許強 成都理工大學(xué)副校長、地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室常務(wù)副主任

“隱患在哪里？”和“什么時候可能發(fā)生？”兩大難題一直困擾著我國自然資源部門和地質(zhì)災(zāi)害從業(yè)者。如今，在地質(zhì)災(zāi)害從業(yè)者的努力下，尤其是成都理工大學(xué)副校長、地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室常務(wù)副主任許強利用光學(xué)衛(wèi)星遙感、InSAR、機載LiDAR、無人機攝影測量、航空物探、SLAM、多波束等技術(shù)，構(gòu)建的“天-空-地-內(nèi)”全時空實景三維地質(zhì)災(zāi)害防治體系讓人們看到了難題破解的曙光。

所謂“天-空-地-內(nèi)”全時空實景三維地質(zhì)災(zāi)害防治體系，是指星載平臺光學(xué)遙感+InSAR識別地表變形、航空平臺機載LiDAR+無人機攝影測量精細識別滑坡隱患、地面平臺專業(yè)監(jiān)測+調(diào)查核實獲取精準可靠變形信息、航空物探探測地質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)+多波束探測水下地形+SLAM測繪室內(nèi)形態(tài)，通過多技術(shù)的協(xié)同監(jiān)測與綜合利用，實現(xiàn)地上+地下，室內(nèi)+室外，水上+水下全要素、全空間地質(zhì)災(zāi)害隱患識別、實時監(jiān)測與風(fēng)險評估，最大限度地保證人民群眾的生命財產(chǎn)安全。

“現(xiàn)在哪門技術(shù)好用，我就引入它。因為技術(shù)手段越豐富，地質(zhì)災(zāi)害隱患識別和預(yù)警條件就越充分，這樣得到的結(jié)果就越精準、真實。這就好比醫(yī)生看病，通過多種技術(shù)手段獲取多方面指標才能準確判斷出病癥，查明病因，對癥下藥?！痹S強如是說。

從人防到技防“三查”體系

受青藏高原隆升、全球氣候變化等因素影響，我國是世界上滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害最為嚴重、受威脅人口最多的國家之一。嚴峻的防災(zāi)減災(zāi)形勢，孕育了一批又一批像許強一樣將全部精力投入到地質(zhì)災(zāi)害防治事業(yè)中的科技工作者。

▲許強在教研室

許強在與地質(zhì)災(zāi)害打交道的早期，受限于裝備技術(shù)水平，運用專業(yè)監(jiān)測手段識別災(zāi)害隱患和專業(yè)監(jiān)測預(yù)警（即技防）無從談起，只能采用人防?！叭朔朗侵竿ㄟ^人的現(xiàn)場調(diào)查走訪發(fā)現(xiàn)隱患并由當?shù)匕傩兆灾饔^測和自我防范災(zāi)害?！痹S強指出，人防經(jīng)歷了兩個階段：

第一階段

地質(zhì)調(diào)查人員在全國范圍內(nèi)開展“拉網(wǎng)式、地毯式”地質(zhì)災(zāi)害隱患全面調(diào)查、排查，共查出全國地質(zhì)災(zāi)害隱患點約30萬處，基本摸清了災(zāi)害隱患家底。

第二階段

群測群防，即當?shù)厝罕娮晕矣^測（察）自我防范，在每個隱患點安排監(jiān)測人員（一般為當?shù)匕傩眨┏商烀芮嘘P(guān)注其動態(tài)變化情況，一旦有“風(fēng)吹草動”，如地面開裂、隆起，樹木歪倒等成災(zāi)前兆特征，隨即啟動防災(zāi)預(yù)案，撤離受威脅的百姓。隨著技術(shù)的進步與成熟，以GNSS、裂縫計、雨量計等為代表的專業(yè)監(jiān)測手段被引入到地質(zhì)災(zāi)害防治中，與人防一起編織了一張地質(zhì)災(zāi)害安全“防護網(wǎng)”。然而，投入大的專業(yè)監(jiān)測手段無法覆蓋全國所有的地質(zhì)災(zāi)害隱患點，“我們只能選擇重大隱患點開展專業(yè)監(jiān)測。”而讓許強更擔憂的是，近年來我國發(fā)生的重大地質(zhì)災(zāi)害有80%左右都不在已發(fā)現(xiàn)的30萬處隱患點范圍內(nèi)。“究竟怎樣才能更全面地識別出潛在的地質(zhì)災(zāi)害隱患點？”這個問題不停地涌現(xiàn)在許強的腦海中，讓他夜不能寐。

彼時，時任自然資源部部長陸昊提出，防范地質(zhì)災(zāi)害的核心需求是要搞清楚“隱患點在哪里”“什么時候可能發(fā)生”，這與許強所思所想不謀而合。為了回答部長的問題，許強在經(jīng)過深入研究后，提出了“天-空-地”一體化的“三查”體系，即首先通過光學(xué)衛(wèi)星遙感和InSAR進行大范圍的地質(zhì)災(zāi)害隱患“普查”，隨后利用機載LiDAR和無人機攝影測量對地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)和重大地質(zhì)災(zāi)害隱患點進行“詳查”，最后通過地面調(diào)查復(fù)核，實現(xiàn)重大地質(zhì)災(zāi)害隱患點“核查”與甄別?！叭椤斌w系提出后不久，便迎來了一個絕佳的“練手”機會。2018年10月10日和11月3日，西藏自治區(qū)江達縣白格村的金沙江右岸先后發(fā)生兩次大規(guī)模高位滑坡，堵塞金沙江形成堰塞湖，是一處典型的大型高位滑坡隱患。為查明隱患，許強帶領(lǐng)團隊首先利用衛(wèi)星進行滑前形變回溯分析，然后利用無人機攝影測量生成DSM、DOM等成果分析滑后特征，為地面專業(yè)監(jiān)測儀器布設(shè)提供靶點，最后利用GNSS、地表裂縫計等地面專業(yè)監(jiān)測儀器實時監(jiān)測預(yù)警，先后三次提前30分鐘精準預(yù)警，保證了堰塞體泄流槽現(xiàn)場施工人員的及時撤離，確保了相關(guān)人員的安全。

▲許強指導(dǎo)學(xué)生

在實戰(zhàn)中得到檢驗的“三查”體系成為了地質(zhì)災(zāi)害中技防的分水嶺：將專業(yè)監(jiān)測階段進化到隱患識別+專業(yè)監(jiān)測階段。盡管技防作用越來越突顯，但許強并沒有一味地推崇技防，而是反復(fù)強調(diào)地質(zhì)災(zāi)害防治一定是技防與人防有機結(jié)合才能實現(xiàn)“1+1＞2”的效果。“畢竟通過技術(shù)手段發(fā)現(xiàn)災(zāi)害隱患點后，還需要人去調(diào)查復(fù)核?！彼赋觯斍叭朔篮图挤赖年P(guān)系正處在第二階段，即“遙感先行、地質(zhì)調(diào)查跟上”階段，該階段中技防作用是提升地質(zhì)調(diào)查工作的精細化和準確度。此前的階段被許強稱為“地質(zhì)調(diào)查為主，遙感為輔”，該階段中技防作用是解決人到不了的作業(yè)難題?！跋乱浑A段兩者關(guān)系可能演變?yōu)椤b感為主，地質(zhì)調(diào)查復(fù)核’。”許強說，“無論哪個階段，技防和人防的關(guān)系始終是有機結(jié)合，缺一不可?！?/p>

構(gòu)建全時空實景三維地災(zāi)防治體系

利用“三查”體系，使我國對正在變形區(qū)（正在發(fā)生變形并具有明顯變形跡象的區(qū)域或部位）和歷史變形破壞區(qū)（歷史上發(fā)生過失穩(wěn)破壞但當前并未變形）的隱患識別能力得到了巨大提升?！搬槍φ谧冃螀^(qū)，可以采用高分辨率光學(xué)遙感與InSAR技術(shù)相結(jié)合的方式進行識別；針對歷史變形破壞區(qū)，可以采用能有效去除植被的機載LiDAR，輔以光學(xué)衛(wèi)星遙感進行識別?！痹S強解釋道。

但是，他話鋒一轉(zhuǎn)說道：“‘三查’體系對潛在不穩(wěn)定斜坡的隱患識別無能為力?！痹S強口中的潛在不穩(wěn)定斜坡是指歷史上未曾發(fā)生過變形破壞，當前也無明顯變形跡象，但其穩(wěn)定性相對較差，在降雨等影響下很容易出現(xiàn)突發(fā)性失穩(wěn)破壞的斜坡。那么，潛在不穩(wěn)定斜坡的隱患識別難題該如何破解？許強的答案是推行“三部曲”精細化運作方法：

第一步

使用激光雷達開展精細化測繪，繪制1:1000，甚至更高分辨率的地形圖，找到最有可能失穩(wěn)的斜坡部位。

第二步

使用多普勒雷達開展精細化氣象預(yù)警，通過將天氣預(yù)報的時間精度做到分鐘和小時級、空間精度做到公里級，精準掌握降雨時空變化過程和動態(tài)，縮小受威脅區(qū)域范圍，實現(xiàn)精準預(yù)判、及時撤離，最大限度減少撤離人員數(shù)量但又能避免人員傷亡。

第三步

發(fā)展航空物探技術(shù)快速查明斜坡體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和含水狀況，定量分析評價不同區(qū)域、不同部位斜坡在不同降雨條件下的穩(wěn)定性狀況，以此圈定相對危險區(qū)和危險部位，利用科技手段真正實現(xiàn)風(fēng)險雙控。

在攻關(guān)潛在不穩(wěn)定斜坡的隱患識別難題的同時，許強還在攻關(guān)突發(fā)性滑坡監(jiān)測預(yù)警的難題。“因為這類滑坡突發(fā)性強，且在降雨誘發(fā)前，沒有任何征兆，監(jiān)測預(yù)警難度極大。”為攻破這一難題，許強一方面帶領(lǐng)團隊研發(fā)了一種自適應(yīng)調(diào)整采樣頻率的監(jiān)測機制與配套的儀器裝備，相關(guān)儀器設(shè)備會根據(jù)所監(jiān)測指標的變化快慢，自動調(diào)整采樣頻率，這樣不僅可滿足現(xiàn)場供電和傳輸要求，又可全面獲取加速變形尤其是臨滑階段的完整信息，有助于提前精準預(yù)警突發(fā)性滑坡。另一方面引入滑坡災(zāi)害牛頓力遠程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測滑坡形成過程中的受力變化情況；引入地震臺網(wǎng)和微震捕捉山體滑坡前的前兆信號，分析滑坡內(nèi)滑動面發(fā)展演化過程及其前兆特征；同時，安裝GNSS、裂縫計、孔壓計、雨量計等監(jiān)測預(yù)警設(shè)備用于監(jiān)測覆蓋層較厚或穩(wěn)定性相對較差的坡體部位?！巴ㄟ^這些手段，我們可以對滑坡形成演化過程中相關(guān)物理量及外界因素進行全方位監(jiān)測，大大提高滑坡預(yù)警的準確率。”許強說。

▲許強團隊研究成果《中國西南高邊坡穩(wěn)定性評價及災(zāi)害防治》和《汶川地震地質(zhì)災(zāi)害評價與防治》先后獲得國家科學(xué)技術(shù)進步獎一等獎

在攻關(guān)潛在不穩(wěn)定斜坡的隱患識別和突發(fā)性滑坡監(jiān)測預(yù)警兩大難題的過程中，許強還基于當下實景三維中國建設(shè)的趨勢，先后將SLAM、多波束、通信光纖等新技術(shù)引入到“三查”體系中。其中，SLAM技術(shù)用于建構(gòu)筑物室內(nèi)三維模型的快速測繪與構(gòu)建，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害承災(zāi)體的量化風(fēng)險評估；利用多波束技術(shù)探測水下地形地貌，為水域及周邊地質(zhì)災(zāi)害防治提供數(shù)據(jù)支撐。通過不斷吸納新技術(shù)，“三查”體系逐漸拓展到了“天-空-地-內(nèi)”全時空實景三維地質(zhì)災(zāi)害防治體系。新體系通過依托光學(xué)衛(wèi)星遙感、InSAR、機載LiDAR、無人機攝影測量、航空物探、SLAM、多波束等技術(shù)，實現(xiàn)地上地下、水上水下、室內(nèi)室外有機結(jié)合和協(xié)同發(fā)力，這有助于我國最大限度地實現(xiàn)滑坡災(zāi)害的隱患識別、實時監(jiān)測和科學(xué)預(yù)警。“未來我還會繼續(xù)完善這套體系，讓它在地質(zhì)災(zāi)害防治中發(fā)揮更大作用?！痹S強說。

在多災(zāi)種預(yù)警中發(fā)揮新體系作用

據(jù)許強介紹，“天-空-地-內(nèi)”全時空實景三維地質(zhì)災(zāi)害防治體系目前在四川、貴州、甘肅、云南、陜西、西藏等省份得到了成功應(yīng)用，取得了良好成效。其中，貴州省利用InSAR、機載LiDAR，對全省高位隱蔽性災(zāi)害進行專業(yè)排查，發(fā)現(xiàn)新的地質(zhì)災(zāi)害隱患點近2000處，其中高位隱蔽性隱患點近900處；四川省利用InSAR與光學(xué)遙感相結(jié)合，對6萬平方千米的地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)進行隱患識別，新發(fā)現(xiàn)形變區(qū)840處；云南省利用光學(xué)遙感和InSAR相結(jié)合的手段，識別出50余處地質(zhì)災(zāi)害隱患。

借助多技術(shù)協(xié)同的優(yōu)勢，許強認為“天-空-地-內(nèi)”全時空實景三維地質(zhì)災(zāi)害防治體系還能在地震預(yù)報、礦山邊坡監(jiān)測等領(lǐng)域大有作為。

▲許強團隊合影

他指出，在地震預(yù)報領(lǐng)域，可先利用InSAR和機載LiDAR對全國地震重點監(jiān)視防御區(qū)和地震重點危險區(qū)內(nèi)的活動斷裂進行精準定位，然后利用地面的專業(yè)監(jiān)測設(shè)備、通信光纖、地震臺網(wǎng)等手段進行實時監(jiān)測預(yù)警。“這樣一來，地表會發(fā)生明顯破裂的地震在未來三五十年將可能實現(xiàn)提前預(yù)報?！痹S強說。在礦山邊坡監(jiān)測領(lǐng)域，首先利用光學(xué)衛(wèi)星遙感和InSAR結(jié)合監(jiān)測礦山地表形變，找準正在發(fā)生地表形變的區(qū)域，為地面專業(yè)監(jiān)測儀器的布設(shè)提供靶點，然后利用GNSS、地表裂縫計、地基SAR等地面專業(yè)監(jiān)測儀器對靶點進行實時監(jiān)測預(yù)警，以確保礦山邊坡安全。目前，“天-空-地-內(nèi)”全時空實景三維地質(zhì)災(zāi)害防治體系已應(yīng)用于貴州、新疆等省份的礦山邊坡監(jiān)測。

許強強調(diào)，“天-空-地-內(nèi)”全時空實景三維地質(zhì)災(zāi)害防治體系要想在多災(zāi)種監(jiān)測預(yù)警中發(fā)揮最大作用離不開一套統(tǒng)一的管理機制。“目前，各部門數(shù)據(jù)不能充分地共享，多災(zāi)種預(yù)警推進還存在一定困難。”因此，他希望應(yīng)急管理部可以牽頭建立一個機構(gòu)進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)和管理。

同時，他還認為，以測繪地理信息企業(yè)為代表的產(chǎn)品水平也決定著這套體系的效應(yīng)。因此，他希望測繪地理信息企業(yè)要把科技創(chuàng)新放在首位，研發(fā)出性能優(yōu)異、質(zhì)量穩(wěn)定的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警裝備。

許強相信，在多方合力下，“天-空-地-內(nèi)”全時空實景三維地質(zhì)災(zāi)害防治體系可以更好地造福我國多災(zāi)種監(jiān)測預(yù)警，讓人民群眾的生命財產(chǎn)安全得到最大限度的保障。

審核編輯 黃宇