中国测绘 | 许强副主任：推进全域激光雷达计划，构建“天空地内（内协网）”协调观测体系
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——访地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室常务副主任许强
“从地震到现在，不管前线还是后方，我们一刻也没停歇……”2022年9月5日，四川甘孜州泸定县发生6.8级地震，成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（以下简称“地灾防治国家实验室”）迅速响应，同时组建了震后遥感应急解译小组，从各渠道广泛收集光学卫星、雷达卫星、无人机航拍等遥感数据。9月7日，在抢险救灾间隙，地灾防治国家实验室常务副主任许强教授，在微信朋友圈写下了这句话。
9月13日，四川泸定转入灾后恢复重建阶段，地灾防治国家实验室联合相关单位，开始对整个泸定地震重灾区实施机载LiDAR（激光雷达）及同步光学影像遥感测绘调查工作，为灾区后续相关工作提供科技支撑。
在微信朋友圈，许强的消息发布频率并不高，但几乎每一条都和地灾防治和遥感紧密相关。尤其是在重大灾情期间，他的朋友圈总会及时发出最新的灾害监测和防治工作进展。
“我国地质灾害点多面广，且大多具有高位隐蔽性特点，传统人工排查手段已很难全面摸清地灾隐患，尤其是西南地区山高林密，诸如滑坡、崩塌等地灾隐患潜藏于密林之下，时刻威胁着人们的生命财产安全。”从业30年来，许强一直思考的就是，怎样精准识别潜藏的地灾隐患，如何通过技术手段建立相对完备的地灾隐患调查监测体系。
在探寻地灾防治技术的道路上，许强发现了激光雷达技术的独特优势，并将其引入地灾防治领域。“激光雷达能够很好地弥补光学遥感和InSAR（干涉雷达）的不足之处，不仅在地灾防治推而广之，山水林田湖草等自然资源和生态环境调查与监测都能用得上。”许强说。
2018年3月，许强在全国两会上提出构建天空地一体化的“三查”体系。通过高精度光学遥感+InSAR的“普查”、机载LiDAR+无人机航拍的“详查”、地面调查核实+监测的“核查”共同组成的“天空地”一体化的“三查”体系。
“地灾防治工作的核心需求和前提是要搞清楚‘隐患点在哪里’。”许强告诉记者，20世纪90年代以来,我国已通过多轮人工调查、排查等方式对全地质灾害隐患进行了系统的排查，发现了约30万处地质灾害隐患点。但是，近几年发生的重大地质灾害事件有80%左右都不在已发现的隐患点范围内。原来那种拉网式、地毯式的排查手段,已很难提前发现一些具有高位、隐蔽性特点的灾害隐患。
正因如此，许强在多年实践和科研经验之上，提出构建“三查”体系。他回忆道，萌发构建‘三查’体系的直接原因是2017年新磨村滑坡事件。2017年6月24日，四川省茂县新磨村突发高位垮塌，因滑坡体方量巨大，短时间内将新磨村整体掩埋。新磨村滑坡源区位于海拔3400米左右的高陡斜坡上，加之山顶为原始林区，植被覆盖率高，滑坡具有较强隐蔽性，基于对新磨村滑坡事件的分析，许强首次提出了“高位隐蔽性滑坡”这一概念。
如何精准识别高位隐蔽性滑坡及其他地灾隐患？许强在多方调研后，发现结合激光雷达技术的现代遥感技术可以有效解决高位隐蔽性地灾隐患问题。
许强介绍：“‘三查’体系是将不同技术手段进行优化组合，按照三个层次逐级缩小范围，聚焦隐患目标。比如InSAR可以看到正在发生形变的区域和部位；而激光雷达适合发现历史上曾经发生过损伤的部位，如古老滑坡、地震的震裂山体等；光学遥感影像则可更加直观形象地反映地表的形变和垮塌信息。各种技术手段需要有机结合，相互补充和验证，单独依靠其中某一种技术都很难实现对灾害隐患的早期识别。”2018年3月全国两会期间,“三查”体系正式以政协提案的方式被提出来。
2020年全国两会期间，许强在地灾隐患识别“三查”体系这一提案的基础上，进一步提出应该推行全域激光雷达计划。
“全域有两层含义，一是地域，就是用激光雷达遥感技术手段把全中国‘扫一遍’，获取全国三维空间数据；第二层含义是指多领域，通过激光雷达遥感技术获取尽可能丰富的多领域空间数据，再通过建立共享机制，为自然灾害防治、山水林田湖草沙调查评估以及电力、交通、水利、市政建设等多行业多领域的科学研究、政府决策、产业发展提供精准三维数据支持。”许强解释道。
许强介绍，国际上，诸如意大利、日本、美国等都已从政府层面推广并实施了全域激光雷达计划。比如，早在2013年，美国地质调查局(USGS)就提出了“三维高程计划”（3DEP），目标是利用十年时间，即到2023年底获取全面覆盖美国本土、夏威夷和美国属地的质量2级LiDAR数据以及阿拉斯加的InSAR数据,以帮助改善政府、非政府组织和公司实体的决策和运营活动。
▲许强（左三）和地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室的同事们在科研一线
在交谈中，许强多次表达了推进全域激光雷达计划、建立全国三维空间数据的迫切性。他告诉记者：“比如，西南地区的地灾防治，如果能够有一个高精度的三维空间数据底图，今后发生灾害时就只需要对局部小面积进行快速测绘，两张图叠加对比，对灾害的基本特征、成因、防治方案进行分析即可。”
在谈到激光雷达技术的优势时，许强不无感慨地说：“无论是地灾防治工作还是实景三维中国、‘数字中国’建设，激光雷达技术都能参与其中且发挥至关重要的作用，这么好的技术，我们一定不能闲置、浪费了。”
▲地灾防治技术研讨会
对于激光雷达遥感在地灾防治领域的应用，许强有一个形象的比喻：地灾防治就像是医生治病，首先要发现病灶，其次它有哪些性状，然后地质“医生”才能针对性地治疗和开药方。在这一过程中，激光雷达遥感技术就像是地灾防治工作的“CT机（计算机X线断层摄影机）”或者“B超机（B型超声检查机）”，它能够解决高山密林郁闭度和隐蔽性的难题，通过多回波激光反射去除植被影像，露出裸露的地表，使隐藏于植被之下的滑坡、裂缝等暴露无遗，就像人脱去衣服露出伤疤，或通过CT或B超查出体内的损伤和病灶一样。
“传统光学遥感固然能够直观观察到大面积的地质形变，但处于高山密林中的小型滑坡体、地质损伤（如裂缝、下错台坎等）等地灾隐患就需要动用激光雷达遥感技术来进行局部扫描。”为了形象展示激光雷达遥感影像在滑坡体边缘突出显示和活动断层精准定位及描述等技术优势，许强展示了两张遥感影像，在传统光学遥感影像中，山体整体较为平滑，仅能看到细微的深色区域，而在另一张激光雷达遥感影像中，则可以清晰地看到密林之下地质裂缝和滑坡边界的清晰脉络。
许强进一步解释，首先用高分辨率光学卫星遥感及InSAR对某个区域进行大面积扫描，相当于全面“体检”，发现可能存在隐患的区域和部位；然后用无人机搭载高分辨率光学镜头、激光雷达等对具有“大病隐患”的区域进行深入详细筛查，就像医院通过体检发现疑似大病患者后，通过“活检、B超、CT”等手段进行深入检查；最后针对疑似重大隐患，由地灾专业人员到现场进行调查复核和确认，这就像门诊医生根据自己的判断，结合各种检查影像和测试数据，最后给出诊断结果。
激光雷达所获取的数据不仅可以生产出高分辨率（厘米级甚至毫米级）的点云数据和数字高程模型，其更具备一个非常独特的功能，就是将植被去除，显示出裸露的地表三维形貌。用许强的话说，就是“去除植被后，田田坎坎、沟沟壑壑都能看得清清楚楚，使古老滑坡、山体裂缝、松散堆积物、活动断层等隐患暴露无遗”。这一功能对植被茂盛、地质灾害频发的西南山区和东部沿海地区非常有用。
此外，激光雷达在获取三维空间数据方面也有着巨大优势，激光雷达可以快速获取高精度的DEM（数字高程模型）和DSM（数字表面模型）高程数据，在采集地理信息时同时搭载光学镜头和三维激光扫描仪，就能够同时完成光学影像和激光点云数据的采集，后期能够形成高精度、高分辨率的三维地理数据底图。
许强表示：“激光雷达不仅可以生成数字地形数据，还能够对植被、建构筑物本身进行精细量测，生成高精度三维模型，为自然资源和生态环境的调查评价、国土空间规划利用、城市三维建模等提供重要支撑。目前，激光雷达已广泛用于自然资源、生态环境、自然灾害、电力、交通、石油、水利、林业、旅游、文物、考古、虚拟现实等行业。构建统一的三维地理底图，能够极大降低各行业重复测绘的总体成本，减少资源浪费。”
提到三维空间数据地图和全域激光雷达，我们不难联想到实景三维。那么实景三维中国建设能否与地灾防治工作结合，并助推地灾防治工作迈向新的阶段呢？答案是肯定的。
许强认为，实景三维的理想状态应该是一个全空间、全要素、实时化的概念。“什么是实景三维？基于物联感知技术，贯通地上地下、水上水下、室内室外，实现全空间、全要素一体化和实时化的状态就是真正意义上的实景三维。”许强补充道。
▲许强介绍地质灾害实时监测预警系统
基于实景三维建设趋势，结合地灾防治实践，许强提出了“天、空、地、内”协同观测技术。他介绍，首先地上地下，可以综合运用卫星和航空遥感技术以及地面测绘手段获取地上地下三维空间数据，并将物探手段所获取到的地质情况数据叠加到三维空间数据上，从而实现地上地下空间和要素的贯通和统一管理。
在河流、大型水库、湖海等水体的观测方面，利用地面激光扫描水域两岸的空间和环境要素，再通过多波束获取水下地形，二者叠加，水上水下空间和环境要素的统一，就能够为水域及周边地质灾害防治决策提供科学的数据支撑。
在室内室外一体化方面，SLAM（即时定位与地图构建）技术值得关注。“以前我们主要关注山体本身，对遭受地质灾害威胁的建构筑本身的结构缺乏有效的测绘手段，尤其是与室外相比，室内空间狭小，结构较为复杂，很难通过测绘手段构建其复杂的模型。但利用SLAM技术可实现对建构筑物三维模型的快速测绘与构建。利用山体和建构筑物三维模型，就能真正实现地质灾害的量化风险评估，使地灾风险评估向前迈出一大步。”许强说道。
“总而言之，实景三维所构建的全空间、全要素一体化和实时化框架，为多源数据融合提供了空间架构，从而使得专业的模拟分析和风险评估得以实现。”许强告诉记者，基于实景三维的“天、空、地、内”协同观测技术是典型的多技术、手段和多源数据的融合应用，具体包括通过高分辨率光学遥感识别地表变形迹象、采用摄影测量+机载LiDAR精细识别滑坡隐患、利用地基LiDAR快速获取三维地表模型、利用SLAM快速获取室内高精度三维模型等。他强调，多源数据融合是实现实景三维的一个必要保障。
“无论是实景三维，还是基于实景三维的‘天、空、地、内协同’观测技术，其实最终都难以绕过多源数据融合这一难点。”许强坦言，目前多源数据的融合不仅是技术层面的问题，更缺乏可行的数据共享机制和平台，多行业领域的数据彼此割裂，这一现状已严重影响了科研和应用推广的进程。
在许强的设想中，在实景三维以及多种遥感、物探技术手段和数据的融合应用之下，地灾隐患识别和监测能够常态化和实时化，就像体检一样轻松，并基于此，实现地灾风险的精准预测。
谈到接下来的计划时，许强表示，会继续推行全域激光雷达计划，希望在国家相关部门的主导下建设落地。在此基础上，打通数据壁垒，让“数据大时代”真正升级成“大数据时代”，进一步发展和推动我国的大数据产业。
阿重说