國(guó)外遙感衛(wèi)星在應(yīng)急減災(zāi)中的應(yīng)用

國(guó)外遙感衛(wèi)星在應(yīng)急減災(zāi)中的應(yīng)用

· 文|中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院 李云

我國(guó)各類報(bào)道中常用的“減災(zāi)”一詞，基本相當(dāng)于國(guó)外 “災(zāi)害管理”的涵義。減災(zāi)不是短期活動(dòng)，而是一種常態(tài)行為。它包括了“災(zāi)前”、“緊急救災(zāi)”和“災(zāi)后”三個(gè)階段。由于在應(yīng)對(duì)災(zāi)區(qū)復(fù)雜天氣情況、災(zāi)情信息需求緊迫等方面具有地面勘測(cè)、航空遙感等傳統(tǒng)觀測(cè)手段無法比擬的優(yōu)勢(shì)，遙感衛(wèi)星現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于減災(zāi)防災(zāi)活動(dòng)，且在各個(gè)階段具有不同作用。在災(zāi)害發(fā)生前，遙感衛(wèi)星針對(duì)各類災(zāi)害的致災(zāi)因子進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和繪制災(zāi)害易發(fā)區(qū)分布圖。在緊急救災(zāi)中，對(duì)災(zāi)情進(jìn)行跟蹤、繪制災(zāi)害分布圖，支持決策。災(zāi)害發(fā)生后，則可對(duì)已發(fā)生的災(zāi)害進(jìn)行評(píng)估，為災(zāi)后重建提供災(zāi)區(qū)信息。

一、國(guó)外專用減災(zāi)遙感衛(wèi)星技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀

專用減災(zāi)衛(wèi)星是指專門面向多種災(zāi)害或某一種災(zāi)害的預(yù)防、監(jiān)測(cè)或評(píng)估而建造的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)（或星座）。國(guó)外專用減災(zāi)衛(wèi)星主要包括用于地震預(yù)測(cè)的地震電磁衛(wèi)星（如俄羅斯COMPASS-2衛(wèi)星和法國(guó)Demeter衛(wèi)星）和用于多種災(zāi)害監(jiān)測(cè)的災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座（DMC）。

1.地震電磁衛(wèi)星尚處于地震電離層耦合機(jī)理的探索研究階段

目前的地震電磁衛(wèi)星主要用于對(duì)地震電離層耦合機(jī)理、地震前兆信息進(jìn)行研究，尚不能進(jìn)行地震短臨預(yù)報(bào)。其中，DEMETER衛(wèi)星自發(fā)射以來已積累了許多觀測(cè)數(shù)據(jù)資料，部分資料已在因特網(wǎng)上公布，為地震電磁耦合機(jī)理、地震前兆信息研究提供了寶貴的資料。2004年11月28日印尼伊里安查亞省強(qiáng)震和2005年3月29日印尼蘇門答臘8.5級(jí)強(qiáng)震前，DEMETER衛(wèi)星觀測(cè)到震中上方等離子體參數(shù)(包括電子密度、電子溫度和離子密度、離子溫度)出現(xiàn)異常變化，VLF電磁場(chǎng)輻射也出現(xiàn)顯著異常變化。2008年“5·12”汶川地震前，DEMETER衛(wèi)星也觀測(cè)到了震中附近電離層異常、電子濃度和電子溫度發(fā)生變化。

2.DMC星座應(yīng)用于各種減災(zāi)過程

英國(guó)主導(dǎo)構(gòu)建的DMC星座已加入國(guó)際《空間和重大災(zāi)害國(guó)際憲章》，可免費(fèi)為國(guó)際救災(zāi)行動(dòng)提供衛(wèi)星圖像。該星座的重訪周期短、監(jiān)測(cè)范圍大和響應(yīng)速度快，已廣泛用于洪災(zāi)、颶風(fēng)和火災(zāi)等的災(zāi)害監(jiān)測(cè)和災(zāi)害分布圖制定等方面。

2007年，孟加拉國(guó)的達(dá)卡市發(fā)生洪災(zāi)，UK-DMC衛(wèi)星對(duì)洪災(zāi)發(fā)生時(shí)的達(dá)卡市進(jìn)行了拍攝。圖1是UKDMC衛(wèi)星掃描寬度650km的圖像中的一小部分。圖中紅色代表人眼看不見的近紅外波段，用來表示植物。DMC衛(wèi)星圖像用來監(jiān)測(cè)地表水的覆蓋范圍，該星座每天一次的重訪周期還有助于實(shí)時(shí)更改地圖。圖2為2005年NigeriaSat-1衛(wèi)星拍攝的新奧爾良市受到卡特里娜颶風(fēng)襲擊時(shí)整個(gè)海岸的衛(wèi)星圖像。圖中較暗的區(qū)域代表了被淹沒的新奧爾良市街道。DMC圖像經(jīng)過處理傳送到了美國(guó)地理調(diào)查局。法國(guó)SERTIT公司也利用NigeriaSat-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)制定了3幅緊急救災(zāi)圖。圖3為UK-DMC拍攝的2009年2月13日澳大利亞維多利亞州發(fā)生大火的衛(wèi)星圖像。圖中黑暗部分代表燒焦部分。DMC星座衛(wèi)星的近紅外波段由于對(duì)識(shí)別綠色植物非常理想，因此對(duì)于監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)和繪制燒焦范圍分布圖也非常理想。

圖 1 洪災(zāi)中的孟加拉國(guó)達(dá)卡市衛(wèi)星圖像

圖 2 卡特里娜颶風(fēng)中的美國(guó)新奧爾良市衛(wèi)星圖像

圖 3 森林火災(zāi)中的澳大利亞墨爾本市衛(wèi)星圖像

二、國(guó)外非專用減災(zāi)遙感衛(wèi)星技術(shù)及其減災(zāi)應(yīng)用現(xiàn)狀

除了少數(shù)專用星，大部分遙感衛(wèi)星為非減災(zāi)專用星，幾乎均可應(yīng)用于減災(zāi)活動(dòng)。這些衛(wèi)星系統(tǒng)既是民用衛(wèi)星體系的主要分支，又是防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)用的中堅(jiān)力量，其技術(shù)發(fā)展受到世界各國(guó)重視。遙感衛(wèi)星包括了對(duì)陸地、海洋和大氣等環(huán)境要素進(jìn)行獨(dú)立觀測(cè)或綜合觀測(cè)的各類衛(wèi)星，按照技術(shù)機(jī)理大致可分為光學(xué)遙感、微波遙感與激光遙感等幾種。

1.光學(xué)遙感衛(wèi)星減災(zāi)應(yīng)用相對(duì)成熟

選擇光學(xué)遙感衛(wèi)星用于減災(zāi)應(yīng)用，除了考慮監(jiān)測(cè)目標(biāo)所需的波段外，很大程度上還取決于衛(wèi)星的空間分辨率。其中，高分辨率衛(wèi)星如Ikonos-2和QuickBird衛(wèi)星及中高分辨率衛(wèi)星如Formosat-2衛(wèi)星適于精確定位以及識(shí)別災(zāi)害類型、受災(zāi)程度；中分辨率衛(wèi)星（如Terra和Aqua）常用于大范圍的災(zāi)害探測(cè)與評(píng)估；低分辨率衛(wèi)星由于難以提取重要目標(biāo)信息，在救災(zāi)中使用受到了較大限制。

（1）高分辨率衛(wèi)星用于海嘯災(zāi)后城市建筑物損害探測(cè)與評(píng)估

2004年12月26日，里氏9.0級(jí)的海底地震襲擊印度尼西亞的北蘇門答臘島西海岸，引發(fā)巨大海嘯，侵吞

圖4 海嘯前后的衛(wèi)星圖像

了印度洋沿海各國(guó)的海岸區(qū)域，印度尼西亞、斯里蘭卡、印度、馬來西亞和泰國(guó)等國(guó)都受到了海嘯的沖擊。通過比較斯里蘭卡的加勒城市在海嘯前后的Ikonos-2衛(wèi)星圖像和Quickbird衛(wèi)星圖像來判斷該城市內(nèi)建筑物的損壞情況（如圖4）。

（2）中分辨率衛(wèi)星Terra/ASTER（Terra/ASTER）用于海嘯受災(zāi)范圍的確定

Terra/ASTER傳感器不僅收集可見光波波段和近紅外波段數(shù)據(jù)而且還收集短波紅外波段數(shù)據(jù)，可見光波段和近紅外波段分辨率為15m、短波紅外波段分辨率為30m。而紅外、近紅外和短波紅外波段被認(rèn)為是土地覆蓋特征的良好指示器。同時(shí)，具有中分辨率的ASTER要比高分辨率衛(wèi)星覆蓋范圍廣，因此利用其衛(wèi)星圖像對(duì)快速探測(cè)大范圍的洪水淹沒非常有用。

利用ASTER圖像研究泰國(guó)攀牙省考拉地區(qū)的災(zāi)害分布范圍（如圖5所示，其中上圖為2002年11月15日拍攝，下圖為2004年12月31日拍攝）。圖中，紅色部分對(duì)應(yīng)近紅外波段反射，綠色部分對(duì)應(yīng)紅色波段反射，藍(lán)色部分對(duì)應(yīng)綠色波段反射。在海嘯之后，受災(zāi)區(qū)的近紅外波段反射變?nèi)?，這意味著，在海嘯中，植被可能已經(jīng)遭到了損壞，陸地覆蓋物變成了土壤。這一結(jié)果已經(jīng)通過現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)得到驗(yàn)證。

圖 5 ASTER在海嘯前后分別拍攝的假彩色圖像

（3）Terra&Aqua/MODIS（中分辨率衛(wèi)星）用于火災(zāi)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

2005年在俄羅斯和蒙古國(guó)邊界附近發(fā)生火災(zāi)。著火點(diǎn)由于發(fā)生在俄羅斯和蒙古國(guó)邊界處，動(dòng)用航空遙感和地面監(jiān)測(cè)手段會(huì)引起兩國(guó)領(lǐng)空、領(lǐng)土主權(quán)的爭(zhēng)議。利用衛(wèi)星對(duì)火勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)除了及時(shí)全面地提供了火災(zāi)的動(dòng)態(tài)發(fā)展情況，還很好地解決了越境監(jiān)測(cè)的爭(zhēng)議。圖6是 MODIS拍攝的衛(wèi)星圖像，其中紅色部分表示著火點(diǎn)；對(duì)比這兩幅衛(wèi)星圖像可以看出火勢(shì)蔓延的方向和范圍，對(duì)采取正確的火災(zāi)控制措施提供了信息支撐。

圖 6 MODIS拍攝的蒙古草原火情

（4）Formosat-2衛(wèi)星用于汶川地震震后搜救和次生災(zāi)害監(jiān)測(cè)

與其他商業(yè)衛(wèi)星相比，福衛(wèi)-2衛(wèi)星具有每天都可進(jìn)行重訪、成像范圍廣以及低成本的優(yōu)點(diǎn)。它從發(fā)射以來已在2004年夏天的洪災(zāi)和印度洋海嘯以及2008年的緬甸南部的納爾吉斯熱帶颶風(fēng)和中國(guó)汶川地震等災(zāi)害中及時(shí)地對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行了遙感成像，對(duì)救災(zāi)起到了重要作用。這里將詳細(xì)描述福衛(wèi)-2衛(wèi)星在“5·12”汶川大地震中的應(yīng)用。

1）監(jiān)測(cè)汶川縣堰塞湖水面上升可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)

如圖7所示，汶川地震發(fā)生前，河水寬度是102m，水面高程大約是677m；震后2天河水寬度增加到了304m，陸地在河流盆地中移動(dòng)了將近5.6km，水面高程幾乎增加了10m；震后6天河流仍然在繼續(xù)加寬，寬度達(dá)到了520m，這幾乎是震前寬度的5倍，三維仿真可測(cè)得河水的高程也幾乎增加了25m；震后10天顯示河水在進(jìn)一步加寬，達(dá)到了568m，水面高程也進(jìn)一步增加到725m。地震形成的堰塞湖對(duì)鄰近區(qū)域形成了雙重威脅，堆積的碎石形成的水壩非常不穩(wěn)定，余震或另一場(chǎng)地震甚至是簡(jiǎn)單的水壓都可能沖破水壩導(dǎo)致水流傾瀉。

中巴地球資源衛(wèi)星04星沈陽(yáng)市遙感影像圖

該圖（成像時(shí)間2014年12月8日）為沈陽(yáng)市CBERS-04星PAN相機(jī)仿真彩色融合影像（5m分辨率）。沈陽(yáng)，中國(guó)東北地區(qū)最大的中心城市，遼寧省省會(huì)，別稱盛京、奉天。沈陽(yáng)位于中國(guó)東北地區(qū)南部，遼寧省中部，以平原為主，山地、丘陵集中在東南部。圖像的中下部有一條東西走向的河流渾河（也叫沈河），沈陽(yáng)城位于沈河以北（山南水北為陽(yáng)），這是沈陽(yáng)得名的由來。

國(guó)防科工局重大專項(xiàng)工程中心 制作

中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心

圖 7 河流在震后2天、6天、10天福衛(wèi)-2衛(wèi)星圖像與震前的三維仿真對(duì)比

圖 8 福衛(wèi)-2衛(wèi)星在2008年5月15日上午11∶46∶35經(jīng)過汶川縣的圖像

2）集成GPS和SPOT-5衛(wèi)星數(shù)據(jù)用于確定失蹤人員位置

臺(tái)灣臺(tái)北的香河旅游機(jī)構(gòu)在汶川地震前有一輛旅游車參觀汶川縣。地震發(fā)生后，這輛旅游車被困在了從茂縣開往汶川縣的途中。這輛旅游車最后一次與旅游機(jī)構(gòu)聯(lián)系是在5月12日的中午。此后，這輛車連同車上的14個(gè)人就失蹤了。不過，根據(jù)這輛車發(fā)出的GPS數(shù)據(jù)，這輛車的失蹤地點(diǎn)被鎖定在汶川縣西南方向的方圓4km范圍。

在這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻，福衛(wèi)-2衛(wèi)星被安排與SPOT-5衛(wèi)星對(duì)地震受災(zāi)區(qū)拍攝圖像。2008年5月15日，福衛(wèi)-2衛(wèi)星在上午11∶46∶35經(jīng)過汶川縣。但是由于天空中云層較厚，拍攝到的災(zāi)區(qū)圖像非常模糊（如圖8 所示），大部分景象都被云層覆蓋。福衛(wèi)-2衛(wèi)星到訪汶川縣后，SPOT-5衛(wèi)星也拍攝了汶川縣的圖像（如圖9所示）。雖然兩顆衛(wèi)星經(jīng)過汶川的時(shí)間只相差1分17秒，但是正是這個(gè)非常短暫的時(shí)間差異，該地區(qū)上空的云層漂移到了別的地方，從而使SPOT-5衛(wèi)星拍到了只有一些薄霧的圖像。經(jīng)過增強(qiáng)處理并根據(jù)提供的GPS坐標(biāo)，旅游車失蹤的位置在圖9上變得清晰可見。由此可以看出遙感衛(wèi)星之間的互補(bǔ)非常重要。

圖 9 SPOT-5衛(wèi)星在2008年5月15日上午11∶47∶52經(jīng)過汶川縣的圖像

2.微波遙感衛(wèi)星具有獨(dú)特的減災(zāi)優(yōu)勢(shì)，但受限于解譯困難

微波遙感衛(wèi)星比光學(xué)遙感衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展起步晚，其減災(zāi)應(yīng)用也比后者晚，但是由于微波遙感具有光學(xué)遙感所沒有的優(yōu)點(diǎn)，如可全天時(shí)、全天候工作，能夠穿透冰雪、植被和地面表層土壤等，因此已成為減災(zāi)中重要的遙感工具，不過微波遙感不能記錄與顏色相關(guān)的信息，其微波圖像的解譯會(huì)比較困難，而且微波圖像成本比較高，這些都影響了微波遙感衛(wèi)星在減災(zāi)中的廣泛使用。

（1）雷達(dá)星-1（Radarsat-1）用于颶風(fēng)洪水淹沒范圍評(píng)估

2005年8月29日，卡特里娜颶風(fēng)以233km/h的風(fēng)速、8.5m高的風(fēng)浪和大雨著陸?？ㄌ乩锬鹊木薮箫L(fēng)浪突破了處于海平面以下的新奧爾良市防洪大堤，這座城市的80%都被淹沒?？ㄌ乩锬冗€對(duì)該地區(qū)的石油和天然氣生產(chǎn)和加工能力造成了巨大的破壞。

利用加拿大的雷達(dá)衛(wèi)星Radarsat-1獲得的SAR數(shù)據(jù)來分析卡特里娜帶來的洪水對(duì)新奧爾良市造成的破壞。為了提高數(shù)據(jù)精確性和全面性，利用Landsat ETM+數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)充。

圖10通過合成2005年9月2日Radarsat-1拍攝的C波段SAR圖像和Landsat ETM+拍攝的光學(xué)圖像而成，它顯示了卡特里娜颶風(fēng)造成的洪水淹沒分布范圍和一些石油泄漏。圖11則是2005年9月5日的合成圖，它覆蓋的范圍要比圖10大。在這兩幅圖中，藍(lán)色表示卡特里娜颶風(fēng)造成的洪水淹沒范圍、紅色表示可能的石油泄漏、黃色表示漂浮的垃圾，紫色表示經(jīng)石油污染的水被吸入了Pontchartrain湖。盡管SAR對(duì)開闊水面上的石油較敏感，這為辨別是否存在石油泄漏提供了機(jī)會(huì)。

圖 10 2005/09/02 Radarsat-1衛(wèi)星合成圖像

圖 11 2005/09/05 Radars t-1衛(wèi)星合成圖像

（2）衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)用于颶風(fēng)增強(qiáng)預(yù)報(bào)

在2005年8月29日卡特里娜颶風(fēng)發(fā)生前的8月25日、8月26日和8月27日利用GOES-12靜止軌道氣象衛(wèi)星拍攝到空中云層和“風(fēng)眼”在經(jīng)過美國(guó)墨西哥灣沿海地區(qū)時(shí)被增強(qiáng)了（如圖12左側(cè)圖像所示）。這種變化過程為預(yù)報(bào)員提供了風(fēng)暴軌跡，是一類很常見的氣象信息。這里要講的是衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)在預(yù)報(bào)熱帶風(fēng)暴增強(qiáng)條件和觀測(cè)海面風(fēng)暴條件中發(fā)揮的作用。

利用TOPEX、Jason-1、ERS-2、Envisat以及GFO（Geosat-Follow-On）等衛(wèi)星上的雷達(dá)高度計(jì)對(duì)沿每顆衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡的一系列點(diǎn)（采樣點(diǎn)處于衛(wèi)星交疊區(qū)半徑2km到5km范圍內(nèi)）測(cè)量風(fēng)速、波高和海面高度在25日、26日和27日三天的波高、風(fēng)速以及海面高度變化圖。由于這些雷達(dá)高度計(jì)采用Ku波段，可以穿透云雨，因此可全天候獲得數(shù)據(jù)。這些波高、風(fēng)速和海面高度變化圖顯示卡特里娜颶風(fēng)的風(fēng)速和波高在經(jīng)過美國(guó)墨西哥灣時(shí)都增強(qiáng)了（如圖12右側(cè)所示）。

圖 12 卡特里娜紅外圖像和高度數(shù)據(jù)

很多學(xué)者曾認(rèn)為海面水溫高是颶風(fēng)增強(qiáng)的主要原因，但是卡特里娜颶風(fēng)沿途的海面水溫基本都在30°C左右（如圖13上圖），如果海面水溫高可增強(qiáng)颶風(fēng)成立，那么卡特里娜應(yīng)該被不斷地增強(qiáng)，但是事實(shí)并不如此?？ㄌ乩锬仍诮?jīng)過海底地形高的區(qū)域增強(qiáng)最快（如圖13下圖）。由于海底地形在幾周之內(nèi)的變化非常慢，因此雷達(dá)高度計(jì)可以較早地預(yù)報(bào)颶風(fēng)增強(qiáng)的可能性。

圖 13 卡特里娜的位置和強(qiáng)度示意圖

3.激光遙感衛(wèi)星發(fā)展受到重視

激光遙感衛(wèi)星的發(fā)展與應(yīng)用還處在起步階段，其潛在的優(yōu)勢(shì)已日漸被認(rèn)識(shí)到，其技術(shù)發(fā)展也越來越被重視。天基激光雷達(dá)一般包括后向散射激光雷達(dá)、激光高度計(jì)、多普勒激光雷達(dá)和差分吸收激光雷達(dá)等4種類型。當(dāng)前僅美國(guó)與法國(guó)發(fā)展了激光遙感衛(wèi)星，分別于2003年與2006年發(fā)射了“冰衛(wèi)星”（ICESat）與“卡利普索”（CALIPSO）衛(wèi)星，采用散射激光雷達(dá)和激光高度計(jì)技術(shù)。

三、結(jié)束語(yǔ)

隨著遙感衛(wèi)星進(jìn)一步朝高空間分辨率、時(shí)間分辨率和光譜分辨率，網(wǎng)絡(luò)化與三維遙感方向發(fā)展，以及全球?qū)πl(wèi)星應(yīng)用的不斷探索與推廣，遙感衛(wèi)星應(yīng)用于減災(zāi)已成為各國(guó)減災(zāi)防災(zāi)工作的常態(tài)。多種探測(cè)手段（包括光學(xué)、紅外、微波、重力、電磁等）聯(lián)合、多星組網(wǎng)或編隊(duì)以及開展地區(qū)或全球合作，作為衛(wèi)星減災(zāi)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)將愈加明顯。