衛(wèi)星遙感在我國重大地震災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

李素菊 劉明

李素菊，應(yīng)急管理部國家減災(zāi)中心研究員，空間與重大災(zāi)害國際憲章項(xiàng)目經(jīng)理，衛(wèi)星應(yīng)急制圖國際工作組成員，曾任聯(lián)合國災(zāi)害管理與應(yīng)急反應(yīng)天基信息平臺(tái)北京辦公室高級(jí)專家和世界糧食計(jì)劃署項(xiàng)目官員。2003年獲北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院理學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事防災(zāi)減災(zāi)衛(wèi)星論證、應(yīng)用、科研與國際合作工作。先后主持民用高分專項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、自然科學(xué)基金等項(xiàng)目或課題5項(xiàng)，目前正在負(fù)責(zé)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“星機(jī)地協(xié)同的大地震災(zāi)后災(zāi)情快速調(diào)查關(guān)鍵技術(shù)研究”課題研究。作為技術(shù)骨干參與民用空間基礎(chǔ)設(shè)施10 多顆衛(wèi)星的論證與在軌測(cè)試工作。發(fā)表論文30 余篇，參與編寫出版專著4 部。

我國是世界上地震活動(dòng)最強(qiáng)烈和地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一，重大地震災(zāi)害往往造成大量人員傷亡、巨大財(cái)產(chǎn)損失和深遠(yuǎn)社會(huì)影響。近十年來，國家啟動(dòng)三級(jí)或以上救災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)的重大地震災(zāi)害有6次，具體包括2008年四川汶川地震、2010年青海玉樹地震、2013年四川蘆山地震、2014年云南魯?shù)榈卣稹?015年尼泊爾地震波及西藏災(zāi)區(qū)和2017年四川九寨溝地震。地震之后及時(shí)準(zhǔn)確掌握人口、房屋、基礎(chǔ)設(shè)施等受災(zāi)信息和滑坡、堰塞湖等次生災(zāi)害發(fā)生情況是開展應(yīng)急救援、救助和綜合評(píng)估的基礎(chǔ)和依據(jù)。重大地震災(zāi)害具有影響面廣、破壞力強(qiáng)、災(zāi)情復(fù)雜等特點(diǎn)，道路中斷情況時(shí)有發(fā)生，單靠地面人員調(diào)查往往難以在短時(shí)間內(nèi)全面獲取災(zāi)情信息。

衛(wèi)星遙感具有對(duì)地震災(zāi)區(qū)進(jìn)行大范圍、多尺度、動(dòng)態(tài)綜合觀測(cè)且不受地面條件限制等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為國內(nèi)外重大地震災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)的重要支撐技術(shù)手段之一。利用不同時(shí)相的衛(wèi)星影像可對(duì)震前和震后幾小時(shí)到幾天甚至幾周內(nèi)的情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，衛(wèi)星影像的空間分辨率和波段設(shè)置不同對(duì)災(zāi)區(qū)范圍和要素的識(shí)別監(jiān)測(cè)能力也不同。通過多種衛(wèi)星的協(xié)同觀測(cè)和綜合應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)對(duì)重大地震災(zāi)區(qū)主要損毀要素、次生災(zāi)害和安置帳篷等時(shí)空分布信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步將遙感監(jiān)測(cè)與地面調(diào)查手段相結(jié)合，可對(duì)地震災(zāi)害的態(tài)勢(shì)和損失進(jìn)行全面分析和綜合評(píng)估。

自2008年國家減災(zāi)中心在四川汶川地震中第一次大規(guī)模使用衛(wèi)星遙感技術(shù)開展地震監(jiān)測(cè)評(píng)估以來，隨著我國衛(wèi)星遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源不斷豐富，地震應(yīng)急監(jiān)測(cè)技術(shù)和產(chǎn)品體系不斷發(fā)展完善，目前已經(jīng)初步形成從衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取、監(jiān)測(cè)分析到產(chǎn)品服務(wù)的衛(wèi)星遙感地震應(yīng)急動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)體系。本文在對(duì)重大地震災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)流程、衛(wèi)星資源、監(jiān)測(cè)過程和產(chǎn)品服務(wù)進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例進(jìn)行了說明，進(jìn)一步提出后續(xù)工作建議，可為新時(shí)期地震應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作提供參考與借鑒。

圖 1 地震應(yīng)急監(jiān)測(cè)基本流程

監(jiān)測(cè)基本流程

根據(jù)應(yīng)急監(jiān)測(cè)流程，地震應(yīng)急監(jiān)測(cè)可分為數(shù)據(jù)獲取、處理分析、制圖生產(chǎn)和產(chǎn)品服務(wù)四個(gè)方面（圖1）。數(shù)據(jù)是監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)，衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取是指從用戶提出數(shù)據(jù)申請(qǐng)到獲得衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的過程，獲取災(zāi)后第一幅有效衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的時(shí)間是衛(wèi)星觀測(cè)能力的重要體現(xiàn)，也是決定應(yīng)急制圖效率的重要因素。該過程涉及用戶提出申請(qǐng)、衛(wèi)星方制訂任務(wù)規(guī)劃并將任務(wù)轉(zhuǎn)化為指令上注到衛(wèi)星、衛(wèi)星根據(jù)指令進(jìn)行遙感觀測(cè)并生成觀測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過地面接收站傳輸?shù)降孛?、?jīng)預(yù)處理生成初級(jí)圖像數(shù)據(jù)傳給用戶使用等多個(gè)環(huán)節(jié)，也是衛(wèi)星應(yīng)急監(jiān)測(cè)流程中最為關(guān)鍵、復(fù)雜和耗費(fèi)時(shí)間最長的階段，其中耗費(fèi)時(shí)間的長短則主要取決于可用衛(wèi)星數(shù)量和衛(wèi)星的觀測(cè)周期。處理分析首先是對(duì)衛(wèi)星影像進(jìn)行幾何校正、圖像質(zhì)量提升等基本處理，進(jìn)而針對(duì)地震災(zāi)害中關(guān)注的目標(biāo)信息對(duì)影像的紋理、光譜、幾何形態(tài)等多種特征進(jìn)行分析基礎(chǔ)上，識(shí)別提取需要的相關(guān)信息，進(jìn)一步通過與地震相關(guān)地面信息和基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并通過空間分析生成監(jiān)測(cè)信息的過程。制圖生產(chǎn)是根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范將處理分析產(chǎn)生的信息以制圖的方式表達(dá)的過程。最后是將制作的制圖產(chǎn)品通過多種方式和形式分發(fā)給地震應(yīng)急決策者為其服務(wù)的過程。

主要衛(wèi)星資源

可用的衛(wèi)星資源越多，監(jiān)測(cè)的時(shí)效性就越高。目前國家減災(zāi)中心已經(jīng)針對(duì)常態(tài)和應(yīng)急兩種模式建立了響應(yīng)的衛(wèi)星獲取渠道和機(jī)制。常態(tài)條件下以定期獲得我國環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星、高分系列衛(wèi)星和國際開放衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主，在應(yīng)急條件下，除常態(tài)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星外，還通過國內(nèi)應(yīng)急監(jiān)測(cè)機(jī)制和國際應(yīng)急合作機(jī)制，獲取其他民用衛(wèi)星、商業(yè)衛(wèi)星和國際憲章衛(wèi)星等資源（圖2）。

圖2 地震應(yīng)急監(jiān)測(cè)衛(wèi)星獲取機(jī)制

目前我國民用衛(wèi)星已經(jīng)形成氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、資源衛(wèi)星、環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星和高分衛(wèi)星系列，其中地震監(jiān)測(cè)中使用的衛(wèi)星資源以空間分辨率較高的資源、環(huán)境減災(zāi)和高分衛(wèi)星等地球觀測(cè)衛(wèi)星為主，目前我國已經(jīng)具有近20顆在軌運(yùn)行的地球觀測(cè)衛(wèi)星，初步形成以中高空間分辨率和雷達(dá)光學(xué)相結(jié)合的全天時(shí)全天候的綜合觀測(cè)能力。商業(yè)衛(wèi)星普遍具有空間分辨率高和應(yīng)急獲取能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是地震應(yīng)急監(jiān)測(cè)評(píng)估的重要數(shù)據(jù)源，目前我國的商業(yè)衛(wèi)星均是高分辨率光學(xué)衛(wèi)星，已經(jīng)具有以北京二號(hào)衛(wèi)星、吉林一號(hào)衛(wèi)星和高景衛(wèi)星為代表的0.5～1米空間分辨率的系列衛(wèi)星，目前國家減災(zāi)中心已經(jīng)與以上衛(wèi)星運(yùn)營商之間簽訂了合作協(xié)議，為大災(zāi)應(yīng)急期間及時(shí)獲取高分辨率衛(wèi)星影像提供保障。

地震災(zāi)害無國界，衛(wèi)星遙感亦無國界。重大災(zāi)害應(yīng)急是國際衛(wèi)星遙感合作應(yīng)用最為活躍的領(lǐng)域，世界上目前已經(jīng)形成多個(gè)專門針對(duì)重大災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星國際合作機(jī)制，其中空間與重大災(zāi)害國際憲章(CHARTER)是迄今為止運(yùn)行最為成功的應(yīng)急機(jī)制，可在重大災(zāi)害時(shí)協(xié)同共享來自17個(gè)成員的40多顆在軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)，該機(jī)制自2000年正式運(yùn)行以來已經(jīng)為100多個(gè)國家的500多次重大災(zāi)害提供應(yīng)急監(jiān)測(cè)服務(wù)。2007年中國加入該機(jī)制，國家減災(zāi)中心作為授權(quán)用戶可在我國發(fā)生重大災(zāi)害時(shí)啟動(dòng)和使用該機(jī)制的衛(wèi)星資源。目前該機(jī)制已經(jīng)為我國包括汶川地震在內(nèi)的7次重大地震災(zāi)害提供衛(wèi)星數(shù)據(jù)支持，汶川地震期間通過該機(jī)制共獲取來自國際20多顆衛(wèi)星的數(shù)百幅衛(wèi)星影像，成為汶川地震衛(wèi)星應(yīng)急監(jiān)測(cè)的主要數(shù)據(jù)源。

動(dòng)態(tài)應(yīng)急監(jiān)測(cè)

地震災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程（圖3），根據(jù)地震應(yīng)急管理過程和衛(wèi)星影像獲取情況可劃分為四個(gè)階段，第一階段是準(zhǔn)備階段，主要是衛(wèi)星數(shù)據(jù)和專題信息準(zhǔn)備。常態(tài)條件下主要利用高分辨率光學(xué)衛(wèi)星對(duì)地震多發(fā)易發(fā)區(qū)域開展定期監(jiān)測(cè)，生產(chǎn)制作本底影像數(shù)據(jù)（圖4），并進(jìn)一步識(shí)別提取居住區(qū)、建筑物和交通道路、學(xué)校、醫(yī)院等重要基礎(chǔ)和公共服務(wù)設(shè)施等專題信息，便于掌握和及時(shí)更新承災(zāi)體信息，為地震應(yīng)急監(jiān)測(cè)做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。第二階段是快速評(píng)估階段，即對(duì)地震影響進(jìn)行初步評(píng)估，目前能夠在1個(gè)小時(shí)內(nèi)完成。在震后尚未獲取災(zāi)區(qū)有效衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)之前，基于災(zāi)區(qū)背景影像和地震震中和烈度分布等信息，結(jié)合基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，利用空間分析和經(jīng)濟(jì)估算等方法對(duì)地震造成的影響進(jìn)行初步評(píng)估，主要是對(duì)受影響的人口、行政駐地和經(jīng)濟(jì)損失等因素進(jìn)行估算，評(píng)估結(jié)果可作為是否啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)的參考。第三階段是應(yīng)急監(jiān)測(cè)階段，主要對(duì)毀損實(shí)物量、次生災(zāi)害分布和臨時(shí)安置情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一般持續(xù)數(shù)天到幾周的時(shí)間，監(jiān)測(cè)結(jié)果可為地震損失綜合評(píng)估提供支持。利用災(zāi)后遙感監(jiān)測(cè)影像，通過與災(zāi)前背景影像進(jìn)行對(duì)比，針對(duì)不同目標(biāo)和影像利用變化檢測(cè)的方法識(shí)別并提取地震造成倒塌建筑物、中斷的橋梁和道路、滑坡和堰塞湖等次生災(zāi)害的分布及臨時(shí)安置點(diǎn)帳篷的分布等信息（圖5），相關(guān)分析結(jié)果可為地震救援、物資運(yùn)輸和應(yīng)急救助提供參考。大地震應(yīng)急期間，災(zāi)情復(fù)雜且動(dòng)態(tài)變化，需動(dòng)用多種不同類型衛(wèi)星進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)于重災(zāi)區(qū)和重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域或目標(biāo)應(yīng)加密觀測(cè)。如遇陰天下雨，則需要利用雷達(dá)衛(wèi)星進(jìn)行全天候的觀測(cè)。第四階段是損失評(píng)估階段，即對(duì)地震的整體損失情況進(jìn)行全面評(píng)估，一般持續(xù)幾周到幾個(gè)月的時(shí)間，評(píng)估結(jié)果為災(zāi)區(qū)恢復(fù)重建方案提供決策依據(jù)。此外，因?yàn)樾l(wèi)星遙感具有多年重復(fù)觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)，可定期監(jiān)測(cè)地震恢復(fù)重建情況，特別是特大地震災(zāi)害的恢復(fù)往往需要數(shù)年的時(shí)間，利用衛(wèi)星遙感多年對(duì)地球重復(fù)觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)更為明顯（圖6）。

圖3 地震應(yīng)急動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估過程

圖4 2014年云南魯?shù)榈卣鹦l(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋與基于背景影像提取信息產(chǎn)品

圖5 2017年8月9日四川九寨溝地震滑坡和道路受損動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品

圖6 2015年汶川地震恢復(fù)重建監(jiān)測(cè)產(chǎn)品

結(jié)語

目前全球處于衛(wèi)星遙感技術(shù)快速發(fā)展時(shí)期，我國也正處于《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025年）》組織實(shí)施階段，未來一段時(shí)期遙感衛(wèi)星的數(shù)量和種類將大幅增長，必將極大促進(jìn)地震等災(zāi)害的應(yīng)急監(jiān)測(cè)能力提升，突出表現(xiàn)在災(zāi)后有效衛(wèi)星影像獲取時(shí)間將縮短，對(duì)地面信息的遙感識(shí)別種類和精細(xì)化程度將增強(qiáng)，干涉雷達(dá)等新型衛(wèi)星技術(shù)的應(yīng)用使得可以監(jiān)測(cè)地面的微小沉降，必將促進(jìn)對(duì)地震災(zāi)害理解的加深和損失評(píng)估效率的提高。在衛(wèi)星遙感地震應(yīng)急監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面，應(yīng)著力于多星協(xié)同規(guī)劃、綜合定量評(píng)估、地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、社會(huì)影響評(píng)估和新型載荷地震應(yīng)急應(yīng)用潛力方面強(qiáng)化研究與實(shí)踐，爭取充分發(fā)揮衛(wèi)星在地震應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，為最大程度滿足我國新時(shí)期應(yīng)急管理工作的新要求新使命做出努力。