一、概述
堤防是防洪减灾的核心防线，是保障人民生命财产安全的重要依托。《2023年全国水利发展统计公报》显示，全国已建成5级及以上江河堤防32.5万千米，累计达标堤防25.7万千米，堤防达标率为79.0%。在防汛抢险中，巡堤查险是一项极为重要的工作。巡堤查险内容包括堤防（含防洪墙）及穿堤建筑物（构筑物），堤防巡查范围包括堤顶、堤坡、平台、堤脚、背水侧堤防工程管理和安全保护范围的区域及临水侧堤防附近水域，穿堤建筑物巡查范围包括建筑物本身及其管理范围区域等。堤防隐患主要有裂缝、渗漏、管涌、滑动、冲刷、变形等。
在防汛抗洪过程中，会遇到多种多样的险情，这些险情的发生可能对堤防造成严重影响，因此，需要了解这些险情的特点和应对措施，确保能够高效地进行巡堤查险工作。传统巡查手段受限于效率与覆盖范围，难以满足现代水利工程管理需求。传统的堤防巡视主要依靠人工巡查、GPS和三维激光扫描等技术，受人力、物力、财力的影响，难以实现对沿岸堤防的整体、有效、综合量化监测，无法及时、准确地掌握堤防的运行状况。近年来，合成孔径雷达（SAR）、无人机、GNSS测量、多波束测深、水下偏振光成像探测技术等新技术被应用于巡堤查险工作，为堤防信息的及时、准确掌握提供技术保障。
当前，我国已发射数百颗遥感卫星，其中有8颗民用SAR卫星在轨运行，包括高分三号、陆地探测、环境减灾等多个卫星星座和卫星系列，覆盖了L、C、S三个波段，已发射北斗导航卫星（BDS）60颗。2024年12月17日，水利一号遥感卫星在太原卫星发射中心发射成功，使水利部门具备了全天时全天候对地观测、高分辨率成像、高精度形变监测等功能。结合我国自主研发的北斗卫星导航系统，可以获得高精度的堤防水平和垂直向变形监测数据，为堤防变形监测提供有效手段。本文通过构建空天地一体化监测感知体系，实现堤防自动化提取、隐患精准识别、沉降动态监测及风险评估的协同观测和应用。多源卫星数据融合可突破单一技术局限，实现风险分级预警与巡查路径优化，提升巡堤查险效率。尽管当前仍面临数据融合深度不足、成本高等挑战，随着未来进一步深化算法优化、构建实时监测系统、推动标准化应用，空天地一体化监测感知体系可为巡堤查险信息化建设提供有效支撑。
二、空天地一体化监测感知体系
在巡堤查险工作中，空天地一体化监测感知体系即集成空基（无人机、应急飞行平台）、天基（遥感卫星、GNSS卫星）、地基（地面传感器、雷达、固定监测点）等多种观测平台和数据，利用大数据、机器学习、人工智能等技术，对目标区域进行全空域、全时域、多维度、高精度监测探测的系统（图1）。
通过无人机平台实现空中感知，进行中小尺度高分辨率巡查、快速响应；通过光学遥感卫星（高分二号、高景一号等）、雷达遥感卫星[高分三号、哨兵一号（Sentinel-1）等]、GNSS卫星（BDS、GPS）进行大范围监测、全天候成像与位移形变获取。通过地面感知，移动监测设备、固定监测点等配合人工巡查，近距离查险和实时反馈。相较于传统巡堤查险方式，空天地一体化监测感知体系具有多尺度观测、多维度覆盖、实时性与动态响应等特点，可以充分满足汛期对于巡堤查险工作的需求。
三、空天地一体化监测感知体系在巡堤查险中的应用
多源遥感数据在堤防提取中的应用
堤防通常呈线性分布于河流、湖泊沿岸，其结构以土石或混凝土为主，横断面形态复杂，堤防自动提取是巡堤查险的基础性工作，可为相关部门科学合理制定防汛方案、调度防汛物资和人员提供数据支撑。
光学卫星影像可清晰呈现堤防的几何形态及周边土地利用特征。通过多光谱波段组合，可区分堤防与植被、水体的光谱差异，辅助提取堤防边界。利用高景一号0.5m高分辨率影像识别洪泽湖一段堤顶道路、护坡结构范围，时序光学影像可监测堤防表面植被覆盖变化，如图2所示。SAR卫星通过主动发射微波信号，结合阈值分割算法（如双峰法），可自动提取水体与陆地边界确定堤防位置。
通过结合光学影像的纹理细节与SAR影像的后向散射特性，可构建多维特征集，利用机器学习自动识别堤防轮廓，提升堤防提取的精度。利用光学影像的高频重访与SAR卫星的全天候观测优势，构建时间序列数据集，分析堤防季节性形变规律及突发性损毁事件。在洪水等灾害应急响应期间，SAR卫星快速获取淹没范围，光学影像辅助评估堤防结构完整性，二者结合可优化灾情研判与抢险决策。
2.多源遥感数据和GNSS在堤防隐患排查中的应用
堤防隐患排查主要包括渗漏、管涌、裂缝、滑坡、崩塌及白蚁危害等类型，当前，主要有人工巡堤、物探技术（如探地雷达、高密度电法、瞬变电磁法）、GNSS监测等方式。近年来，结合遥感、GNSS和地面设备的天空地一体化监测感知体系开展堤防隐患排查已成为前沿研究方向。
（1）渗漏和管涌排查
无人机搭载热红外相机可全天候对堤防管涌区域进行排查和精确定位，蒋煌斌等人在洞庭湖杨柳垸堤利用无人机搭载的可见光和热红外相机，分别在白天和夜间拍摄了堤防的可见光、热红外图像，基于管涌点在热红外图像上的特征，成功提取识别了管涌点的位置和面积。图3为洞庭湖杨柳垸堤管涌点热红外图像，渗漏和管涌区由于水流作用在热红外图像上表现为低温区域，与周围环境存在差异，通过分析热红外图像的温度异常区域可初步识别出管涌或渗漏点。图4（a）和（b）分别为无人机拍摄的堤下坡面堤脚处可见光图像和热红外图像，蒋煌斌等人采用无人机探测定位技术成功提取渗漏点位置，并获取图4中管涌点1和管涌点2，直径分别为0.48m和0.76m。无人机搭载红外相机可监测渗漏和管涌点，但在植被密布和连续降雨导致的土壤含水量较高区域，目前依然存在监测技术难点。
（2）滑坡与崩塌识别
时序干涉合成孔径雷达（InSAR）技术通过利用SAR影像中长时间保持相干或一定时间内保持相干的像素解决时空失相关等问题，有效消除大气扰动带来的影响，获得地表微小形变，得到长时间序列的地表形变场。图5为长江扬中段基于哨兵一号SAR影像计算的2016—2023年平均形变速率分布图，其年平均形变速率范围为-22.3～9.1mm/a，当形变速率绝对值大于设定阈值时，可识别为滑坡点。通过在堤防布设固定监测点，利用北斗系统实时获取位移数据，可实时监测堤防位移形变情况，进一步监测预警堤防稳定性。
（3）白蚁危害探测
白蚁巢穴具有洞口隐蔽、内部结构规模大的特性，可协同探地雷达和机载多光谱影像进行识别。探地雷达利用高频电磁波探测堤防内部结构变化，可识别白蚁活动造成的浅部洞穴。利用机载时序多光谱影像可计算堤防时序光谱指数特征，结合日常巡查获取的白蚁巢穴样本点构建分类模型识别疑似白蚁隐患，辅助人工巡查确定白蚁隐患位置，提高日常白蚁巡查效率，如图6所示。
3.SAR数据和北斗在堤防沉降监测中的应用
SAR与北斗卫星导航系统的结合，既可以发挥SAR在大范围地表形变监测中的优势，又借助北斗的高精度定位弥补监测精度的不足。例如，高分三号和涪城一号SAR卫星已成功应用于地质灾害监测，其亚厘米级精度可清晰反映堤防的沉降趋势。通过北斗高精度定位技术，可对堤防关键点位进行毫米级位移监测，布设于堤防重点隐患区，与SAR的广域监测形成“点面结合”的互补。尽管SAR与北斗的协同应用已取得进展，但在堤防沉降监测中仍存在数据融合深度不足、实时性待提升等问题。未来可从多源数据融合算法、实时监测系统、高轨SAR与低轨星座的协同、应用场景的扩展与标准化等方向进一步深化应用。
引入InSAR监测方法对长江江苏段沿岸区域进行地面沉降监测，图7为2016—2020年间长江江苏段沿岸沉降监测结果。长江南岸地面呈轻微下降趋势，大部分区域沉降量在0.5～2cm之间，长江北岸呈轻微抬升趋势，抬升量在1～3cm之间。沉降较严重的区域主要分布在南京市栖霞区、镇江市润州区、扬中市、张家港市等区域，沉降严重区域沉降量在4cm以上。
4.多源遥感数据和北斗在堤防风险评估中的应用
在堤防隐患排查与风险评估中，以白蚁巢穴为例，其巢穴系统会根据地势起伏与土壤特性形成贯通性孔道，在汛期极易引发管涌等连锁反应。同时，堤防不均匀沉降会显著削弱结构稳定性，与上述隐患形成叠加风险。为此，基于“光学-SAR-北斗”协同监测体系构建了时空大数据平台（图8），通过该平台，进行堤防隐患实时动态观测和风险等级划分，动态优化巡查路线、监测频率、监测站点分布。首先利用高分辨率光学影像识别地表裂缝与植被异常区域，其次通过InSAR技术分析形变情况和规律，捕捉堤体垂向位移与潜在滑坡迹象，最后结合北斗高精度定位系统实现实时动态观测。
依托机器学习算法构建堤防风险量化评估模型，根据风险等级将堤防划分为红（高危）、黄（中危）、蓝（低危）三级管控区，对于中低风险岸段，采用常规方式进行巡查，对于高风险岸段，建议采用无人机与北斗智能终端联动，实现隐患点坐标实时回传与预警，形成空天地一体化的监测感知体系。
四、发展建议
在未来巡堤查险工作中，在空天地一体化监测感知的基础上，可从以下几个方面进一步深入，提高巡堤查险的效率和监测预警水平，为水安全保障与防灾减灾提供科学支撑。
在基础设施建设方面，水利部门应进一步推进高分和国产SAR卫星发射、数据共享和应用，针对重点地区有序建设无人机、北斗等智能化感知终端，推进设备轻量化并降低使用成本。同时，由于巡堤查险多为基层人员，需逐步推动信息化与堤防抢险工作的深度融合，加强业务培训，进一步发挥一线巡查人员数据实时采集优势，为巡查人员配备具备GNSS定位、影像采集和AI险情识别功能的智能终端，不断提高数据准确性。
在体系建设方面，在多源遥感技术的基础上，可进一步融合无人机、视频监控、无人船等，加快构建天、空、地、水、工一体的监测感知体系，基于时空大数据与机器学习方法，夯实数字孪生水利建设的算据基础，前置汛期巡堤查险方案部署、优化巡查资源配置。
在数据融合方面，巡堤查险涉及“上下游，左右岸”，当前多源遥感数据融合程度依然较低，需进一步融合跨流域、跨部门的巡堤查险和水文气象多源数据，建立历史险情案例库和专家规则库，开发智能算法增强特征关联，提高监测预警精度。
在标准化建设方面，需统一多源遥感数据格式与元数据标准，编制统一的巡堤查险操作标准，各地区根据当地河湖现状、经济发展现状，因地制宜制定巡查细则。
来源：卫星应用公众号