地災隱患識別:尋找大地上的“潛伏者”

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核心提示


搞清楚“隱患在哪里”是我國地質災害防治工作的核心問題之一。2019年,自然資源部部署開展了基于綜合遙感技術的地質災害隱患識別示范工作,力爭3~5年內掌握全國地災隱患“底數”。

去年,首輪“國家級”大規模地災隱患綜合遙感識別將全國地災高中易發區8450處疑似隱患“揪”了出來,其成果得到充分認可。但專家也指出,地災隱患綜合遙感識別技術不能“包治百病”,需要科學認識,因地制宜。要通過多層次多技術手段的綜合運用,人防﹢技防,方能最大限度保障人民群眾生命財產安全。

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在衛星層次,用InSAR和高分辨率光學遙感技術開展廣域普查

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在航空平臺層面,用無人機機載LiDAR和三維攝影測量技術開展局部詳查

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地面專業人員有重點的進行調查復核,以及地面勘查和監測

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 名詞解釋


InSAR


合成孔徑雷達干涉測量,是指利用雷達衛星獲取的相位信息,通過干涉測量的方式實現地表形態與形變測量的雷達遙感應用技術。特點是觀測范圍大,精度高,快速高效,可發現正在“活動”的隱患,特別是一些微小緩慢,人不易覺察的地表變形。


高精度DEM


即數字高程模型,指分辨率和精度在米級的三維地形數據。特點是精細刻畫地表三維形態變化,與光學遙感、InSAR等聯合使用,有助于識別災害體的位置、范圍、朝向、坡向等形態信息。 


高分辨率光學遙感


即一般意義上的“遙感”,主要通過可見光譜段對地觀測成像,是目前遙感應用最廣泛的影像數據。高分辨率遙感影像可直觀地反映地表覆蓋、地物類型等要素,揭示與隱患相關的地表特征,如裂縫、鼓丘、滑塌等現象。 


LiDAR


一般指三維激光掃描,通過激光雷達對地觀測,獲取精細三維地形數據。特點是可穿透植被,清晰看到斜坡結構、斷層裂縫等地表信息。

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浩瀚宇宙,衛星凝視著地球,以“上帝視角”記錄著地表的動態變化;山巒之上,無人機悄然掠過,精準“透視”出高山峽谷的舊傷新痕;邊坡危巖,專業人員“按圖索驥”,結合孕災規律和地質條件靶向核查。

上述天空地作業,均指向同一個目標——識別地質災害隱患。

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小試牛刀

全國地災高中易發區迎來“體檢”

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京城五月,繁花似錦,綠意盎然。

位于北四環邊上的奧運大廈6層,此刻卻充斥著緊張的氣氛:中國地質調查局自然資源航空物探遙感中心的技術團隊爭分奪秒解譯著衛星遙感數據,趕在汛前,將全國121萬平方千米地質災害高中易發集中連片區疑似隱患“揪”出來,為各地防災減災提供參考。這是他們第二年開展“國家級”大規模地質災害隱患識別。

我國地質災害點多面廣,滑坡、崩塌、泥石流等致災因素眾多。一個無法回避的現實是,全國每年新發生的地災70%都在已查明的隱患點范圍之外。其中,滑坡最為常見,占全國災害發生次數和影響程度的92%以上。

消除“盲區”,解決“隱患在哪里”始終是“防”的難題。

“2017年6月24日四川茂縣新磨村高位遠程滑坡和2018年金沙江白格滑坡的發生讓業內清晰地認識到,僅靠傳統的調查排查和群測群防手段很難對高位、高隱蔽性的滑坡隱患進行早期識別,必須借助現代對地觀測技術,盡可能全面的從廣域尺度上探測和發現隱患點。”中國地質調查局自然資源航空物探遙感中心遙感技術研究所負責人葛大慶說。

為攻克防災“卡脖子”環節,2019年,自然資源部部署開展了基于綜合遙感技術的地質災害隱患識別示范工作,目標兩個:一是論證規模化開展隱患識別的技術可行性與應用效果;二是推動構建國家級和省級隱患識別中心,形成“1﹢N”的分級組織模式,由國家級隱患識別中心統籌全國尺度上的普查識別和技術引領,省級中心負責本省詳細調查與現場核查,力求在3~5年內掌握全國地災隱患的“底數”。其中,國家級隱患識別中心主要依托航遙中心推進隱患識別業務。

經過充分論證與應用實踐,確立了綜合應用空天地多源遙感觀測技術,以“形態、形變、形勢”為識別內容的重大隱蔽性地災隱患早期識別技術思路,形成了包括專題信息提取、隱患特征識別、野外核查驗證的業務流程,豐富了地災調查評價業務工作方式。

葛大慶介紹,地災隱患綜合遙感識別技術就是通過高分辨率光學遙感影像與高精度DEM進行潛在災害體“形態”調查,揭示地質背景、幾何形態、地表覆被變化等成災要素;以不同分辨率lnSAR監測獲取斜坡體地表“形變”信息,表征活動狀態,判別變形部位、滑移規模和活動階段;以長時序InSAR形變數據、地質資料、威脅對象等綜合分析變形活動的發展趨勢以及致災“形勢”,判別疑似隱患,并最終經現場核查驗證完成識別確認。

“綜合遙感識別從技術上體現了多源遙感手段的互補,降低了單一技術有效識別不足的概率。同時充分利用孕災背景、基礎地質條件以及已有隱患狀況,從信息解譯、判斷、現場核查與最終確認上體現綜合性,避免信息不足帶來的認識偏頗。”葛大慶強調。

2020年該項工作有了實質性進展。

在自然資源部部署下,航遙中心組織相關力量對全國地災高中易發區10省市開展地災隱患綜合遙感識別,覆蓋黃河上游、四川強震區、藏東南地區、滇西北地區、三峽庫區五類典型地災分布區,面積118萬平方千米。

“此次識別聚焦大型活動性災害隱患,以滑坡、不穩定斜坡為主,兼顧泥石流、崩塌等其他類型。同時,以人為本,突出對村莊、集鎮等人口聚集地區和重大基礎設施威脅嚴重的隱患。”葛大慶告訴記者。

在識別層次上,一是發揮摸底的作用,對于“人跡罕至、人不能至”的地區,以及其他工作薄弱區或者空白區,綜合遙感識別作為先行手段,為地面調查指明“靶區”;二是體現動態監測作用,通過技術手段揭示與災害發育相關的“變化”特征,對于地面工作程度較高的地區,與大比例尺調查并行,互為補充。

在工作模式上,實行分級協同。即由航遙中心牽頭組織相關技術單位進行隱患識別,為省市提供疑似隱患識別成果。各地核查時首先將疑似隱患與已有隱患庫對比,現場核查主要針對新發現的隱患,并根據危險性和危害程度開展相應的防災工作。

經過4個多月作業,全國地災高中易發區221個縣區8450處疑似隱患被“揪”了出來。經地方核查,識別正確率在30%以上。其中,青海、四川、湖北分別達到了76.5%、69.9%和62.86%,特別是四川省,核查確認的隱患近半為新增隱患,很好地體現了綜合遙感技術發現未知隱患的作用。

統計顯示,2020年在罕見極端天氣等多種因素影響下,全國地災發生數比2019年增加26.8%,地災造成的死亡(失蹤)人數減少37.9%。這份守護人民群眾生命和財產安全的答卷上,留下了綜合遙感識別技術的印記。

“地災隱患綜合遙感識別是一項非常有意義的探索性工作。”成都理工大學副校長、地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室常務副主任許強如是評價:

其一,通過示范區域研究,基本構建了一套基于綜合遙感技術的地災隱患識別技術方法體系和流程。其二,從單一技術手段到多種手段的綜合運用,形成了統一認識并對各類技術的優點和局限性有了比較清楚的認知。其三,地勘隊伍在技術推廣應用中,思想觀念和工作方法有了明顯改變。其四,識別了一批新的地災隱患,尤其是滑坡,這是實實在在的成果。

甘肅省地礦局第一地質礦產勘查院災防院院長王巖對此深有體會。去年“8·13”隴東南特大群發地災后,航遙中心下發了一批隱患分布圖,災防院對張家川縣113個疑似隱患點進行了野外調查驗證,確定地災隱患80處,全部為滑坡,其中新增地災隱患70處。

“綜合遙感識別技術能準確判斷出斜坡是否變形,為技術人員判定滑坡災害提供了可靠依據,同時加強了工作區地災隱患點調查程度,補充完善了隱患點數據庫。希望這類遙感核查項目能輻射更多的縣區,相關技術能普及到地勘單位,提高技術人員對災害的辨識率。”王巖說。

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廣泛實踐

地方“自選動作”有聲有色

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目前,地災隱患綜合遙感識別技術已被廣泛接受,四川、貴州、陜西、重慶、甘肅等省市陸續開展識別任務,落實《地質災害防治三年行動實施綱要》規定任務。技術力量雄厚的省份積極嘗試“自選動作”,探索形成了具有地方特色的防災減災方式。

“多災多難”的四川,便是其中之一。

四川省國土空間生態修復與地質災害防治研究院副院長馬志剛介紹,去年四川在全國開展示范工作的基礎上,部署實施了省級地災隱患綜合遙感識別與監測項目,分片區對川北、川西南、川西、川東川南開展了InSAR監測和光學遙感篩查,發現和圈定了一批高位地災隱患點;查明了重要城鎮及交通沿線、地災高易發區等重點地段的地災情況。同時,選取了重大地災隱患點或處于持續變形的重大工程治理點開展遙感追蹤監測評價。

記者了解到,和國家示范工作相比,四川省級地災隱患綜合遙感識別有4方面特點:

一是分層級部署。在國家部署“面”的基礎上,增設了“重點地段”和“重大地災隱患點”兩個層次,實現了綜合遙感識別工作的粗細結合。二是多手段應用。為克服高密度植被覆蓋區InSAR識別效果較差的技術短板,增加了“機載LiDAR”和無人機航空攝影,發揮其可穿透植被或高精度的優勢。三是全災種解譯。將泥石流納入隱患識別范圍,實現了突發地災滑坡、崩塌、泥石流等全災種的解譯分析。四是雙路徑分析。將找出存在形變且未登記在冊的隱患點和查找正在變形的登記在冊的隱患點作為識別的兩個路徑,一體化考慮,為地災風險評價、汛前隱患排查提供了重要靶區。

“目前四川已將地災隱患識別納入常態化防災工作,并將解譯成果作為地災風險調查、汛前排查、重要強降雨天氣后隱患排查的工作依據,實現了從被動應急救災到主動防災的轉變。”馬志剛說。

“天無三日晴”的貴州,2016年在全國率先引進了綜合遙感識別技術中的InSAR 開展地災隱患的早期識別。5年來,全省共監測發現疑似滑坡形變區2000余處,經核查確認新發現地災隱患600余處。

“InSAR也抓住了一些地表變形不明顯的在冊地災隱患點,幫助我們加強管理,采取綜合防治措施,該治理的治理,該搬遷的搬遷。把‘隱患在哪里’問題又向前推了一小步。”貴州省地質災害應急技術指導中心研究員劉秀偉告訴記者。

近年來,貴州積極將技術邏輯與行政邏輯結合。去年9月,水城縣發耳鎮發生大滑坡,方量達80余萬立方,InSAR和地面監測同時捕捉到地表動態,適時發布了預警信息,政府及時將受地災隱患威脅的群眾及重要財產轉移到安全區域,把損失降到了最低。

“事實上,2017年我們就監測到了發耳滑坡隱患。專家調查分析認為滑坡形變在可承受范圍內,暫時不用大規模搬遷,通過持續監測和防控既能保證群眾安全,又可保障當地生產經營活動有序開展,最大限度降低隱患對社會的負面影響。”劉秀偉介紹,3年來當地經濟社會發展有序,老百姓生產生活如常,技術保障為行政決策提供了強有力地支撐。

記者了解到,目前貴州地災防治管理模式從以隱患點為主要管理對象,逐漸轉變為以隱患點和風險斜坡為對象的“點面雙控”風險管理。今年年底,全省以縣為單元的精度優于1∶5萬的地災風險斜坡詳細調查將全面完成。

“斜坡與隱患點不同,‘病’不算重,常規設備監測投入大,管控效果不理想,但風險又不得不防。”劉秀偉說。對此,貴州正積極探索將InSAR運用到風險斜坡管控中,力爭使該技術從地災隱患識別邁向監測預警,提高風險斜坡的綜合管控能力,為“災害什么時候發生”探路。

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科學認識

地災隱患綜合遙感識別技術不能“包治百病”

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多地實踐證明,地災隱患綜合遙感識別成果可“指導排查,輔助調查,引導勘察”,提高了調查的針對性,減少了地面工作量,部分解決了“隱患在哪里”的難題。

但專家同時強調,地災隱患識別是多種技術手段、多學科知識的綜合運用。綜合遙感識別技術有其局限性,不可能“包治百病”,現有的技術手段仍難以識別前期沒有明顯變形或變化很快的突發性災害隱患,這一點務必要科學理性地認識。

“每種技術都有優勢和短板,實操中須要因地制宜。”葛大慶說,比如,光學遙感容易受云霧天氣和分辨率影響,大規模應用中往往難以獲取亞米級的遙感數據,解譯對專家經驗和知識依賴度較高。

“有的觀點認為,綜合遙感識別就是應用InSAR技術,這也是不對的。”葛大慶進一步闡釋,InSAR能敏銳捕捉地表的動態變化,與光學遙感影像綜合運用,可在植被覆蓋度較低、高陡地區大范圍普查,識別高位、隱蔽性的災害隱患。比如在地層內部有損傷,地表持續活動的四川強震區,效果就很好。

但是,InSAR會受到觀測角度、植被狀況、地形結構、水汽以及數據處理技術的影響和制約,普適性存在一定局限。同時,對于事前沒有明顯變形跡象,或者變形過程極短的突發性地災,因其超出了雷達衛星有效觀測的能力范圍,InSAR很難發揮作用。比如2019年7月23日貴州水城縣突發的特大山體滑坡,事前未出現明顯變形跡象,InSAR未探測到變形信息。此外,在廣東、浙江、福建等植被覆蓋率較高的地區,光學遙感、InSAR等技術適用性受限,漏識率也較高。

“天空地一體化防災,以廣域普查﹢局部詳查﹢重點核查的方式分層次開展,是識別和防范地災隱患最科學有效的方式。”許強認為。

“天”指在衛星層次,用InSAR和高分辨率光學遙感技術開展廣域普查;“空”指在航空平臺層面,用無人機機載LiDAR和三維攝影測量技術開展局部詳查;“地”即地面專業人員有重點的進行調查復核,以及地面勘查和監測。

“通常,我們會用兩種或多種技術手段背靠背地做,然后相互校驗和補充。如果兩種方法的結果能對上和相互檢驗,地災隱患就可以確認了。”許強說。

2015年,許強團隊通過InSAR發現川西某村寨的山后有一處正在變形的大型滑坡區,由于最高海拔達到了4600米,人工沒法上去調查復核,一直沒能確認。3年后,在四川省支持下,團隊運用LiDAR和三維攝影測量對該區域進行了航飛,經多種技術手段比對分析最終確認了蠢蠢欲動的滑坡隱患。

多名業內人士指出,專業知識決定了技術應用的深度。在地災防治領域,地質專家好比“醫生”,InSAR、LiDAR等技術手段應用,如同為疑似隱患點做“CT”“B超”。是否患“病”,“病”征如何,最終還得依靠“醫生”根據各種測試結果綜合判定。如果不掌握足夠的地質知識,對災害形成條件、發育特征、成因機理等不了解,很難用好先進技術。

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揚長補短

人防技防一起上,天上地下一起看

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甘肅立節北山老滑坡“蘇醒”、四川洪雅突發高位遠程崩滑、湖南安化切坡建房引發山體滑坡……今年以來,全國已發生200余起地災,隨著汛期的到來,地災防治工作迎來大考。

如何牢固樹立以人民為中心的思想,進一步提升防災減災能力?——“多層次多技術手段綜合運用,人防﹢技防”是專家們的一致觀點。

許強指出,近年來我國地災防治工作取得顯著進步,一是構建了一套具有中國特色的地災群測群防體系,解決了我國地災點多面廣的問題;二是現代技術的有效運用,包括綜合遙感技術、監測預警、計算機信息技術等,成效顯著;三是引入了風險防控的理念,從以群測群防為代表的自發性防災,發展到理論化防災、技術化防災、體系化防災逐漸成熟。但是,地災防治工作也面臨瓶頸,最突出的就是對第三類隱患——具有突發性失穩破壞的潛在不穩定斜坡,目前還很難依靠技術手段提前發現。

“地災隱患可分為三類,第一類是正在變形的區域。第二類是歷史上曾出現過變形破壞、有損傷的區域。第三類就是潛在不穩定斜坡,即歷史上從未出現變形破壞,目前也無明顯變形跡象,但其穩定性相對較差,暫時處于基本穩定或欠穩定狀態,一旦外部條件發生變化,比如一場強降雨或人工開挖坡角就有可能突發地災。”許強闡釋。

記者了解到,對于第一類隱患,InSAR和高分辨率光學影像能很好地進行識別。第二類隱患,運用LiDAR 最為有效,并可以三維攝影測量輔助。而第三類隱患,靠遙感技術已無能為力,必須動用物探、鉆探等手段,把斜坡地下結構和含水狀況查清楚才能判斷其穩定性,但潛在不穩定斜坡點多面廣,防不勝防。

“現階段,第三類隱患還主要依靠群測群防來防范,當然我們也正在研發航空物探技術,希望能快速查明地下結構,評價其穩定性。”許強說。

今后一段時期,地災防治可以從哪些方面發展突破?

許強建議,一是要構建航空遙感聯盟,搭建信息共享平臺,整合全國航空遙感力量,盡快實現航空遙感數據的全國全覆蓋。二是要發展航空物探,盡可能多地將潛在不穩定斜坡的地下結構和含水狀態搞清楚,把第三類隱患找出來。

葛大慶認為,提高綜合遙感識別能力,找到更多地災隱患,一方面要著力發展專業目標的遙感衛星,強化源頭的有效觀測與數據保障,進一步提升衛星監測的頻率、精度和針對性。“地災隱患識別目前主要用歐空局哨兵-1號衛星C波段數據,以及日本ALOS-2衛星L波段數據,但受衛星觀測周期和范圍限制,一些地方還不能有效覆蓋,分辨率也不夠,限制了可識別的范圍、規模和精度。”葛大慶說。

另一方面,大規模業務化識別工作要進一步提高遙感識別信息處理的自動化和智能化水平,盡可能將專家知識轉為模型或者方法,提升智能識別“去偽識真”的本領,降低人員勞動強度。此外,還要加快培養具有地災專業知識,又掌握遙感、InSAR以及地理信息技術的人才。

馬志剛指出,現階段地災源頭管控理念還有待提升,“‘源頭管控’雖然是舊詞新用,但在地災防治上是一個全新的認識,是推動地災‘早期防’到‘源頭控’觀念轉變的重要變革。”

近年來,四川按照以防為主、防治結合的方式開展了地災易發縣縣域地災風險評價、隱患識別分析等工作,初步摸清了隱患和風險的家底,獲得了較為豐富的基礎性成果資料。但是,扎實推進基礎工作并不代表地災“防”的工作就做好了,如何依托現有成果和技術把地災隱患“管起來”,最大限度地降低災害風險是當前的難題。

對此,馬志剛提出兩點建議,一是加快構建地災隱患點、風險區雙控新格局。充分運用地災易發縣縣域地災風險評價、遙感識別監測等成果,選擇重點區域開展風險管控試點,形成“識別、監測、管控”結合的風險管控體系,不斷提高地災隱患識別和風險管控能力。

二是努力做好科技防災。在加大群專結合監測預警體系建設的同時,重點建立一個綜合監測預警平臺,構建一套地災監測預警管理體系,培養一支技術團隊,形成“風險提前管控,空天地隱患識別,氣象風險動態預報、專業設備持續監測、信息平臺實時預警,現場人員動態核查”的監測預警新局面。

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來源:中國自然資源報 

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