喜迎十九大

地质调查向党的十九大献礼:不忘初心,砥砺前行,以技术创新支撑地质调查事业发展

作者:葛大庆 张玲 发布时间:2017-10-18

近二十年来,空间对地观测(Earth Observation)技术发展迅猛,以地球系统科学研究为目标的对地观测体系已初步构建,面向资源、环境和灾害的遥感技术研究应用进步显著。面对新一轮“空--地”一体化、智慧地球和大数据为主的观测技术体系构建与全球环境监测应用,我们所从事的遥感技术研究如逆水行舟,不进则退,唯有时刻保持清醒的认识,与时俱进,不忘初心,坚持“求真、奉献、创新、图强”的精神传承,方可在国土资源与地质调查事业进步的洪流中立于不败之地,在建设世界一流新型地质调查局的过程中贡献绵薄之力,体现技术进步价值。

过去的近20年里,在国土资源部、中国地质调查局及其相关部委的支持下,依托科技部863项目、国际科技合作专项、国土资源大调查、地质大调查等多项任务,航空物探遥感中心雷达干涉测量(InSAR)技术团队始终围绕国家重大需求,针对我国地质灾害发生发展的基本特点,以研究推动应用,以应用牵引研究,砥砺前行,不断进步,从上世纪90年代起,紧密跟踪国际InSAR技术发展方向,从基础理论、技术方法、监测应用到业务化应用,走出了一条模仿国际先进到自主研发和应用创新的技术进步之路,在国内率先形成了完整的InSAR地表形变调查与监测技术体系,引领了国内InSAR地表形变测量技术的工程化应用与发展,并不断追踪国际InSAR技术发展前沿,以规模化应用为基础,牵引我国国产民用SAR卫星的设计研发。

近年来,中心InSAR技术团队陆续获得国土资源科技奖与国际科技合作先进个人奖,成果入选“地调百年百项技术”,地表形变InSAR监测技术总体水平达到国际先进,广域形变监测与成果应用达到国际领先。

一、十年磨剑,砥砺前行,以技术研究推动业务化应用

1999年,航空物探遥感中心承担中国地质调查局“地质灾害调查中遥感新方法新技术应用预研”项目,标志着地质调查领域内InSAR技术研究试验的开始。此项目为国内首次开展滑坡位移InSAR监测试验,由我中心郭小方教授与德国波茨坦地球科学研究中心(GFZ)夏耶研究员通力合作,构建了三峡地区链子崖、新滩滑坡体角反射器(Corner ReflectorInSAR监测试验场,应用欧空局第ERS-1/2卫星数据,以地面实测与人工参与联合方式于2001年完成技术验证。奈何彼时国内业界对这一“新技术”的认识水平,其意义未予充分认可。时过境迁,顾及当时的研究条件,面对滑坡非线性形变特点,以角反射器InSAR完成验证实属不易,新滩、链子崖“稳定”的结论今日亦属正确!人言:“饮其流者怀其源,学其成时念吾师”,今日回首,若无前者过往之功,何来今日蓬勃之业?此刻,我辈心念“旧恩”,深切怀念InSAR技术领域的先行者,杰出的技术专家夏耶先生!

2005年起,中国地质调查局(CGS)针对全国地面沉降调查监测与防治管理工作需要,安排航空物探遥感中心率先在华北平原开展大范围地面沉降InSAR(雷达干涉测量)监测技术研究与应用示范,至2007年底,完成了关键技术研发,建立了基本的工作流程,获得了北京、天津、沧州、德州等典型地面沉降区的监测成果,经过与地面精密水准测量数据(2个示范区,4组观测数据,150余个验证点)的对比,取得了年沉降速率3-5mm的比较精度,奠定了InSAR技术大规模应用的技术基础。

2008年起,航空物探遥感中心继续开展区域性地面沉降InSAR监测工程化应用实践,在规模化应用中不断完善监测技术,提升InSAR解决低相干条件下大范围广域监测的应用能力。至2010年底,经过5年的技术研究与应用实践,区域性地面沉降InSAR监测技术基本成熟,工程化监测能力得到检验,监测应用效果显著;首次实现了华北平原、长三角和汾渭盆地近25万平方公里范围的全覆盖监测,形成了区域地面沉降InSAR监测成果“一张图”,编制了《华北平原地面沉降区InSAR调查与监测成果图集》和《长三角地面沉降InSAR监测成果图集》,为开展全国地面沉降“扫面”调查起到了示范作用,引领了InSAR技术在地面沉降、矿区塌陷、高铁路基变形、油田地表下沉等领域的技术发展,支撑服务新一轮全国地面沉降防治规划的编制工作。

2011年起,为落实《全国地面沉降防治规划(2011-2020)》,由航空物探遥感中心牵头,联合国内InSAR研究团队与各省地质调查机构,开展了我国中东部平原、盆地和三角洲等地面沉降已发区、易发区和潜在区100余万平方千米范围的InSAR调查计划。该计划下设全国地面沉降已发区、易发区和潜在区“扫面”调查、重点沉降区带连续监测、重大工程高精度InSAR测量等主题,以期满足对全国地面沉降现状的全面掌控,并服务高速铁路、重点开发建设区等对地面沉降监测数据的需求。该计划于2015年底结束,完成了华北平原、长江三角洲、汾渭盆地等三大重点沉降区新一轮全覆盖调查数据更新,实现了松嫩平原、下辽河平原、江汉-洞庭湖平原、珠三角地区、河南省、山东省和安徽省等中东部主要省份摸底调查,实现了我国首次全面统一的掌控地面沉降现状,为防治工作提供了详实的监测数据。

至今,InSAR技术经过试验研究、示范应用与工程化监测三个阶段,已成为我国地质灾害调查,特别是地面沉降调查与监测不可或缺的技术手段。

二、全面发展,多点开花,积极拓展应用服务领域

“惯于星观天地变,研究应用赶新鲜”,在持续推进全国地面沉降InSAR监测业务的同时,InSAR团队积极跟踪国际先进技术进展,通过国土资源公益专项、科技部国际合作专项等项目,持续开展滑坡变形高分辨率InSAR精细测量、重大工程与城市群地表形变多分辨率InSAR集成监测技术研究,集十年之功,系统解决了滑坡非线性、多尺度形变监测难题,构建了基于角反射器的子带干涉(BSI)方法、高分辨率SAR偏移量跟踪方法和同质滤波技术的滑坡变形全过程调查监测技术体系,在三峡地区开展了长达3年的实际应用,该技术系统与广域地面沉降监测技术一起形成了面向“面-线-点”多应用目标的完整技术体系。

目前开展的应用领域主要有大型线性工程(高铁、城市轨道交通、南水北调等)地表形变调查与监测;高分InSAR城市(重点工业区、围海造田区等)微小变形、地裂缝、地下工程建设、大型基坑开挖、大型工程体形变监测;矿山开采深陷InSAR识别与监测;融合卫星与地基InSAR的自然边坡、工矿边坡稳定性评价监测以及冰川活动调查应用等领域。

“旧学商量加邃密,新知培养转深沉”。在推进星载与地基InSAR新技术应用的同时,研究团队一贯重视与传统测量手段的综合应用,在此过程中构建了与GPS观测、水准测量、分层标等手段相互补充,综合应用的“空-地”监测网络,与各地方部门联合取得了一系列的调查与监测成果。至今,InSAR技术已被广泛认可与接纳,大量的应用所取得的效果和解决问题能力的提升,促进了稳定的研究与应用群体的形成。而就测量意义上的观测方式而言,InSAR以遥感的方式实现了几何测量的目标,具备了数千(万)平方公里范围上数以百万计的测量点的同步观测,而这恰是以往点位测量手段所不具备的。从服务地质环境演化研究上,InSAR监测丰富了由形变到灾害变化特点的认识,为解决地下水合理开发、城市规划、工程布局等工作提供了高精度反映现势性的调查成果,直接服务于部、局推进全国地面沉降规划落实,全国地质环境承载能力评价,京津冀协同发展区与通州新区建设、雄安新区建设,以及全国高铁施工规划等决策工作。

三、技术驱动,应用牵引,引领国产SAR卫星发展

着眼国际SAR卫星发展,目前已进入新体制SAR驱动监测应用技术进步,多领域应用牵引卫星参数优化阶段。加上综合处理平台、云计算等,InSAR技术本身已走向成熟。我国目前正在开展《国家民用空间基础设施建设》,将首次建立我国自主研发的民用SAR卫星系统。得益于长期从事InSAR形变监测应用的实践以及应用国外SAR卫星数据的经验,航空物探遥感中心代表国土资源部作为牵头主用户组织行业用户开展首颗国产L波段干涉SAR卫星系统的研制,围绕卫星目标定位、任务规划、系统参数要求等领域,强化干涉测量应用的基线控制与轨道定位要求,以应用需求为牵引,将应用参数转化为卫星能力,促进SAR数据质量提升,惠及更多应用领域。同时,紧跟国家卫星发展需求,以主用户参与X波段双天线、海洋三号、S波段减灾SAR等雷达卫星先期论证,为海洋、环境等雷达卫星的运行提出相关技术需求,进一步推进已在轨运行SAR卫星实现干涉测量的可能性。

四、团结一心,追求卓越,构建专业精深的技术团队

“成绩归于过去,荣誉源于集体”。InSAR技术团队从艰难处出发,在“质疑、否定、打击、认可、接纳、推进与革新”的路径中成长,始终秉承谦虚谨慎,科学求真之精神,成就直面问题、勇于创新、持之以恒、团结协作之作风,于国内先人一步形成InSAR技术业务能力,积累数十年测量数据资料,堪为填补空白之作!研究团队诸同仁近20年来砥砺前行,不忘初心,致力于研究地表形变InSAR监测技术,推动地质环境与地质灾害诸领域调查与监测应用,服务资源环境监管工作,拓展InSAR技术新应用及新发展。研究团队不忘夏耶先生等老一辈科技工作者的优秀品质,脚踏实地,不羡名利,勤奋工作,在平凡细微处追寻最初的梦想,攻克一个又一个技术难题,从ERSENVISATRADARSATALOSTerraSAR-XCOSMO到如今的Sentinel-1卫星,见证了三代雷达卫星的发展,处理了数以千计的SAR影像数据,始终严格把关每一步,追求测量结果的高精度,用足迹踏遍了华北平原、长三角、汾渭盆地的每一个沉降片区。

“曾是王谢堂前燕,今入寻常百姓家。助力地学究天际,精研广用正当时”。经过广大研究者的努力探索和应用实践,InSAR技术已走向成熟,新的研究方向和应用领域正不断开启,支撑InSAR技术广泛应用的卫星数据源与信息系统正以蓬勃之势向前发展,“Till nowInSAR is a mature technology, and it is now time to use it and it is time to think big!”(意大利TRE公司Ferretti博士言)面对着Sentinel-1(哨兵)等中大覆盖、双(多)星编队、短重放周期卫星的发展,InSAR数据源不断增多,构建强大的InSAR处理系统与一体化服务系统将是新的挑战。而回归InSAR本身,我辈仍应充分重视基础研究,并牢记“过度鼓吹与盲目的应用必将导致不科学的结果”的结论,以理性客观的态度面对InSAR技术的创新发展。

回首过去走过的路,衷心感谢中国地质调查局所给予的连续的、不间断的支持,率先在国内将InSAR技术发展成为一项支撑地质环境调查监测的先导性手段,成为地面沉降监测“空-地一体化”体系中的“空中”部分,积累了广泛和长时间的监测数据,进而更好的支撑服务我国地质调查工作,为区域经济社会发展和城市建设提供环境安全保障。

至此,我们仍愿持之以恒,树立“责任”意识,秉持“创新”精神,以“合作”的态度、“奉献”的品质、“清廉”的作风,为雷达遥感技术追寻新的发展空间,为地质调查事业努力工作,不断前行!
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