军事地质灾害遥感动态监测理论与技术

第1章 概论 地质灾害监测的主要任务为监测地质灾害时空域演变信息、诱发因素等。地质灾害监测是涉及地质灾害形成机理、监测仪器、预测预报技术等的一种综合技术。在现代信息化战争背景下，要重视军事地质信息的收集，构建空-天-地一体化信息数据库，为军事行动的胜利提供坚实的数据支持；要重视军事工程选址、建设对水文条件、地质结构等的科学评估；要注重地质灾害的监测与预防，明确灾害类型与危险程度，确保工事构筑后既不受地质灾害影响，又避免战时敌方通过人工制造地质灾害对我方军事建筑构成威胁。为满足新时期军事行动需要，开展军事地质调查与研究刻不容缓。本章将阐述军事地质灾害遥感动态监测的研究背景、意义及监测技术的发展历程。 1.1 军事地质灾害遥感动态监测的研究背景与意义 在当今环境问题中，地质环境问题占有突出重要的地位。一方面是由于地质环境是人类一切生活和工程活动的必然载体和基本环境；另一方面地质环境具有脆弱性、难以甚至不可恢复性。精准的军事地质信息，对夺取战场主动权至关重要。军事工程大多在高原山区地带，该地区的大型灾害如大震震害、活断层错断、巨型滑坡、远程泥石流、冰湖溃决灾害链、高地应力、岩爆、软岩大变形、突水突泥及高温热泉等，对军事工程建设及防护安全造成极高的风险。 大型地质灾害研究是当今地球科学领域具有综合交叉特色的前沿研究课题。地球系统科学的建立为地球科学向复杂未知领域探索并取得新的发现与突破提供了可能，也为地质灾害防治领域的理论突破提供了前所未有的机遇，是当今地球科学中的“大科学”（big science）。作为*频繁、*剧烈的地表地质过程之一的大型地质灾害，越来越成为地球系统科学研究的关注点和不同地球学科的交叉点，更新着地球系统科学的演化观念。目前地球系统科学的研究热点是构造活动-剥蚀过程-气候变化的相互作用关系。而大型地质灾害是地球上*剧烈的剥蚀方式，因此也就成为三者相互耦合过程研究的关键点。以前多数研究者认为灾变事件对地球表面的剥蚀过程产生的影响很小，而随着地球科学观测能力的提高和研究水平的深入，地球科学家逐渐意识到大型地质灾害、强震、火山、飓风等灾变事件在地球系统演化过程中所起到的作用相当重要。研究表明，汶川地震引发的大量地质灾害在短时间内所造成的地表改造，超过数千年积累的造山作用，显示出地质灾害改造地表的强大能力。尤其是大型地质灾害，其数量虽少、所影响的面积也不大，但其地质灾害体积超过了所有的小地质灾害体积之和。因此，大型地质灾害是改变山体形状、海底地貌、河流水系形态的*剧烈方式，成为了地貌学、水文学、海洋学等学科的关注热点。 过去由于观测手段、方式及精度等各方面的限制，对地质灾害体内部的三维结构形态了解不够精细，难以透视内部动态演化过程，对地质灾害体内部物理场（温度、流体等）了解不足，未很好地解决地质灾害孕育前兆挖掘与启动机理等关键问题，因此并未建立有效的基于斜坡演化地质力学机理的物理预警方法。近年来发展了InSAR 、GPS 、LiDAR 等高精度大范围的对地观测手段，基于众多传感器的地质灾害体内部物理量监测手段，以及以时移（DLG 、DOM 、DTM 、DEM ）地球物理学为基础的地质灾害体内部动态过程透视手段，为地质灾害研究提供了更先进的致灾因子前兆探测、反馈危险区域智能强化观测手段和更丰富、更可靠的数据。因此，站在地球系统科学“大科学”的高度上，通过多学科的交叉融合，空-天-地-内多传感立体综合探测和动态观测，可望在山区大型灾难性地质灾害成因机理、地质灾害潜在隐患早期识别、地质灾害三维动态探测与监测，以及实时综合预警预报等方面取得突破性进展，不仅可较好地满足国家重大需求，还可追踪和赶超国际研究前沿。 军事工程包括用于军事目的的各种工程建筑和保障军队作战行动所采取的工程技术措施，如军事交通工程、军事训练基地工程、军用机场工程、阵地工程、军港工程、营房工程等。军事工程以满足战争需要，达到战术要求为目的，因此对时效性、隐蔽性和工程质量、工程施工提出了一些与民用工程不尽相同的原则和要求。为满足现代化的要求，军事工程向高精尖和大型化方向发展，对工程质量方面的要求愈发严格。但由于军事工程的特殊性，工程广泛分布于复杂艰险山区与丘陵地区的地下洞窟。这类环境的地质条件复杂、气候多样、影响因素众多且动态变化，山区滑坡、泥石流等山地灾害频发，高烈度地震、软岩大变形和岩溶等问题突出，严重威胁军事工程施工及使用期间的安全性。归纳起来，对军事工程造成危害的主要是外动力地质作用主导的地质灾害和由不良地质条件与不恰当的人类活动造成或诱发的地质灾害。 （1）崩塌、滑坡、泥石流等突发性地质灾害：这些灾型具有爆发周期短、威胁性及破坏性显著、成因复杂等特点，对军事工程的威胁*大，轻者造成地面塌陷，军事设施工程结构轻微受损，重者使得军事设施工程受到严重破坏及造成人员伤亡。此类灾型的发生与人类工程活动、气象水文、植被覆盖等因素具有密切联系。针对这些灾型的监测方法主要有变形监测、物理化学场监测、地下水监测、诱发因素监测等。 （2）不良地质条件和不恰当的人类工程活动造成或诱发的地质灾害是军事工程常见的地质灾害。军事工程项目建设前期对工程场地未做详细准确的地质勘探，缺乏科学的地质灾害评估。例如，西北某军事工程项目，由于建设前期勘察工作不够细致，对当地的盐渍土地质特征缺乏深入认识，施工过程中未考虑盐渍土的盐胀与溶陷特性，使得工程完工后，出现了由洪水而导致的盐渍土变形，该工程地面遭受破坏；还有西北某军事单位，由于营房建设未做详细的地质灾害评估，大部分营房因黄土湿陷而开裂。 随着我国国力的逐步增强，地质灾害防治工作也逐渐从被动避灾和治灾向主动防灾转化。事先发现和识别地质灾害隐患并实施科学的监测预警是变“被动”为“主动”，减少甚至避免造成群死群伤灾难性地质灾害事件发生的*重要手段。因此，国家对大型地质灾害等重大自然灾害的监测预警研究提出了迫切的需求。2006年1月发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中，明确将“重点研究开发地震、台风、暴雨、洪水、地质灾害监测、预警和应急处置关键技术”列为了重点领域的优先主题之一。《我国国民经济和社会发展十二五规划纲要》中提出：“对公共安全、泥石流等重点突发性地质灾害隐患实施监测预警和综合治理示范。”2011年出台的《国务院关于加强地质灾害防治工作的决定》也提出：“坚持预防为主、防治结合，科学运用监测预警、搬迁避让和工程治理等多种手段，有效规避灾害风险。”在《国家综合防灾减灾规划（2011—2015年）》中，也明确了加强自然灾害监测预警能力建设及加强防灾减灾人才和专业队伍建设等主要任务，并强调自然灾害早期预警科学研究是重点加强的工作内容。 1.2 军事地质灾害遥感动态监测技术的发展历程 多学科的综合交叉是国际地质灾害研究的重要趋势。2003年**届国际地质灾害与减灾研讨会在日本东京召开，拟定的宗旨为：①整合地球系统科学理论和新技术新方法，用于地质灾害监测预警与风险评价，为减灾防灾提供技术支撑；②协调组织各国先进技术，开展地质灾害风险评估和综合防灾减灾研究；③促进建立一个全球性的、多学科的国际地质灾害研究组织。 立体多源观测是地质灾害预警的科学途径之一。2003～2005年法国启动了国家层面的多学科地质灾害综合研究计划SAMOA，由法国8家研究机构参与，围绕4个方面攻关：①推进多学科（遥感、地球物理、水文地质、地球化学、岩土工程、地貌学）的地质灾害监（探）测研究；②检验并提高探测地质灾害的三维结构复杂性和监测地质灾害随时间变化的各类方法；③建立适合于不同地质灾害类型（岩质地质灾害、土质地质灾害等）多尺度多学科的研究平台，共享不同学科的研究资源；④在典型地质灾害点，开展立体观测，建立多源观测数据库，为地质灾害研究提供高质量数据。数据内容包括坡体的几何形态、坡体运动随时间及空间的分布、内部三维结构、流变学结构及地下水文数据。SAMOA对岩质地质灾害和土质地质灾害进行了深入观测与研究，取得了显著的成果：通过遥感及地球物理方法，获得了两个地质灾害的三维结构；基于地震学及遥感方法，得到了从0.1 s到数年尺度的形变场；通过地球化学及水文地质学方法得到坡体内部水的驻留时间。研究表明，遥感、地球物理、地震学、地球化学和水文地质学等研究手段与技术相互适应得很好，可联合使用，并具有推广意义。以上研究成果以专辑的形式发表于2007年法国《地质学报》上，得到了国际地质灾害界的重点关注，为多学科地质灾害研究提供了范例。SAMOA首次实现了地质学（含工程地质、地貌学）、地球物理学、岩土工程学多学科多手段的联合监（探）测，引领了当时国际地质灾害研究的热点前沿。 现阶段，如何将遥感、地球物理探测及地面常规探测和观测手段有机结合，进行空-天-地多源立体监测，并将各种监测结果进行无缝衔接和有机融合，尚待进一步探索。地质灾害监测技术覆盖工程地质学、电子学、测量学及计算机自动化等多学科交叉理论和方法。实时有效的监测是实现地质灾害成功预警的前提。回顾国内外地质灾害监测预警研究现状，按监测对象主要分为变形监测、触发因素监测两大类。监测对象不同，所使用的监测技术手段与仪器设备不同，获取的参数也不同。变形监测包括地表位移监测和深部位移监测等；触发因素监测包括对雨量、地下水及地震活动等的监测。地表位移监测可分为地表绝对位移监测和地表相对位移监测两种。目前常用的地表自动化监测技术有GNSS 静态差分定位技术、自动化裂缝位移监测技术等。深部位移监测手段有多点位移计和深孔测斜仪等。 致灾因子与机理模型的耦合分析是揭示地质灾害机理的科学手段。德国实施了一个多学科的“581”地质灾害研究计划（2006～2013年）“Coupling of Flow and Deformation Processes for Modeling the Movement of Natural Slopes”（用于模拟自然边坡运动的流动与变形过程耦合）。该计划在现场调研的基础上，考虑地质灾害结构、地表-地下水多相流及地质力学等因素，建立降雨入渗诱发地质灾害变形及滑动面累积破坏过程的地质灾害物理模型，开展地质灾害地下水、地表位移和滑面剪切带发展过程等多变量监测，通过观测数据与机理模型的耦合分析，揭示降雨诱发地质灾害的内在机理。该计划综合运用工程地质、岩土工程、水文地质、地球物理等学科的理论和方法，在地质灾害变形启动及发展过程研究方面取得了一系列高水平成果，充分展示了观测数据与机理模型相互耦合在地质灾害研究中的巨大潜力。Thiebes在2011年以德国Swabian Alb地区的单体和区域地质灾害为研究对象，通过单体地质灾害多物理量（降雨、融雪、地下水、变形等）的无线传感监测，建立了地质灾害多因素耦合模型，分析了地质灾害启动及变形破坏机理，提出了单体地质灾害稳定性快速分析评价方法和降雨触发地质灾害的预警阈值，初步实现了区域地质灾害的预警。 空-天-地等对地观测新理论和新技术在强大需求推动下飞速发展，体现在以下几方面。 （1）遥感观测：Metternicht等（2005）指出，遥感已逐渐成为地质灾害发现、监测、灾害评估的主要手段。这些遥感技术包括高分辨率光学影像、航空影像、卫星InSAR、高光谱影像、LiDAR等。此外，遥感数据和GIS技术是划分地质灾害易发区、绘制灾害危险等级图和风险图的重要手段。近年来，永久散射体干涉测量（persistent scatterers InSAR，PSInSAR）技术已经广泛应用于地表微小形变的探测中。Hilley等（2004）采用PSInSAR技术，从46景ERS-1/2数据中提取了美国伯克利地区地质灾害体的缓慢形变信息，并揭示了地质灾害体形变速率的季节性差异与厄尔尼诺现象造成的雨量变化的密切联系及其作用机理。Colesanti等（2006）对PSInSAR技术在地质灾害研究中的应用现状进行了