邵蕓

邵蕓，中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所雷達(dá)遙感應(yīng)用技術(shù)研究室主任，研究員，遙感衛(wèi)星應(yīng)用國家工程實驗室總工程師。曾任中科院遙感信息科學(xué)重點實驗室常務(wù)副主任、中科院遙感所遙感科學(xué)國家重點實驗室副主任、中國科學(xué)院暨香港中文大學(xué)地球信息科學(xué)聯(lián)合實驗室主任等職。2001年獲中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所雷達(dá)遙感研究方向博士學(xué)位，長期從事雷達(dá)遙感與災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測工作。主持國家重點研發(fā)計劃首期項目“天空地協(xié)同遙感監(jiān)測精準(zhǔn)應(yīng)急服務(wù)體系構(gòu)建與示范”等。撰寫專著7部，發(fā)表研究論文160余篇，其中SCI論文36篇。獲國家科技進(jìn)步二、三等獎，中科院自然科學(xué)一等獎，中科院科技進(jìn)步一、二等獎等多項，榮獲“98”全國科技界抗洪救災(zāi)先進(jìn)個人、科技奧運(yùn)先進(jìn)個人、國家機(jī)關(guān)優(yōu)秀共產(chǎn)黨員、中國科學(xué)院“十大女杰”（2012）等榮譽(yù)稱號，十八大、十九大黨代表。

引言

近年來，全球極端天氣事件增多、自然災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響了人民生命財產(chǎn)安全和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此防災(zāi)減災(zāi)是全世界各個國家需積極應(yīng)對的重大問題。我國是世界上自然災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一，災(zāi)害種類多，分布地域廣，發(fā)生頻率高，給人民生命財產(chǎn)安全和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重?fù)p失?？臻g對地觀測技術(shù)在防災(zāi)減災(zāi)方面具有巨大潛力，雷達(dá)遙感具有全天時、全天候?qū)Φ赜^測優(yōu)勢，是災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測和防災(zāi)減災(zāi)的重要手段。1978年美國成功發(fā)射第一顆SAR衛(wèi)星Seasat-A，開創(chuàng)了星載SAR遙感監(jiān)測的先河，之后陸續(xù)發(fā)射了ERS-1/2，ENVISAT，Radarsat-1/2，COSMOSkyMed，TerraSAR-X，ALOS PALSAR，ALOS 2，Sentinel等雷達(dá)衛(wèi)星，我們國家也在一系列重大項目的支持下發(fā)射了S波段HJ-1 C小衛(wèi)星和高分三號雷達(dá)衛(wèi)星。雷達(dá)衛(wèi)星的幾何分辨率得到顯著提高，極化信息更為豐富。雷達(dá)回波對地物目標(biāo)的介電和幾何特性敏感，不同地物目標(biāo)、不同幾何狀態(tài)目標(biāo)的雷達(dá)散射特征不同，因此利用高分辨率、極化雷達(dá)遙感技術(shù)可以檢測出受災(zāi)區(qū)域和受災(zāi)程度，而利用雷達(dá)干涉測量可以對地表形變場進(jìn)行監(jiān)測，因此可在一定程度上對災(zāi)害進(jìn)行防范和預(yù)警。我們充分利用雷達(dá)衛(wèi)星的優(yōu)勢，開展了地震及次生災(zāi)害、地質(zhì)隱患、海洋溢油、洪澇監(jiān)測等工作，下面分別結(jié)合實例進(jìn)行介紹。

地震及次生災(zāi)害監(jiān)測

地震是一種破壞性極強(qiáng)的自然災(zāi)害，目前還缺乏有效的預(yù)測手段。嚴(yán)重破壞性地震的發(fā)生會造成大量房屋倒塌和人員傷亡，并且引發(fā)滑坡、堰塞湖等次生災(zāi)害，若地震發(fā)生在近海還會引發(fā)海嘯，極大地影響人們的生命財產(chǎn)安全。地震發(fā)生時通常伴隨惡劣的天氣條件，而具有全天時、全天候觀測能力的高分辨率雷達(dá)遙感在損毀靶區(qū)快速圈定，建筑物損毀評估，滑坡、堰塞湖等次生災(zāi)害的快速監(jiān)測與評價中可以發(fā)揮不可替代的作用。近年來，我們利用多源多時相雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)，對國內(nèi)外重大地震災(zāi)害進(jìn)行了快速監(jiān)測，對地震造成的房屋損毀情況、滑坡和堰塞湖的分布與規(guī)模等進(jìn)行了快速定量評估，監(jiān)測成果及報告呈送相關(guān)部門和救援隊伍，為搶險救災(zāi)及災(zāi)后重建工作提供了翔實、可靠的科學(xué)依據(jù)。

圖1 汶川震后COSMO-SkyMed與震前IKONOS對比圖

（一）損毀區(qū)域快速圈定

災(zāi)害發(fā)生后受災(zāi)靶區(qū)的快速圈定對于有針對性地開展救援具有重要意義，這一工作可以根據(jù)經(jīng)驗信息利用目視解譯的方法對SAR圖像進(jìn)行快速判讀，并對損毀程度進(jìn)行大概評估。經(jīng)過多年的積累，我們建立了典型地物微波特性知識庫（簡稱LAMP），對各類地物目標(biāo)在不同狀態(tài)下的遙感圖像特征進(jìn)行了規(guī)范化總結(jié)與歸納，為利用SAR圖像進(jìn)行快速解譯從而初步評估災(zāi)害的范圍和分布奠定了基礎(chǔ)。

一般情況下，可以利用變化檢測方法快速鎖定受災(zāi)害影響的范圍，但由于SAR圖像特征復(fù)雜，受斑點噪聲影響嚴(yán)重，在易受影響的城鎮(zhèn)、山區(qū)等存在較復(fù)雜的幾何畸變等問題，我們將視覺認(rèn)知方法與普通變化檢測方法相結(jié)合，提高受災(zāi)影響范圍檢測的效率和準(zhǔn)確度。首先對災(zāi)害前后的圖像進(jìn)行預(yù)處理，然后綜合利用差值和Pearson相關(guān)系數(shù)生成差異圖，再結(jié)合顯著性檢測快速鎖定發(fā)生變化的區(qū)域，提高目視解譯的速度和效果，為災(zāi)害靶區(qū)的確定提供初步判估結(jié)果。

汶川地震發(fā)生后，中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所（原遙感所）的團(tuán)隊第一個向國家有關(guān)部門報送了都江堰地區(qū)的災(zāi)情和房屋損毀情況，第一個發(fā)現(xiàn)北川的受災(zāi)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過位于震中的汶川，共計提交雷達(dá)遙感地震災(zāi)害、房屋倒塌、滑坡和堰塞湖監(jiān)測報告24份，為抗震救災(zāi)、受災(zāi)人員救援、次生災(zāi)害監(jiān)測提供了有效決策支撐信息。

（二）建筑物損毀解譯

圖1是汶川地震發(fā)生后2008年5月13日的COSMOSkyMed與震前IKONOS的對比圖，可以發(fā)現(xiàn)紅色區(qū)域是房屋倒塌比較嚴(yán)重的區(qū)域。從雷達(dá)圖像特征上來看，城區(qū)完好的建筑物呈現(xiàn)比較規(guī)則的線狀排列，彼此之間的空間關(guān)系符合樓群特征，由于沒有倒塌，可以看到呈直線狀的清晰陰影。因為墻體或屋頂二面角反射效應(yīng)而使得房屋一側(cè)的后向散射強(qiáng)度高而呈現(xiàn)強(qiáng)回波特征，強(qiáng)回波位置仍然符合房屋的排列關(guān)系。當(dāng)房屋發(fā)生損毀，房屋排列不再規(guī)則，房屋紋理結(jié)構(gòu)特征發(fā)生變化，二面角反射效應(yīng)減弱，而粗糙程度加大，使得回波普遍增強(qiáng)，但是紋理結(jié)構(gòu)特征消失，雷達(dá)圖像特征表現(xiàn)為一定區(qū)域內(nèi)的高亮目標(biāo)，看不出房屋排列關(guān)系和陰影。

（三）極化SAR建筑物損毀評估制圖

極化SAR數(shù)據(jù)可以測量地物目標(biāo)的極化散射特性，反映地物目標(biāo)更為精細(xì)的特征和信息。通過分析災(zāi)害發(fā)生前后不同損毀程度建筑物極化散射特征的時域變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)Yamaguchi分解得到的二次散射分量、極化方位角，以及Touzi分解得到的分量可以有效反映建筑物的損毀程度，因此可以利用多時相極化SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物損毀評估制圖。

對于城市區(qū)域來講，災(zāi)害發(fā)生前，建筑物區(qū)域由于建筑物密集，結(jié)構(gòu)完好，所以二次散射分量占主導(dǎo)；但災(zāi)害發(fā)生后，建筑物倒塌或消失，墻—地二面角結(jié)構(gòu)被破壞，則二次散射分量占比會下降。而且分析表明，建筑物損毀程度越嚴(yán)重，災(zāi)害發(fā)生后與災(zāi)害發(fā)生前的二次散射分量占比的比值越低，即越多的二次散射結(jié)構(gòu)消失了，因此，可以利用災(zāi)害發(fā)生前后二次散射分量占比的變化來定量描述建筑物的損毀程度。

一般相鄰區(qū)域的建筑物分布方向基本上都是一致的，因此建筑物區(qū)域極化方位角會在平均值附近波動；但建筑物一旦發(fā)生損毀，建筑物的結(jié)構(gòu)會被破壞，極化方位角的分布將變得雜亂，則極化方位角的波動范圍明顯增大。分析表明，損毀越嚴(yán)重的區(qū)域，極化方位角分布的變化就越明顯，因此可以利用災(zāi)害前后極化方位角變化的標(biāo)準(zhǔn)差來描述建筑物損毀程度。

Touzi分解是一種非相干極化目標(biāo)分解方法，Touzi分解得到的 αs1表示主導(dǎo)散射類型的大小，對于純凈的二面角散射機(jī)制，α ≈， 對于純凈的表面散射，α ≈0。地震發(fā)s1s1生前，建筑物區(qū)域的 αs1的值很大部分都在90°左右，但地震發(fā)生后，由于建筑物損毀，二面角結(jié)構(gòu)減少，αs1的值明顯下降，損毀越嚴(yán)重，角度減小的幅度越大。因此，災(zāi)害前后αs1的比值主要反映了建筑物損毀情況，可以作為建筑物損毀評估的有效指標(biāo)。

圖2 新疆阿克陶地震解譯

（四）雷達(dá)干涉形變場監(jiān)測

雷達(dá)干涉測量可以獲取地表形變信息，因此是地震災(zāi)害監(jiān)測和評估的有效手段。地震發(fā)生后，可以采用干涉測量技術(shù)進(jìn)行地震同震形變測量與分析，對于評價地震破壞程度，推斷斷層性質(zhì)，研究地震形變和地震孕育特征具有重要的參考價值。在多年工作的基礎(chǔ)上，建立了快速有效的自動化干涉測量處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)對干涉測量處理過程中的圖像配準(zhǔn)、噪聲濾波、相位解纏、大氣延遲消除及平地相位去除等問題進(jìn)行了優(yōu)化處理，為實現(xiàn)震后2小時內(nèi)提供災(zāi)情初步判定結(jié)果提供了重要保障；通過對干涉處理過程中獲取的同震干涉圖和形變場，并基于地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行地震特性分析，通過形變等值線和跨斷層剖面線對形變場進(jìn)行初步分析。

圖3 唐家山滑坡（2008-05-16 TerraSAR-X圖像）

開展了基于干涉SAR技術(shù)的地震受災(zāi)范圍快速圈定與分級研究，基于干涉SAR技術(shù)，從地震烈度的定義及評定指標(biāo)出發(fā)，確定了以SAR干涉形變方法為主，遙感震害提取和網(wǎng)絡(luò)爬蟲獲取烈度信息輔助、驗證的基本思路，開展了ShakeMap烈度劃分方法的研究，通過將干涉、形變數(shù)據(jù)與ShakeMap烈度劃分方法相結(jié)合，能夠進(jìn)一步提高結(jié)果精度，更好地開展救災(zāi)工作（圖2）。

（五）次生災(zāi)害監(jiān)測

地震的發(fā)生常常伴隨惡劣的天氣條件，因此容易引發(fā)滑坡、堰塞湖等次生災(zāi)害?；率切逼律系膸r體或土體在重力的作用下，沿一定的滑動面整體下滑的現(xiàn)象，大型滑坡通常發(fā)生在存在大量山體凌空面的河谷地帶，通常會造成植被的大面積破壞。由于SAR對地表粗糙度和介電特性的敏感性以及立體感強(qiáng)的特點，可以利用SAR圖像識別滑坡體后壁和前緣等特征。地震引發(fā)的山崩、滑坡堵截阻斷河道、蓄水而形成的湖泊，即堰塞湖，其一旦受沖刷、侵蝕、溶解等作用產(chǎn)生崩塌，便會形成洪災(zāi)，淹沒居民地，導(dǎo)致新一輪的生命財產(chǎn)損失，因此堰塞湖的識別與監(jiān)測是非常重要的。水體雷達(dá)回波較弱，在SAR圖像上較容易識別。滑坡、堰塞湖的動態(tài)監(jiān)測是地震次生災(zāi)害監(jiān)測的重要內(nèi)容，利用高分辨率雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)可以成功識別地震災(zāi)害引發(fā)的滑坡、堰塞湖等次生災(zāi)害，確定其分布、規(guī)模，量算面積、長度等，在地震災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測與評估中發(fā)揮不可替代的作用（圖3）。

地質(zhì)隱患排查

我國西南地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重，基層國土部門人力有限，對于日常巡查已經(jīng)是疲于應(yīng)付，新增的地質(zhì)隱患點根本沒有機(jī)會發(fā)現(xiàn)。采用常規(guī)地表位移監(jiān)測手段（斜坡傾斜儀和水準(zhǔn)測量等）通過野外作業(yè)進(jìn)行地災(zāi)監(jiān)測難度較大，難以及時發(fā)現(xiàn)局部位移，不能適應(yīng)大范圍全面監(jiān)測的需要。差分干涉測量方法能夠獲取大范圍的地表形變信息，因此可以用于地質(zhì)隱患的排查。我們利用干涉測量技術(shù)，在西南地區(qū)開展了滑坡易發(fā)區(qū)地質(zhì)隱患點排查工作。通過優(yōu)化使用干涉處理關(guān)鍵算法，標(biāo)準(zhǔn)化定制數(shù)據(jù)收集處理流程，形成了自動化干涉測量系統(tǒng)（AISAR），將差分干涉測量數(shù)據(jù)處理效率提高了50%以上。目前，AISAR已應(yīng)用于貴州北部地質(zhì)隱患點的排查，為我國西南滑坡易發(fā)區(qū)地質(zhì)隱患點排查監(jiān)測提供了新的技術(shù)手段，使用該方法能夠發(fā)現(xiàn)未列入臺賬的地質(zhì)災(zāi)害隱患點，避免地方群眾在完全不知情的情況下遭受嚴(yán)重自然災(zāi)害；同時對列入臺賬的地質(zhì)災(zāi)害隱患點能夠進(jìn)行及時跟蹤監(jiān)測，對加速發(fā)展的地質(zhì)災(zāi)害隱患點進(jìn)行及時預(yù)警，大幅提高了對地形復(fù)雜地區(qū)地質(zhì)隱患點排查的精度、效率和可靠性。

圖4黃圈是我們發(fā)現(xiàn)的一個新增的地災(zāi)隱患點，中間的照片是老鄉(xiāng)家墻壁和地面開裂的情況，這個滑坡體的下緣距離婁山中學(xué)只有180米，就像懸在學(xué)生們頭上的一顆雷，隨時威脅著孩子們的安全。通過遙感手段發(fā)現(xiàn)這樣的新增點，避免學(xué)校師生在完全不知情的情況下遭受嚴(yán)重自然災(zāi)害傷及生命安全。

圖4 威脅桐梓縣婁山中學(xué)的新增地質(zhì)災(zāi)害隱患點排查

海洋溢油監(jiān)測

海面油膜會對海水表面波形成阻尼作用，海面溢油的存在阻尼了海水的短表面波（毛細(xì)波和短重力波）、減小了海水表面張力、改變了海面粗糙度，而SAR對粗糙度極為敏感，因此可用于執(zhí)行海面溢油的常規(guī)與應(yīng)急監(jiān)測任務(wù)。近10年來，開展了多次中國近海重特大海洋溢油災(zāi)害事故的遙感應(yīng)急監(jiān)測工作。例如，2008年廣西北部灣海底輸油管線泄露溢油污染事故、2010年大連港“7·16”海面溢油污染事故、2011年美國康菲石油公司蓬萊“19-3”鉆井平臺漏油事故等；累計處理、分析、解譯的SAR遙感圖像近500景，向國家海洋局發(fā)送《海洋溢油污染監(jiān)測信息快報》百余份，持續(xù)為國家海洋局提供7×24小時的中國海域海洋溢油污染雷達(dá)遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測技術(shù)支持服務(wù)。

圖 5為利用中國GF-3衛(wèi)星時間序列圖像監(jiān)測2018年1月發(fā)生在我國東海海域的一次大規(guī)模海洋溢油污染泄露事故。監(jiān)測結(jié)果為國家國防科技工業(yè)局、交通運(yùn)輸部等主管部門的科學(xué)決策、應(yīng)急處置提供了有力的技術(shù)支撐。

洪澇監(jiān)測

洪澇災(zāi)害是我國主要自然災(zāi)害之一，具有范圍廣、變化快的特點，尤其對于人口密集和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城區(qū)而言，其危害程度更加嚴(yán)重。為了最大限度地減輕洪澇災(zāi)害對城區(qū)造成的損失，需要及時地對洪澇災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測和損失評估。洪澇災(zāi)害淹沒范圍的快速提取對于應(yīng)急響應(yīng)具有重要意義，快速獲取洪水淹沒范圍是洪澇災(zāi)害監(jiān)測和評估的基礎(chǔ)。雷達(dá)波到達(dá)水體后由于發(fā)生鏡面反射返回的能量少，因此在SAR圖像上通常呈現(xiàn)為較低的散射特征，容易與其他地物區(qū)分開來，因此在洪澇監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。目前，SAR洪澇災(zāi)害監(jiān)測方法已經(jīng)比較成熟，主要方法有人工目視解譯、閾值法、自動分類方法、圖像紋理分析、主動輪廓法和多時相變化檢測等。1998年的特大洪水期間，我國就多次利用航空雷達(dá)遙感監(jiān)測和評估洪水災(zāi)害，目前雷達(dá)遙感已經(jīng)成為洪澇災(zāi)害監(jiān)測的重要手段。我們利用國際商業(yè)衛(wèi)星和我們國家自己的雷達(dá)衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)，協(xié)同利用其他遙感數(shù)據(jù)源，開展了多次洪澇災(zāi)害的動態(tài)監(jiān)測，為應(yīng)急響應(yīng)和抗洪救災(zāi)提供了有用信息（圖6、圖7）。

圖5 2018年1月東海海域溢油污染泄露事故監(jiān)測

圖6 2013年8月27日同江八岔段水位雷達(dá)衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果

圖 7 2013年東北洪澇災(zāi)害監(jiān)測多日動態(tài)監(jiān)測結(jié)果

結(jié)束語

自然災(zāi)害具有突發(fā)性、破壞性和動態(tài)性的特征，及時有效地獲取災(zāi)情動態(tài)是有效防災(zāi)減災(zāi)的前提和基礎(chǔ)。雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)具有全天時、全天候成像能力，因此具有較好的時效性，能獲取可靠的數(shù)據(jù)源，進(jìn)而實現(xiàn)對災(zāi)害的動態(tài)、連續(xù)監(jiān)測，是災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測不可或缺的重要手段。隨著星載SAR衛(wèi)星性能指標(biāo)的不斷改進(jìn)，將為災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)提供更高效的數(shù)據(jù)源，但同時，我國雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)量少，數(shù)據(jù)獲取的時間分辨率不夠，災(zāi)情快速響應(yīng)能力較弱，難以滿足災(zāi)情態(tài)勢快速監(jiān)測的需求。汶川地震之后，黨和國家對自然災(zāi)害高度重視，對利用空間信息進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)提出了明確要求?！秶颐裼每臻g基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025）年》批準(zhǔn)了四類七顆雷達(dá)衛(wèi)星的立項研制，這將為災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測提供更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)源保障，大幅提高我國對各類災(zāi)害的快速響應(yīng)能力。