劉三超楊思全

(1 民政部國家減災中心, 北京 100053)(2 民政部衛(wèi)星減災應用中心,北京 100053)(3 減災與應急工程民政部重點實驗室,北京 100053)

1 引言

環(huán)境與災害監(jiān)測預報小衛(wèi)星星座(以下簡稱環(huán)境減災星座)是我國民用對地觀測系統(tǒng)的重要組成部分,它的成功發(fā)射,標志著我國減災救災工作進入到科學化管理的新階段[1]。

紅外相機是首期發(fā)射的光學HJ-1A、1B 衛(wèi)星的3 種主要載荷之一。根據(jù)紅外相機數(shù)據(jù)特點開展減災應用研究,對于推進紅外遙感技術在國家減災救災業(yè)務中的應用以及增強衛(wèi)星減災定量化應用水平有重要意義。

2 環(huán)境減災星座紅外相機

2008年9月6日, HJ-1A、1B 衛(wèi)星通過一箭雙星的方式成功發(fā)射,兩顆衛(wèi)星上總共搭載了3 種主要載荷,其中HJ-1A 星搭載兩臺CCD 相機和超光譜成像儀(HSI),HJ-1B 星搭載兩臺CCD 相機和紅外相機(IRS)[2-7]。由于紅外相機白天和晚上都能成像,因此對于提高環(huán)境減災星座全天時獲取數(shù)據(jù)的能力具有重要意義[6-8]。

表1 為HJ-1B 星紅外相機的主要參數(shù)。從表1 可以看出紅外相機主要具有以下幾個方面的特點和應用能力:成像幅寬達到720km ,基本能滿足較大自然災害一次成像覆蓋的需求;星下點地面像元分辨率熱紅外通道300m ,其他三個通道達到150m,特別是中紅外通道,相對于千米級分辨率的中分辯率成像光譜儀M ODIS 和風云(FY)衛(wèi)星數(shù)據(jù),較高的空間分辨率對于火點識別有重要意義;通道設置比較合理,熱紅外、中紅外和近紅外互相結合,可提取地面輻射信息、土壤墑情、識別云雪等,因此可以有效滿足雪災、干旱、火災等災害的應用需求。

表1 紅外相機基本性能指標Table 1 Main parameters of HJ-1B IRS

3 紅外相機數(shù)據(jù)減災應用研究

3.1 雪災

雪災是我國主要自然災害之一,2008年初南方低溫雨雪冰凍災害造成的直接經濟損失超過1 500億元,因此利用遙感技術進行雪災監(jiān)測評估具有重要意義。2008年10月下午到11月上旬,我國西藏、青海部分地區(qū)發(fā)生大范圍雪災,其中西藏東南部部分地區(qū)遭遇有氣象資料以來范圍最廣、強度較大的一次強降雪過程。雪災對當?shù)亟煌ê蜕钤斐珊艽笥绊?特別對畜牧業(yè)造成重大損失。

國家減災中心利用環(huán)境減災衛(wèi)星紅外相機數(shù)據(jù),利用熱紅外通道反演的亮度溫度,結合紅外相機近紅外波段反射特性進行云、雪和其他地物分離,從而提取出積雪覆蓋范圍(圖1)。

圖1 西藏積雪覆蓋范圍Fig.1 Snow covered area monitoring in Tibet

在積雪覆蓋范圍的基礎上,綜合基礎地理數(shù)據(jù)、交通數(shù)據(jù)、社會經濟數(shù)據(jù),以及災情上報數(shù)據(jù),對雪災影響等級和程度進行監(jiān)測評估(圖2),為救災決策和災情救助提供重要支持。

圖2 西藏積雪災情評估Fig.2 Snow disaster assessment in Tibet

2010年1月上旬,我國華北地區(qū)遭受一次大范圍降溫過程,部分地區(qū)遭受雪災。圖3 為利用2010年1月6日環(huán)境減災星座紅外相機結合CCD 數(shù)據(jù)以及地方上報數(shù)據(jù),對華北地區(qū)積雪覆蓋范圍和道路交通情況進行監(jiān)測的評估圖。

圖3 華北地區(qū)積雪覆蓋和影響交通線監(jiān)測圖Fig.3 Snow covered area and traffic effect monitoring in Northern China

3.2 火災

火災是我國和世界許多國家多發(fā)的自然災害,同時也是環(huán)境減災星座紅外相機數(shù)據(jù)主要應用領域。利用對溫度信息敏感的150m 分辨率的中紅外通道,結合近紅外通道以及CCD 數(shù)據(jù),可以提取火點、過火面積等重要信息[9-10]。

3.2.1 黑龍江火災

2009年4月27日,黑龍江發(fā)生特大森林火災。火災發(fā)生后,國家減災中心立即制定觀測計劃,調用環(huán)境減災衛(wèi)星,開展監(jiān)測評估工作。圖4 為利用5月3日、5月2日、4月29日紅外相機數(shù)據(jù)對此次特大火災進行持續(xù)動態(tài)監(jiān)測。從多景紅外相機圖像可以分析得到此次火災火點分布、過火面積,以及火情變化趨勢,這些信息對于救火指揮工作具有重要意義。

3.2.2 澳大利亞火災

2009年2月上旬,受高溫、干旱影響,澳大利亞東南部發(fā)生山林大火,并危及墨爾本等大中城市。據(jù)報道,此次火災至少造成兩百多人死亡,墨爾本北部有數(shù)個小鎮(zhèn)被大火夷為平地,火災相關損失約14億美元,是澳大利亞歷史上最大規(guī)模,也是最嚴重的山林火災。

圖4 黑龍江火災動態(tài)監(jiān)測Fig.4 Dynamic monitoring for H eilongjiang fire

火災發(fā)生后,為及時掌握火場信息,迅速組織開展撲救工作,澳大利亞通過外交渠道請求我國為災區(qū)提供環(huán)境減災衛(wèi)星動態(tài)監(jiān)測與服務。經外交部、科技部和民政部批準,國家減災中心作為中方對口銜接單位,負責協(xié)調向澳方提供環(huán)境減災衛(wèi)星數(shù)據(jù)和產品服務。經過一個多月的緊張工作,國家減災中心已成功完成向澳大利亞提供火災監(jiān)測服務的有關工作。

圖5 為利用2009年2月10日紅外相機中紅外數(shù)據(jù)提取的澳大利亞維多利亞州墨爾本市附近的火點和火場范圍圖。

圖5 澳大利亞墨爾本附近火點檢測Fig.5 Fire spots detection around M elbourne

圖6、7 分別利用2009年2月15日和2月24日紅外相機中紅外和近紅外數(shù)據(jù)對澳大利亞維多利亞州西南部地區(qū)的火災動態(tài)范圍評估圖。

利用多景紅外相機圖像可以對火點分布、過火面積、火情變化趨勢進行動態(tài)監(jiān)測評估,從而為救火工作決策支持提供重要依據(jù)。

3.3 旱災

圖6 澳大利亞火災監(jiān)測評估(2月15日)Fig.6 Fired area monitoring and assessment for Australia fire(Feb.15, 2009)

圖7 澳大利亞火災監(jiān)測評估(2月24日)Fig.7 Fired area monitoring and assessment for Australia fire(Feb.24, 2009)

2009年6月以來,我國北方地區(qū)降水少,氣溫高,蒸發(fā)大,失墑快,部分地區(qū)出現(xiàn)明顯旱情,其中黑龍江西南部、吉林西部、內蒙古東部和中南部、遼寧西部、河北北部、山西北部和南部、寧夏中北部、甘肅中東部、新疆西部旱情嚴重。

針對北方地區(qū)旱災形勢,民政部國家減災中心綜合利用環(huán)境減災星座紅外相機和CCD 數(shù)據(jù)對旱災進行監(jiān)測評估,并把相關產品及時提交給國家減災委及成員單位,為指導抗旱救災工作提供了重要依據(jù)。

圖8 為遼寧省西部旱災遙感監(jiān)測評估圖,圖幅范圍內約65%以上地區(qū)受旱,其中朝陽市的朝陽縣、北票市、建平縣、市轄區(qū)受災最為嚴重,大面積農作物絕收。

圖9 為河北北部和內蒙古中南部旱災遙感監(jiān)測評估圖。圖幅范圍內,約55%以上地區(qū)受旱,其中河北省康?？h、尚義縣、萬全縣、張北縣、崇禮縣、張家口市市轄區(qū)、宣化縣、沽源縣、赤誠縣、豐寧滿族自治縣北部,內蒙古鑲黃旗、正鑲白旗、正藍旗、太樸寺旗、化德縣、多倫縣受災嚴重,部分地區(qū)農作物絕收。

圖8 遼寧西部旱災監(jiān)測評估Fig.8 Drought monitoring and assessment in west Liaoning

圖9 河北北部內蒙中南部旱災監(jiān)測評估Fig.9 Drought monitoring and assessment in north Hebei and south central Inner Mongolia

4 結論與展望

紅外相機是環(huán)境減災星座A、B 星的3 種主要載荷之一,可以在國家減災救災業(yè)務中發(fā)揮重要作用。紅外相機數(shù)據(jù)結合CCD 數(shù)據(jù)在西藏東南部雪災、華北雪災范圍監(jiān)測評估,黑龍江森林火災動態(tài)監(jiān)測評估、澳大利亞火災火點和火場范圍和過火面積的動態(tài)監(jiān)測評估、中國北方大范圍旱災監(jiān)測評估等方面的應用效果較好。目前,紅外相機數(shù)據(jù)已經有效納入到國家減災救災業(yè)務體系之中。通過為中國減災救災管理部門以及對澳大利亞等國提供的數(shù)據(jù)和產品服務,表明紅外相機數(shù)據(jù)戶在國內外雪災、火災、干旱等災害監(jiān)測評估中可以發(fā)揮重要作用。

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