美國(guó)公布日韓衛(wèi)星觀測(cè)的天津?yàn)I海新區(qū)爆炸事故圖像

劉韜 （北京空間科技信息研究所）

2015年8月12日23：30許，天津?yàn)I海新區(qū)瑞海公司危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)發(fā)生爆炸，事故造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。事故發(fā)生后，美國(guó)科學(xué)研究機(jī)構(gòu)在第一時(shí)間公布了源自日本和韓國(guó)靜止軌道氣象衛(wèi)星的圖像，顯示了事故引發(fā)的爆炸和火災(zāi)情況。另外，8月13日，美國(guó)“天空衛(wèi)星”（SkySat）拍攝到事故現(xiàn)場(chǎng)的高分辨率圖像，“土”（Terra）衛(wèi)星和“水”（Aqua）衛(wèi)星所搭載的中分辨率成像光譜儀（MODIS）分別于8月13日上午和下午拍攝了現(xiàn)場(chǎng)的云圖，云圖顯示爆炸引起的黑煙向渤海灣擴(kuò)散。

（1）衛(wèi)星拍攝到事故發(fā)生時(shí)爆炸沖擊波和大火的熱信號(hào)

目前已報(bào)道并觀測(cè)到天津?yàn)I海新區(qū)爆炸事故的國(guó)外衛(wèi)星有日本向日葵－8（Himawari－8）衛(wèi)星、日本多用途運(yùn)輸衛(wèi)星－2（MTSAT－2）和韓國(guó)通信、海洋及氣象衛(wèi)星－1（COMS－1），這3顆衛(wèi)星均是地球靜止軌道（GEO）氣象衛(wèi)星，且均帶有紅外遙感器。事故發(fā)生時(shí)，它們實(shí)時(shí)探測(cè)到爆炸引發(fā)的沖擊波熱信號(hào)和事故現(xiàn)場(chǎng)大火的熱信號(hào)。第一時(shí)間將這些衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)加以分析并公布的是美國(guó)一家空間研究機(jī)構(gòu)，即美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校（Wisconsin-Madison）空間科學(xué)和工程中心（SSEC）的氣象衛(wèi)星合作研究所（CIMSS），該機(jī)構(gòu)是一個(gè)專注于地球遙感研究、天氣預(yù)報(bào)和臨近預(yù)報(bào)的研究機(jī)構(gòu)，與美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）及美國(guó)航空航天局（NASA）保持有緊密的合作關(guān)系。

爆炸點(diǎn)熱信號(hào) 左圖為未探測(cè)到熱源信號(hào)，右圖為探測(cè)到熱源信號(hào)

下圖是從CIMSS官方網(wǎng)站發(fā)布的視頻中截取的圖像，該視頻來(lái)源于向日葵－8衛(wèi)星的“先進(jìn)向日葵成像儀”（AHI）1.6μm波長(zhǎng)通道，時(shí)間從8月12日15：00 UTC（世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)）至18：10UTC。視頻中，事故發(fā)生地點(diǎn)熱信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間為15：20UTC（北京時(shí)間減8h等于UTC）。

日本向日葵－8靜止軌道氣象衛(wèi)星于2014年升空，其主遙感器“先進(jìn)向日葵成像儀”實(shí)際由美國(guó)國(guó)際電話電報(bào)公司（ITT）研制，相似設(shè)備也將搭載在即將發(fā)射的美國(guó)新一代地球靜止軌道環(huán)境衛(wèi)星－R（GOES－R）上。“先進(jìn)向日葵成像儀”的地球全盤掃描時(shí)間從上一代日本“多用途運(yùn)輸衛(wèi)星”的30min縮短到10min。憑借靜止軌道衛(wèi)星的區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)視能力，能夠有效地執(zhí)行動(dòng)態(tài)目標(biāo)的監(jiān)視任務(wù)。對(duì)1000km×1000km區(qū)域的觀測(cè)時(shí)間間隔可以達(dá)到2.5min。

向日葵－8共有16個(gè)工作譜段，即3個(gè)可見(jiàn)光譜段、3個(gè)近紅外譜段和10個(gè)紅外譜段，空間分辨率分別為0.5～1km、1～2km和2km。天津?yàn)I海新區(qū)瑞海公司危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)爆炸事故被向日葵－8的1.6μm、2.3μm、3.9μm、6.2μm、7.0μm、7.3μm、8.6 μ m和10.35 μ m紅外譜段檢測(cè)出來(lái)，其中3.75～3.9μm譜段范圍信號(hào)較強(qiáng)烈。

美國(guó)“土”衛(wèi)星拍攝的事故現(xiàn)場(chǎng)云圖

美國(guó)“天空衛(wèi)星”拍攝的事故現(xiàn)場(chǎng)高分辨率圖像

向日葵－8衛(wèi)星觀測(cè)能力和要素

另外2顆探測(cè)到天津?yàn)I海新區(qū)危險(xiǎn)品爆炸事故的衛(wèi)星是即將退役的日本多用途運(yùn)輸衛(wèi)星－2和韓國(guó)近年發(fā)射的韓國(guó)通信、海洋及氣象衛(wèi)星－1。右圖也是從CIMSS官方網(wǎng)站截取的衛(wèi)星圖像，每組圖像的上行由向日葵－8衛(wèi)星拍攝，中行由日本多用途運(yùn)輸衛(wèi)星－2拍攝，下行由韓國(guó)通信、海洋及氣象衛(wèi)星－1拍攝。圖片顯示出爆炸產(chǎn)生煙云的擴(kuò)散情況。

日本多用途運(yùn)輸衛(wèi)星－2于2006年2月18日成功發(fā)射，由日本三菱電氣公司研制。有5個(gè)工作譜段，即1個(gè)可見(jiàn)光近紅外譜段、2個(gè)中波紅外譜段和2個(gè)熱紅外譜段，分辨率分別為1km、4km和4km，全盤掃描時(shí)間需要30min。

韓國(guó)通信、海洋及氣象衛(wèi)星－1于2010年6月26日成功發(fā)射，由歐洲阿斯特留姆公司（現(xiàn)改名為歐洲空客防務(wù)與航天公司）研制。衛(wèi)星平臺(tái)采用歐洲星－3000（Eurostar－3000）平臺(tái)，衛(wèi)星定位于128.2°（E）。此次拍攝到爆炸煙云的是韓國(guó)通信、海洋及氣象衛(wèi)星－1的氣象成像儀（MI），它是美國(guó)國(guó)際電話電報(bào)公司宇航和通信分部的商業(yè)增強(qiáng)靜止軌道成像儀（CAGI）的商業(yè)現(xiàn)貨產(chǎn)品。該氣象成像儀是一臺(tái)可見(jiàn)光和紅外成像輻射計(jì)，有5個(gè)譜段，0.675μm、3.75μm、6.75μm、10.8μm和12.0μm。紅外譜段的分辨率為4km。

3顆日韓靜止軌道氣象衛(wèi)星拍攝的爆炸煙云情況

“向日葵”數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)

（2）氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)接脩?，便于快速分?/h2>

新一代“向日葵”衛(wèi)星不但觀測(cè)時(shí)間間隔大幅度縮短，而且從圖像獲取到分發(fā)的時(shí)間也大幅度縮短?！跋蛉湛睌?shù)據(jù)傳輸服務(wù)（HimawariCast）是日本氣象廳（JMA）新推出的一種氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，于2015年1月29日開(kāi)始試運(yùn)行，2015年中期開(kāi)始正式運(yùn)行，當(dāng)時(shí)利用多用途運(yùn)輸衛(wèi)星－2進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)。在此之前，多用途運(yùn)輸衛(wèi)星－2圖像的傳輸由高速率信息傳輸（HRIT）服務(wù)和低速率信息傳輸（LRIT）服務(wù)提供。日本氣象廳計(jì)劃在2015年11月停止這些服務(wù)，而以最新的“向日葵”數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)作為替代。該服務(wù)能夠每10min提供1次地球全盤圖像數(shù)據(jù)。

上圖是“向日葵”數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的流程圖，向日葵－8衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)首先通過(guò)日本氣象廳轉(zhuǎn)發(fā)給通信衛(wèi)星，再由日本通信衛(wèi)星中繼給各用戶，整個(gè)傳輸時(shí)間約在10min內(nèi)完成。目前，與之配套的通信衛(wèi)星是日本通信衛(wèi)星－2A （JCSat－2A），該衛(wèi)星定位于154°（E），用于廣播“向日葵”數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)數(shù)據(jù)。日本通信衛(wèi)星－2B將于2015年第四季度接替日本通信衛(wèi)星－2A。

（3）事件背后的思考

如上所述，日本向日葵－8衛(wèi)星的“先進(jìn)向日葵成像儀”實(shí)際是美國(guó)研制的，其快速觀測(cè)能力是目前最先進(jìn)的。美國(guó)CIMSS僅是一所大學(xué)的研究機(jī)構(gòu)，并不是國(guó)家層面的災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)部門，更不是美國(guó)軍方。美國(guó)衛(wèi)星能力和高效的反應(yīng)能力給了我們深刻的啟示。

首先，國(guó)外重視靜止軌道高分辨率衛(wèi)星的研制。運(yùn)行于靜止軌道的衛(wèi)星能夠?qū)^(qū)域進(jìn)行持續(xù)監(jiān)視，而低軌衛(wèi)星過(guò)頂速度快，事件發(fā)生時(shí)，上空可能沒(méi)有具備相應(yīng)觀測(cè)能力的低軌衛(wèi)星。國(guó)外以更新?lián)Q代靜止軌道氣象衛(wèi)星為基礎(chǔ)，正在逐步向高分辨率的靜止軌道光學(xué)成像衛(wèi)星邁進(jìn)。未來(lái)，靜止軌道衛(wèi)星分辨率有望提高到米級(jí)，屆時(shí)不但能夠?qū)Υ竺娣e爆炸或火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)視，還能夠?qū)π⌒椭攸c(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)跟蹤和監(jiān)視。從本次事件可以看出，國(guó)外民用靜止軌道衛(wèi)星已經(jīng)初步具備了對(duì)爆炸等大面積突發(fā)熱源的實(shí)時(shí)監(jiān)視能力。

其次，以日本為代表的國(guó)外新型靜止軌道氣象衛(wèi)星采用了新的數(shù)據(jù)傳輸方式，即“向日葵”數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，能夠在10min內(nèi)將圖像傳輸給最終用戶。

再次，根據(jù)推測(cè)，國(guó)外已具備高效的衛(wèi)星圖像自動(dòng)分析能力。目前，地球靜止軌道氣象衛(wèi)星分辨率比較低，紅外譜段的分辨率更低，僅為2km。也就是說(shuō)，對(duì)于向日葵－8衛(wèi)星，其探測(cè)器上的1個(gè)像元只能分辨2km的物體。從國(guó)外公布的衛(wèi)星圖像看，爆炸引發(fā)的火災(zāi)反應(yīng)在1幅圖像上，僅有1個(gè)或幾個(gè)像素點(diǎn)的變化。從數(shù)量眾多的衛(wèi)星圖像中，依靠人工發(fā)現(xiàn)幾個(gè)像素點(diǎn)的變化是非常困難的。而美國(guó)CIMSS研究所擁有很多氣象觀測(cè)模型和算法，例如，環(huán)境模型和數(shù)據(jù)同化算法、生物質(zhì)燃燒監(jiān)測(cè)模型、全球紅外輻射系數(shù)模型、區(qū)域同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)等，這些模型或算法很有可能在這次爆炸事件中，對(duì)衛(wèi)星圖像進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，從而使研究人員能夠在第一時(shí)間獲取到相關(guān)衛(wèi)星圖片，并制作了動(dòng)畫。

綜合上述分析，對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)，不僅需要性能優(yōu)良的衛(wèi)星，而且需要面對(duì)應(yīng)急災(zāi)害事件和公共安全事件的數(shù)據(jù)傳輸與分發(fā)機(jī)制，以及災(zāi)害事件的圖像分析模型和算法等。