国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室科技发展

国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室科技发展

年度综述

针对我国国土资源开发过程中的土地资源退化、灾害发生频繁、生态环境恶化的现状，围绕国家及区域重大环境工程与减灾防灾应用需求，以3S为代表的空间信息技术为手段或技术支撑，结合其它相关学科的理论与方法，研究国土环境及灾害监测、分析、评估、预报及控制的关键理论与技术，构建国土环境演变与灾害的预报、预警、评估、信息服务一体化的技术体系仍然是本领域主导研究方向。GPS、INSAR、三维激光扫描、Lidar、无人机等现代测量技术在环境与灾害信息采集的广泛应用，推动了新的信息处理方法的发展。应用RS和GIS一体化技术进行灾害预报预警、灾害动态监测、灾害成因分析、灾害调查与评估等多个方面取得了一定进展。 一、国内外发展现状与趋势 （一）环境与灾害信息获取方法

GNSS、InSAR、三维激光扫描等现代测量技术在环境与灾害信息采集的广泛应用，加强了信息获取手段。

由于基于GPS的变形监测的精度、可靠性以及完整性都与所跟踪的GPS卫星数目以及几何图形有着密切的关系，而在一些特殊的场合，例如位于山谷中的大坝变形监测等，由于信号遮挡严重，往往无法定位或者不能得到足够精度的监测数据。随着多系统、多层面、多模式的复杂组合系统GNSS的发展，为精密单点定位技术、相对定位技术的国土环境与灾害监测带来了新的理论研究课题，也迎来了导航卫星融合数据处理的契机。

InSAR为地面沉降监测提供了新的方法。该技术利用两次观测中所获得的复数数据中的相位差与空间距离差之间的关系，提取地表的三维信息和高程变化信息，在地形测绘、地表形变监测、冰川运动研究等方面都表现出快速、高精度、全天时、全天候、大区域等突出优势。目前，干涉SAR技术在系统上主要向高分辨率、超分辨率、多极化、多波段、多模式、实时成像和小型化等方向发展；在算法上主要向PS-DInSAR、Pol-DInSAR、MB-DInSAR等方向发展；在应用上主要向高精度、多样化等方向发展。

单站三维激光扫描技术应用已取得了较丰富成果。近年来，实现对地理实体、监测对象及其周边环境的全面表达提出了基于多测站三维激光扫面技术的应用需求。此外，为完整表达地理实体、监测对象等地理空间与属性信息，三维激光扫描、机载LiDAR点云数据与多光谱、高光谱光学影像融合的数据处理方法取得了一定进展。针对LiDAR与摄影测量在数据获取平台、数据采集方式等方面存在相似性，在采样精度、数据直观性等方面存在互补特性的特点，国内外众多学者针对基于LiDAR与摄影测量的集成/混合建模展开研究，旨在实现LiDAR点云与摄影影像的优势互补。 （二）环境与灾害信息的现代监测技术

3S等现代监测技术可用于灾害预报预警、灾害动态监测、灾害成因分析、灾害调查与评估等多个方面，在重大自然灾害监测评估中有广泛应用领域。

利用遥感、InSAR、三维激光扫描等技术，配合常规的地表移动观测站观测，构建矿山变形立体融合监测技术，形成矿山变形灾害的时空分析与预警理论体系进行矿山开采损害地空协同监测，建立多时相序列的矿区开采沉陷监测与沉陷参数反演技术可以有效揭示采矿引起的覆岩（土）破坏、

地表沉陷及损害时空动态规律，进而了开发矿山开采损害监测与评价信息系统，再现、分析矿山开采沉陷及其地质灾害评估。

无人机系统的航拍影像具有快捷方便、自动化程度高、获取高分辨率影像、成图周期短、成本较低、小面积航拍、现势性强等特点，无人机遥感弥补了卫星光学遥感和普通航空摄影易受云层遮挡影响的缺陷，具有高时效、高分辨率、低成本、低损耗、低风险及可重复等诸多优势，能够快速获取国土、资源、环境等空间要素，在救灾应急测绘服务、土地利用调查与管理、矿产资源开发监测、环境污染与灾害监测、空中监测等多种领域得到了广泛应用。

物联网的迅速发展，为环境保护提供了新技术、新方法和新思路。基于物联网的环境监测，提高环境监测的实时性、有效性，实现信息共享及辅助决策，为环境监督管理提供依据。把监测到的、对人类和环境有影响的各种物质含量、排放量、环境状态参数等，传送到信息处理中心，进行综合分析和处理。如碳排放在企业排污口或对环境分析有重要意义的位置布置监测点，通过网络将监测点采集的数据信息，传送到监测中心进行分析、汇总、处理，进而实现有效管理。 （三）地理国情监测进展

地理国情监测从地理的角度，采用空间化的方法，对国情进行持续观测并对观测结果进行描述、分析、预测和可视化，包括土地资源监测、环境监测、农情监测、地震监测、矿产资源监测、气象监测等业务领域。地理国情监测，可为政策分析提供更多定量化的重要资料和科学依据，还可为灾害预警、资源消耗、污染物排放等提供重要监测信息，对土地利用、宏观调控、粮食安全等政策的实施效果进行监控和评价。陕西省成为首个

地理国情监测试点，利用最先进的航天航空遥感与快速定位等测绘高新技术，对陕西省中心城市和重点乡镇的建设布局及城镇化发展进程进行监测，为政府重大决策提供城镇布局、居民点分布及其变迁信息。河北省地理信息局启动了“河北省综合省情信息管理系统研究与开发”，为下一步全面开展地理国情监测奠定了基础。

（四）矿区沉陷变形及灾害监测、预测和控制技术

在矿区开采沉陷灾害监测研究方面，利用高光谱高分辨率遥感、INSAR、D-INSAR、GPS等技术进行矿区采动灾害“天地一体化”协同监测，建立了多源动态变形监测数据的融合模型、开发了包括煤矿开采损害地空协同监测与数据处理、开采沉降预报预测、开采损害评价与预警等的煤矿开采损害监测与评价信息系统。

资源和环境问题已成为制约我国煤炭产业可持续、影响矿区生态与社会和谐的主要因素。煤矿充填开采是随着采煤工作面的推进，向采空区送入矸石、沙石、膏体等充填材料，并在充填体保护下进行采煤的技术；无疑是提高资源采出率、控制地面塌陷变形的最优途径。研究煤矿充填开采控制地表变形和保护生态环境，对煤炭行业落实科学发展观和推进生态文明建设具有十分重要的意义。以中国矿业大学为主研发的综合机械化固体废弃物直接充填采煤、机械化膏体充填采煤、高超水材料充填采煤为主的绿色开采技术体系已取得了显著成效，克服了煤矿采空区充填控制岩层和地表移动的诸多难题，初步形成了综合机械化固体充填采煤技术和装备体系；建立了基于等价采高的固体（膏体）充填开采岩层移动及地表沉陷变形预测方法和控制技术。在矿山老采空区不良地基稳定性研究和建设利用方面，对老采空区地表“活化”及沉降变形与覆岩结构失稳和各种采动裂

隙、空隙压密的协同关系研究日趋深入；并推动了利用废弃老采空区土地进行大型工程建设利用工作。缓解了矿区城市土地利用紧张难题。 二、国内外发展状况比较

1. 国外环境与灾害信息监测对象的全球化与监测信息的全面化趋势明显，关注人类的地居环境的保护，涉及水、大气、二氧化碳等诸多领域，国内也逐渐关注，成果日趋丰富，但研究协作性较差，尤其是操作层面的体制欠缺，起步晚，标志性的成果有限。

2. 国外对于局部环境与灾害的监测手段、理论及技术等研究较早，且成果丰富，由于数据获取手段的落后及开展研究的时间比较晚等原因，国内在某些领域取得了很大的进展，但相对缺乏系统性和完整性，研究不够深入具体。

3. 在矿区沉陷灾害控制和治理技术方面，国外研究相对较落后，我国在矿区沉陷变形机理、变形预测和变形控制等领域均处于领先地位。尤其是综合机械化固体充填采煤沉陷控制技术和配套装备为我国自主创新、国际首创。 三、展望与建议

（一）环境与灾害信息处理方法方面

加强GNSS数据处理，研究基于GNSS及惯性传感器组合的室外环境下的自主定位，通过多传感器集成和数据融合算法的研究，实现高精度的定位；采用并行处理的方法提高InSAR数据处理速度，研究适合于矿区开采沉陷的实时监测的InSAR监测方法，加强多源数据的综合分析、加强PolInSAR和GB-InSAR的数据处理及应用等；加强LiDAR点云数据与多光

谱、高光谱光学影像融合的数据处理方法，将摄影测量的相关知识引入到三维数据的采集与处理中来，实现LiDAR与摄影测量的优势互补。 （二）环境与灾害信息的现代监测技术方面

深入研究遥感、InSAR、三维激光扫描等技术的优缺点，加强数据融合处理，构建完善的矿山变形立体融合监测技术，采用合理的反演模型揭示采矿引起的覆岩（土）破坏、地表沉陷及损害时空动态规律；针对矿山地物目标的复杂性，研究利用无人机对特定目标识别方法（如地裂缝、塌陷坑等）；将物联网与空间技术结合，研究监测数据传输及与空间信息的融合方法，拓展物联网监测领域。 （三）地理国情监测方面

进一步融合多种监测手段，形成一个统一的平台，加快研究制定地理国情监测的技术标准、基准和统计指标体系。 （四）矿区沉陷变形预测和控制技术方面

针对煤矿开采导致的沉陷损害监测及相关的分析评价问题，构建“天地一体化”的监测、分析评价平台，探索煤矿区开采损害监测、识别、评价、预警方法仍然是这一领域的研究热点和趋势。开发低成本、高安全可靠性的煤矿充填开采沉陷控制技术体系是保护环境、提高资源采出率的主要途径，与此相关的充填开采岩层和地表移动理论，量化充填介质特性、充填参数对于地表沉降变形的关系；进行部分充填与可控性下沉的理论研究，在减少充填材料消耗的同时，尽可能控制地表下沉在合理的可接受范围内，为针对不同保护目标的充填开采设计提供理论指导。

谱、高光谱光学影像融合的数据处理方法，将摄影测量的相关知识引入到三维数据的采集与处理中来，实现LiDAR与摄影测量的优势互补。 （二）环境与灾害信息的现代监测技术方面

深入研究遥感、InSAR、三维激光扫描等技术的优缺点，加强数据融合处理，构建完善的矿山变形立体融合监测技术，采用合理的反演模型揭示采矿引起的覆岩（土）破坏、地表沉陷及损害时空动态规律；针对矿山地物目标的复杂性，研究利用无人机对特定目标识别方法（如地裂缝、塌陷坑等）；将物联网与空间技术结合，研究监测数据传输及与空间信息的融合方法，拓展物联网监测领域。 （三）地理国情监测方面

进一步融合多种监测手段，形成一个统一的平台，加快研究制定地理国情监测的技术标准、基准和统计指标体系。 （四）矿区沉陷变形预测和控制技术方面

针对煤矿开采导致的沉陷损害监测及相关的分析评价问题，构建“天地一体化”的监测、分析评价平台，探索煤矿区开采损害监测、识别、评价、预警方法仍然是这一领域的研究热点和趋势。开发低成本、高安全可靠性的煤矿充填开采沉陷控制技术体系是保护环境、提高资源采出率的主要途径，与此相关的充填开采岩层和地表移动理论，量化充填介质特性、充填参数对于地表沉降变形的关系；进行部分充填与可控性下沉的理论研究，在减少充填材料消耗的同时，尽可能控制地表下沉在合理的可接受范围内，为针对不同保护目标的充填开采设计提供理论指导。

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