3S+C技術在減災行業(yè)的應用

· 文|航天恒星科技有限公司 張云杰 宋芳妮

3S+C技術在減災行業(yè)的應用

· 文|航天恒星科技有限公司 張云杰 宋芳妮

近年來，隨著全球氣候變化幅度的增大和經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展，災害造成的損失呈現(xiàn)日益加重的趨勢。據(jù)統(tǒng)計，2013年全球共發(fā)生了880多起自然災害，共造成2萬多人死亡，全球全年總計經(jīng)濟損失達1250億美元。

我國是世界上自然災害最為嚴重的國家之一，災害種類多、分布地域廣、發(fā)生頻率高、災害損失重、社會影響深和減災難度大是我國自然災害的主要特點。近15年來，我國平均每年因各類災害造成約3億人受災，減災救災工作正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

如何利用科學技術，認識這些災害的發(fā)生、發(fā)展以及盡可能減小它們所造成的危害，已是國際社會的一個共同主題。在這樣的形勢背景下，加快通信、遙感、地理信息系統(tǒng)和導航定位等技術在減災救災業(yè)務中的應用步伐，推進其應用成果的轉(zhuǎn)化，是完善我國重大自然災害監(jiān)測、預警、評估和應急救援指揮體系的一個重要手段。

一、3S+C技術與減災

遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和全球定位技術（GNSS）以及衛(wèi)星通信技術（Communication），即通常所說的3S+C技術，通過這些技術的綜合應用，可實現(xiàn)對多源災害信息的采集、傳遞、處理和分析，從而向減災決策者提供綜合減災空間信息服務，使其科學準確、及時快速地了解災害情況，制定減災方案。

1.遙感技術

RS技術的快速發(fā)展為我們提供了一種獲取實時災害信息的可靠手段。通過各種機載和星載傳感器，可以準確獲取災區(qū)的影像數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是GIS處理的重要信息來源，可獲取大面積地表屬性及實現(xiàn)地物要素的提取。

RS技術已被廣泛應用于各種重大災害的救災工作中。事實證明，無論是印度洋海嘯，還是中國的汶川地震，RS技術都在減災救災工作中發(fā)揮了非常重要的作用。

與常規(guī)信息采集方式相比，RS技術在災區(qū)信息的獲取上具有明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面∶

1）覆蓋范圍廣。RS技術可以對大范圍的受災地區(qū)進行觀測和數(shù)據(jù)采集，從宏觀上反映受災地區(qū)的情況。例如，一景Landsat-TM遙感器獲取的影像可以覆蓋185km×185km的地表范圍，相當于能夠覆蓋汶川地震中受災最嚴重的北川縣全境；我國環(huán)境減災衛(wèi)星獲取的影像幅寬為360km（2臺組合700km），能夠獲取更大的地表范圍。大范圍的數(shù)據(jù)獲取能力也為全球氣候變化及區(qū)域地質(zhì)活動的研究提供了有力條件。

2）獲取速度快、手段多。遙感技術可以對災區(qū)進行周期性的觀測來獲取不同時相的影像。通過受災前后遙感影像的對比分析，不但能夠定位受災區(qū)域、估計影響范圍，還能跟蹤災情的動態(tài)變化。例如，搭載MODIS光譜儀的上午星Terra和下午星Aqua可以達到一天過境4次；SPOT衛(wèi)星的高分辨率可見光（HRV）傳感器具有傾斜觀察能力，能夠在不同軌道上用不同的觀察角對同一地區(qū)進行觀測，產(chǎn)生立體像對以獲得三維空間數(shù)據(jù)。這種高時相分辨率以及多觀測角度的特點，為實時獲取災情信息提供了可能。

3）信息量大。遙感可利用可見光/反射紅外、熱紅外和微波等波段，探測不同區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境污染、森林火災和地表形態(tài)等信息。不同遙感影像的分辨率在幾十厘米至幾百千米之間，能夠滿足不同尺度下減災救災的應用需求。

2.衛(wèi)星導航技術

GNSS為遙感影像處理提供空間位置坐標和時間信息；為GIS提供空間定位信息，可實現(xiàn)諸如定位、測量、移動物體的動態(tài)監(jiān)控與導航等。如減災用戶終端的使用可提供救援路徑規(guī)劃、定位服務；北斗系統(tǒng)的短報文服務，可在任何時間、任何地點實現(xiàn)無縫通信連接，滿足減災應用需求。

3.地理信息技術

GIS為地物的幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的存儲、管理、分析、可視化等應用提供了軟件平臺， 利用其強大的空間數(shù)據(jù)管理和分析能力，可作為遙感圖像解譯的強有力的輔助工具，同時，能夠為GNSS提供底層技術支持。

GIS技術已在火災、地震、旱災、洪澇、地面沉降以及滑坡、泥石流等方面取得了廣泛的應用。GIS技術在防災減災中的應用主要有以下幾方面：

（1）作為多源防災減災信息集成的平臺，提供信息服務

在建立空間圖形庫的基礎上，GIS支持以下基本圖形應用：電子地圖的應用；數(shù)據(jù)的顯示、查詢功能；統(tǒng)計。

（2）實現(xiàn)以空間分析為基礎的防災減災信息的綜合分析

防災減災信息是一個多要素的綜合體，各要素間具有時間序列和空間特征。GIS為我們綜合分析各種防災減災信息提供了現(xiàn)代化的手段?？臻g量算可分別從一維、二維空間實現(xiàn)對研究對象長度、面積的快速量算?？臻g疊加分析可提供矢量－柵格一體分析，可對不同要素的圖層進行疊加分析。利用疊加分析，可將任意選擇的要素進行空間疊加分析，以幫助我們進行專題分析。利用緩沖區(qū)分析，可進行點、線、面的緩沖分析。通過在重點災害源周圍建立緩沖區(qū)，可對緩沖區(qū)內(nèi)各要素進行統(tǒng)計，如統(tǒng)計緩沖區(qū)內(nèi)社會經(jīng)濟信息、搶險救災信息(搶險物資、搶險隊伍及避險中心)等，不僅為搶險救災決策提供有力的輔助手段，同時還可為城市規(guī)劃、保險行業(yè)保費估算提供非常重要的依據(jù)。通過網(wǎng)絡分析實現(xiàn)資源供給網(wǎng)絡劃分、救災資源調(diào)撥及救災最佳路徑分析。

（3）減災專題圖件的生成及應用

GIS提供了強大的制圖功能，可繪制任意比例尺的地圖，可對同類圖件進行任意的分解和拼接，并且可繪制任意給定區(qū)域的單要素專題圖或多要素專題圖。

結(jié)合屬性數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫，可對在防災減災指揮決策中所需的各類分布圖進行繪制。

利用GIS技術與決策支持模型的結(jié)合，還可制作搶險實施方案圖（包括人力物資調(diào)度、人員疏散、交通管制等）、搶險預案圖、洪水淹沒圖等。

4.通信技術

通信技術提供了信息傳遞的通道，提供遙感圖像傳輸、災害信息、指揮決策信息及應急通信等的通信鏈路。

二、3S+C減災應用系統(tǒng)框架

3S+C技術綜合應用于防災和減災領域是很常見的，圖1是一個這類系統(tǒng)構(gòu)成的通用架構(gòu)圖。

如圖1所示，3S+C技術應用系統(tǒng)一般由4層組成，自下而上分別是數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、處理分析層和應用服務層。

圖1 3S+C技術應用系統(tǒng)架構(gòu)

1.數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎，指利用不同技術手段采集系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源包括地面?zhèn)鞲衅?、遙感衛(wèi)星、有人和無人飛機、飛艇和導航CORS網(wǎng)等，數(shù)據(jù)種類包括各種形變、位移和溫濕度等檢測數(shù)據(jù)、遙感影像以及導航數(shù)據(jù)等。

地面?zhèn)鞲衅骺梢圆杉孛鏈囟?、濕度、地震波等參?shù)。

通過在遙感衛(wèi)星和飛機上搭載的傳感器，可提供不同尺度的地物影像，無人機還可以在緊急狀況下獲取更高分辨率的災區(qū)影像。CORS系統(tǒng)可全自動、全天候、實時地向大量用戶提供高精度、高可靠性、實時的定位信息。此外，CORS系統(tǒng)可用于通信系統(tǒng)和電力系統(tǒng)中高精度的時間同步，并能就地面沉降、地質(zhì)災害、地震等提供監(jiān)測預報服務、研究探討災害時空演化過程。

手持/車載/船載定位終端可提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并可進行短報文通信。

海上浮標可以測量風速、風向、氣溫、氣壓和溫度等氣象要素。

2.數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層通過多種鏈接手段將數(shù)據(jù)傳輸至處理分析層，包括地面有線網(wǎng)絡、地面無線網(wǎng)絡、通信衛(wèi)星、光纖、GPRS等。

3.處理分析層

處理分析層以數(shù)據(jù)傳輸層傳來的多源數(shù)據(jù)為基礎，在計算機集群設備的支持下，以GIS、RS和計算機技術為核心，為減災業(yè)務提供基礎處理分析。如：針對多源遙感圖像，提供幾何精校正、正射校正、融合、鑲嵌、勻色等分析；提供航空影像、衛(wèi)星影像、現(xiàn)場數(shù)據(jù)等與基礎地理空間信息的疊加分析；提供緩沖區(qū)分析功能，支持減災救災資源調(diào)配；提供面積量算功能，支持洪澇淹沒范圍監(jiān)測、大型滑坡體/泥石流范圍監(jiān)測、積雪覆蓋范圍監(jiān)測，火場面積及火燒跡地面積、干旱范圍、安置區(qū)監(jiān)測等。

4.應用服務層

應用服務層在處理分析層的基礎上，結(jié)合減災業(yè)務體系，實現(xiàn)減災業(yè)務服務，如信息采集與協(xié)同、災害監(jiān)測、生命線損毀評估、綜合評估和研判會商等。

信息采集與協(xié)同業(yè)務對來自遙感衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、導航衛(wèi)星、航空平臺及現(xiàn)場采集的各類災害相關數(shù)據(jù)進行同化和協(xié)同分析，以便針對某一特定受災區(qū)域開展減災救災業(yè)務。

災害監(jiān)測業(yè)務以多源遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)、航空數(shù)據(jù)和災害現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)孕災環(huán)境監(jiān)測、災害指數(shù)計算、災害范圍監(jiān)測等災害監(jiān)測方法，實現(xiàn)生成洪澇淹沒范圍監(jiān)測、大型滑坡體/泥石流范圍監(jiān)測、積雪覆蓋范圍監(jiān)測，火場面積及火燒跡地面積、干旱范圍、安置區(qū)監(jiān)測等。

生命線損毀評估業(yè)務是在應急模式下，綜合利用信息采集與協(xié)同以及災害監(jiān)測提取的信息，開展受災人口快速評估、生命線工程快速評估、房屋倒損快速評估、農(nóng)作物損毀快速評估以及災情快速綜合評估等。

綜合評估業(yè)務是在災害過程穩(wěn)定或結(jié)束后，針對不同災種評估的結(jié)果，利用空間技術和綜合分析手段建立綜合評估模型以及評估流程，從經(jīng)濟損失、災情等級評估、救助需求分析等方面對受災情況進行全面評估，輔助人員轉(zhuǎn)移安置和指揮決策預案。

三、3S+C綜合減災應用案例

1.委內(nèi)瑞拉綜合減災應用系統(tǒng)

針對委內(nèi)瑞拉國內(nèi)主要的自然災害，如洪水、泥石流頻發(fā)的現(xiàn)狀，航天恒星科技有限公司為用戶建設了委內(nèi)瑞拉綜合減災應用系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)已交付委內(nèi)瑞拉用戶。

系統(tǒng)建設在加拉加斯的對地觀測中心，通過地面光纖網(wǎng)絡，接收來自巴馬里地面站的委遙一號（VRSS-1）衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并綜合應用GIS和RS技術，提供災害信息提取，災害評估分析等功能。具體業(yè)務包括森林火災信息提取、洪澇災害信息提取、地質(zhì)災害信息提取、海岸線信息提取等，并生產(chǎn)相應的災害專題信息，為政府減災提供信息支持。

委內(nèi)瑞拉綜合減災應用系統(tǒng)組成見圖2。

圖2 委內(nèi)瑞拉綜合減災應用系統(tǒng)組成圖

（1）產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)度分系統(tǒng)

統(tǒng)籌管理用戶的業(yè)務生產(chǎn)需求，經(jīng)過匯總、融合和優(yōu)化后，制定各種數(shù)據(jù)的生產(chǎn)計劃，并對所有任務的執(zhí)行過程進行監(jiān)控管理。

（2）數(shù)據(jù)獲取與分析分系統(tǒng)

是系統(tǒng)對外服務的窗口，為用戶提供專題圖生產(chǎn)服務、專業(yè)化的遙感影像處理工具、遙感數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析工具、報表生成工具；同時負責對遙感影像進行幾何較正、正射較正、影像融合與影像分類等遙感影像處理功能，并對影像處理結(jié)果進行效能評估。

（3）專題產(chǎn)品生產(chǎn)分系統(tǒng)

根據(jù)用戶需求，利用已有遙感數(shù)據(jù)，進行洪澇災害監(jiān)測、森林火災監(jiān)測、海岸線監(jiān)測、泥石流災害監(jiān)測等專題產(chǎn)品的生產(chǎn)。

（4）數(shù)據(jù)產(chǎn)品管理分系統(tǒng)

是系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯總及分發(fā)中心，統(tǒng)籌規(guī)劃VRSS-1衛(wèi)星及其他遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)歸一化處理途徑，為海量遙感影像數(shù)據(jù)與遙感輔助數(shù)據(jù)的接入、歸檔及分發(fā)提供技術支持。

圖3為利用委內(nèi)瑞拉綜合減災應用系統(tǒng)生產(chǎn)的產(chǎn)品示例。

圖3 委內(nèi)瑞拉綜合減災應用系統(tǒng)產(chǎn)品示例

2.減災信息收集平臺與應急減災特種導航終端技術

減災信息收集平臺如圖4所示，該平臺主要由指揮中心和應急減災特種導航終端組成。作業(yè)人員可手持該特種終端深入到災害現(xiàn)場，將災情信息通過北斗短報文或GSM/GPRS、CDMA2000、WCDMA等通信方式回傳到指揮中心，為民政部門收集災害救援現(xiàn)場的第一手資料，以便救災指揮決策。

該平臺的應急減災特種導航終端針對我國災害應急工作中現(xiàn)場信息監(jiān)測與通信能力存在的不足，開展了基于衛(wèi)星導航定位監(jiān)測、嵌入式地理信息系統(tǒng)、遙感圖像應用、應急通信等技術的集成研究，并研制開發(fā)了基于北斗/GPS系統(tǒng)的特種導航終端系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效結(jié)合了CDMA、北斗通信、藍牙等關鍵通信技術，是我國第一款針對減災應用的導航通信綜合終端系統(tǒng)。

目前，該終端系統(tǒng)已在我國甘肅肅北、重慶巫山、廣西平樂等地區(qū)完成了多次應急減災示范應用，并參與了2011年旱災災情信息采集工作，為進一步提升我國綜合減災救援能力提供了重要技術支撐。

基于北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，結(jié)合災區(qū)災情信息及基礎地理數(shù)據(jù)情況，為災害應急現(xiàn)場工作人員、車輛開展救災工作提供重要的導航定位信息，同時為指揮中心及時了解現(xiàn)場人員、車輛的動態(tài)提供相關定位信息，為救災人員、設備、物資的運送路徑進行快速規(guī)劃。為車輛、船舶、飛機等救災物資運輸工具提供自動導航功能，自動為運輸工具的行進方向、速度以及災情注意事項等提供前期預報和建議，并對偏離既定規(guī)劃路徑的交通工具做出預警提醒。

利用北斗導航定位技術實現(xiàn)對災害及次生災害發(fā)生位置、受災范圍做出精確描述，為災害范圍評估、災害影響人口評估、災害損失評估提供重要信息。利用多源對地觀測數(shù)據(jù)，精確提取受災范圍、災害等級等信息，對災害造成的損失進行全面評估，并對災害救助與恢復重建需求及救災效果進行監(jiān)測、評估。

圖4 減災信息收集平臺組成圖

圖5 應用示范系統(tǒng)組成圖

3.“多源全球遙感數(shù)據(jù)采集處理和綜合信息服務平臺”災害應急監(jiān)測應用示范

2013年12月，多源全球遙感數(shù)據(jù)采集處理和綜合信息服務平臺被列入國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)支持項目，由航天恒星科技有限公司和國家衛(wèi)星海洋應用中心承制。

本項目將自主研制的“多源遙感數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)”和“遙感服務系統(tǒng)”，在全球布局，建設1個北京運管中心，1個固定國際服務節(jié)點和1個“雪龍?zhí)枴币苿臃展?jié)點，互聯(lián)互通，形成一個提供遙感綜合服務的國際化服務網(wǎng)絡，通過北京運管中心的“綜合業(yè)務管理系統(tǒng)”管理和運營整個網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品和服務的國際服務能力。該平臺由4部分組成：綜合業(yè)務管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)、信息監(jiān)測系統(tǒng)、應用示范原型系統(tǒng)。

其中，災害應急監(jiān)測應用示范系統(tǒng)利用應急指揮車上的設備對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、導航信息及其他信息進行融合處理，現(xiàn)場為救災指揮提供支持服務。該示范系統(tǒng)組成及業(yè)務流程如圖5所示。

北京運管中心調(diào)度服務節(jié)點獲取衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，利用通信衛(wèi)星向現(xiàn)場提供遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，救災人員攜帶北斗用戶機采集災害數(shù)據(jù)并實時傳回信息，示范小組在指揮車上現(xiàn)場生成災情及救災信息產(chǎn)品，提供給救災指揮部。系統(tǒng)可開展洪水面積監(jiān)測、洪水深度監(jiān)測、泥石流路線分析、泥石流災害評估、救援覆蓋面和布局分析等業(yè)務分析。

四、結(jié)束語

基于3S+C技術，可實現(xiàn)災害信息采集、救援指揮、災害評估，對災害強度、規(guī)模、發(fā)展態(tài)勢和影響程度做出科學預測，從而有效地提高災害管理的科學決策水平，最大限度地減輕自然災害對民眾的危害，減少自然災害造成的經(jīng)濟損失，優(yōu)化救災投入，提高救災效益，為國家社會安定和經(jīng)濟發(fā)展提供保障。