团队成员(固定和流动人员):陈皆红,高华,何育枫,胡顺强,宁玲,郑美霞
地质灾害研究团队简介:
地质灾害研究团队是由英国社会科学院院士、国际欧亚科学院院士、地理与环境学院院长林珲教授领衔、团队成员包括学院和实验室固定教师及流动研究人员。团队聚焦江西省城市基础设施、矿区、堤坝沉降、边坡、滑坡泥石流等地质灾害监测与评估,服务地方公共安全。
研究团队骨干成员由具有空-天-地-底多个层面研究能力的青年高学历成员组成,技术领域涵盖卫星遥感、地面接收站、无人机、GNSS、GIS、地震波探测等多种观测手段。团队目前已获批国家自然科学基金、省重点研发计划项目等多项科研项目。
技术简介:
InSAR
团队采用星载干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar,简称InSAR)遥感技术对地质灾害进行监测和评估。合成孔径雷达(SAR)是一种全天候、全天时的现代高分辨率微波成像雷达。它利用合成孔径原理、脉冲压缩技术和信号处理方法,以真实的小孔径天线获得距离向和方位向双向高分辨率遥感成像的雷达系统。经过几十年的发展,全球的民用SAR卫星涵盖了X、C、L波段等,观测幅宽从5km至650km,观测分辨率从1m至500m不等。数十年的观测为研究者积累了海量、多元的数据,这些数据可以被广泛应用于自然灾害监测和资源环境调查等领域。InSAR技术具有大范围、高密度、无接触式测量等优点。团队基于该技术进行了国内外多地的地质灾害研究:包括利用时序InSAR技术获取广域微小地表形变;地表形变影响区域、破坏程度、地下构造研究;地震、滑坡等地质灾害探测和模型反演;矿区、城市沉降研究等。目前涉及到的研究区域包括中国江西、西藏、川滇地区、台湾南部、意大利中部以及菲律宾部分岛屿区域,发表SCI或EI论文13篇。
GNSS
以全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellite System)为代表的空间大地测量技术,从根本上突破了传统大地测量的时空局限性,观测效率和精度都有了很大提高,可以更便捷有效的获取到大范围、高精度、准实时的地壳形变信息,为定量研究地震地壳形变提供了革命性的技术手段。GNSS坐标时间序列中,既包含了与地震孕育发生密切相关的构造信号,也包含了由水文、大气作用等引起的非构造信号。通过分析构造信号,可为探索现今地壳运动规律和提取与地震相关的前兆异常信息提供基础依据。同时,水文负荷质量引起的非构造信号,也为定量表征干旱提供了重要约束。团队主要采用GNSS技术对青藏高原东南缘的地震地壳形变及干旱监测进行研究。目前发表SCI或EI学术论文9篇。
航空测绘
航空遥感是以有人飞机、无人机等航空平台搭载不同类型传感器,采集高时空分辨率遥感信息继而完成数据处理、建模和应用分析的一种非接触式遥感技术。因其具有高时空分辨率、机动灵活、自动化程度高等优势,能够快速、高效地获取地表信息,已成为除卫星观测外的另一重要遥感观测技术,也是实景中国建设数据获取的最主要来源。其中以搭载光学相机、激光雷达两种传感器的航空平台应用最为集中,近年来已被广泛用于滑坡的高精度调查、评价,尤其是应急调查测绘,除利用高分辨率的倾斜摄影测量和LiDAR点云数据进行高精度地表三维模型构建、滑坡变形迹象观测和隐患识别外,最新的进展是贴近摄影测量技术的提出使空间分辨率从原来的厘米级提高到毫米级,同时在利用高分辨率三维摄影测量进行岩体结构的非接触式测量和描述也取得重要进展。
虚拟地理环境技术
启发于陈述彭先生的地学信息图谱及Michael Batty教授的虚拟地理学,林珲教授等提出虚拟地理环境的初衷就是借助虚拟世界(信息世界),增强对真实世界(物理世界、人文世界)的感知、理解与研究,从而帮助推动真实世界的改造与发展。其理念与数字孪生有相似之处,又有差异。从虚实角度看,数字孪生与虚拟地理环境/数字地球,都是基于现实世界,建立相应的数字与虚拟空间,最后“以虚强实”服务于现实实体世界,都采用了“数字虚拟思维”、“虚实二象思维”等方式。但两者不一样的地方,数字孪生则是特别强调了虚实系统即时回路反馈和全生命周期的理念,并侧重于小规模的个体“物(或物系统)”,如设备、车间、工厂等;而虚拟地理环境/数字地球,则重点关注较宏观、具有高度开放复杂性的人地系统,如区域、流域、城市等。
地质灾害虚拟地理环境研究要点:1)采用Cesium大场景三维GIS平台和UE5等虚拟现实引擎技术,联合“遥感卫星广域监测-无人机精细建模-地上GNSS监测网络-地下地质构造诊断”多源感知手段,研制“空-天-地-底”地质灾害智慧服务孪生平台。2)通过倾斜摄影测量技术、虚拟现实技术和大场景三维引擎技术,实现全省地质灾害多尺度三维可视化管理;3)通过无人机巡检区域形变监测与GNSS点源精准形变监测技术相结合,采用稳健估计技术和合适的非线性模型,将区域形变监测精度提高至毫米级;4)研究地质灾害知识图谱,基于图谱模拟灾害的形成、分析灾害的现在、预测灾害未来。
地震波
面波勘探作为地震勘探的一个重要分支,凭借其能量强、易识别、衰减慢、信噪比高、抗干扰能力强以及在层状介质中的频散特性等显著优势和较高的探测分辨率,已被浅地表地球物理学界视为未来十年内的重点发展技术之一。近年来,基于主动源和被动源的面波成像技术得到了迅速发展,这一技术已在全球和区域尺度的地球内部圈层精细结构成像、油气勘探与开发、浅地表地质调查、工程质量超声检测、环境污染治理成效检测等多个领域开展了广泛的应用。主动源面波勘探通过采集高频(≥2 Hz)宽频带的面波数据,进一步提取和反演面波频散曲线,最后获得浅地表横波速度(图1)。该方式获得的高频面波信号能对浅层介质结构进行精细探测,但受限于低频成分的确实,其探测深度仍有待提升。相对而言,被动源面波方法则从环境噪声信号中提取有用的面波信号(图2),这不仅克服了主动源面波方法在城镇环境中易受较强噪音干扰的缺点,还弥补主动源面波在探测深度上的不足。我们团队综合这两种勘探方法,汲取它们的优点,对浅地表介质结构进行更为精准的成像,为预防城市地质灾害、识别潜在的地质隐患以及城市地下空间的安全开发与利用提供强有力的技术支撑。
目前,我们的研究区域涵盖了浙江省杭州市、金华市、衢州市以及安徽省铜陵市等多个地区,成功地对地热资源、地下溶洞和暗河、隐伏断层以及基岩界面等进行了有效的探测。基于这些研究,共发表SCI论文共14篇,这些研究成果不仅丰富了我们对地区地质特征的认识,也为相关领域的进一步探索提供了宝贵的资料。
图1主动源面波勘探的三个步骤。(a)高频( 2 Hz)宽频带的面波数据;(b)在频率-相速度域中提取的面波频散曲线;(c)通过反演面波频散曲线得到的浅地表横波速度
图2基于互相关从杂乱无章的背景噪声数据中恢复面波信号(引自Weaver, 2005)
研究案例:
城市沉降灾害(点击进入子网页)
不定期更新江西各个市区沉降(已有案例)
采矿沉降灾害(点击进入子网页)
细化重点矿区沉降(已有案例)
滑坡灾害(点击进入子网页)
大型基础设施(水坝、桥梁、地铁、高铁、高速公路)(点击进入子网页)
地震灾害(点击进入子网页)