)融合處理立體監(jiān)測的過度階段。

2.3 其他調(diào)查監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展展望

用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查監(jiān)測的其他技術(shù)如地面合成孔徑干涉雷達(dá)技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、陸基測雨雷達(dá)等相關(guān)技術(shù)在新的發(fā)展時(shí)期也將趨于智能化。

地面合成孔徑干涉雷達(dá)技術(shù)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(shí)現(xiàn)對斜坡范圍、位移程度、運(yùn)動(dòng)機(jī)制、含水率和分布狀態(tài)的測量，這一方法能夠克服機(jī)載干涉測量的相關(guān)限制和干擾因素，但是也受到監(jiān)測區(qū)域地表植被和能見度的影響。更高的環(huán)境適應(yīng)能力、更快的獲取變形數(shù)據(jù)能力以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與運(yùn)算能力將是這一技術(shù)未來的突破方向。

三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)地質(zhì)體進(jìn)行整體或局部的全自動(dòng)高精度三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)測量，掃描結(jié)果能夠反映細(xì)微地物的三維形態(tài)特征，具有測量速度快，結(jié)果直觀的優(yōu)點(diǎn)。但其測量精度受大氣折射和場地通視情況的限制，進(jìn)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(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

陸基測雨雷達(dá)又稱氣象監(jiān)視雷達(dá)，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(dāng)前陸基測雨雷達(dá)成本高昂，氣象數(shù)據(jù)均由國家發(fā)布，獲取數(shù)據(jù)存在一定時(shí)差，降雨是地質(zhì)災(zāi)害最主要的誘因之一，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警部門能夠?qū)崟r(shí)獲取氣象數(shù)據(jù)將更有利于提升災(zāi)害預(yù)警可靠性。

2.4 技術(shù)融合

建立以遙感為主要信息源的地質(zhì)災(zāi)害快速調(diào)查技術(shù)方法體系，深度融合高精度航空物探、地面物探、氣象監(jiān)測、鉆探和化探等技術(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)海量多源異構(gòu)技術(shù)數(shù)據(jù)的交叉融合，實(shí)時(shí)綜合處理解譯，是真正意義上實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害全方位動(dòng)態(tài)監(jiān)測預(yù)警的標(biāo)志（圖1）。

圖1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)深度融合地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系

構(gòu)建面向地質(zhì)災(zāi)害隱患識(shí)別應(yīng)用的知識(shí)庫及地表要素目標(biāo)特征數(shù)據(jù)集，形成多源異構(gòu)對地觀測信息的地質(zhì)災(zāi)害隱患訓(xùn)練樣本庫，提升地質(zhì)災(zāi)害隱患識(shí)別的自動(dòng)化與智能化水平。建立多期次高精度地質(zhì)災(zāi)害遙感調(diào)查技術(shù)方法，InSAR數(shù)據(jù)地質(zhì)災(zāi)害變形觀測技術(shù)方法，單體崩塌或滑坡無人機(jī)精細(xì)化建模、數(shù)據(jù)提取及快速查評(píng)技術(shù)，建筑、構(gòu)筑等承災(zāi)體遙感提取理論與算法技術(shù)，LIDAR多次回波技術(shù)去除植被的理論方法，構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害快速調(diào)查技術(shù)方法體系。

為更好的發(fā)展災(zāi)害地質(zhì)學(xué)，支撐國家防災(zāi)減災(zāi)戰(zhàn)略實(shí)施。還必須深入研究總結(jié)各類地質(zhì)災(zāi)害的動(dòng)力學(xué)特征，變形致災(zāi)機(jī)理。還必須著力建設(shè)全國乃至全球地質(zhì)災(zāi)害樣本數(shù)據(jù)庫，打造災(zāi)害地質(zhì)學(xué)科研平臺(tái)，針對滑坡、崩塌、泥石流等典型地質(zhì)災(zāi)害，建立基于地質(zhì)災(zāi)害普適型監(jiān)測預(yù)警設(shè)備的預(yù)警模型及指標(biāo)體系。打造重特大地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置技術(shù)體系，對應(yīng)籌備針對各類典型地質(zhì)災(zāi)害行之有效監(jiān)測預(yù)警裝備及數(shù)據(jù)處理體系。。

2.5 信息方法技術(shù)研究

人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等通用信息處理技術(shù)也將是推動(dòng)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)和監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系建設(shè)的重要方面。研究將復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)、圖像自動(dòng)識(shí)別等人工智能技術(shù)，應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)監(jiān)測預(yù)警實(shí)踐中，帶動(dòng)傳統(tǒng)探測、觀測和監(jiān)測設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化、智能化改造，構(gòu)建由衛(wèi)星通信、互聯(lián)網(wǎng)、業(yè)務(wù)專網(wǎng)等多網(wǎng)融合、全覆蓋、高帶寬低延遲的高效網(wǎng)絡(luò)通信體系，滿足對地立體動(dòng)態(tài)觀測數(shù)據(jù)傳輸處理需求。推進(jìn)海量數(shù)據(jù)全自動(dòng)動(dòng)態(tài)集成、分布式存儲(chǔ)、整體性組織、高效系統(tǒng)調(diào)度互操作、大規(guī)模并行計(jì)算、融合分析與可視化等大數(shù)據(jù)技術(shù)，對來源分散、格式多樣的海量原始數(shù)據(jù)、各技術(shù)方法監(jiān)測數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、融合分析，利用數(shù)值模擬進(jìn)行不同數(shù)據(jù)資料的同化分析和再分析，以期達(dá)到地質(zhì)災(zāi)害全自動(dòng)識(shí)別、預(yù)報(bào)。

3 結(jié)語

信息科學(xué)技術(shù)的大爆發(fā)時(shí)代，災(zāi)害地質(zhì)學(xué)的發(fā)展正面臨著前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。地質(zhì)大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新興科學(xué)技術(shù)必將深刻影響地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)和監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的發(fā)展。未來災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集和分析將進(jìn)入全天候、全方位、全自動(dòng)的智能化、模型化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展階段，智能調(diào)查監(jiān)測、實(shí)時(shí)獲取多參量大數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)高速度關(guān)聯(lián)融合處理多源異構(gòu)數(shù)據(jù)、全自動(dòng)識(shí)別、高精準(zhǔn)自動(dòng)預(yù)報(bào)。