航天遙感技術(shù)與重大自然災(zāi)害管理

周一鳴 郭世亮 梁巍

周一鳴，北京空間科技信息研究所情報(bào)室主任，清華大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)博士畢業(yè)，曾任中國(guó)空間技術(shù)研究院研究發(fā)展部、總體設(shè)計(jì)部系統(tǒng)研發(fā)主管工程師，主要從事航天領(lǐng)域的科技情報(bào)研究、空間基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展論證、應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展等方面的工作。發(fā)表各類論文40余篇，科研成果獲國(guó)家國(guó)防科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)科技獎(jiǎng)2項(xiàng)。

當(dāng)前，重大自然災(zāi)害已經(jīng)成為影響和威脅人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。為有效應(yīng)對(duì)重大自然災(zāi)害，國(guó)際上已經(jīng)形成自然災(zāi)害管理的概念，而且逐步認(rèn)識(shí)到并證明，航天遙感在自然災(zāi)害管理中有不可替代的優(yōu)勢(shì)和作用。因此，重大自然災(zāi)害管理是航天遙感技術(shù)面臨的重要命題，本文擬從重大自然災(zāi)害管理的角度，對(duì)一些科學(xué)問(wèn)題和航天遙感所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行分析，提出一些思考和建議。

重大自然災(zāi)害管理是航天遙感技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域

（一）重大自然災(zāi)害與自然災(zāi)害管理

所謂重大自然災(zāi)害，應(yīng)該是對(duì)人類生存和發(fā)展、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、國(guó)家和地區(qū)安全、生態(tài)環(huán)境、乃至人類的生活、生產(chǎn)方式產(chǎn)生重大影響或嚴(yán)重危害的自然災(zāi)害?，F(xiàn)代人類文明的發(fā)展進(jìn)步使得人口和財(cái)富更加集中，雖然科技水平和防災(zāi)救災(zāi)能力不斷提高，但在重大自然災(zāi)害面前也更易產(chǎn)生重大損失、次生災(zāi)害，甚至鏈?zhǔn)叫?yīng)。例如，2011年3月11日的日本地震海嘯災(zāi)害，造成損失超過(guò)1800億美元，死亡達(dá)14704人，并導(dǎo)致了核電站泄露等嚴(yán)重的次生生態(tài)災(zāi)害，影響超過(guò)了1986年的蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故?？梢姡F(xiàn)代化的建設(shè)使得自然災(zāi)害作用于人類的破壞性在日益增大，全球范圍內(nèi)的重大自然災(zāi)害形勢(shì)日趨嚴(yán)峻。

據(jù)聯(lián)合國(guó)國(guó)際減災(zāi)署（UNISDR）在2018年10月10日最新發(fā)布的報(bào)告顯示，最近20年（1998—2017）自然災(zāi)害給全球造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)29080億美元，相比上一個(gè)20年增加2.2倍。歐盟和世界銀行在2011年發(fā)布了名為《利用高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)評(píng)估城市自然災(zāi)害危險(xiǎn)》的研究報(bào)告，預(yù)測(cè)了自然災(zāi)害對(duì)人類社會(huì)的影響趨勢(shì)，指出全球快速城市化將導(dǎo)致受災(zāi)人口成倍增大，災(zāi)害損失日益增多。

表1 歐盟和世界銀行在報(bào)告中的預(yù)測(cè)

雖然自然災(zāi)害不可避免，但是卻可以通過(guò)合理的科學(xué)技術(shù)和組織管理手段，來(lái)認(rèn)識(shí)災(zāi)害的產(chǎn)生機(jī)理和演變規(guī)律，預(yù)測(cè)災(zāi)害的發(fā)生，預(yù)防、減緩、甚至避免自然災(zāi)害造成的損失，實(shí)現(xiàn)災(zāi)后恢復(fù)，即以“災(zāi)害管理”的理念建立起一套人類應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的科學(xué)技術(shù)和組織管理體系，這就是國(guó)際上公認(rèn)的自然災(zāi)害管理的概念。

由于自然災(zāi)害是一個(gè)宇宙系統(tǒng)和地球系統(tǒng)相互作用并受到人類活動(dòng)和文明發(fā)展影響的一個(gè)復(fù)雜的、巨系統(tǒng)的問(wèn)題，因此自然災(zāi)害管理可以說(shuō)是一個(gè)與幾乎所有自然科學(xué)、人文社會(huì)科學(xué)以及所有技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)的，極為復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)與組織管理體系，是一個(gè)凝聚全人類智慧和力量，適應(yīng)自然、改造自然，以實(shí)現(xiàn)與自然界和諧共處為最高目標(biāo)的過(guò)程。

圖1 美國(guó)EOS系統(tǒng)組成示意圖

（二）航天遙感技術(shù)在自然災(zāi)害管理中的作用與優(yōu)勢(shì)

航天遙感技術(shù)在自然災(zāi)害管理中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)和重大潛力，通過(guò)航天遙感技術(shù)的廣泛應(yīng)用，能夠提供全球范圍內(nèi)的長(zhǎng)期觀測(cè)和感知手段，為災(zāi)害機(jī)理研究、災(zāi)害預(yù)報(bào)和防災(zāi)救災(zāi)提供技術(shù)支持，極大地豐富人類認(rèn)識(shí)自然災(zāi)害的手段；能夠?yàn)闉?zāi)時(shí)救援和災(zāi)后恢復(fù)重建提供地理勘察、重建規(guī)劃等遙感服務(wù)支持，顯著提高人類應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的能力。當(dāng)前，世界各航天大國(guó)都將自然災(zāi)害管理列為航天活動(dòng)的重要領(lǐng)域，高度重視長(zhǎng)期持續(xù)的、多手段的航天綜合遙感能力建設(shè)，已建成以EOS（美國(guó)）、Copernicus（歐洲，原GMES）為代表的應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的綜合性天基系統(tǒng)，并在應(yīng)對(duì)重大自然災(zāi)害的過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。

1. 典型的綜合性遙感衛(wèi)星系統(tǒng)

（1）地球觀測(cè)系統(tǒng)（EOS）

地球觀測(cè)系統(tǒng)是美國(guó)宇航局（NASA）制訂的一項(xiàng)大型地球觀測(cè)計(jì)劃，是一項(xiàng)全球性的國(guó)際合作項(xiàng)目，致力于將地球作為一個(gè)整體，利用不同軌道的眾多衛(wèi)星搭載多種遙感載荷進(jìn)行觀測(cè)，提供有關(guān)地球大氣、海洋和陸地的綜合數(shù)據(jù)，供多個(gè)學(xué)科開展自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)和災(zāi)害機(jī)理等方面的綜合研究（圖1）。目前，EOS已完成任務(wù)47項(xiàng)，在軌工作任務(wù)29項(xiàng)，即將實(shí)施的已規(guī)劃項(xiàng)目26項(xiàng)。

（2）哥白尼計(jì)劃（Copernicus，原GMES）

哥白尼計(jì)劃是歐盟繼“伽利略”計(jì)劃之后又一項(xiàng)重大航天發(fā)展計(jì)劃，該計(jì)劃意在整合歐洲的遙感衛(wèi)星資源，以實(shí)現(xiàn)并高效開展全球性的環(huán)境和安全監(jiān)測(cè)（圖2）。哥白尼計(jì)劃將提供有關(guān)環(huán)境與安全的高質(zhì)量數(shù)據(jù)和信息，以實(shí)現(xiàn)歐洲長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。

（3）災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座（DMC）

該星座計(jì)劃提出了一個(gè)國(guó)際合作性對(duì)地觀測(cè)星座的發(fā)展概念，目前參加該計(jì)劃的有英國(guó)、中國(guó)、西班牙、土耳其等國(guó)家。該星座由多顆多光譜衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星都由某個(gè)成員國(guó)單獨(dú)負(fù)責(zé)運(yùn)行，而每顆衛(wèi)星每天數(shù)據(jù)量的5%將被共享用于自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)。其中，我國(guó)以“北京一號(hào)”加入了該組織，配合DMC星座，每天提供全球?yàn)?zāi)害監(jiān)測(cè)用圖像。

2.航天遙感技術(shù)在重大自然災(zāi)害中的應(yīng)用舉例

（1）航天遙感技術(shù)在美國(guó)颶風(fēng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2011年5月22日，美國(guó)遭受一場(chǎng)破壞性極強(qiáng)的颶風(fēng)襲擊。在這次災(zāi)害中，美國(guó)和歐洲的多顆光學(xué)和SAR遙感衛(wèi)星對(duì)颶風(fēng)進(jìn)行了全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（圖3），美國(guó)宇航局戈達(dá)德空間飛行中心還利用衛(wèi)星采集的颶風(fēng)到來(lái)之前、之中、之后的連續(xù)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行影像模擬，推演出颶風(fēng)行進(jìn)過(guò)程，并發(fā)出了颶風(fēng)路徑預(yù)警。隨后，針對(duì)颶風(fēng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)能力不足等教訓(xùn)，美國(guó)開始嘗試?yán)么钶d微波輻射計(jì)的在軌衛(wèi)星，開展了監(jiān)測(cè)熱帶風(fēng)暴結(jié)構(gòu)的發(fā)生機(jī)理、動(dòng)態(tài)變化及預(yù)測(cè)其強(qiáng)度突變的系統(tǒng)研究，并已經(jīng)取得初步研究成果。

（2）航天遙感技術(shù)在澳大利亞山火監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2009年2月，澳大利亞?wèn)|南部爆發(fā)大面積森林火災(zāi)，造成重大損失。由于澳大利亞?wèn)|南部森林面積大，當(dāng)?shù)卣诒O(jiān)控森林著火點(diǎn)和制訂滅火方案方面面臨嚴(yán)重困難，因此澳大利亞政府向包括中國(guó)的多個(gè)具備航天遙感能力的國(guó)家發(fā)出了援助請(qǐng)求。接到澳方請(qǐng)求后，中國(guó)國(guó)家減災(zāi)中心迅速調(diào)整環(huán)境-1（HJ-1）星座的衛(wèi)星姿態(tài)，晝夜收集數(shù)據(jù)，以最快的速度向澳方連續(xù)提供火場(chǎng)地區(qū)大量高清晰度的衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)（圖4），并分析推理出潛在可能的火點(diǎn)，為澳方滅火救災(zāi)給予了重要的支持，得到了澳大利亞政府的高度贊揚(yáng)，同時(shí)也展示了我國(guó)在國(guó)際事務(wù)中的大國(guó)地位與國(guó)際責(zé)任，獲得了世界范圍內(nèi)的廣泛好評(píng)。

圖2 哥白尼計(jì)劃中的遙感衛(wèi)星示意圖

圖3 航天技術(shù)監(jiān)測(cè)美國(guó)颶風(fēng)

圖4 中國(guó)航天技術(shù)監(jiān)測(cè)澳大利亞山火

重大自然災(zāi)害管理對(duì)航天遙感技術(shù)的挑戰(zhàn)

重大自然災(zāi)害管理涉及復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題，迫切需要航天遙感提供助力支撐，但也對(duì)航天遙感技術(shù)提出了諸多挑戰(zhàn)。

（一）與航天遙感相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題

1.地球系統(tǒng)運(yùn)行演變與自然災(zāi)害的關(guān)系

在人類發(fā)展的漫長(zhǎng)年代里，地球系統(tǒng)一直在按照一定的規(guī)律演化和發(fā)展著。在這種演化和發(fā)展過(guò)程中，地殼運(yùn)動(dòng)和大氣運(yùn)動(dòng)起著至關(guān)重要的作用，從而導(dǎo)致地震、火山噴發(fā)、滑坡、暴雨、洪水等地球系統(tǒng)內(nèi)部的自然災(zāi)害頻頻發(fā)生（圖5）。從某種角度說(shuō)，要想理解這些自然災(zāi)害的產(chǎn)生原因和運(yùn)行規(guī)律，首先要分析地球系統(tǒng)演化和發(fā)展的動(dòng)力、機(jī)制與方式。

2.地外天體和宇宙演變與自然災(zāi)害的關(guān)系

地球是一顆宇宙天體，環(huán)境變異甚至是災(zāi)變乃是宇宙演變中的尋常事件。而地球本身又絕非是孤立的，時(shí)刻同四周的宇宙存在著物質(zhì)或能量的交換。因此，自然災(zāi)害也與宇宙演變、地外天體存在著密切的關(guān)系，NASA已將地球科學(xué)和行星科學(xué)劃歸在同一個(gè)科學(xué)主題下開展研究，基于天文學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)的天文地球動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域就是在這種認(rèn)識(shí)背景下誕生的，其主要研究?jī)?nèi)容之一就是宇宙演變與自然災(zāi)害的關(guān)系。此外，非合作性的地外天體威脅也是人類生存與發(fā)展所面臨的重大現(xiàn)實(shí)威脅，比如通古斯小行星撞擊事件、太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)等。

圖5 地球系統(tǒng)運(yùn)行演變引發(fā)的自然災(zāi)害

3.自然災(zāi)害的機(jī)理及其演變規(guī)律

人類對(duì)自然災(zāi)害的認(rèn)識(shí)是逐步深入的，由于自然災(zāi)害往往是與很多問(wèn)題耦合在一起的，因此短期內(nèi)的災(zāi)害機(jī)理研究往往被限于局部，在一定程度上是近似的。因此，要想最大程度地避免、減緩自然災(zāi)害所帶來(lái)的威脅和損失，必須具備動(dòng)態(tài)修正、不斷深入的思維，基于宇宙和地球的整體大空間尺度的研究視角，重視科學(xué)理論研究和工程技術(shù)驗(yàn)證兩方面的相互牽引和循環(huán)支撐的研究方法，螺旋上升式地理解自然災(zāi)害的機(jī)理與演變規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)自然災(zāi)害管理的終極目標(biāo)。

4.各類自然災(zāi)害之間的聯(lián)系與相互作用機(jī)理

越來(lái)越多的自然災(zāi)害實(shí)例說(shuō)明，各種自然災(zāi)害的發(fā)生并非彼此孤立而是存在著地下、地表、地上的災(zāi)害鏈效應(yīng)。研究地球各圈層之間的相互關(guān)系，特別是研究陸圈與氣圈之間的交互作用和耦合機(jī)制，是研究自然災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的重要生長(zhǎng)點(diǎn)，也是地球物理科學(xué)的新的重要領(lǐng)域。近些年，關(guān)于旱震關(guān)系、地溫與降水關(guān)系、日地關(guān)系、日蝕與旱澇關(guān)系、引潮力與地氣關(guān)系、天地運(yùn)動(dòng)與天災(zāi)關(guān)系，都揭示出自然災(zāi)害具有明顯的非線性、開放性、群發(fā)性、并發(fā)性等特性。

5.人類活動(dòng)對(duì)自然災(zāi)害的關(guān)系與相互影響

自然災(zāi)害系統(tǒng)在發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中對(duì)人類社會(huì)造成一定的影響，但人類社會(huì)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)活動(dòng),也反饋于自然災(zāi)害系統(tǒng)，共同促進(jìn)自然環(huán)境變異，而自然環(huán)境變異對(duì)人類的生存和活動(dòng)，自然災(zāi)害的形成和發(fā)展，又起著反饋?zhàn)饔谩Ｋ鼈冎g是相互作用、相互聯(lián)系、相互影響而形成了一個(gè)具有一定結(jié)構(gòu)、功能、環(huán)境和特征的整體。從系統(tǒng)論的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō),這一整體就是自然災(zāi)害系統(tǒng)。比如，巴西政府在1970年做出了開發(fā)亞馬孫地區(qū)的決策，多年的濫砍亂伐和奪林造田導(dǎo)致被譽(yù)為“地球之肺”的亞馬孫叢林面積減少一半以上，并直接導(dǎo)致了歐洲乃至全球范圍內(nèi)的環(huán)境惡化。目前，歐洲已經(jīng)將該問(wèn)題上升為影響國(guó)家和人類生存的安全問(wèn)題；并有專家預(yù)測(cè)，如果亞馬孫的森林被砍伐殆盡，地球上維持人類生存的氧氣將減少 1/3。

（二）重大自然災(zāi)害管理對(duì)航天技術(shù)提出的挑戰(zhàn)

綜合以上科學(xué)問(wèn)題不難看出，重大自然災(zāi)害機(jī)理研究與預(yù)測(cè)的前提必須建立在全面、廣泛、深入、細(xì)致、持久的認(rèn)識(shí)自然的基礎(chǔ)上，對(duì)地球系統(tǒng)運(yùn)行演變規(guī)律與致災(zāi)機(jī)理、自然災(zāi)害的征兆與發(fā)生過(guò)程、各類自然災(zāi)害之間的聯(lián)系與相互作用等主要問(wèn)題有足夠深入、完整的認(rèn)識(shí)。這些問(wèn)題對(duì)航天提出了一些新的挑戰(zhàn)和迫切需求，分解來(lái)看，尤其是以下8個(gè)方面需要引起高度重視。

1.溫室氣體監(jiān)測(cè)

發(fā)展有效的高分辨率與超高分辨率光譜儀、激光遙感儀器等遙感衛(wèi)星技術(shù)，監(jiān)測(cè)二氧化碳向氧化亞氮、甲烷等其他溫室氣體的擴(kuò)展過(guò)程，提供全球范圍內(nèi)的高精度、高時(shí)空分辨率以及適當(dāng)尺度的溫室氣體及其循環(huán)過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.太陽(yáng)輻射收支測(cè)量

發(fā)展有效的照度監(jiān)測(cè)儀、偏振測(cè)量?jī)x等遙感衛(wèi)星技術(shù)，測(cè)量地球?qū)μ?yáng)輻射的吸收量以及地球以輻射形式釋放的能量，獲得氣候變化的基本參數(shù)，支持對(duì)地球氣候變化最主要的驅(qū)動(dòng)力和主導(dǎo)因素的研究。

3.降水測(cè)量監(jiān)測(cè)

發(fā)展有效的專用降水測(cè)量微波雷達(dá)、氣象監(jiān)測(cè)等遙感衛(wèi)星技術(shù)，測(cè)量并描繪云特征以及與其相關(guān)的降水過(guò)程，加強(qiáng)對(duì)降雨的數(shù)量以及區(qū)域分布格局方面的詳細(xì)分析，促進(jìn)氣候變化研究取得突破性進(jìn)展。

4.土壤濕度與海洋鹽度測(cè)量

發(fā)展有效的L波段綜合孔徑微波輻射計(jì)、主被動(dòng)聯(lián)合探測(cè)鹽度計(jì)、海洋監(jiān)測(cè)、陸地監(jiān)測(cè)等遙感衛(wèi)星技術(shù)，監(jiān)測(cè)全球土壤濕度，繪制海表鹽度，進(jìn)而深入了解全球水循環(huán)，更好地進(jìn)行遠(yuǎn)期天氣預(yù)報(bào)與季節(jié)預(yù)報(bào)，預(yù)測(cè)干旱、大范圍冰雪等極端氣象災(zāi)害。

5.地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)

發(fā)展有效的干涉雷達(dá)、激光雷達(dá)、重力場(chǎng)測(cè)量等遙感衛(wèi)星技術(shù)，對(duì)地表形變進(jìn)行測(cè)量。將地表的變化、形變作為地震、火山爆發(fā)和山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)的重要指標(biāo)。

6.地震監(jiān)測(cè)

發(fā)展有效的電離層探測(cè)、紅外探測(cè)、地磁場(chǎng)測(cè)量、重力場(chǎng)測(cè)量等遙感衛(wèi)星技術(shù)，獲取和監(jiān)測(cè)地震發(fā)生前后的電離層異常、紅外輻射異常、地殼形變等現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，為地震預(yù)測(cè)提供研究支撐。

7.環(huán)境污染監(jiān)測(cè)

發(fā)展有效的多光譜/高光譜遙感器、微波遙感器、掩星探測(cè)、氣象監(jiān)測(cè)、靜止軌道污染事件監(jiān)測(cè)等遙感衛(wèi)星技術(shù)，對(duì)地球大氣、水體、土壤等環(huán)境污染現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)量。監(jiān)測(cè)氣溶膠、臭氧層、海洋漏油、水體污染、赤潮、土壤污染等數(shù)據(jù)。

8.火險(xiǎn)監(jiān)測(cè)

發(fā)展有效的紅外遙感器、激光雷達(dá)、成像光譜儀、氣象監(jiān)測(cè)等遙感衛(wèi)星技術(shù)，對(duì)森林、草原等重點(diǎn)區(qū)域提供火災(zāi)預(yù)警信息，對(duì)處于火災(zāi)危險(xiǎn)的居民區(qū)內(nèi)燃燒物（植被和建筑物）進(jìn)行制圖，為火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和火災(zāi)發(fā)生模型的輸入提供高精度的數(shù)據(jù)。

思考和建議

重大自然災(zāi)害管理是一項(xiàng)涵蓋了科學(xué)理論研究和工程技術(shù)驗(yàn)證的復(fù)雜的系統(tǒng)工程，航天技術(shù)不可能解決所有的問(wèn)題。但是，航天遙感作為重要手段之一，與其他各類技術(shù)手段有機(jī)結(jié)合，將顯著地增強(qiáng)我國(guó)對(duì)重大自然災(zāi)害機(jī)理和發(fā)生規(guī)律的認(rèn)知能力。特別是在長(zhǎng)期持續(xù)監(jiān)測(cè)、全球大尺度測(cè)量、綜合環(huán)境感知等方面，航天遙感技術(shù)具有其獨(dú)特和不可替代的優(yōu)勢(shì)。據(jù)此，建議除進(jìn)一步拓展航天遙感技術(shù)在減災(zāi)救災(zāi)中的應(yīng)用外，應(yīng)同步努力提升、完善發(fā)展航天技術(shù)在自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)中的應(yīng)用能力，并努力將航天技術(shù)融入自然災(zāi)害產(chǎn)生機(jī)理和演變規(guī)律的科學(xué)研究中去，以探索應(yīng)對(duì)重大自然災(zāi)害的最優(yōu)解決方法。