基于“北斗+多源遥感”的地质灾害监测预警体系研究

杨志坤，李 雪，陈 曦，吴 雨

（1.四川九洲投资控股集团有限公司，四川 绵阳 621000；2.四川九洲北斗导航与位置服务有限公司，四川 绵阳 621000）

我国是世界上地质灾害最为严重、受威胁人口最多的国家之一，地质条件复杂，构造活动频繁，灾害隐患多、分布广，且隐蔽性、突发性、破坏性强，防范难度大。相关统计结果表明，2022 年，我国共发生地质灾害5 659 起，造成90 人死亡、16 人失踪、34 人受伤，直接经济损失15.0 亿元[1]。党中央、国务院高度重视地质灾害防治工作，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020 年）》明确指出要加强地质灾害监测关键技术研究[2]；《全国地质灾害防治“十四五”规划》指出要采用多方法、分层次手段完善地质灾害专业监测预警网络[3]；自然资源部印发的《2022 年全国地质灾害防治工作要点》提出要强化地质灾害监测预警体系建设，有效提高地质灾害防治能力[4]。地质灾害防治是一项事关人民生命财产安全、社会和谐稳定及区域经济社会发展全局的重大工程，而地质灾害监测预警作为地质灾害防治工作的重点，开展地质灾害风险监测预警研究意义重大。

本文在研究分析国内外已有地质灾害监测预警手段的基础上，针对地质灾害全方位监测预警需求，提出以北斗和多源遥感为核心的地质灾害全方位监测预警体系，即首先采用时序InSAR 技术进行大范围地质形变风险周期监测，找出形变高风险区，在此基础上，采用北斗进行形变高风险点实时在线监测，并结合高分辨率光学遥感影像提取的地表覆盖及其变化信息及区域地形、气象、水文等外部资料开展地质形变与地表覆盖变化、气象、水文等因素内在关系耦合分析，建立基于多源信息的地质灾害预警模型，从而为地质灾害防治工作提供技术支撑。

1 地质灾害监测预警技术研究现状

国内外针对地质灾害监测预警的方法多种多样，根据监测方式的不同，可分为人工实地测量[5]、传感器在线监测[6-7]、激光雷达遥测[8-10]、无人机三维摄影测量[11-12]和卫星遥感监测[13-14]等。其中，人工实地测量精度高，但其外业工作量大，周期长，所需人力、物力、时间成本高，且不易实现自动化；通过部署北斗/GPS、位移、倾斜等传感器监测设备，可实现对隐患点的高精度实时动态监测，但该方式的成本较高且监测范围有限，易存在监测盲区；激光雷达遥测、无人机三维摄影测量等手段可实现地灾风险的面域监测，但其对设备、人员的要求较高，操作难度较大；而卫星遥感具有广域无遗漏、信息量丰富、结果客观、坐标准确统一、安全高效、共享性强和周期对地进行动态监测的优势，但其自身具有不可回避的缺点和局限，例如，星载光学遥感会受卫星重访周期和气候条件的限制，而InSAR 受大气对流、地形起伏、植被覆盖等因素影响较大等。不难看出，各类地质灾害监测手段优略势明显，单一手段难以满足大范围地质灾害的全方位、多角度监测预警需求，因此，融合多平台、多层次，多手段的地质灾害监测预警研究成为热点。许强等[15]将高分辨率光学遥感、卫星InSAR、无人机摄影测量和无线传感网络（WSM）等多种新技术方法融合，构建了滑坡变形破坏全过程的“天－空－地”协同监测技术体系，为滑坡地质灾害的科学防范提供一种新的思维范式和经验指导；涂宽等[16]将甚高-高分辨率卫星实景三维建模技术和星载合成孔径雷达差分干涉测量技术（In－SAR）结合，开展大范围地质灾害隐患早期识别研究，大大提高了卫星遥感地质灾害隐患识别和监测能力及风险防控水平。

2 基于“北斗+多源遥感”的地质灾害监测预警体系

我国地质灾害点多面广，分布散乱，具有可预见性差、来势凶猛、成灾速度快、治理难度大、易造成人员伤亡、导致公共财产或者他人财产重大损失等特点。传统的单一手段监测方法越来越难以满足新时代防灾减灾的实际需求。为此，笔者在对比分析国内外已有地质灾害监测预警手段的基础上，提出了以北斗和多源遥感为核心的地质灾害全方位监测预警体系，即首先采用多时相中分辨率SAR 影像开展大范围地质形变时序InSAR 面域测量，找出形变高风险区。在此基础上，基于多时相高分辨率SAR 影像，进行重点区域（形变高风险区或高植被覆盖区）“CR+时序InSAR”精细化监测，进一步明确形变高风险点范围，并通过在关键点位部署北斗监测设备，实现对形变风险点的连续、实时自动化监测。最后，基于高时空分辨率“北斗+InSAR”形变融合监测结果结合高分辨率光学遥感影像提取的地表覆盖及其变化信息，以及区域地形、气象、水文等外部资料开展地质形变与地表覆盖变化、气象、水文等关系的耦合分析，建立基于多源信息的地质灾害预警模型，从而实现地质灾害的早期预警和主动防范。具体技术流程如图1 所示。

图1 基于“北斗+多源遥感”的地质灾害监测预警技术流程

2.1 基于时序InSAR 的地质形变风险面域监测

2.1.1 数据选择

地质形变风险时序InSAR 监测首先需要选择合适的数据源，目前SAR 卫星数据源很多，如Sentinel-1、ALOS-2、RADARSAT-2、COSMO-SkyMed、TerraSARX 和GF-3 等，不同类型的SAR 卫星影像分辨率、重访周期、价格也各有差异。在实际工作中，通过综合考虑监测区的各项情况可先选择中分辨率合成孔径雷达卫星影像进行地质形变大范围面域监测，而在形变高风险区或植被茂密的区域，选择使用分辨率更高的SAR卫星影像进行更细致化的测量，从而实现降本增效。

2.1.2 基于多时相中分辨SAR 影像的地质形变风险时序InSAR 面域测量

当前基于SAR 影像的地质形变监测方法很多，如D-InSAR、PS-InSAR、SBAS-InSAR 和DS-InSAR 等，为克服去相干和大气延迟的影响，这里主要基于预处理后的中分辨率时序SAR 影像，采用时序InSAR 技术（PS-InSAR、SBAS-InSAR 等）进行区域地质形变风险面域监测，并通过分析得到的形变结果分布图和形变速率变化曲线，划分地质形变等级，从而为后续重点区域基于“CR+时序InSAR”精细化监测提供参考依据。

2.1.3 基于多时相高分辨率SAR 影像的重点区域“CR+时序InSAR”精细化监测

基于中分辨率SAR 影像的地质形变风险时序In－SAR 面域测量找出的形变高风险区仍然是一个很大的范围，同时，由于地质灾害多发于地形结构复杂、植被茂盛的山区，地表散射特性较差，而卫星InSAR 技术进行该区域地质形变监测受植被等的影响较大易出现失相干，从而导致该区域形变监测点很少甚至形变信号丢失，影响限制了其进一步的应用。为了获得更多高质量、分布均匀的散射体目标，更加精准地确定地质形变高风险点的范围，这里拟采用多时相高分辨率SAR 影像进行重点区域“CR+时序InSAR”精细化监测的方式来实现[17]。即通过对基于中分辨率SAR 影像，采用时序InSAR 手段找出的地质形变高风险区和高植被覆盖区布设角反射器，并基于高分辨率SAR 影像采用“CR+时序InSAR”技术进行区域高精度、精细化详查测量，同时，通过对升、降轨时序InSAR 监测结果进行融合，从而获得更为精确的时序地表形变序列，为后续“北斗+InSAR”融合监测提供有利条件，如图2 所示。

图2 基于时序InSAR 的地质形变风险面域监测结果

2.2 基于高时空分辨率的地质形变 “北斗+InSAR”融合监测

由于卫星对地观测具有一定的周期性，基于时序InSAR 技术进行区域地质形变监测，只能获得形变灾害点的周期性监测信息，时效性较低，而北斗虽可实现灾害点的连续实时监测，但其监测范围有限，全域布设成本高。因此，这里考虑将北斗和InSAR 技术进行融合来实现高时空分辨率地质形变监测。

首先，基于多时相SAR 影像采用时序InSAR 手段开展地质形变面域监测，而针对植被覆盖度高、地形结构复杂的区域，通过安装布设角反射器辅助时序In－SAR 测量的方式，获取区域大范围、高精度的形变信息，并进一步确定地质形变高风险点的范围，在此基础上，选择关键点位（形变高风险点、形变趋势极速上升或下降的点等），有针对性地部署北斗监测设备，进行高频、实时、自动化监测，从而获得监测点连续、实时形变信息，多手段联合从而实现对地质形变隐患的高时空分辨率自动监测。这里的北斗可辅助进行InSAR 相位解缠，实现对时序InSAR 的精确几何定位或地理编码，同时，北斗获取的三维坐标还可以作为控制资料精确校正由InSAR 处理得到的变形分布图，从而消除卫星轨道参数的不确定性和其他系统性的误差。另外，通过在北斗监测点附近安装角反射器，还可实现对InSAR 监测结果的交叉验证，从而有效提升InSAR 形变监测的精度，为后续的灾害早期预警和主动防范提供依据，如图3 所示。

图3 基于高时空分辨率的地质形变“北斗+InSAR”融合监测结果

2.3 基于高分辨率卫星遥感的地表覆盖及其变化检测

地表覆盖及其变化情况，对区域地质灾害的产生具有极其重要的影响，因此定期对区域地表覆盖情况进行识别并对其变化信息进行周期监测尤为重要。卫星遥感具有监测范围广、信息量丰富、安全高效、监测结果客观和便于进行周期动态监测等优点，有效助力大范围地表覆盖的智能识别及变化监测。

首先对高分辨率光学卫星影像进行几何校正、影像配准、辐射校正、大气校正和图像增强等预处理，然后对各类地表覆盖信息进行特征提取并构建样本库，在此基础上，根据实际情况选择采用监督分类、面向对象分类、决策树分类等方法实现地表覆盖信息分类识别。同时，基于预处理后的多时相高分辨率卫星影像数据，采用机器学习等人工智能算法对监测区地表覆盖变化情况进行智能提取和动态监测，从而为地灾高风险区的判别及定位和后续的灾害预警提供参考依据。

2.4 基于多源信息耦合的地质灾害预警

地质灾害发生的必然条件是发生了地表形变，但同时其还会受到包括植被、气象、水文和地形地貌等多种因素的影响。基于“北斗+InSAR”手段获取的高时空分辨率地质形变信息及基于高分辨率光学遥感影像提取的地表覆盖及其变化信息，结合区域地形、气象、水文等外部资料利用大数据挖掘的方法进行地质形变与地表覆盖变化、地形地貌、气象和水文等关系的耦合分析，筛选出诱发地质灾害的主控因素，确定灾害关键性指标，并建立基于多源信息的地质灾害预警模型，从而实现地质灾害的早期预警和主动防范，如图4 所示。

图4 基于多源信息耦合的地质灾害预警结果

3 结束语

地质灾害防治是一项事关人民生命财产安全的大事，本文在研究分析国内外已有地质灾害监测预警手段的基础上，针对地质灾害全方位、高精度、立体化的监测预警需求，提出以北斗和多源遥感为核心的地质灾害全方位监测预警体系，从而有效弥补了单一手段地灾监测全面性不足、预警精度低等缺点，为更好地防范化解灾害风险提供了更为科学的技术支撑。但是本文仅侧重于进行“北斗+多源遥感”的地灾监测预警技术体系构建，后续需根据地灾类型的不同进一步剖析其致灾机理及演化过程，并重点研究基于多源信息的地灾预警模型构建方法，从而进一步提升地质灾害监测预警的效率和精度。