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        淺談遙感技術在地震災害中的應用

        2009-07-02 08:36:00
        新媒體研究 2009年10期
        關鍵詞:遙感技術

        王 昊

        [摘要]簡要介紹遙感科學應用于救災工作中的優(yōu)勢技術,并以汶川地震為例,探討遙感技術在震害調(diào)查研究及抗震救災中的實際應用,指出在破壞性地震發(fā)生后,遙感技術可以為地震應急指揮和救援決策提供重要依據(jù)。

        [關鍵詞]遙感技術 地震 災害評估

        中圖分類號:TP7文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0520095-01

        一、引言

        我國的東西部地區(qū)分別由于受到太平洋板塊與印度洋板塊及歐亞板塊運動的影響,一直以來地震災害嚴重,強震現(xiàn)象頻繁。據(jù)統(tǒng)計:我國地震死亡人數(shù)約占全球地震死亡人數(shù)的一半。5.12汶川地震是我國繼唐山地震之后又一次發(fā)生在人口稠密地區(qū)的地震巨災。地震本身不僅造成巨大的生命財產(chǎn)損失,同時引發(fā)的次生災害如泥石流、滑坡、山體崩塌、大規(guī)模的斷層錯動等,造成交通、通訊、電力等設施嚴重損壞。

        面對如此巨大的災害,如何在短時間內(nèi)實施有效的救援工作,減少生命財產(chǎn)的損失就顯得尤為重要。同時,地震救援工作必須堅持先謀后動、科學規(guī)劃、有序推進、高效迅速的原則,因此,地震發(fā)生后快速準確地獲取震害信息,實時提供災區(qū)地形數(shù)據(jù),對開展高效有序的救援工作具有重大作用。利用遙感技術能夠建立科學的地震災害監(jiān)測、評估系統(tǒng),為地震應急指揮和救援決策提供重要數(shù)據(jù)支持,為救援工作的順利進行提供了有力的保障。

        二、遙感技術介紹

        遙感技術能夠快速有效獲取地面信息,具有測量速度快、分辨率高、覆蓋范圍廣、不受環(huán)境、交通等狀況制約的優(yōu)點。目前,遙感技術已經(jīng)被廣泛應用于地震救災的各個環(huán)節(jié)。早在2003年新疆巴楚-伽師地震發(fā)生后,我國就首次利用航空遙感影像成功地實現(xiàn)了地震應急階段獲取震害遙感影像并對地震災害進行評估。

        隨著科技的發(fā)展,遙感科學取得了長足的進步,其各種先進技術不斷研發(fā)應用成功,為災害救援工作的各種應急需求提供了必要的技術支持,主要表現(xiàn)為以下幾個方面:

        高分辨率衛(wèi)星的發(fā)射,提高了遙感影像數(shù)據(jù)的精度。衛(wèi)星遙感是現(xiàn)代化、高性能、不受地域限制的空間信息獲取手段,近幾年遙感影像分辨率得到了不斷提高,如:美國DigitalGlobe公司2007年發(fā)射的新一代商業(yè)遙感衛(wèi)星WorldView分辨率達到0.41m,意大利研發(fā)的COSMO-SkyMed高分辨率雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)最高分辨率為1m。分辨率的提高,不僅有利于提高影像判讀的精度,而且提供了更為豐富的細節(jié)信息,有利于獲取地面具體狀況。此外,將高分辨率的衛(wèi)星影像與數(shù)字高程模型相疊加,可以建立三維數(shù)據(jù)地形圖,為各種決策提供豐富的參考信息。

        星載合成孔徑雷達干涉技術的發(fā)展,為地表形變測量和地震研究提供有力工具。星載合成孔徑雷達干涉測量技術是20世紀90年代發(fā)展起來的一項空間對地觀測技術,主要應用于地形測繪及地表形變的監(jiān)測。通常,同一地區(qū)在較短時間間隔內(nèi)獲取的雷達影像應該具有較高的相干性,但是地震等巨大災害引起地物形態(tài)發(fā)生劇烈變化,造成較短時間內(nèi)相同地區(qū)的雷達影像相干性大大降低,通過對相干圖的對比,可以檢測出地震造成房屋大面積破壞的區(qū)域的大致位置和分布情況。此外,地震期間,往往天氣狀況惡劣,常規(guī)的遙感手段難以成功獲取地面信息。雷達微波具有較強的穿透能力,能夠不受天氣情況的影響,有效地穿透掩蓋物,全天候、全天時獲取地面數(shù)據(jù),為災區(qū)提供服務。

        衛(wèi)星定位技術的發(fā)展,能為地球表面絕大部分地區(qū)提供準確定位、測速以及高精度的時間標準。美國國防部研制和維護的全球定位系統(tǒng)(GPS),可滿足位于全球任何地方或近地空間用戶連續(xù)精確的確定三維位置、三維運動和時間的需要。該系統(tǒng)包括24顆衛(wèi)星以及地面上的1個主控站、3個數(shù)據(jù)注入站、5個監(jiān)測站和作為用戶端的GPS接收機。最少只需其中4顆衛(wèi)星,就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度。我國自行研發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng),可向用戶提供全天候、二十四小時的即時定位服務,定位精度可達數(shù)十納秒的同步精度,其精度與GPS相當。大地震帶來的地面塌陷、山體崩塌、滑坡以及泥石流等造成地面狀況發(fā)生巨大改變,僅依靠人力難以實現(xiàn)準確的定位,衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠提供高精度的位置信息,引導救援工作的順利進行。

        遙感影像特征提取方法的改進提高了地物變化監(jiān)測的精度。遙感影像數(shù)據(jù)主要提供三方面信息:光譜信息、空間信息、和時間信息。針對這三方面信息,可對遙感影像進行光譜特征、空間特征、紋理特征信息提取。光譜特征的提取包括地物反射光譜特征、輻射光譜特征。由于遙感影像上不同像元的亮度值隨地物的成分、紋理、狀態(tài)、表面特征及所使用電磁波波段的不同而變化,所以不同的地物具有不同的光譜值。空間特征的提取是指對目標地物的形狀、大小、或者邊緣等幾何特征的提取。遙感影像分辨率的提高可以使影像清晰地反映豐富的地物結構信息,提高影像判讀的精度。

        此外,利用遙感地面高程數(shù)據(jù)結合地形圖,生成三維電子地圖,可以顯示災害分布和危險程度、災情動態(tài)演變以及地形的破碎程度,為救災措施規(guī)劃提供了有力的技術參考,減少盲目性。

        因此,遙感技術在災害中的具體應用有以下幾個方面:

        為救援提供實時數(shù)據(jù)支持,明確并減少工作量,降低救災工作的風險。

        實時監(jiān)測災害發(fā)展趨勢,為應急措施的制定提供依據(jù)。

        根據(jù)災害發(fā)生前后地形圖的比對,提供準確的災害評估數(shù)據(jù),為災后評估及重建工作提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

        三、遙感技術在地震中的具體應用

        汶川地震發(fā)生后,震區(qū)通信中斷、道路阻塞,受災情況無法被外界所知。在這種情況下,國家測繪局安排3顆高分辨率、雷達遙感衛(wèi)星獲取災區(qū)衛(wèi)星影像,同時調(diào)集飛機赴災區(qū)進行航空攝影。國家國防科技工業(yè)局也積極協(xié)調(diào)中外衛(wèi)星資源,安排中國衛(wèi)星密集地對災區(qū)進行成像,加強災情監(jiān)測與評估。國家遙感中心動用北京1號小衛(wèi)星進行實拍并提供相關影像,掌握災區(qū)最新動態(tài)信息;同時,安排組織相關專家,研究分析災區(qū)遙感影像,提供遙感信息和技術服務。據(jù)統(tǒng)計:我國共有15顆衛(wèi)星為抗震救災提供遠程信息服務,包括“北斗”導航衛(wèi)星、“資源”系列對地觀測衛(wèi)星,“遙感”系列衛(wèi)星、“風云”系列氣象衛(wèi)星、“北京一號”小衛(wèi)星等,為抗震救災決策提供了重要依據(jù)和技術支持。國外也紛紛提供衛(wèi)星影像,支援救災。大量衛(wèi)星遙感、有人駕駛航空遙感、無人駕駛小飛機遙感等獲取災區(qū)影像數(shù)據(jù)結合地面救援和現(xiàn)場調(diào)查獲取的信息,為災害救助、災情核定、恢復重建提供精確的數(shù)據(jù)信息。

        四、災區(qū)正射影像圖的制作

        地震發(fā)生后,救災工作的順利展開,必須要首先了解受災具體位置與面積,以及相應的受災情況。同時,由于余震的頻頻發(fā)生,不僅災情時時變化,且泥石流、滑坡等災害也給救援工作增加了危險、困難。為了在短時間內(nèi)進入受災區(qū)域,同時保證救助人員的安全,一張實時性的指導性地圖就顯得尤為重要。遙感專家首先利用機載激光雷達Lidar,乘小飛機在災區(qū)部分地區(qū)進行了超低空局部航空攝影,獲取雷達影像數(shù)據(jù)。然后,相關測繪遙感專家利用具有自主知識產(chǎn)權的最新技術成果數(shù)字攝影測量網(wǎng)格PC版(DPGrid.PC)進行數(shù)字正射影像圖快速制作,拼接出四川汶川地震后部分震區(qū)航空數(shù)碼影像。DPGrid.PC每天大約能處理300-500張DMC(國際災害監(jiān)測星座)影像的數(shù)字正射影像圖(地面分辨率1.0m)制作。該影像圖可以直觀地顯示災害現(xiàn)場的情況,為抗震救災的部署起到至關重要的作用。

        五、導航系統(tǒng)的應用

        在災害發(fā)生后,由于所有通信設施均被損壞,前后方救援工作的有效溝通產(chǎn)生了障礙。在這種緊急狀態(tài)下,我國自主研制的北斗導航定位系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用。這款導航系統(tǒng)服務區(qū)域為中國及周圍國家和地區(qū),它可以在服務區(qū)域內(nèi)任何時間、任何地點,為用戶提供快速實時定位、雙向短報文通信、精密授時三大功能,在災害發(fā)生后非常適用于災害預報、減災救助應急指揮等方面。在汶川地震中,國家為首先進入災區(qū)救援的先遣部隊成員配置了北斗定位終端設備,救援人員可以隨時向基地報告自己的地理位置,同時可以進行雙向通信,比如,救援部隊在開進途中,有新發(fā)現(xiàn)的被圍困群眾,可以通知指揮中心增派人員。需要直升飛機運送傷員時,也可以將空地位置,周邊天氣情況向上報告,方便飛機降落。正是有了北斗導航定位系統(tǒng)的支持,保證了救援工作快速、有效的推進。

        失事飛機的尋找。汶川地震救援工作中,成都軍區(qū)抗震救災部隊一架米-171運輸機直升飛機在汶川縣映秀鎮(zhèn)附近因局部氣候變化,突遇低云大霧和強氣流,不幸失事。機上有機組人員4人和因災受傷轉運群眾10人。事件發(fā)生后,武漢大學派出遙感專家,攜帶機載數(shù)字成像系統(tǒng),前赴失事地區(qū)對失事飛機展開搜索。該系統(tǒng)前向、后向觀測可達27度,分辨能力最高達十五厘米。遙感飛機攜帶該系統(tǒng)在三個小時左右的時間內(nèi)將可能存在失事飛機的八十平方公里范圍掃描一遍,取得了該地區(qū)的數(shù)據(jù)。分析發(fā)現(xiàn),在汶川縣漩口鎮(zhèn)東北方向峽谷區(qū)有一個信號非常強的區(qū)域,即飛機最可能的失事地點。這意味著失事米-171運輸直升機的搜救范圍大幅縮小,由原來的八十平方公里縮至如今的五平方公里,極大地縮短了救援時間。

        六、結語

        遙感是用來實時獲取、動態(tài)處理空間信息的對地觀測、分析的先進技術。遙感技術所獲取數(shù)據(jù)能夠廣泛應用于抗震救災各環(huán)節(jié)中,提供數(shù)據(jù)和技術支持。隨著遙感科學的發(fā)展與進步,遙感技術將在救災以及國民經(jīng)濟的其他方面發(fā)揮越來越重要的作用。

        參考文獻:

        [1]孫家抦,遙感原理與應用[M].武漢大學出版社,2003.2.

        [2]趙康寧、胡剛、朱志明,基于北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的減災救助應急指揮系統(tǒng)的應用[J].衛(wèi)星應用,2008.3.

        [3]高孟潭、周本剛、潘華,“5.12”汶川特大地震災害特點及其防災啟示[J].震災防御技術,2008(3).

        [4]吳芳、劉榮、田維春,遙感變化檢測技術及其應用綜述[J].地理空間信息,2007.8(4).

        作者簡介:

        王昊,武漢大學遙感信息工程學院,在讀本科。

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