高分三號(hào)衛(wèi)星減災(zāi)行業(yè)應(yīng)用能力分析

楊思全 李素菊 吳瑋 崔燕 劉明

(民政部國家減災(zāi)中心,北京 100124)

高分三號(hào)衛(wèi)星減災(zāi)行業(yè)應(yīng)用能力分析

楊思全 李素菊 吳瑋 崔燕 劉明

(民政部國家減災(zāi)中心,北京 100124)

高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星能夠高時(shí)效地實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用模式下1～500 m分辨率、10～650 km幅寬的微波遙感數(shù)據(jù)獲取,為洪澇、地震、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)和損失評(píng)估提供了有力支撐。在介紹高分三號(hào)衛(wèi)星成像特點(diǎn)基礎(chǔ)上,從地表參數(shù)反演、地物目標(biāo)識(shí)別、變化檢測(cè)3個(gè)方面,結(jié)合2017年度四川茂縣山體滑坡、吉林洪澇災(zāi)害等重特大自然災(zāi)害,深入開展了GF-3衛(wèi)星災(zāi)害要素監(jiān)測(cè)、應(yīng)急監(jiān)測(cè)、損失評(píng)估及恢復(fù)重建監(jiān)測(cè)等災(zāi)害管理全流程的應(yīng)用能力分析,可為后期提升災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估水平奠定基礎(chǔ)。

高分三號(hào)衛(wèi)星;減災(zāi);關(guān)鍵技術(shù);應(yīng)用能力

1 引言

我國是世界上自然災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一,具有災(zāi)害種類多,分布地域廣,發(fā)生頻率高,造成損失大等特點(diǎn)?！笆濉睍r(shí)期,全球氣候變化日益顯著、地震呈活躍態(tài)勢(shì),我國各類自然災(zāi)害多發(fā)頻發(fā),相繼發(fā)生了長江中下游嚴(yán)重夏伏旱、京津冀特大洪澇、四川蘆山地震、甘肅岷縣漳縣地震、黑龍江松花江嫩江流域性大洪水、“威馬遜”超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、云南魯?shù)榈卣鸬戎靥卮笞匀粸?zāi)害。衛(wèi)星遙感技術(shù)可實(shí)現(xiàn)針對(duì)某一區(qū)域的定期觀測(cè),并獲取地物目標(biāo)動(dòng)態(tài)變化,已成為災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估的重要手段之一,近年來,隨著環(huán)境減災(zāi)小衛(wèi)星、高分系列衛(wèi)星的發(fā)射,已逐步實(shí)現(xiàn)災(zāi)害衛(wèi)星遙感業(yè)務(wù)化,在減輕災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)及損失方面發(fā)揮了重要作用[1]。

自然災(zāi)害發(fā)生期間多伴隨不良天氣條件,高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星作為高分專項(xiàng)天基系統(tǒng)(民用)中唯一一顆SAR衛(wèi)星,具有全天時(shí)、全天候、高分辨率、全極化、多模式等觀測(cè)特點(diǎn),對(duì)于自然災(zāi)害發(fā)生極端天氣條件下的對(duì)地觀測(cè)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。GF-3衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)聚束、條帶、掃描等12種工作模式,可以獲取不同分辨率、幅寬及極化方式影像數(shù)據(jù),并具備雙側(cè)視觀測(cè)功能,可實(shí)現(xiàn)快速重訪觀測(cè)。但是,不同災(zāi)害類型對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)需求存在不同,不同災(zāi)害系統(tǒng)要素監(jiān)測(cè)對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)模式也存在較大差異,為了提升GF-3衛(wèi)星在我國防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)中的工作效能,本文從地表參數(shù)反演、地物目標(biāo)識(shí)別、變化檢測(cè)3個(gè)方面,結(jié)合2017年度四川茂縣山體滑坡、吉林洪澇災(zāi)害等重特大自然災(zāi)害,開展GF-3衛(wèi)星減災(zāi)行業(yè)的應(yīng)用能力分析。

2 減災(zāi)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

2．1 地表參數(shù)反演技術(shù)

地表參數(shù)反演是遙感技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)性工作,GF-3衛(wèi)星可提供多極化方式、多空間分辨率C頻段觀測(cè)數(shù)據(jù),綜合利用不同極化方式后向散射系數(shù)、極化特性、干涉信息等,為植物生物量、土壤含水量、裸露地表微地貌形態(tài)、數(shù)字高程模型(DEM)、地表形變等地表參數(shù)提供重要數(shù)據(jù)支撐。

生物量估算是開展農(nóng)作物受災(zāi)與絕收的重要參考依據(jù)。相比于光學(xué)遙感數(shù)據(jù),微波遙感數(shù)據(jù)可以提供全天候觀測(cè)數(shù)據(jù),通過構(gòu)建后向散射系數(shù)與植被生物量的關(guān)系模型,利用線性回歸、非線性回歸、逐步回歸、K最近鄰方法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法開展生物量估算,或可基于MIMICS、水云以及Roo等植被散射模型,利用極化分解技術(shù),提取極化特征參數(shù),并結(jié)合土壤、植被在典型植被類型關(guān)鍵生長期的散射貢獻(xiàn),分析并構(gòu)建對(duì)生物量敏感的特征參數(shù),開展生物量反演模型的構(gòu)建[2-3]。

土壤含水量是開展干旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)。土壤含水量直接影響土壤介電常數(shù),并進(jìn)而改變后向散射系統(tǒng),但也容易受到地表微形態(tài)散射因素影響。為開展土壤含水量提取,通常在不用入射頻率、入射角、介電常數(shù)、地表粗糙條件以及不同極化方式下,依托各類經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?分析后向散射系數(shù)對(duì)土壤含水量、地表粗糙度的響應(yīng)關(guān)系,開展基于微波遙感數(shù)據(jù)的土壤含水量的反演[4]。

GF-3衛(wèi)星可提供C頻段微波遙感數(shù)據(jù),鑒于其波長相對(duì)較小,穿透能力較弱,可對(duì)低矮植被(農(nóng)作物)開展生物量反演,并可重點(diǎn)開展裸露地表土壤含水量反演工作。

2．2 地物目標(biāo)識(shí)別技術(shù)

居民區(qū)、農(nóng)田、交通線、水體等陸表地物目標(biāo)提取是開展災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,GF-3衛(wèi)星可提供多種極化方式觀測(cè)數(shù)據(jù),在實(shí)際災(zāi)害應(yīng)對(duì)過程中,將綜合災(zāi)害類型、數(shù)據(jù)極化類型、提取目標(biāo)要求等情況,選擇相應(yīng)的技術(shù)手段開展典型陸表地物目標(biāo)的識(shí)別與提取。

針對(duì)單極化數(shù)據(jù)(聚束模式),在SAR數(shù)據(jù)濾波、斑噪抑制基礎(chǔ)上,重點(diǎn)依托面向?qū)ο蠹?jí)紋理特征分析,開展經(jīng)典紋理特征、統(tǒng)計(jì)紋理特征及高級(jí)紋理特征提取,并在此基礎(chǔ)上,結(jié)合不同地物類型紋理特征,基于各類影像分類器開展典型地物目標(biāo)的提取。

針對(duì)全極化或雙極化數(shù)據(jù),將重點(diǎn)依托各類極化分解方法,通過簡單極化特征、相干分解特征、非相干分解特征信息提取,結(jié)合不同地物目標(biāo)散射特征,開展地物目標(biāo)提取。

由于洪澇災(zāi)害期間天氣條件大多不利于光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的獲取,因此SAR衛(wèi)星對(duì)洪澇災(zāi)害的監(jiān)測(cè)與評(píng)估作用明顯,而水體提取則為SAR影像目標(biāo)提取的重要內(nèi)容[5]。由于水體目標(biāo)在SAR影像上與道路、裸地、山體陰影等暗目標(biāo)較為相近,在開展多尺度分割的基礎(chǔ)上,需綜合利用形狀因子、DEM等信息開展干擾要素的剔除,從而提高水體目標(biāo)的識(shí)別精度[6]。

2．3 變化檢測(cè)技術(shù)

變化檢測(cè)是開展災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估的重要手段,經(jīng)過遙感技術(shù)的發(fā)展,已形成基于像素級(jí)、對(duì)象級(jí)的遙感影像變化檢測(cè)技術(shù)。GF-3衛(wèi)星具備雙側(cè)視、多角度觀測(cè)能力,在突發(fā)災(zāi)害應(yīng)對(duì)期間,不同側(cè)視數(shù)據(jù)將同時(shí)應(yīng)用到變化信息的檢測(cè)之中。針對(duì)不同側(cè)視GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù),需要利用DEM數(shù)據(jù),提取陰影、疊掩等明顯干擾有關(guān)變化的偽變化區(qū)域。

3 災(zāi)害應(yīng)用案例解析

3．1 災(zāi)害系統(tǒng)要素監(jiān)測(cè)

居民區(qū)、農(nóng)田是災(zāi)害系統(tǒng)承災(zāi)體要素的重要組成部分,GF-3衛(wèi)星全極化條帶模式數(shù)據(jù)可以提供不同極化方式后向散射系數(shù)、極化特征等信息,基于隨機(jī)森林、支持向量機(jī)等方法,可開展陸表典型目標(biāo)識(shí)別,如圖1(a)所示,為災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。同時(shí),由于不同農(nóng)作物耕種結(jié)構(gòu)、物候差異,通過與實(shí)地驗(yàn)證相結(jié)合,可開展作物種類的判別,見圖1(b)。

3．2 災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)與損失評(píng)估

我國災(zāi)害種類多樣,洪澇、地質(zhì)災(zāi)害等災(zāi)害監(jiān)測(cè)目標(biāo)、范圍均有所不同,GF-3衛(wèi)星具備聚束、條帶、掃描3種工作方式、12種成像模式,針對(duì)不同災(zāi)害類型,需針對(duì)性地選擇不同的成像模式以滿足災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)與評(píng)估所需。

洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)主要通過對(duì)比災(zāi)前、災(zāi)后水體范圍變化而實(shí)現(xiàn)。由于水體目標(biāo)在SAR影像上的特征較為明顯,10 m級(jí)空間分辨率數(shù)據(jù)即可滿足水體目標(biāo)的識(shí)別[7],在開展洪澇災(zāi)害范圍監(jiān)測(cè)中,重點(diǎn)根據(jù)災(zāi)害所影響范圍的不同選擇不同觀測(cè)模式的數(shù)據(jù)。2017年6月下旬,長江中下游地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降雨過程,湖南、江西多地遭受嚴(yán)重洪澇災(zāi)害。此次洪澇災(zāi)害影響范圍較廣,利用GF-3衛(wèi)星精細(xì)條帶2觀測(cè)模式數(shù)據(jù),并與其它衛(wèi)星融合應(yīng)用,開展洪澇災(zāi)害范圍動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),如圖2(a)所示。2017年7月13、19日,吉林省吉林市遭受兩次強(qiáng)降雨過程。基于GF-3衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)條帶、全極化條帶1等相對(duì)較窄的觀測(cè)模式數(shù)據(jù),通過水體識(shí)別,開展洪澇災(zāi)害范圍動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),并通過洪澇淹沒區(qū)域地類識(shí)別,開展洪澇災(zāi)害損失評(píng)估,如圖2(b)所示。

根據(jù)不同觀測(cè)模式數(shù)據(jù)開展洪澇監(jiān)測(cè)中所用的方法也略有差異,雙極化數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)預(yù)處理基礎(chǔ)上,利用水平集分割方式開展水體識(shí)別,全極化數(shù)據(jù)則通過極化分解基礎(chǔ)上,基于水體目標(biāo)散射以表面散射為主的特征,開展水體目標(biāo)識(shí)別。

針對(duì)單一大規(guī)模山體滑坡災(zāi)害,滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害影響范圍相對(duì)較小,利用聚束模式可以獲取1 m空間分辨率單極化影像,滑坡體與周邊地物的紋理特征存在較大差異,有助于山體滑坡體的識(shí)別。2017年8月28日10時(shí)40分,貴州省畢節(jié)市納雍縣張家灣鎮(zhèn)普灑社區(qū)發(fā)生山體滑坡。基于GF-3衛(wèi)星聚束模式數(shù)據(jù),可清晰判讀滑坡體與周邊地物差異,并且通過居民區(qū)道路分布等信息,進(jìn)一步確定滑坡體范圍,見圖3(a)。同時(shí),滑坡、泥石流將原有山體表面的植被信息毀壞,地表散射特征也將發(fā)生明顯變化[8]?；谌珮O化條帶1模式數(shù)據(jù),基于極化分解方法,根據(jù)滑坡體與周邊地表散射特征差異開展滑坡體的識(shí)別。2017年6月24日6時(shí)許,四川阿壩州茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村發(fā)生山體高位垮塌?；贕F-3衛(wèi)星全極化觀測(cè)數(shù)據(jù),開展滑坡體識(shí)別,并通過與災(zāi)前衛(wèi)星影像對(duì)比分析,開展災(zāi)害損失評(píng)估,見圖3(b)。

針對(duì)地震所誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè),由于嚴(yán)重地震災(zāi)害誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害范圍較廣[9-10],綜合考慮聚束、全極化條帶模式在滑坡識(shí)別能力、成像幅寬等方面的差異,利用全極化數(shù)據(jù)開展滑坡體識(shí)別。2017年8月8日21時(shí)19分,四川省阿壩州九寨溝縣發(fā)生7．0級(jí)地震?；贕F-3衛(wèi)星全極化觀測(cè)模式數(shù)據(jù),開展滑坡體識(shí)別,并與光學(xué)遙感數(shù)據(jù)結(jié)合,完成Ⅷ度區(qū)內(nèi)滑坡與道路毀損監(jiān)測(cè)(圖4)。

3．3 災(zāi)害恢復(fù)重建監(jiān)測(cè)

重大災(zāi)害后房屋重建是災(zāi)后救助工作的重要一環(huán)。以GF-3衛(wèi)星為代表的SAR數(shù)據(jù)可以有效彌補(bǔ)光學(xué)影像因天氣原因所造成的數(shù)據(jù)空缺,為災(zāi)后房屋重建全進(jìn)程監(jiān)測(cè)提供重要數(shù)據(jù)支撐。為有效開展房屋監(jiān)測(cè),重點(diǎn)利用聚束模式、全極化條帶1模式開展監(jiān)測(cè)。聚束模式數(shù)據(jù)具備高空間分辨率特點(diǎn),可以通過房屋紋理信息,判斷房屋重建情況,全極化條帶數(shù)據(jù)可提供不同目標(biāo)的散射特征,并通過散射特征的差異提取房屋信息?；贕F-3衛(wèi)星聚束、全極化觀測(cè)模式,在開展紋理分析、極化分解等基礎(chǔ)上,開展房屋、居民地識(shí)別,對(duì)2016年江蘇鹽城龍卷風(fēng)災(zāi)害恢復(fù)重建工作開展了監(jiān)測(cè)(圖5)。

4 結(jié)束語

GF-3衛(wèi)星作為我國高分專項(xiàng)(民用)中唯一一顆SAR衛(wèi)星,具有全天時(shí)、全天候、高分辨率、全極化、多模式等觀測(cè)特點(diǎn),通過聚束、條帶、掃描等觀測(cè)模式的綜合應(yīng)用,利用地表參數(shù)反演、地物目標(biāo)識(shí)別與變化檢測(cè)技術(shù),通過2017年防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)工作實(shí)踐,GF-3衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害系統(tǒng)目標(biāo)的有效提取,并可支撐洪澇、地震、地質(zhì)災(zāi)害范圍及損失評(píng)估工作,也補(bǔ)充了災(zāi)后恢復(fù)重建監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)于提升我國自然災(zāi)害衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)能力具有重要作用。但在后續(xù)工作中仍需加強(qiáng)以下工作。

(1)開展關(guān)鍵技術(shù)的精度驗(yàn)證與評(píng)價(jià)。針對(duì)地表參數(shù)反演、地類識(shí)別與變化檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù),開展地面與交叉數(shù)據(jù)驗(yàn)證,并結(jié)合驗(yàn)證結(jié)果,逐漸修正模型參數(shù),提高算法精度,為地表參數(shù)的定量化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

(2)逐步提升觀測(cè)時(shí)效性。災(zāi)害應(yīng)急管理工作時(shí)效性強(qiáng),針對(duì)突發(fā)重特大自然災(zāi)害,需要根據(jù)災(zāi)害類型、影響范圍、嚴(yán)重程度等特點(diǎn),選擇相應(yīng)的工作模式,對(duì)災(zāi)害開展快速靈活響應(yīng),提升衛(wèi)星觀測(cè)的時(shí)效性,更快更好地支撐防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)工作。

References)

[1]張薇,楊思全,王磊,等．合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)減災(zāi)應(yīng)用潛力研究綜述[J]．遙感技術(shù)與應(yīng)用,2012,27(6):904-911 Zhang Wei,Yang Siquan,Wang Lei,et al．Review on disaster reduction application potentiality of synthetic aperture radar[J]．Remote Sensing Technology and Application,2012,27(6):904-911(in Chinese)

[2]巨文珍,王新杰．合成孔徑雷達(dá)技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用[J]．世界林業(yè)研究,2009,22(5):40-44 Ju Wenzhen,Wang Xinjie．Review of synthetic aperture radar application in forestry[J]．World Forestry Research,2009,22(5):40-44(in Chinese)

[3]李平湘,趙伶俐,任燁仙．合成孔徑雷達(dá)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用和展望．地理空間信息,2017,15(3):1-4 Li Pingxiang,Zhao Lingli,Ren Yexian．Application of SAR in agricultural monitoring[J]．Geospatial Information,2017,15(3):1-4(in Chinese)

[4]張祥,陳報(bào)章,趙慧,等．基于時(shí)序Sentinel-1A數(shù)據(jù)的農(nóng)田土壤水分變化檢測(cè)分析[J]．遙感技術(shù)與應(yīng)用,2017,32(2):338-345 Zhang Xiang,Chen Baozhang,Zhao Hui,et al．Soil moisture change detection over bare agricultural area by means of time-series Sentinel-1A SAR data[J]．Remote Sensing Technology and Application,2017,32(2):338-345(in Chinese)

[5]王棟,陳映鷹,秦平．基于形態(tài)學(xué)和盲源分離合成孔徑雷達(dá)水體提取[J]．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,37(12):1673-1678 Wang Dong,Chen Yingying,Qin Ping．Method for water object extraction in SAR imagery based on morphology and blind source separation[J]．Journal of Tongji University(Natural Science),2009,37(12):1673-1678(in Chinese)

[6]賀飛躍,趙偉．含水體的合成孔徑雷達(dá)圖像配準(zhǔn)[J]．光學(xué)學(xué)報(bào),2017,37(09):0928001 He Feiyue,Zhao Wei．Image registration of synthetic aperture radar including body of water[J]．Acta Optica Sinica,2017,37(09):0928001(in Chinese)

[7]孫亞勇,黃詩峰,李紀(jì)人,等．Sentinel-1A SAR數(shù)據(jù)在緬甸伊洛瓦底江下游區(qū)洪水監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用．遙感技術(shù)與應(yīng)用,2017,32(2):282-288 Sun Yayong,Huang Shifeng,Li Jiren,et al．The downstream flood monitoring application of Myanmar Irrawaddy river based on Sentinel-1A SAR[J]．Remote Sensing Technology and Application,2017,32(2):282-288(in Chinese)

[8]陳立澤,申旭輝,田勤儉．合成孔徑雷達(dá)(SAR)及其在地質(zhì)和地震研究中的應(yīng)用[J]．地震,2003,23(1):29-35 Chen Lize,Shen Xuhui,Tian Qinjian．SAR technique and its application to geologic and seismic research[J]．Earthquake,2003,23(1):29-35(in Chinese)

[9]邵蕓,宮華澤,王世昂,等．多源雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)汶川地震災(zāi)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)[J]．遙感學(xué)報(bào),2008,12(6):865-870 Shao Yun,Gong Huaze,Wang Shiang,et al．Mulitsource SAR remote sensing data for rapid response to Wenchuan earthquake damage assessment[J]．Journal of Remote Sensing,2008,12(6):865-870(in Chinese)

[10]陳筠力,李威．國外SAR衛(wèi)星最新進(jìn)展與趨勢(shì)展望[J]．上海航天,2016,33(6):1-19 Chen Junli,Li Wei．Recent advances and trends of SAR satellites in foreign countries[J]．Aerospace Shanghai,2016,33(6):1-19(in Chinese)

Capacity Analysis of GF-3 Satellite on Disaster Management

YANG Siquan LI Suju WU Wei CUI Yan LIU Ming
(National Disaster Reduction Center of China,Beijing 100124,China)

GF-3 satellite can provide SAR image with the spatial resolution of 1～500m and the width of 10～650km．It would be much useful for the disaster monitoring and loss assessment including flood,earthquake,landslide and etc．In this paper,the capacity of GF-3 satellite on the disaster element monitoring,emergency monitoring and loss assessment would be analyzed in three parts such as parameter extraction,object recognition and change detection based on the practices on major disasters monitoring in 2017．

GF-3 satellite;disaster management;key technology;capacity analysis

P286

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.025

2017-10-24;

2017-11-13

高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)科研項(xiàng)目(03-Y20A10-9001-15/16,03-Y20A11-9001-15/16)

楊思全,男,博士,研究員,從事空間技術(shù)減災(zāi)應(yīng)用研究工作。Email:yangsiquan＠ndrcc．gov．cn。

(編輯:張小琳)