基于高分遥感技术的“时间+数据”监测预警方案

绪论

当下，极端天气事件的频发已成为一个不容忽视的问题，在地质环境复杂的山区，极端天气比如强对流天气引发的如雷暴、冰雹和短时强降水等气候灾害，使得发生滑坡、泥石流等地质灾害的风险概率大幅增加。近年来，极端天气导致的地质灾害时有发生，给公路交通带来了极大的安全隐患，对群众生命和财产安全构成严重威胁。

图1  梅大高速路面塌方灾害事件现场

国务院《全国地质灾害防治“十四五”规划》中“十四五”防治任务部分明确指出，充分利用基于星载、航空、地面的空天地一体化多源立体观测体系，开展多方法、分层次、多尺度综合遥感动态调查，全面开展地质灾害易发区隐患识别和地面验证，进一步掌握地质灾害隐患底数及动态变化情况，为地质灾害综合信息平台提供地质灾害隐患动态变化信息。

中共中央、国务院2021年2月24日印发《国家综合立体交通网规划纲要》，明确提出：推动卫星通信技术、新一代通信技术、高分遥感卫星、人工智能等行业应用。交通运输部和科学技术部2022年3月10日联合印发《“十四五”交通领域科技创新规划》，强调提升重大基础设施安全风险评估能力和安全防护能力，突破地质灾害监测预警、山地灾害影响、无人区公路灾害监测、铁路沿线安全环境治理、全要素水上区域大交管、城市道路塌陷隐患探测与预警等技术。指出提升重大基础设施安全风险评估能力和安全防护能力，突破地质灾害监测预警、山地灾害影响、无人区公路灾害监测、城市道路塌陷隐患探测与预警等技术。

在此背景下，加强交通信息与遥感资源的整合利用，应用高分遥感技术提升交通防灾减灾水平已成为必然趋势。随着我国高分辨率遥感对地观测计划的实施和大数据、图像识别等高新技术的快速发展，利用高分遥感对地质灾害进行调查分析，对交通基础设施损毁情况进行评估及灾后进行快速疏导救援成为可能。其主要优势有以下几个方面：

（1）灾害监测范围大、速度快，克服了传统监测手段成本高、覆盖率低的缺陷，便于在早期发现灾害，把握灾害发生发展的趋势规律；

（2）从宏观角度获取大范围地形地貌特点和形变位移数据，便于对灾害易发、隐患明显、危害较大的地质灾害隐患点进行综合分析研判；

（3）机动高效、自主可控，在灾后短期内即可获取准确的灾情信息和交通基础设施受损情况，为灾后应急调度决策创造先决条件。

综上，本方案基于高分遥感技术构建了面向大范围路网可复制可推广的公路沿线监测技术和预警体系，在极端天气条件下，可有效提升公路沿线灾变的快速感知能力，为管理单位在灾害预防、应急调度、防治救援多个方面提供技术支撑。

相关技术基础

国内外围绕地质灾害监测预警技术开展了大量研究工作，在遥感地质灾害筛查技术、短临精准气象预报技术，以及滑坡、泥石流、崩塌、沉降灾害实时监测预警技术方面都有比较成熟的研究基础。

1、遥感地质灾害筛查技术

遥感卫星影像应用：利用高分辨率光学卫星影像和雷达卫星数据，解译孕灾环境状况，获取微小地表形变，识别潜在的滑坡和泥石流区域。

无人机应用：无人机在低空进行高分辨率成像，获取地面的详细情况，辅助地质灾害的筛查和评估。

技术优势：覆盖范围广，遥感技术可以覆盖大范围的区域，通过卫星或无人机等设备获取地表信息，适合对偏远或难以到达的地区进行监测；数据时效性高，遥感技术能够定期获取地表变化数据，及时发现地表的微小变化，为地质灾害的早期识别提供支持；成本效益高，相比于传统的地面调查方法，遥感技术可以减少传统方式对人员的依赖，减少人员成本，实现对更大范围的监测，提高监测效率。

2、短临精准气象预报技术

现代气象预报技术，如数值天气预报模型，能够提供较为准确的短期（24-48小时）和临近（1-2小时）的天气及降水量预报，极端天气降水和地质灾害的发生概率息息相关，气象预报对于地质灾害监测预警至关重要。

技术优势：时效性强，通过地面气象站、气象雷达和卫星等设备，可以实时获取气象数据，及时更新预报结果，提高预报的准确性和及时性，短临精准气象预报技术可达到目标区域1km×1km 网格化0-12小时逐1小时预报

3、滑坡、泥石流、崩塌、沉降灾害实时监测预警技术

通过集成多种传感器（如GNSS、倾斜仪、土壤湿度传感器等），可以实时监测地面的位移、倾斜和湿度等变化，及时发现地质灾害的征兆。

技术优势：自动化实时监测，系统可以24小时不间断地监测地质灾害的动态，减少人为因素的干扰，提高监测的准确性和可靠性；预警及时，实时监测预警技术可以与应急响应机制相结合，一旦监测到地质灾害的征兆，立即启动应急预案，减少灾害损失。

通过以上技术的结合使用，可形成“地质灾害隐患筛查——隐患区实时监测——灾害预报预警”的一套可复制推广的地质灾害监测预警体系。

基于高分遥感技术的

“时间+数据”监测预警方案

灾前隐患筛查阶段：

基于卫星遥感技术对广域范围公路沿线地质灾害全覆盖筛查，初步筛查确认风险隐患点的区域位置、灾害类型、灾变机理、发展趋势，结合地质灾害专业人员现场踏勘，对风险隐患点的遥感筛查情况和风险等级进行确认和评估。

中高风险区域监测阶段：

对于中高风险隐患区域，采用“时间+数据”驱动的监测模式，基于多源异构地面传感器和高精度短临天气预报的一坡一策风险隐患智能预警模型，开展周期性+实时性监测，保障监测全面性和及时性。

灾害临发/发生阶段：

当预警模型发出预警，立即触发多端联动式预警服务，在应急管控平台、手机终端、现场光影声预警设备联动发出警告通知。

图2  总体技术路线

1. 基于多源遥感数据的广域地质灾害风险筛查和风险等级评估

采用融合可见光、SAR等多源遥感数据的地质灾害风险筛查技术，对公路沿线进行全面排查，筛选风险隐患区，并对进行风险隐患等级进行评估。基于光学遥感解译与D-InSAR技术，综合不良地质静态和动态表征，开展广域地质灾害隐患识别。

地质灾害现象以滑坡、泥石流、崩塌等为例的灾害个体，在光学遥感影像上的静态表征，即所呈现出的形态、色调、纹理等均与周围背景存在一定的区别，可以直接判读圈定。同时，叠加坡度值、崩塌滑坡泥石流易发区、全国灾害点、全国活动断裂带和地震点等地理空间数据，进一步筛查隐患区。InSAR技术通过对雷达数据进行处理，获取施工沿线地区地表形变速率，根据地质环境动态表征，即地表形变、位移，对地质潜在风险隐患的发展趋势和危害程度进行分析判断，可借此发现人眼无法识别的潜在沉降风险，弥补传统手段的局限性。

图3  广域地质灾害隐患排查

在地质灾害风险按隐患区筛选结果的基础上，开展融合多维监测技术的重点区域地质灾害风险性评估。地质灾害风险评价是综合易发性和危险性的评价结果。易发性评价考虑坡度、坡向、高程、岩组、距断层距离、距水系距离等因素与滑坡历史发育的影响，选取坡度、坡向、高程、水系、岩性等影响因素作为易发性评价指标。危险性评价方面，由于极端天气降雨直接或间接影响了约90%以上的滑坡和泥石流灾害的发生，因此危险性评价则重点考虑降雨因素对区域的影响。综合遥感影像地质灾害自动识别与InSAR监测结果，根据风险性评价指标对地质灾害风险隐患区的风险等级进行评估，将隐患区分为多级风险。

图4  地质隐患风险等级评估

2.“时间+数据”驱动的主动式监测模式

“时间驱动”即以时间为启动条件的监测模式。对于筛选出的隐患区，首先全面采用时间驱动监测模式，即根据需求设定监测周期，按照一定的时间间隔保持周期性巡查，利用可见光、SAR等多源遥感数据观测其发展态势。例如滑坡从变形到失稳有一个演化过程，在无极端天气的情况下，若通过监测数据地表形变结果判定某滑坡隐患处于稳定状态，则无需对其布设现场监测设备，继续保持周期性巡查即可。

“数据驱动”即以输入数据为启动的条件的监测模式。一是对于极端天气，将实时接收气象预报预警数据，并输入风险智能隐患预警模式开展实时监测预警，二是对于地表形变已处于加速阶段的隐患区，立即布设多源异构地面传感器，实时接收传感器数据并输入风险智能隐患预警模式开展实时监测预警。

3.基于多源异构地面传感器和高精度短临天气预报的一坡一策风险隐患智能预警模型

（1）多源异构地面传感器

常规传感器监测：监测雨量、位移、应力、振动、泥位、次声等参数，监测重点关注区域位移和状态量.

地基雷达监测：边坡雷达（地基InSAR）等非接触方式（可移动、可重复使用）

边端云视频监测：通过边端云视频监测设备和人工智能识别算法，实现路侧摄像头对于灾害的快速判识

光纤断点检测：沿交通线布设光纤作为检测传感器，判断是否由于地质灾害导致光纤的断裂，偏折，震动等致使光纤信息传输障碍，从而得到灾害发生信息。

（2）高精度短临天气预报

针对目标区域强对流天气，获取降雨量数据、实时/过程降雨数据等。实现工点级0-2小时降水和强对流天气精细预报，目标区域1km×1km 网格化0-12小时逐1小时精准预报，目标区域3km×3km 网格化0-7天逐3小时预报。

（3）“一坡一策”风险隐患智能预警模型

提出“一坡一策”的预警模型构建理念。不同于一般的传感器监测，采用简单的阈值作为预警标准。将综合考虑每处应隐患点所安装不同类型传感器的监测数据，包括：雨量、位移、含水率等，结合隐患点的岩体、土体、结构等属性参数，构建监测数据与安全系数之间的关系模型，综合评判地质灾害隐患点的安全状态。

（1）预警触发条件

根据风险点不同地质条件、诱因的复杂程度不同，构建安全系数与其致灾因素之间的高相关度动态监测预警模型。根据边坡特点和监测数据类型，预警模型分为单因素和多因素两种。

1）单因素预警模型

通过位移变化最直观的判断灾害隐患点是否稳定，为实现地质灾害监测预警的高效、及时性，通过最大位移值与安全系数之间的关系，得到该灾害隐患单因素预警模型的阈值区间。

2）多因素预警模型

多因素预警模型由单个或多个公式组成，多因素预警模型中的每个因子分别对应隐患点所安装不同类型传感器的监测数据，包括：雨量、位移、含水率等，结合隐患点的岩体、土体、结构等属性参数，构建监测数据与安全系数之间的关系式，得到所对应的安全系数（Fs）预警阈值区间。

（2）预警等级

监测预警等级划分为四级：一级为警报级、二级为警戒级、三级为警示级、四级为注意级。首先根据位移情况建立单因素预警，对预警情况做初步判断。接着，根据监测位移、裂缝、沉降、雨量、含水率等监测指标，参考《公路路基设计规范》（JTG D30-2019）中边坡稳定性安全系数的规范标准，对本项目地质灾害中各类型传感器的最不利状态，给出四级预警的安全系数（Fs）区间值。见表1。

注：“Fs”可根据地质灾害隐患实际情况进行实时调整。

（3）预警机制

1）单因素预警模型的隐患点位移值达到一级（警报级）时，表明地质灾害隐患已发生了较大的位移，则可根据单因素预警结果直接触发预警。

2）如果单因素预警模型的预警值处于二级（警戒级）、三级（警示级）或四级（注意级）时，实时监测的位移、雨量等监测数据自动导入多因素预警模型进行计算，综合评判地质灾害隐患点的安全状态，最终的计算结果作为隐患点动态监测预警的量级标准。

3）多因素动态监测预警模型采用综合预警机制。

图5  “一坡一策”风险隐患智能预警模型系统界面

4.多端联动式实时预警服务

搭建可视化应急管控平台，在隐患区布设光影声预警设备，通过集成多种监测技术与通信手段，在灾害即将发生或已经发生的紧急场景下第一时间发出预警预报，"多端"，即利用多端设备，包括但不限于Web端、终端（app/短信通知）、现场光影声通知设备。

路侧报警装置联动：当发生光纤信息传输障碍，视频自动检测灾害发生信息时，就近公路基础设施形成通路，基础设施例如可变情报板、道钉、护栏、扬声器等路侧设施发出预警信息。

（光）智慧道钉预警：夜间在灾害发生处前1-5公里发出闪烁提醒过往车辆减速慢行

（影）可变情报板预警：白天在灾害发生处前1-5公里发布禁止通行指令

（声）高音扬声器预警：高分贝警报声。

有效的灾害信息联动预警设施可最大程度保障人员避灾避险，防止群死群伤事件发生。

应用案例

河北山区高速公路沿线地质灾害多维网络化监测预警项目中，在公路行业首次使用卫星遥感技术进行公路沿线区域大范围地质灾害监测筛查，并且在日常运营中投入实际应用。利用高分遥感技术对河北省山区高速公路开展地质灾害筛查评估，形成以高分卫星遥感为基础，融合多维网络化监测技术的山区高速公路地质灾害监测预警成套技术体系，为管理单位在灾害预防、应急调度、防治救援多个方面提供技术支撑。

山区高速公路沿线地质灾害多维网络化监测预警平台基于目前国内外最先进的三维可视化GIS底座，集成卫星遥感、无人机、传感器技术，对河北省历年来地质灾害多发的山区高速公路风险隐患点进行周期性筛查。针对灾害易发、隐患明显、危害较大的地质灾害隐患点，部署重点监测和预警防治措施。为管理单位在灾害预防、应急调度、防治救援等方面的业务提供技术支撑。

主要功能如下：

1、监测预警看板

平台通过监测预警看板，全面展示当前河北省张涿、邢汾、张承等共9条山区高速公路，合计1039公里路段的总体风险隐患情况及灾害预警情况。

2、风险隐患筛查

平台通过0.8米分辨率可见光遥感卫星影像和合成孔径雷达卫星影像，对9条山区高速公路合计1039公里路段两侧1千米以上的范围全部覆盖，按照季度（汛期月度）对风险隐患点及其变化发展情况进行周期性监测筛查。目前已发现风险隐患点54处，隐患类型涵盖滑坡、泥石流、沉降等多种类型。

3、隐患点实时监测

平台已接入15处风险隐患较高的滑坡、泥石流、崩塌地质灾害隐患点的实时监测数据，全天候实时监测覆盖，数据类型包括雨量、表面位移、深部位移、土壤含水率、视频等，监测频率为15分钟一次，一旦有灾害发生，可第一时间获取相关信息。

4、预警处置

管理单位收到预警信息后，根据信息内容，立即前往现场进行核查，如确实存在较大安全隐患，则启动应急预案；如现场情况相对平稳，则在系统中上报现场情况，暂时消除风险预警，形成闭环。

结论

针对防灾减灾，亟需转变工作思路，从注重灾后救助转向注重灾前预防，从应急处置、被动响应转向早期识别、主动服务。高分遥感技术在地质灾害防治监测工作中展现出巨大的潜力。通过技术融合与升级，能够显著提高公路沿线地质灾害监测精度和预警能力，面向极端天气引发的公路沿线地质灾害，做到早发现、早预防。

日前财政部、交通运输部联合印发了《关于支持引导公路水路交通基础设施数字化转型升级的通知》，通知提出要推动基础设施安全增效，推进实施数字化管养系统、运行监测预警平台、应急指挥调度系统等建设，力争实现突发事件应急响应效率提升30%左右。面向极端天气下公路沿线地质灾害的高分遥感“时间+数据”监测预警方案即是数字化转型的一次探索尝试。

随着遥感技术的迅猛发展和卫星影像成本的降低，利用卫星遥感进行灾害监测的优势将日益凸显。依托先进的卫星遥感技术，构建一套从隐患识别到灾害预警的高效、可靠且可复制推广的解决方案，将在防灾减灾和保障交通安全方面发挥愈加重要的作用。这一解决方案不仅能够提升灾害预警的准确性和时效性，还能为公路沿线地质灾害的预防与管理提供强有力的技术支撑，从而为构建更加安全、稳定的交通网络奠定坚实基础。