● 文|天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司　許繼爽　王詩奎 楊鶴猛 王兵

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高分辨率遙感衛(wèi)星在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用

● 文|天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司許繼爽王詩奎 楊鶴猛 王兵

本文首先介紹了近年來國內(nèi)外高分辨率衛(wèi)星發(fā)展情況，其次，以廣東地區(qū)為例，從空間分辨率和時間分辨率兩方面，進行了高分辨率衛(wèi)星在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用能力分析，然后從臺風(fēng)、地質(zhì)、洪澇、林火和環(huán)境五個方面，分別選取典型應(yīng)用案例，闡明了高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮的作用，最后對我國高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展方向進行了展望。

引言

我國地域遼闊，地理環(huán)境復(fù)雜，是災(zāi)害發(fā)生頻率較高的國家之一。近幾年地質(zhì)活動和氣候變化引發(fā)的地質(zhì)、臺風(fēng)等自然災(zāi)害較為頻繁，引起了人們對災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測的極大重視。重大災(zāi)害大多具有突發(fā)性強、波及面廣、危害性大等特點，要求在災(zāi)害發(fā)生后短時間內(nèi)做出反應(yīng)，提供災(zāi)區(qū)現(xiàn)狀和評估的信息，由于災(zāi)害本身造成的通信中斷、交通設(shè)施毀壞等多方面影響，導(dǎo)致在大型災(zāi)害發(fā)生時很難通過常規(guī)手段獲取災(zāi)區(qū)的實時信息，進而影響救援工作的進行。遙感技術(shù)的出現(xiàn)，特別是高分辨率衛(wèi)星的快速發(fā)展，為我們提供了一種在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域獲取實時信息的可靠手段，為減災(zāi)救災(zāi)工作決策提供重要依據(jù)。

高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)用于應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域，主要體現(xiàn)在其空間分辨率高、覆蓋能力強和時間分辨率高等優(yōu)勢。在災(zāi)害發(fā)生前，高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以不斷提供關(guān)于自然災(zāi)害發(fā)生背景和條件的大量信息，有助于圈定某些災(zāi)害可能發(fā)生的地區(qū)、時段及危害程度，采取必要的防災(zāi)措施，減輕災(zāi)害造成的損失；高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在災(zāi)害發(fā)展過程中進行應(yīng)急監(jiān)測，可以不斷監(jiān)測災(zāi)害進程和態(tài)勢，及時把信息傳輸?shù)礁骷壙篂?zāi)指揮機關(guān)，幫助他們有效地組織抗災(zāi)活動；在成災(zāi)以后，基于高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以在大范圍內(nèi)迅速、準確地對災(zāi)害造成的損失進行災(zāi)情評估，以便及時組織救災(zāi)、恢復(fù)生產(chǎn)、重建家園等[1,2]。

一、高分辨率衛(wèi)星在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用能力分析

由于重大災(zāi)害大多具有突發(fā)性強、波及面廣、危害性大等特點，對其應(yīng)急監(jiān)測必須在短時間內(nèi)做出反應(yīng)，要求災(zāi)害發(fā)生前對災(zāi)害做出估計，及時發(fā)布災(zāi)害預(yù)警信息，為災(zāi)前準備爭取寶貴的時間；在災(zāi)害發(fā)生中動態(tài)監(jiān)測其進展和態(tài)勢，從宏觀上獲取受災(zāi)范圍、受災(zāi)程度、交通運輸狀況等信息給各級抗災(zāi)指揮機關(guān)，作為搶險救災(zāi)的準確依據(jù)；在災(zāi)后快速尋找并定位倒塌房屋、損毀道路、堵塞河道、受損農(nóng)田、滑坡、林火和泥石流等災(zāi)情的位置，評估災(zāi)害影響的范圍和程度，作為制定救災(zāi)重建方案的重要依據(jù)。為滿足上述災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后應(yīng)急監(jiān)測的要求，衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用于應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域必須具有高空間分辨率和高時間分辨率，現(xiàn)就應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域?qū)b感影像的空間分辨率和時間分辨率要求進行總結(jié)，并針對國內(nèi)的高分辨率衛(wèi)星，以廣東地區(qū)為例進行覆蓋能力的仿真分析，來進行高分辨率衛(wèi)星在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用能力分析。

1．空間分辨率

遙感影像的空間分辨率是指每個像元所代表的地面實際范圍的大小。不同的應(yīng)急監(jiān)測事件對遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率有不同的需求，其中，對于洪澇災(zāi)害監(jiān)測、林火災(zāi)害等宏觀觀測來講，空間分辨率要求相對較低；對于定位精度要求較高的行業(yè)如災(zāi)后變化監(jiān)測等需要的數(shù)據(jù)分辨率較高，表1具體給出了應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域不同研究層次對遙感圖像空間分辨率的要求[3]。

表1　應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域不同研究層次對遙感圖像空間分辨率的要求

近年來，隨著衛(wèi)星空間分辨率的逐步提高、米級高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的陸續(xù)普及，使得高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)能夠滿足應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)空間分辨率的要求，高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。

2．時間分辨率

時間分辨率指遙感影像對同一地區(qū)重復(fù)覆蓋的頻率，即多長時間可以重復(fù)獲得一次新的遙感信息。不同的應(yīng)急監(jiān)測事件對遙感數(shù)據(jù)的時間分辨率有不同需求，對于作物長勢監(jiān)測、自然和人為污染等監(jiān)測，時間分辨率的要求相對較低，一般為幾天到幾周的時間；對于重大自然災(zāi)害如森林火災(zāi)和大面積洪澇災(zāi)害的實時監(jiān)測，需要具有高時間分辨率的衛(wèi)星遙感影像，表2具體給出了應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域不同研究層次對遙感圖像時間分辨率的要求[4]。

近年來，高空間分辨率遙感探測器的成像時間周期顯著縮短，重復(fù)軌道周期一般在1～3天之內(nèi)，能夠在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域不同研究層次要求的時間內(nèi)及時做出反應(yīng)，滿足應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域?qū)b感數(shù)據(jù)時間分辨率的需求。

表2　應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域不同研究層次對遙感圖像時間分辨率的要求

近年來，高空間分辨率遙感探測器的成像時間周期顯著縮短，重復(fù)軌道周期一般在1～3天之內(nèi)，能夠在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域不同研究層次要求的時間內(nèi)及時做出反應(yīng)，滿足應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域?qū)b感數(shù)據(jù)時間分辨率的需求。

3．國內(nèi)高分辨率遙感衛(wèi)星覆蓋能力仿真分析

高分辨率遙感圖像一般指的是圖像的空間分辨率在10m以內(nèi)的航空、航天遙感圖像數(shù)據(jù)[5]。目前國內(nèi)在軌的高分辨率遙感衛(wèi)星主要為GF-1、GF-2、ZY-3等，另外ZY-1 04、ZY-1 02C等衛(wèi)星的空間分辨率也都達到了10m，可以作為有力的數(shù)據(jù)補充?，F(xiàn)以廣東地區(qū)為例，對國內(nèi)高分辨率遙感衛(wèi)星的覆蓋能力進行仿真，仿真結(jié)果如圖1所示。目前廣東省有大約一半的城市衛(wèi)星時間覆蓋能力大約為8～16小時，小部分城市區(qū)域的衛(wèi)星時間覆蓋能力為16～24小時，其余城市的光學(xué)衛(wèi)星影像重訪時間要大于24小時，其中包括了廣州市、珠海市、韶關(guān)市等幾個較為重要的城市。由仿真結(jié)果可知高分辨率衛(wèi)星能夠在短時間內(nèi)做出反應(yīng)，并滿足應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)時間分辨率的需求；所用衛(wèi)星的空間分辨率均優(yōu)于10m，部分地區(qū)空間分辨率優(yōu)于米級，可滿足應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)空間分辨率的需求。

圖1　廣東地區(qū)國內(nèi)高分辨率遙感衛(wèi)星覆蓋能力分析

2020年我國在軌的高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)量會大大增加，包括GF-5、GF-6、GF-7等，高分辨率衛(wèi)星應(yīng)用與應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的能力將進一步增強。以廣東地區(qū)為例，2020年高分辨率衛(wèi)星覆蓋能力分析如圖2所示。到2020年，廣東省全省各地區(qū)均滿足8小時覆蓋能力；空間分辨率能夠達到優(yōu)于2m的水平，可滿足應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)時間分辨率、空間分辨率的需求，高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的能力也有了大幅度提升。

圖2　2020年廣東地區(qū)高分辨率遙感衛(wèi)星覆蓋能力分析

二、高分辨率衛(wèi)星在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用案例

高分辨率遙感衛(wèi)星具有觀測范圍廣、時效快、數(shù)據(jù)質(zhì)量高、不受自然條件和地域條件限制等特點，應(yīng)用于應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域，能夠為災(zāi)害預(yù)警、監(jiān)測、評估、應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)害救助、恢復(fù)重建等決策提供信息支持，現(xiàn)主要從臺風(fēng)、地質(zhì)、洪澇、林火和環(huán)境五個方面的典型應(yīng)用闡明高分辨率衛(wèi)星在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的作用。

1．臺風(fēng)災(zāi)害

臺風(fēng)災(zāi)害具有巨大的破壞力，與之相伴的暴雨和風(fēng)暴潮往往會引起洪水暴發(fā)等次生災(zāi)害[6]。高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在臺風(fēng)應(yīng)急監(jiān)測中，可以跟蹤臺風(fēng)的形成和發(fā)展，確定其中心位置，監(jiān)測實時的移動方向和速度，估計臺風(fēng)強度和登陸的時間地點，提供實時準確的臺風(fēng)預(yù)報[7]，并為災(zāi)后救援、災(zāi)害評估和災(zāi)后重建等提供重要的空間信息支持。福建省利用高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)和氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)等作為數(shù)據(jù)支持，建立起一套防臺風(fēng)風(fēng)情實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，有效減少了災(zāi)害中人員傷亡和直接經(jīng)濟損失[8]。2014年“威爾遜”登陸華南沿海地區(qū)后，相關(guān)部門采用高分一號、資源三號、資源一號02C等高分衛(wèi)星進行應(yīng)急觀測，較快了解臺風(fēng)推進情況和受災(zāi)區(qū)域范圍，為災(zāi)后救援、災(zāi)害評估和重建等提供了重要的空間信息支持。

2．地質(zhì)災(zāi)害

地質(zhì)災(zāi)害主要是地震方面的災(zāi)害，具有時間上的隨意性、地域上的不確定性及快速變化等特點[9]。高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用于地震災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測主要體現(xiàn)在從空間視角快速獲取大范圍災(zāi)害信息、地震災(zāi)損快速評估，能夠快速綜合判定地震災(zāi)區(qū)范圍、重要救援目標、道路通行狀況、確定救援路線等，為災(zāi)情速報、損失評估和抗震救災(zāi)決策提供有力依據(jù)。“5·12”汶川地震發(fā)生后，由高分辨率遙感衛(wèi)星和通信衛(wèi)星組成的“太空救援隊”進行應(yīng)急監(jiān)測，為救災(zāi)指揮、災(zāi)害評估、次生災(zāi)害防御及災(zāi)后重建等提供了第一時間的數(shù)據(jù)信息。在玉樹地震中，利用災(zāi)后高分辨率影像，開展了房屋建筑物損壞情況、生命線工程損毀程度以及次生災(zāi)害調(diào)查等方面的災(zāi)情遙感應(yīng)急監(jiān)測工作[10]。在云南省魯?shù)榈卣鸢l(fā)生后資源三號、高分一號、資源一號02C和實踐九號A四顆高分辨率衛(wèi)星第一時間開通衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)急共享通道，客觀、真實呈現(xiàn)受災(zāi)現(xiàn)狀，為搜救工作提供了可靠的參考信息。

其他的地質(zhì)災(zāi)害包括崩塌、滑坡、泥石流等。高分辨率衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測方面，以宏觀性強、時效性好、信息量豐富的優(yōu)勢可以貫穿于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測、預(yù)警、評估的全過程。20世紀80年代，我國就開始運用高分辨率遙感數(shù)據(jù)對長江三峽、紅水河龍灘等電站附近的滑坡、泥石流情況和寶成、成昆等鐵路沿線的地質(zhì)災(zāi)害分布信息進行調(diào)查。近年來，眾學(xué)者利用高分辨率衛(wèi)星影像，有效地監(jiān)測和評估了三峽工程周邊的地質(zhì)災(zāi)害情況，為庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防和治理提供科學(xué)依據(jù)。

3．洪澇災(zāi)害

洪澇災(zāi)害具有持續(xù)時間短、受災(zāi)面積廣、危害大等特點，必須及時、迅速、準確了解災(zāi)情，并及時對其做出反應(yīng)[11]。高分辨率衛(wèi)星在洪澇災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域，能夠借助其全天時、全天候的優(yōu)勢能夠獲取白天的可見光云圖、晝夜的紅外云圖、水汽分布圖像，通過解譯分析得到洪水態(tài)勢、淹沒范圍、損毀情況等信息，為抗洪搶險工作提供有力的依據(jù)。我國于“八五”、“九五”期間采用資源衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星資料建立了七大江河地區(qū)洪澇災(zāi)害易發(fā)區(qū)警戒水域遙感數(shù)據(jù)庫。例如2003年7月發(fā)生的淮河流域大洪水，有關(guān)部門適時啟用了國家級洪澇災(zāi)害高分遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)運行系統(tǒng)，運用高分辨率衛(wèi)星對這次大洪水進行了及時有效的動態(tài)監(jiān)測，為準確了解判斷汛情提供了方便，也為防汛指揮工作提供了技術(shù)支持。

4．林火災(zāi)害

林火災(zāi)害是一種具有突發(fā)性和周期性的自然災(zāi)害。采用高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展林火監(jiān)測，其優(yōu)勢在于時間分辨率高、覆蓋范圍廣,基本可實現(xiàn)每天對全國林區(qū)火情的監(jiān)測，高分衛(wèi)星采用具有熱紅外波段的衛(wèi)星影像能檢測到地表熱異常變化，并根據(jù)林火熱點具有特殊的光譜特征和輻亮度，來提取熱源點與背景的亮溫及其差值等可用于火點識別與判斷的信息，從而進行林火的監(jiān)測，隨著高分衛(wèi)星的進一步發(fā)展，衛(wèi)星林火監(jiān)測已經(jīng)成為國家森林防火指揮部掌握全國火情的重要支撐手段之一[12]。2009年和2013年，澳大利亞發(fā)生山林火災(zāi)，中國調(diào)動多顆高分辨率衛(wèi)星監(jiān)測火情，利用高分一號、資源三號、資源一號02C、實踐九號等高分辨率衛(wèi)星，向澳方連續(xù)提供火場地區(qū)大量高清晰度的衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)和分析材料，實現(xiàn)重災(zāi)區(qū)目標的詳查，對火災(zāi)進行持續(xù)動態(tài)跟蹤監(jiān)測，為澳大利亞滅火救災(zāi)提供重要的寶貴支持。

5．環(huán)境災(zāi)害

環(huán)境污染事故具有突發(fā)性、嚴重性、持續(xù)性、累積性等特點，因此對環(huán)境污染應(yīng)急監(jiān)測必須是一種從靜態(tài)到動態(tài)、從地區(qū)性到區(qū)域性乃至更大范圍的全方位、多層次的監(jiān)測[13]。高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)蘊含準確、精細的自然環(huán)境與生態(tài)背景的地理空間信息，能觀察到地表的細節(jié)特征，可有效用于指導(dǎo)環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測點位布設(shè)、人員疏散，防止污染物對河流、水源、大氣、土壤的生態(tài)破壞等工作，及時判斷污染事故的影響范圍、程度，為科學(xué)制定監(jiān)測方案和疏散措施提供支持[14]。2005年12月，江蘇省江都市化工廠發(fā)生嚴重的丙烯腈泄漏事故，相關(guān)部門利用高分辨率遙感影像對現(xiàn)場進行圖像分析，確定了事故詳細的地理位置，并合理布設(shè)了監(jiān)測點位，為搶險指揮提供了數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。

三、結(jié)論

高分辨率衛(wèi)星的快速發(fā)展，提供了一種在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域獲取實時信息的可靠手段，高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)無論在空間分辨率還是時間分辨率上都能夠滿足應(yīng)急監(jiān)測需求，并憑借空間分辨率高、覆蓋能力強、時間分辨率高等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于臺風(fēng)、地質(zhì)、洪澇、林火和環(huán)境等典型災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測中，已成為災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測、救援和損失評估等工作中不可或缺的技術(shù)和信息支持手段。但在積累成功經(jīng)驗的同時，也應(yīng)該看到我國高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在應(yīng)急監(jiān)測應(yīng)用中還不夠完善和成熟，未來我國高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用將向以下幾個方向發(fā)展：

1）加快高分辨率衛(wèi)星體系的建設(shè)。我國在高分對地觀測系統(tǒng)建設(shè)方面起步較晚，目前擁有的高分辨率衛(wèi)星數(shù)量較少，未來應(yīng)從空間分辨率、圖像質(zhì)量、衛(wèi)星能力上全面加強高分衛(wèi)星體系建設(shè)，使越來越多的高分辨率衛(wèi)星能夠服務(wù)于應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域。

2）增強高分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取能力，促進信息共享。構(gòu)建應(yīng)急監(jiān)測衛(wèi)星星座系統(tǒng)，建立穩(wěn)定可靠的遙感數(shù)據(jù)來源，以提升自身數(shù)據(jù)獲取能力；加強應(yīng)急監(jiān)測信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，推動國際、國內(nèi)的高分辨率遙感數(shù)據(jù)共享合作，使更豐富的高分辨率衛(wèi)星資源能夠應(yīng)用于應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域。

3）提高高分辨率遙感數(shù)據(jù)處理的時效性。應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域短時間內(nèi)待處理數(shù)據(jù)數(shù)量的激增對數(shù)據(jù)處理的時效性提出了極高的要求，研究快速、高效、自動化的數(shù)據(jù)處理方法和技術(shù)，在保證信息質(zhì)量的同時大幅提高數(shù)據(jù)處理的效率，也是高分辨率遙感衛(wèi)星應(yīng)用于應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的一個重要發(fā)展趨勢。

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