地质灾害调查评价与监测预警技术的发展与展望

李新斌，田 辉，韩朝辉，赵 浩，朱一龙，丁廉超，赵 超

（中国地质调查局 西安矿产资源调查中心，陕西 西安 710100）

我国国土面积广袤，山地丘陵多，地质环境复杂，构造活动频繁，是全球地质灾害最严重、威胁人口最多、防范难度最大的国家之一。据调查，我国地质灾害高易发区面积121万平方千米，中易发区面积273万平方千米，高中易发区面积占陆域国土面积40以上，主要分布在青藏高原、云贵高原、黄土高原、秦巴山区、湘鄂桂山区、天山和太行山区、东南沿海和辽东山地丘陵等地区。截至2020年底，全国已发现地质灾害隐患点330749处，潜在威胁1367万人和6209亿元财产的安全。按类型划分为滑坡176851处、崩塌96293处、泥石流35403处、其他类型地质灾害22202处。按险情等级划分为特大型1751处，威胁296万人；大型4795处，威胁175万人；中型36498处，威胁420万人；小型287705处，威胁476万人。长期以来，各类地质灾害对国民生产生活和财产安全造成了重大危害。

地质灾害是指在自然或者人为因素的作用下形成的，对人类生命财产造成的损失、对环境造成破坏的地质作用或地质现象[1]。在中国，地质灾害已成为危害人类生命财产安全、人文建设活动甚至休闲活动无法回避的重要问题[2]。地质灾害的发育分布及其危害程度受多种因素制约，其中又以地形地貌、岩土体工程地质类型、水文地质条件、构造运动的强度与方式、气候气象、植被条件及人类经济工程活动关系最为密切[3]。

中国在构造位置上处于喜马拉雅构造带和环太平洋构造带聚汇部位。印度板块、欧亚板块和太平洋板块的共同作用下，中国大陆及陆缘发生了一系列的碰撞挤压、拉伸及剪切应变，使整个中国大陆形成了一盘破碎镶嵌的块体组构[4，5]，其中青藏高原的隆起和华北及松辽沉降平原形成了西高东低的强烈地势反差，构成了中国大陆构造和地形的总体特征，也是中国地质灾害种类繁多、长期高发和破坏力强的根本原因。同时中国疆域辽阔、历史悠久、人口众多，近40年来工业化飞速发展，林、草、湿、水、土、矿等自然资源开采利用模式粗犷，破坏了原有生态和地质力学平衡状态，加之我国气候复杂多样，具有显著的经度和纬度分带性，在21世纪以来全球气候变化的背景下极端天气频发[6]，加速了以水为主的自然资源平衡条件和岩土构造应力状态的破坏，诱发并加剧了地面沉降、地面塌陷、地裂缝、水土流失、土地沙化、土地盐渍、沼泽化、崩、滑、流、矿山灾害等地质灾害的发育和危害。

近年来，国内外相关单位在地质灾害的调查评价及监测预警领域开展了众多卓有成效的研究工作，取得了丰硕的成果，“地质灾害”已经逐步发展成为一个专门的学科。但地质灾害通常是地质因素、引发条件耦合作用和承灾对象遭遇的结果，其从孕育到发生再到破坏是一个动态的过程。未来半个世纪将仍是我国经济快速发展的阶段，城市的扩张和大规模的基建对自然资源的开发需求仍将持续攀升，随之而来的灾害地质环境问题依然不容忽视。海岸带海水入侵破坏地下水生态环境,降低海岸带土壤质量，侵蚀破坏城市地下设施，但每年的入侵速率仅在米级；地下水超采诱发的华北平原地面沉降，年沉降速率在毫米量级；崩、滑、流等调查监测必须做到动态长期、精细定量；洪涝灾害的监测需要以分钟为间隔进行不间断监测评估。现有常规技术手段和调查评价思维难以应对诸如上述的各类地质灾害调查监测预警需求，必须持续提升地质灾害调查评价和监测预警研究力度，推动地质灾害监测预警理论研究和技术方法再上新台阶。

1 地质灾害调查评价技与监测预警技术主要研究进展

从20世纪90年代以来，针对我国各类灾情形势，相关科研院所一大批专家人才从不同技术领域开展了一系列地质灾害调查评价和监测预警的相关研究工作。黄润秋在工程岩石高边坡稳定性评价及崩滑地质灾害的预测与防治领域做了大量工作[7]；刘传正从防灾减灾的角度提出了区域地质灾害“发育度”“潜势度”“危险度”和“危害度”等“四度”递进分析理论方法，并将其成功运用于四川雅安地区及三峡库区防灾减灾实践，并科学哲学角度提出了地质灾害防治研究的认识论与方法论[8]；许强在西部山区大型滑坡潜在隐患早期识别与监测预警关键技术领域取得了重大突破[9]；张茂省针对我国黄土高原地质灾害特征在黄土地质灾害监测预警和风险评估方面取得了重大突破[10]。

目前地质灾害调查评价和监测预警技术主要可分为航空-航天对地监测技术、地面-井中测量调查监测技术及其他调查监测技术三大类。航空-航天对地调查监测技术主要包括光学卫星影像、卫星定位、航空物探测量、SAR图像、航空倾斜摄影等；地面-井中测量调查监测技术主要指地面和井中重、磁、电、震、放等综合物探测量，地面变形及其他物理量高精度检测技术等；其他调查监测技术如陆基测雨雷达、气象观测、三维激光扫描、陆基测雨雷达等相关技术。

2 地质灾害调查评价与监测预警技术展望

随着新一轮科技革命和产业革命的爆发，信息科学技术将飞速发展，计算机软硬件技术会日益提高，海量数据交叉融合综合分析计算趋于可行，三维可视化技术愈加成熟，未来的地质工作必然要从传统的依靠肉眼和地面调查为主转向综合利用遥感、物探、化探等信息技术的阶段。与地质灾害调查评价监测预警相关的技术方法也将进入高精度、实时获取大数据、实时处理高速度、智能化阶段。在这一背景下，上述各类技术方法发展的深度和广度都将大幅提高，智能化水平、抗干扰能力、数据精度，获取信息的直观性、监测仪器的可操作性和便携性都将向好发展。同时各类调查监测技术之间所获取的多源异构数据将能够实现深度交叉融合，集成分析，这样必将大幅提升地质灾害隐患识别的自动化与智能化水平。

2.1 航空-航天对地调查监测技术的发展展望

当前用于遥感技术的光学传感器空间分辨率已经达到0.31m级，光谱分辨率已经可以达到2.3-15nm级，差分雷达干涉技术（InSAR）已经可以监测到毫米级别的地地面沉降[11]；高分辨率航空磁、电测量，直升机航空磁、伽马能谱测量和沿地形起伏低空飞行的高精度航磁测量等技术已趋于成熟。但各类技术的智能化操控、实时大数据传输、处理反演与可视化与地质灾害调查监测预警所需求的实时高精度动态计算与传输仍有较大差异。

今后，发展以高分辨率光学遥感技术、更高精度InSAR地表形变监测、更高精度DEM高程分析为主要手段的地质灾害智能调查监测预警技术，将是航空-航天对地灾害地质调查监测技术的一个重要发展方向。进一步提升航空重、磁、电综合物探测量的分辨率和施工环境适应能力，实现全天候、全地形低空无人机航空综合物探作业能力也是提升地质灾害监测预警技术的又一重要方向。

2.2 地面-井中测量调查监测技术的发展展望

差分GPS精确定位变形监测技术、光纤故障定位监测技术和地面高精度综合物探监测技术将是实现崩滑流类地质灾害变形实时动态监测的核心技术。未来地面-井中测量调查监测技术正处于从人力现场测量向实时自动化传输、从地质灾害单点监测向全灾区整体监测、从单一监测手段向高分辨率、多参量、多尺度、精细化和智能化的海量数据融合处理立体监测的过度阶段。

2.3 其他调查监测技术的发展展望

用于地质灾害调查监测的其他技术如地面合成孔径干涉雷达技术、三维激光扫描技术、陆基测雨雷达等相关技术在新的发展时期也将趋于智能化。

地面合成孔径干涉雷达技术是一种针对地面位移的遥感测量方法，可以在无需接触任何斜坡的情况下实现对斜坡范围、位移程度、运动机制、含水率和分布状态的测量，这一方法能够克服机载干涉测量的相关限制和干扰因素，但是也受到监测区域地表植被和能见度的影响。更高的环境适应能力、更快的获取变形数据能力以及实时数据传输与运算能力将是这一技术未来的突破方向。

三维激光扫描技术能够实现对目标地质体进行整体或局部的全自动高精度三维坐标数据测量，扫描结果能够反映细微地物的三维形态特征，具有测量速度快，结果直观的优点。但其测量精度受大气折射和场地通视情况的限制，进一步缩小扫描间距、提高全地形扫描工作能力是三维激光扫描技术的重点发展方向。

陆基测雨雷达又称气象监视雷达，是利用大气层中雨滴、冰晶、雪花等对电磁波的散射作用来探测大气降水或云中大滴的浓度、分布和演变。当前陆基测雨雷达成本高昂，气象数据均由国家发布，获取数据存在一定时差，降雨是地质灾害最主要的诱因之一，地质灾害监测预警部门能够实时获取气象数据将更有利于提升灾害预警可靠性。

2.4 技术融合

建立以遥感为主要信息源的地质灾害快速调查技术方法体系，深度融合高精度航空物探、地面物探、气象监测、钻探和化探等技术数据，实现海量多源异构技术数据的交叉融合，实时综合处理解译，是真正意义上实现地质灾害全方位动态监测预警的标志（图1）。

图1 多源异构数据深度融合地质灾害监测预警技术体系

构建面向地质灾害隐患识别应用的知识库及地表要素目标特征数据集，形成多源异构对地观测信息的地质灾害隐患训练样本库，提升地质灾害隐患识别的自动化与智能化水平。建立多期次高精度地质灾害遥感调查技术方法，InSAR数据地质灾害变形观测技术方法，单体崩塌或滑坡无人机精细化建模、数据提取及快速查评技术，建筑、构筑等承灾体遥感提取理论与算法技术，LIDAR多次回波技术去除植被的理论方法，构建地质灾害快速调查技术方法体系。

为更好的发展灾害地质学，支撑国家防灾减灾战略实施。还必须深入研究总结各类地质灾害的动力学特征，变形致灾机理。还必须着力建设全国乃至全球地质灾害样本数据库，打造灾害地质学科研平台，针对滑坡、崩塌、泥石流等典型地质灾害，建立基于地质灾害普适型监测预警设备的预警模型及指标体系。打造重特大地质灾害应急处置技术体系，对应筹备针对各类典型地质灾害行之有效监测预警装备及数据处理体系。。

2.5 信息方法技术研究

人工智能、大数据、物联网等通用信息处理技术也将是推动地质灾害调查评价和监测预警技术体系建设的重要方面。研究将复杂神经网络、大数据深度学习、图像自动识别等人工智能技术，应用于地质灾害调查评价监测预警实践中，带动传统探测、观测和监测设备的网络化、智能化改造，构建由卫星通信、互联网、业务专网等多网融合、全覆盖、高带宽低延迟的高效网络通信体系，满足对地立体动态观测数据传输处理需求。推进海量数据全自动动态集成、分布式存储、整体性组织、高效系统调度互操作、大规模并行计算、融合分析与可视化等大数据技术，对来源分散、格式多样的海量原始数据、各技术方法监测数据和用户数据进行关联、融合分析，利用数值模拟进行不同数据资料的同化分析和再分析，以期达到地质灾害全自动识别、预报。

3 结语

信息科学技术的大爆发时代，灾害地质学的发展正面临着前所未有的机遇和挑战。地质大数据、机器学习、卷积神经网络等新兴科学技术必将深刻影响地质灾害调查评价和监测预警技术的发展。未来灾害地质调查监测的数据采集和分析将进入全天候、全方位、全自动的智能化、模型化、网络化发展阶段，智能调查监测、实时获取多参量大数据、实时高速度关联融合处理多源异构数据、全自动识别、高精准自动预报。