高軌SAR衛(wèi)星在綜合減災(zāi)中的應(yīng)用潛力和工作模式需求

張薇 楊思全 范一大 吳瑋 趙秉吉

(1 民政部國(guó)家減災(zāi)中心,北京 100124)(2 民政部信息中心,北京 100721) (3 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

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高軌SAR衛(wèi)星在綜合減災(zāi)中的應(yīng)用潛力和工作模式需求

張薇1楊思全1范一大2吳瑋1趙秉吉3

(1 民政部國(guó)家減災(zāi)中心,北京 100124)(2 民政部信息中心,北京 100721) (3 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

地球同步軌道合成孔徑雷達(dá)(GEO SAR，高軌SAR)衛(wèi)星集合了地球同步軌道和主動(dòng)微波遙感觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)。文章分析了高軌SAR衛(wèi)星在綜合減災(zāi)中的應(yīng)用潛力，包括在洪澇災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害、旱災(zāi)、雪災(zāi)等方面的應(yīng)用。從減災(zāi)應(yīng)用的角度，分別比較了高軌SAR衛(wèi)星與可見(jiàn)光衛(wèi)星和現(xiàn)有中低軌SAR衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)綜合減災(zāi)應(yīng)用，提出了4種高軌SAR衛(wèi)星工作模式需求，包括災(zāi)害常規(guī)模式、單災(zāi)應(yīng)急模式、多災(zāi)應(yīng)急模式和區(qū)域?yàn)?zāi)害模式。文章的分析表明，高軌SAR衛(wèi)星尤其適合于自然災(zāi)害的大尺度、全天時(shí)、全天候的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

地球同步軌道合成孔徑雷達(dá)；綜合減災(zāi)；應(yīng)用潛力；工作模式

1 引言

綜合減災(zāi)是對(duì)各種自然災(zāi)害及其全過(guò)程進(jìn)行整體的、綜合的減災(zāi)措施，包括多災(zāi)種、多要素、全過(guò)程、多尺度的減災(zāi)措施。多災(zāi)種減災(zāi)即洪澇災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害、干旱災(zāi)害、雪災(zāi)等災(zāi)種的監(jiān)測(cè)，各災(zāi)種間還存在一定的自然內(nèi)在聯(lián)系，涉及到災(zāi)害鏈，例如臺(tái)風(fēng)-暴雨-洪澇-地質(zhì)災(zāi)害鏈。多要素減災(zāi)即指孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子、承災(zāi)體等構(gòu)成災(zāi)害要素的監(jiān)測(cè)。全過(guò)程減災(zāi)即指災(zāi)害發(fā)展過(guò)程的災(zāi)前預(yù)警、災(zāi)中監(jiān)測(cè)、災(zāi)后恢復(fù)重建的全過(guò)程監(jiān)測(cè)。多尺度減災(zāi)包括全球尺度、國(guó)家尺度、區(qū)域尺度、更小單元尺度等完整的監(jiān)測(cè)體系。因此，可以從多個(gè)角度對(duì)綜合減災(zāi)加以論述。

空間技術(shù)對(duì)地探測(cè)譜段，廣義上包括光學(xué)和微波，光學(xué)又包含可見(jiàn)光和紅外等。合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種高分辨率成像雷達(dá)，作為一種主動(dòng)式的微波傳感器，利用與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)合成較大的等效天線孔徑，以達(dá)到空間上的高分辨率。相對(duì)于光學(xué)遙感，SAR具有不受光照和氣候條件等限制，實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候?qū)Φ赜^測(cè)的特點(diǎn)，甚至可以透過(guò)地表或植被獲取其掩蓋的信息。目前，我國(guó)大部分陸地觀測(cè)光學(xué)和微波衛(wèi)星運(yùn)行在400～800 km范圍內(nèi)的中低軌道區(qū)間，回歸周期在數(shù)十天數(shù)量級(jí)上，難以滿足災(zāi)害應(yīng)急時(shí)效性需求。災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查、預(yù)警預(yù)測(cè)和應(yīng)急管理等業(yè)務(wù)工作，需要地球同步軌道衛(wèi)星具備高時(shí)空分辨率、機(jī)動(dòng)靈活、大幅寬、應(yīng)急成像等特點(diǎn)。

地球同步軌道合成孔徑雷達(dá)(GEO SAR，高軌SAR)是一種新體制星載SAR。高軌SAR衛(wèi)星工作于高度為35 786 km的地球同步軌道，衛(wèi)星在每天同一時(shí)間的星下點(diǎn)軌跡相同，覆蓋范圍大，成像幅寬2000 km以上，有利于獲得宏觀同步信息。高軌SAR衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)對(duì)地連續(xù)觀測(cè)，對(duì)某一固定地區(qū)通過(guò)波束控制可獲得小時(shí)級(jí)的觀測(cè)資料，具有很高的時(shí)間分辨率。高軌SAR衛(wèi)星能夠?qū)⒌厍蛲杰壍赖能壩粌?yōu)勢(shì)與SAR衛(wèi)星穿透能力強(qiáng)、不受氣象條件和黑夜影響的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地球全天候、大范圍、高時(shí)間分辨率、中等空間分辨率的觀測(cè)。

目前，全球還沒(méi)有在軌運(yùn)行的高軌SAR衛(wèi)星，但高軌SAR衛(wèi)星已經(jīng)成為星載SAR的研究熱點(diǎn)。從1978年K.Tomiyasu與美國(guó)NASA合作對(duì)高軌SAR衛(wèi)星進(jìn)行了初始的參數(shù)分析[1-2]到現(xiàn)在，美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、意大利、中國(guó)等在天線體制、系統(tǒng)參數(shù)、系統(tǒng)方案、衛(wèi)星組網(wǎng)、后端信號(hào)處理，甚至衛(wèi)星能源供給等方面開(kāi)展了全面而深入的分析和設(shè)計(jì)[3-7]。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，高軌SAR衛(wèi)星的系統(tǒng)方案已相對(duì)成熟，SAR信號(hào)處理方案基本進(jìn)展到仿真驗(yàn)證階段，但尚未見(jiàn)針對(duì)高軌SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)特點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用分析的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。應(yīng)用需求是衛(wèi)星研制的動(dòng)力和牽引，本文從綜合減災(zāi)角度，論述高軌SAR衛(wèi)星的應(yīng)用潛力，并針對(duì)減災(zāi)應(yīng)用提出了高軌SAR衛(wèi)星的工作模式需求，為高軌SAR衛(wèi)星后續(xù)應(yīng)用提供參考。

2 高軌SAR衛(wèi)星在綜合減災(zāi)中的應(yīng)用潛力分析

近年來(lái)，我國(guó)極端天氣事件發(fā)生頻繁，重大自然災(zāi)害日益增多，災(zāi)害影響范圍分布廣泛，災(zāi)害損失持續(xù)加重，并呈現(xiàn)出多災(zāi)并發(fā)、群發(fā)和集中爆發(fā)的特征。為更好地應(yīng)對(duì)重大自然災(zāi)害，迫切須要加強(qiáng)對(duì)地觀測(cè)手段應(yīng)用，提高對(duì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)能力，增強(qiáng)災(zāi)害救助決策和災(zāi)情評(píng)估的科學(xué)性、及時(shí)性，最大限度地減少災(zāi)害造成的損失。結(jié)合高軌SAR衛(wèi)星的特點(diǎn)，本文主要從洪澇、地質(zhì)、旱災(zāi)、雪災(zāi)等災(zāi)害角度分析高軌SAR衛(wèi)星的應(yīng)用潛力[8]。

2.1 洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估

洪澇是我國(guó)主要自然災(zāi)害之一，也是每年造成經(jīng)濟(jì)損失最大的自然災(zāi)害，其主要特點(diǎn)是發(fā)生頻率高、影響范圍廣。洪澇發(fā)生時(shí)，洪澇范圍和水淹深度信息的高效準(zhǔn)確提取是危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、人員安全轉(zhuǎn)移等救災(zāi)決策的重要依據(jù)。一方面，高軌SAR衛(wèi)星搭載的主動(dòng)式微波傳感器，可以穿透云雨全天時(shí)、全天候地獲取洪泛區(qū)的遙感數(shù)據(jù)；另一方面，SAR影像提取水體技術(shù)的可用性和優(yōu)勢(shì)已經(jīng)被廣泛接受，利用高軌SAR衛(wèi)星進(jìn)行洪水范圍的提取在技術(shù)上完全可行[9]。因此，在洪澇范圍提取的基礎(chǔ)上，結(jié)合災(zāi)區(qū)的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)和其他基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，可以快速提取大區(qū)域洪水淹沒(méi)的深度。流域性洪澇的一個(gè)特點(diǎn)是要求影像覆蓋范圍廣，很可能會(huì)大于數(shù)百萬(wàn)平方千米，低軌道SAR衛(wèi)星難以覆蓋，而高軌SAR衛(wèi)星的觀測(cè)幅寬可達(dá)數(shù)千千米，能很好地解決這個(gè)問(wèn)題。此外，由于洪澇災(zāi)害動(dòng)態(tài)變化性很強(qiáng)，對(duì)洪澇范圍高頻次的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)相當(dāng)重要。通過(guò)對(duì)高軌SAR衛(wèi)星軌道等系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)同一區(qū)域1小時(shí)級(jí)的重復(fù)觀測(cè)，很好地實(shí)現(xiàn)洪水范圍高效精準(zhǔn)提取及長(zhǎng)時(shí)序洪水演進(jìn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)化技術(shù)路線如圖1所示，序列高軌SAR影像分別獲取洪水淹沒(méi)范圍，疊加空間信息獲取洪水淹沒(méi)深度，進(jìn)而獲取高時(shí)效的洪水動(dòng)態(tài)演進(jìn)情況。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)

近年來(lái)，滑坡、泥石流、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)安全造成巨大威脅。星載SAR干涉測(cè)量技術(shù)已被證明在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有很大的潛力[10]，但目前已發(fā)射升空的SAR衛(wèi)星均處于太陽(yáng)同步軌道，在輻射范圍和重訪周期等方面都受到了極大的限制，難以滿足災(zāi)害應(yīng)急、搶險(xiǎn)和救災(zāi)的需求。高軌SAR衛(wèi)星工作于地球同步軌道，對(duì)地球的覆蓋性好，可以很好地解決上述瓶頸問(wèn)題。在高軌SAR衛(wèi)星應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)時(shí)，要突破一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，即在時(shí)空基線、電離層誤差和軌道誤差的影響下實(shí)現(xiàn)重軌干涉，衛(wèi)星設(shè)計(jì)方案中要考慮軌道定位誤差、軌道測(cè)量誤差和電離層對(duì)干涉相位及精度的影響。

2.3 旱情監(jiān)測(cè)

干旱是我國(guó)最常見(jiàn)、對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響最大的氣候?yàn)?zāi)害，干旱受災(zāi)面積占農(nóng)作物總受災(zāi)面積的50%以上，在嚴(yán)重干旱年份比例高達(dá)75%。旱災(zāi)的主要特點(diǎn)是發(fā)生頻次高，受災(zāi)范圍廣，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量影響大。土壤含水量是旱情監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)旱災(zāi)防御意義重大。土壤含水量的高低可以顯著影響土壤的介電常數(shù)，而微波對(duì)土壤介電常數(shù)的變化非常敏感[11]，與可見(jiàn)光相比，SAR工作的微波信號(hào)波長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)，能夠穿透植被，并對(duì)土壤具有一定的穿透能力，因此可獲取更豐富、更準(zhǔn)確的信息。與中低軌SAR衛(wèi)星相比，高軌SAR衛(wèi)星可對(duì)受災(zāi)區(qū)域大范圍、高頻次地進(jìn)行土壤水分反演。

2.4 雪災(zāi)監(jiān)測(cè)

高軌SAR衛(wèi)星具有一定的穿透性，可用于可見(jiàn)光和紅外遙感無(wú)法實(shí)現(xiàn)的積雪深度和密度反演。高軌SAR衛(wèi)星比中低軌SAR衛(wèi)星具有高重訪性的優(yōu)勢(shì)，能對(duì)同一地區(qū)積雪面積變化信息進(jìn)行高頻次、大范圍的提取，實(shí)現(xiàn)對(duì)積雪面積變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。此外，通過(guò)建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ?，高軌SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)可反演積雪雪水當(dāng)量，為融雪性洪水預(yù)報(bào)提供信息輸入[12-13]。

3 高軌SAR衛(wèi)星工作模式

基于綜合減災(zāi)的應(yīng)用需求以及高軌SAR衛(wèi)星的特點(diǎn)，高軌SAR衛(wèi)星在綜合減災(zāi)中的主要工作模式包括災(zāi)害常規(guī)模式、單災(zāi)應(yīng)急模式、多災(zāi)應(yīng)急模式和區(qū)域?yàn)?zāi)害模式，如圖2所示。

3.1 災(zāi)害常規(guī)模式

災(zāi)害常規(guī)模式針對(duì)常規(guī)SAR條帶成像模式，高軌SAR條帶模式成像期間，衛(wèi)星姿態(tài)保持不變，波束指向也保持不變。在沒(méi)有災(zāi)害的情況下，要對(duì)我國(guó)及周邊地區(qū)進(jìn)行連續(xù)周期性觀測(cè)，此時(shí)采用災(zāi)害常規(guī)模式。通過(guò)不斷積累這些區(qū)域的影像，反演災(zāi)害背景特征參數(shù)，進(jìn)行大范圍災(zāi)害脆弱性和風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查，在時(shí)空分析和災(zāi)害異常信息提取的基礎(chǔ)上，為災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)警提供支持。

3.2 單災(zāi)應(yīng)急模式

單災(zāi)應(yīng)急模式針對(duì)常規(guī)SAR條帶成像模式。災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)的最大特點(diǎn)是時(shí)效性要求很高，例如河湖堤壩潰決后洪水淹沒(méi)面積變化、堰塞湖水體面積變化等，需要分鐘級(jí)時(shí)間分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。在單災(zāi)應(yīng)急模式下，衛(wèi)星通過(guò)軌道控制、姿態(tài)調(diào)整、波束控制等實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域連續(xù)、高頻次的觀測(cè)。因此，高軌SAR衛(wèi)星單災(zāi)應(yīng)急模式特別適合變化很快的自然災(zāi)害應(yīng)急動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。以2010年6月21日江西撫河唱?jiǎng)P堤發(fā)生的潰壩為例，決堤長(zhǎng)度達(dá)到300多米，洪水傾瀉而下，1 h內(nèi)就淹沒(méi)了近百平方千米范圍。這種情況下，對(duì)于高軌SAR衛(wèi)星，按5 s變化一個(gè)像素計(jì)算，迫切須要實(shí)現(xiàn)小時(shí)級(jí)甚至分鐘級(jí)間隔對(duì)災(zāi)害進(jìn)行高頻次連續(xù)監(jiān)測(cè)。

3.3 多災(zāi)應(yīng)急模式

多災(zāi)應(yīng)急模式針對(duì)常規(guī)SAR條帶成像模式。該模式利用衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力對(duì)多個(gè)地區(qū)進(jìn)行交替成像，從而獲取多個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)測(cè)算，衛(wèi)星針對(duì)多災(zāi)地區(qū)交替成像觀測(cè)情況，衛(wèi)星姿態(tài)和載荷波束指向調(diào)整時(shí)間為1 h。多災(zāi)應(yīng)急模式可以同時(shí)對(duì)多個(gè)災(zāi)區(qū)的并發(fā)災(zāi)害進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)多場(chǎng)并發(fā)災(zāi)害的洪澇淹沒(méi)范圍、滑坡泥石流范圍、堰塞湖水體面積、干旱范圍、積雪范圍、海冰面積進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)評(píng)估及災(zāi)情發(fā)展趨勢(shì)分析。

3.4 區(qū)域?yàn)?zāi)害模式

區(qū)域?yàn)?zāi)害模式針對(duì)常規(guī)SAR掃描成像模式，高軌SAR掃描模式成像期間，衛(wèi)星姿態(tài)保持不變，波束指向沿距離向快速切換，可以達(dá)到較大的成像幅寬。該模式下，用戶可自定義一個(gè)成像區(qū)域，衛(wèi)星通過(guò)控制橫滾角，使波束中心瞄準(zhǔn)該區(qū)域中心位置，進(jìn)而利用波束的快速切換對(duì)大范圍區(qū)域成像。通過(guò)載荷掃描模式獲得覆蓋特定成像區(qū)域的圖像，滿足用戶要求。通常情況下，衛(wèi)星可在分鐘級(jí)內(nèi)完成上千千米幅寬范圍的成像。區(qū)域?yàn)?zāi)害模式適合于需要對(duì)較大范圍的災(zāi)害頻發(fā)區(qū)進(jìn)行周期性成像的情況，包括河湖范圍、植被生長(zhǎng)、積雪范圍等災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，以及覆蓋大于上千千米幅寬的大范圍受災(zāi)區(qū)域的監(jiān)測(cè)評(píng)估，如洪澇淹沒(méi)范圍監(jiān)測(cè)、干旱范圍、積雪范圍、海冰范圍監(jiān)測(cè)，生態(tài)環(huán)境恢復(fù)重建監(jiān)測(cè)評(píng)估。

3.5 對(duì)衛(wèi)星設(shè)計(jì)的建議

高軌SAR衛(wèi)星的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在高時(shí)效的應(yīng)急需求，在單災(zāi)應(yīng)急模式和多災(zāi)應(yīng)急模式下，需要衛(wèi)星在保持運(yùn)行穩(wěn)定性的同時(shí)，能夠機(jī)動(dòng)靈活地控制雷達(dá)波束指向，完成應(yīng)急區(qū)域的高時(shí)效成像。因此，衛(wèi)星設(shè)計(jì)方案要考慮雷達(dá)波束機(jī)動(dòng)靈活的控制能力及衛(wèi)星壽命有效期內(nèi)的波束調(diào)整次數(shù)限制。

高軌SAR成像機(jī)理與低軌SAR一致：距離向的成像分辨率通過(guò)發(fā)射一定帶寬的線性調(diào)頻脈沖信號(hào)，進(jìn)行脈沖壓縮來(lái)實(shí)現(xiàn)；通過(guò)雷達(dá)與目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生多普勒頻率，進(jìn)行匹配濾波來(lái)獲得方位向的成像分辨率。在成像理論方面，兩者在雷達(dá)方程、模糊設(shè)計(jì)、成像非理想因素影響的分析方法上是一致的。然而，由于高軌SAR衛(wèi)星的軌道特性，在軌道高度、雷達(dá)作用距離、地球自轉(zhuǎn)、變速運(yùn)動(dòng)、彎曲軌跡、合成孔徑時(shí)間、電離層影響、斜視8個(gè)方面，存在與低軌SAR衛(wèi)星明顯不同的成像特性，并對(duì)系統(tǒng)性能及系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從綜合減災(zāi)角度分析了高軌SAR衛(wèi)星相比于光學(xué)衛(wèi)星和中低軌SAR衛(wèi)星在洪澇、地質(zhì)、干旱、雪災(zāi)等減災(zāi)應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)和潛力，提出了高軌SAR衛(wèi)星的工作模式需求及衛(wèi)星設(shè)計(jì)建議。高軌SAR衛(wèi)星將是我國(guó)衛(wèi)星減災(zāi)應(yīng)用體系中至關(guān)重要的數(shù)據(jù)源之一，能有效填補(bǔ)載荷類型、覆蓋范圍、時(shí)間分辨率、空間分辨率等方面的空白或不足。高軌SAR衛(wèi)星不依賴于太陽(yáng)輻射的影響，可用于自然災(zāi)害的預(yù)警、監(jiān)測(cè)和評(píng)估，是“天-空-地-現(xiàn)場(chǎng)”一體化災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)中的重要基礎(chǔ)，尤其在臺(tái)風(fēng)暴雨洪澇、地震及滑坡泥石流等次生災(zāi)害、旱災(zāi)、雪災(zāi)等災(zāi)害管理環(huán)節(jié)中具有巨大的應(yīng)用潛力。

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(編輯：夏光)

Application Potential and Working Mode Requirements of GEO SAR Satellite for Comprehensive Disaster Reduction

ZHANG Wei1YANG Siquan1FAN Yida2WU Wei1ZHAO Bingji3

(1 National Disaster Reduction Center of China,MCA,Beijing 100124,China) (2 Information Center,MCA,Beijing 100721,China) (3 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

GEO SAR (geosynchronous orbit synthetic aperture radar) satellite combines the advantages of earth geosynchronous orbit and active microwave remote sensing. This paper analyzes GEO SAR’s application potential in comprehensive disaster reduction,including floods,droughts,geological disasters and snow accumulation. Comparison with visible remote sensing and existing spaceborne SAR in LEO (low earth orbit) is carried out from the point of view of disaster reduction. Four working modes are proposed for different purposes in comprehensive disaster reduction,including daily survey,signal disaster response,multi disaster response and regional observation. It is shown that GEO SAR is especially suitable for dynamic monitoring of natural disaster in large scale,all-day and all-weather.

GEO SAR； comprehensive disaster reduction； application potential； working mode

2016-11-17；

2017-01-09

張薇，女，博士，副研究員，研究方向?yàn)榭臻g技術(shù)減災(zāi)應(yīng)用。Email：rruun@126.com。

V19

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.018