面向自然災(zāi)害應(yīng)急的衛(wèi)星協(xié)同觀測策略研究

和海霞 武斌 李儒 韓杏子

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面向自然災(zāi)害應(yīng)急的衛(wèi)星協(xié)同觀測策略研究

和海霞1武斌2李儒3韓杏子2

（1 國家減災(zāi)中心，北京 100124）（2 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）（3 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094）

對地觀測衛(wèi)星因其宏觀、快速、動態(tài)、準(zhǔn)確的優(yōu)點在防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，是自然災(zāi)害應(yīng)急不可替代的全球觀測手段?，F(xiàn)有的衛(wèi)星協(xié)同觀測存在災(zāi)后有效數(shù)據(jù)不能完全覆蓋災(zāi)區(qū)、亞米級空間分辨率數(shù)據(jù)匱乏等問題，不能滿足日益豐富的自然災(zāi)害應(yīng)急管理需求。為充分發(fā)揮在軌衛(wèi)星效益，提高災(zāi)區(qū)災(zāi)后有效數(shù)據(jù)覆蓋率，文章深入分析自然災(zāi)害觀測環(huán)境復(fù)雜、時效性強、觀測要素多、觀測范圍大、觀測密集度高等特點，圍繞空間分辨率和觀測頻次等關(guān)鍵指標(biāo)，梳理典型自然災(zāi)害應(yīng)急觀測需求。之后，結(jié)合災(zāi)害目標(biāo)特點及其時空變化規(guī)律，綜合考慮星地資源狀況和約束條件，提出一種自然災(zāi)害事件驅(qū)動的基于目標(biāo)優(yōu)先級排序和時空約束的多星協(xié)同觀測策略，對解決自然災(zāi)害應(yīng)急觀測期間“災(zāi)后數(shù)據(jù)多，有用數(shù)據(jù)少”問題具有借鑒意義。

自然災(zāi)害應(yīng)急 協(xié)同觀測 觀測策略 航天遙感應(yīng)用

0 引言

歷經(jīng)半個多世紀(jì)的蓬勃發(fā)展，對地觀測衛(wèi)星已形成強大的技術(shù)能力，在軌衛(wèi)星數(shù)量和種類不斷增加。目前，美國、俄羅斯、日本、歐洲等國家和組織的相關(guān)航天機構(gòu)已陸續(xù)發(fā)射裝備先進載荷的對地觀測衛(wèi)星；拉丁美洲、非洲和亞洲的部分國家也開始相應(yīng)的航天計劃[1-2]；我國已初步建成和正在建設(shè)氣象、海洋、資源、環(huán)境減災(zāi)等衛(wèi)星系列，以高分衛(wèi)星系列為代表的新一代新型遙感衛(wèi)星也正高速發(fā)展，衛(wèi)星觀測能力不斷提升。對地觀測衛(wèi)星在國民經(jīng)濟建設(shè)、人類社會可持續(xù)發(fā)展和國防建設(shè)中發(fā)揮著越來越突出的作用[3]。

自然災(zāi)害具有大尺度、長周期時空演變、不確定性強等特點，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。如何準(zhǔn)確、快速地獲取多時空尺度信息是自然災(zāi)害應(yīng)急觀測亟需解決的關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)的災(zāi)害應(yīng)急觀測常采用站點、實地調(diào)查等方式，需投入的人力多、耗時長。衛(wèi)星對地觀測具有宏觀、快速、動態(tài)、準(zhǔn)確等特點，不僅可實現(xiàn)千米尺度的全球宏觀觀測和米級尺度的重點區(qū)域高分辨率觀測，而且具有高時間分辨率的連續(xù)觀測能力和針對特定目標(biāo)的機動觀測能力[4]，在防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。對地觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)可用于高時效高頻次監(jiān)測損毀房屋、損毀道路、損毀農(nóng)田、安置帳篷、次生災(zāi)害等要素，已成為防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)領(lǐng)域不可或缺的重要手段[5]。

目前，我國面向自然災(zāi)害應(yīng)急的衛(wèi)星觀測技術(shù)正處于轉(zhuǎn)型發(fā)展關(guān)鍵期，觀測對象從國內(nèi)災(zāi)害目標(biāo)向全球災(zāi)害目標(biāo)轉(zhuǎn)變，觀測數(shù)據(jù)從國外數(shù)據(jù)為主向國產(chǎn)自主數(shù)據(jù)為主轉(zhuǎn)變，觀測模式從服務(wù)研究型向服務(wù)業(yè)務(wù)型轉(zhuǎn)變，觀測手段從單星獨立觀測向多星組網(wǎng)協(xié)同觀測轉(zhuǎn)變?？偟膩碚f，自然災(zāi)害衛(wèi)星觀測已進入體系化發(fā)展和全球化服務(wù)的新階段，但衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取能力和防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)需求不匹配等瓶頸性制約問題仍然存在，還不能滿足全天候、全天時、全要素、全球化服務(wù)的災(zāi)害監(jiān)測要求。

1 自然災(zāi)害應(yīng)急衛(wèi)星觀測現(xiàn)狀

自然災(zāi)害給人民生命財產(chǎn)安全及社會經(jīng)濟正常發(fā)展帶來巨大威脅和造成嚴(yán)重?fù)p失。據(jù)全球緊急事件數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計，1996~2015年20年間，全球135萬人因災(zāi)致死。21世紀(jì)以來，我國平均每年因各類自然災(zāi)害造成約4億人（次）受災(zāi)，倒塌房屋約220萬間，緊急轉(zhuǎn)移安置超過1 000萬人，直接經(jīng)濟損失3 400余億元[6]。自然災(zāi)害應(yīng)急已引起了全球的高度關(guān)注，人道主義組織和災(zāi)害管理者利用對地觀測衛(wèi)星在該領(lǐng)域開展了大量工作。

1973年美國密西西比河的洪水泛濫監(jiān)測拉開了自然災(zāi)害衛(wèi)星應(yīng)急觀測的序幕[7]。之后，在全球和區(qū)域范圍內(nèi)，在業(yè)務(wù)和科學(xué)研究層面，相關(guān)組織和機構(gòu)開展了大量卓有成效的工作。其中，“空間與重大災(zāi)害國際憲章”（International Charter Space & Major Disaster）、“哥白尼應(yīng)急管理制圖服務(wù)”（Copernicus Emergency Management Service-Mapping）、“亞洲哨兵”（Sentinel Asia）等表現(xiàn)突出。截止到2017年12月31日，“空間與重大災(zāi)害國際憲章”啟動了574次衛(wèi)星應(yīng)急觀測與制圖服務(wù)，“哥白尼應(yīng)急管理制圖服務(wù)”啟動了279次衛(wèi)星應(yīng)急觀測與制圖服務(wù)，“亞洲哨兵”啟動了263次衛(wèi)星應(yīng)急觀測與制圖服務(wù)。在國家層面，美國、德國、法國、英國、俄羅斯、日本、韓國等國家對地觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)協(xié)同獲取與處理能力較強，已具備面向全球提供災(zāi)害監(jiān)測服務(wù)的能力。其中，美國地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey，USGS）建立的災(zāi)害數(shù)據(jù)分布系統(tǒng)（Hazards Data Distribution System, HDDS）面向全球自然災(zāi)害事件開展衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)和產(chǎn)品服務(wù)；德國衛(wèi)星危機信息中心（The Center for Satellite Based Crisis Information，ZKI）和法國空間技術(shù)局（Centre National d′ Etudes Spatiales，CNES）領(lǐng)導(dǎo)下的遙感圖像處理與服務(wù)區(qū)域中心（Service régional de traitement d′image et de télédétection，SERTIT），均面向全球自然災(zāi)害應(yīng)急提供全天時遙感數(shù)據(jù)獲取與處理服務(wù)。

由此可見，自然災(zāi)害應(yīng)急觀測在全球范圍內(nèi)已實現(xiàn)了業(yè)務(wù)化應(yīng)用，但普遍存在數(shù)據(jù)保障不及時、有效數(shù)據(jù)覆蓋率不高等問題。我國更是如此。根據(jù)2016年3月10日國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《國家自然災(zāi)害救助應(yīng)急預(yù)案》，重特大自然災(zāi)害發(fā)生時，國務(wù)院及相關(guān)部門會啟動應(yīng)急響應(yīng)機制，國家減災(zāi)委員會辦公室、國家減災(zāi)中心開展相應(yīng)災(zāi)害監(jiān)測工作。自2008年汶川地震開始，先后針對玉樹地震、舟曲特大山洪泥石流災(zāi)害等多次重大自然災(zāi)害開展應(yīng)急監(jiān)測工作，并應(yīng)聯(lián)合國外空司、受災(zāi)國、我國駐外使館、外交部、財政部等倡議、請求和要求，通過國內(nèi)外數(shù)據(jù)獲取機制，組織開展澳大利亞大火、非洲之角干旱、緬甸洪澇、尼泊爾地震、孟加拉國洪澇、巴基斯坦洪澇等重大自然災(zāi)害事件應(yīng)急服務(wù)，獲得了各方廣泛的好評。下面以國內(nèi)重特大自然災(zāi)害為例，分析自然災(zāi)害應(yīng)急觀測現(xiàn)狀和存在問題，具體內(nèi)容見表1所示。

表1 典型災(zāi)害事件衛(wèi)星應(yīng)急觀測現(xiàn)狀及存在問題

Tab.1 The status and existing problems of satellite emergency observation in typical disasters

綜上可知，隨著我國一系列衛(wèi)星的發(fā)射，面向自然災(zāi)害應(yīng)急觀測的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲取能力在不斷地提升，但還存在以下不足：

1）用于防災(zāi)減災(zāi)業(yè)務(wù)的衛(wèi)星數(shù)量少，未能針對部分小型自然災(zāi)害開展全覆蓋觀測。現(xiàn)有衛(wèi)星數(shù)量還不能滿足全部破壞性自然災(zāi)害的觀測需求，更不能滿足全球觀測的需要。

2）衛(wèi)星運行管理和計劃編制缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，未能針對災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后等自然災(zāi)害全過程開展持續(xù)觀測；同時，在多災(zāi)并發(fā)時，出現(xiàn)衛(wèi)星資源分配不均的現(xiàn)象，未能實現(xiàn)多災(zāi)種綜合觀測。

3）衛(wèi)星載荷參數(shù)不高，未能針對致災(zāi)因子、承災(zāi)體、孕災(zāi)環(huán)境、災(zāi)情等災(zāi)害全要素開展定量觀測。具體表現(xiàn)為用于農(nóng)田受災(zāi)、道路損毀、次生災(zāi)害等信息提取的災(zāi)后中低空間分辨率影像有效覆蓋率高，用于房屋倒損、災(zāi)民安置點監(jiān)測的災(zāi)后亞米級高空間分辨率衛(wèi)星影像有效覆蓋率低，遠遠不能滿足應(yīng)用需求。

4）衛(wèi)星觀測策略缺乏，未能針對重要目標(biāo)，開展精細觀測。具體表現(xiàn)為重特大自然災(zāi)害應(yīng)急觀測期間，雖然可調(diào)度的衛(wèi)星種類和數(shù)量很多，災(zāi)后衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取能力很強，但存在重災(zāi)區(qū)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)大量冗余、其他地區(qū)有效數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏的狀況，不能滿足應(yīng)急需求。

造成現(xiàn)有問題的原因如下：

1）自然災(zāi)害成因機制復(fù)雜。自然災(zāi)害的形成原因不僅包括自然的“致災(zāi)”要素，人為的“受災(zāi)”要素，還包括環(huán)境的“成災(zāi)”要素，造成自然災(zāi)害發(fā)生地點隨機和表現(xiàn)特征復(fù)雜，既有緩發(fā)型，也有突發(fā)型[10]。緩發(fā)型的自然災(zāi)害發(fā)生時，衛(wèi)星有充足的時間調(diào)整觀測計劃；而突發(fā)型的自然災(zāi)害發(fā)生時，需要衛(wèi)星及時調(diào)整觀測計劃，觀測難度加大。

2）自然災(zāi)害造成的損失和影響復(fù)雜。自然災(zāi)害造成的損失和影響是致災(zāi)因子、承災(zāi)體、孕災(zāi)環(huán)境等各自然和社會要素之間的相互作用疊加，隨著時間和空間不斷發(fā)生變化，相應(yīng)的衛(wèi)星觀測需求需要不斷進行調(diào)整。在災(zāi)害發(fā)生初期，災(zāi)區(qū)信息不完備，隨著信息的增多，重災(zāi)區(qū)或者重點關(guān)注區(qū)會發(fā)生變化，需要增加衛(wèi)星觀測任務(wù)或調(diào)整觀測任務(wù)。

3）自然災(zāi)害破壞性強、影響范圍大，需要建立空天地觀測手段之間的協(xié)同機制，不僅需要航天觀測、航空觀測、地面觀測等觀測手段之間的協(xié)同，還需要多衛(wèi)星之間的協(xié)同。

由此可見，如何針對自然災(zāi)害應(yīng)急觀測對象的特點，大幅提高災(zāi)區(qū)災(zāi)后數(shù)據(jù)的有效覆蓋率，是一個亟待解決的問題。數(shù)量和種類日益增多的在軌衛(wèi)星，為該問題的解決提供了可能。開展深入的應(yīng)急觀測需求分析是解決該問題的重要前提，制定科學(xué)的協(xié)同觀測策略是解決該問題的關(guān)鍵。

2 自然災(zāi)害應(yīng)急衛(wèi)星觀測需求分析

衛(wèi)星常規(guī)觀測通常采用提前預(yù)設(shè)觀測計劃模式，與自然災(zāi)害應(yīng)急觀測存在較大差異。自然災(zāi)害應(yīng)急觀測需要無條件搶占現(xiàn)有衛(wèi)星資源，擾亂衛(wèi)星的常規(guī)觀測計劃[11]，具有如下特點：

1）觀測環(huán)境復(fù)雜。自然災(zāi)害災(zāi)區(qū)觀測環(huán)境復(fù)雜多變。一是，自然災(zāi)害發(fā)生時，天氣多變，氣象條件不利于觀測，光學(xué)衛(wèi)星觀測的難度大；二是，災(zāi)區(qū)地理環(huán)境復(fù)雜，難以在短時間內(nèi)快速確定觀測對象；三是，災(zāi)區(qū)通訊可能中斷，常出現(xiàn)信息盲區(qū)，災(zāi)害初期難以獲得準(zhǔn)確的觀測任務(wù)，觀測存在一定的盲目性，后續(xù)需要調(diào)整觀測任務(wù)的可能性比較大。

2）時效性強。自然災(zāi)害應(yīng)急救援和救助任務(wù)緊急，衛(wèi)星應(yīng)急觀測的時效性要求高，往往需要在特定的時間窗口內(nèi)完成，有時甚至需要在重特大自然災(zāi)害發(fā)生后幾小時甚至幾十分鐘內(nèi)快速獲取災(zāi)后有效數(shù)據(jù)，可供觀測的窗口期時間較短。

3）觀測要素多。自然災(zāi)害應(yīng)急觀測要素涉及災(zāi)害系統(tǒng)的最重要組成部分，可劃分為三類：致災(zāi)因子要素，包括：洪水、臺風(fēng)、崩塌、滑坡、泥石流、積雪、冰凌、火點、海冰等；承災(zāi)體要素，包括：居民地、建筑物、構(gòu)筑物、農(nóng)作物、交通基礎(chǔ)設(shè)施、水利基礎(chǔ)設(shè)施、其他重要基礎(chǔ)設(shè)施等；災(zāi)害救援和救助要素，包括：救災(zāi)帳篷、災(zāi)民安置區(qū)、救援物資堆放地等。

4）觀測范圍大。自然災(zāi)害尤其是重特大自然災(zāi)害影響范圍大，衛(wèi)星觀測的空間范圍需求大。例如：2008年汶川地震造成四川、陜西和甘肅3省152個縣（市、區(qū)）受災(zāi)較重；2013年黑龍江流域性洪澇造成101個縣（市、區(qū)）受災(zāi)；2013年四川蘆山地震造成19個市（州）117個縣（市、區(qū)）受災(zāi)。重特大災(zāi)害應(yīng)急救援救助和損失評估工作要面向整個災(zāi)害影響區(qū)，衛(wèi)星觀測也需要在較短的時間窗口內(nèi)盡可能覆蓋整個災(zāi)害影響區(qū)。

5）觀測密集度高。自然災(zāi)害要素時空變化快，需要衛(wèi)星密集觀測。一方面，自然災(zāi)害范圍和災(zāi)情演進快，需要衛(wèi)星開展多時相觀測，例如：每天開展洪澇范圍變化觀測。另一方面，在不同的減災(zāi)救災(zāi)階段，需要根據(jù)災(zāi)情信息的更新不斷調(diào)整觀測需求，適時增加觀測目標(biāo)，例如：應(yīng)急初期重點觀測房屋倒損和次生災(zāi)害分布情況；應(yīng)急中期增加觀測帳篷安置和救援力量及物資分布情況；應(yīng)急后期重點關(guān)注恢復(fù)重建情況；整個應(yīng)急期不間斷觀測道路和基礎(chǔ)設(shè)施損毀與搶修情況。

根據(jù)典型自然災(zāi)害及應(yīng)急觀測特點，圍繞空間分辨率和觀測頻次等關(guān)鍵指標(biāo)，梳理典型自然災(zāi)害應(yīng)急觀測需求，如表2所示。

表2 典型自然災(zāi)害應(yīng)急觀測需求

Tab.2 Emergency observation requirements for typical natural disasters

3 衛(wèi)星觀測策略及模擬場景分析

自然災(zāi)害尤其是重特大自然災(zāi)害發(fā)生時，應(yīng)急觀測目標(biāo)多、觀測任務(wù)重、觀測時間緊，可供協(xié)同調(diào)度的衛(wèi)星數(shù)量多，如何制定一個基于目標(biāo)優(yōu)先級排序和時空約束的多星協(xié)同觀測策略尤為重要。傳統(tǒng)的應(yīng)急觀測策略，通常根據(jù)地理位置確定，未充分考慮重特大自然災(zāi)害的特點和災(zāi)區(qū)氣象及地形條件的復(fù)雜性，缺乏科學(xué)的調(diào)度和合理的任務(wù)規(guī)劃，可能造成部分地區(qū)大量的數(shù)據(jù)冗余，部分災(zāi)區(qū)有效數(shù)據(jù)嚴(yán)重匱乏的情況，影響衛(wèi)星數(shù)據(jù)的有效覆蓋率，造成衛(wèi)星數(shù)據(jù)不能完全覆蓋災(zāi)區(qū)。

自然災(zāi)害事件驅(qū)動的基于目標(biāo)優(yōu)先級排序和時空約束的多星協(xié)同觀測策略是在有限時間和空間范圍內(nèi)，綜合考慮自然災(zāi)害類型及等級、災(zāi)害要素時空分布、用戶需求、空間分辨率、重訪周期、成像模式、過境時間、軌道覆蓋、衛(wèi)星最長連續(xù)工作時間、星上存儲容量、時間窗口和觀測擺角、星地資源狀況、氣象條件、已獲取數(shù)據(jù)狀況等，根據(jù)觀測任務(wù)的重要性和任務(wù)完成期限，合理安排多個衛(wèi)星資源和時間窗口，對一系列待觀測任務(wù)進行選取、排序及確定觀測時間，實現(xiàn)時空最大化觀測目標(biāo)?；玖鞒倘鐖D1所示。

圖1 基于目標(biāo)優(yōu)先級排序和時空約束的多星協(xié)同觀測策略流程

1）觀測目標(biāo)確定。在自然災(zāi)害類型、等級和災(zāi)害要素時空分布分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合用戶需求，確定觀測目標(biāo)。按照星載遙感器瞬時視場與災(zāi)區(qū)觀測目標(biāo)之間的相對大小關(guān)系，將災(zāi)區(qū)目標(biāo)劃分為點目標(biāo)和區(qū)域目標(biāo)[12]。點目標(biāo)是指遙感器進行一次觀測成像能完全覆蓋的目標(biāo)，例如：小型居民地、中小型水體、機場、小型次生災(zāi)害點、重要基礎(chǔ)設(shè)施等。區(qū)域目標(biāo)是指觀測相對星載遙感器的幅寬較大，一次觀測成像無法完全覆蓋的目標(biāo)[13-14]，例如：大型居民地、多個連片的小型居民地、大型次生災(zāi)害點、長度較大的道路、整個災(zāi)區(qū)等。

2）觀測目標(biāo)優(yōu)先級排序。重特大自然災(zāi)害災(zāi)區(qū)點目標(biāo)和區(qū)域目標(biāo)數(shù)量多，空間范圍大，衛(wèi)星數(shù)據(jù)幅寬有限，每顆衛(wèi)星的觀測任務(wù)都只能覆蓋有限個點目標(biāo)或區(qū)域目標(biāo)的局部[15]。因此，將范圍較大、觀測任務(wù)復(fù)雜的區(qū)域目標(biāo)沿星下線方向進行分割，劃分為固定寬度的帶有觀測時間信息的平行條帶；將多個距離近的小目標(biāo)進行合并，生成帶有編號的場景。并依據(jù)人口密度、災(zāi)情嚴(yán)重程度、受關(guān)注度等對災(zāi)區(qū)觀測場景劃分優(yōu)先級并分別編號。最后，參考衛(wèi)星軌道參數(shù)、飛行徑向、遙感器幅寬、最大側(cè)擺角和最大俯仰角，在多個可見時間窗口內(nèi)對帶編號的場景進行觀測。

無論從語言轉(zhuǎn)換還是跨文化交際上看，譯者的主體性都在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。查明建等（2003：22）對譯者的主體性做出如下界定：譯者主體性是指作為翻譯主體的譯者在尊重翻譯對象的前提下，為實現(xiàn)翻譯目的而在翻譯活動中表現(xiàn)出的主觀能動性。

3）觀測策略制定。衛(wèi)星觀測策略制定要在目標(biāo)優(yōu)先級排序的基礎(chǔ)上，遵循“多星共用，一星多用”的原則，充分考慮衛(wèi)星特點和時空約束特征，制定相應(yīng)的多星協(xié)同觀測策略。例如：中低空間分辨率衛(wèi)星幅寬較大，覆蓋能力強，采用普查模式；高空間分辨率幅寬較小，覆蓋能力低，采用詳查模式。

具體來說，針對不同的災(zāi)害類型、災(zāi)害目標(biāo)和災(zāi)害階段，需要選擇不同空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率的衛(wèi)星影像。例如：洪澇、雪災(zāi)、旱災(zāi)、火災(zāi)、大型地質(zhì)災(zāi)害、海冰、冰凌等范圍比較大的災(zāi)害，在災(zāi)害發(fā)生最初期，亟需利用寬幅中分辨率數(shù)據(jù)實現(xiàn)災(zāi)區(qū)范圍的初步預(yù)判；在災(zāi)害發(fā)生中、后期，亟需高空間分辨率數(shù)據(jù)覆蓋全災(zāi)區(qū)，識別損毀目標(biāo)及其變化。針對小型地質(zhì)災(zāi)害、破壞性較小的地震等災(zāi)害范圍比較小的災(zāi)害，高空間分辨率數(shù)據(jù)能直接覆蓋災(zāi)區(qū)，在災(zāi)害全過程開展監(jiān)測。

同時，不同的傳感器類型，在不同類型災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域也各具優(yōu)勢。例如：雷達數(shù)據(jù)在洪澇、地質(zhì)災(zāi)害等領(lǐng)域優(yōu)勢明顯，熱紅外數(shù)據(jù)在森林草原火災(zāi)監(jiān)測、干旱監(jiān)測領(lǐng)域作用突出，高光譜數(shù)據(jù)在旱災(zāi)、病蟲害災(zāi)害等災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，可見光、近紅外、短波紅外數(shù)據(jù)在洪澇、雪災(zāi)、旱災(zāi)、森林草原火災(zāi)、海冰、冰凌等災(zāi)害的災(zāi)害范圍監(jiān)測和損毀評估發(fā)揮支撐性作用。表3將以“高分”系列衛(wèi)星為例，具體闡述不同衛(wèi)星能力和特點，在不同災(zāi)害類型和目標(biāo)監(jiān)測領(lǐng)域的具體作用。

表3 “高分”系列衛(wèi)星在不同類型自然災(zāi)害應(yīng)急中的主要作用分析

Tab.3 Major role of the different Gaofen satellites in the different disaster emergency response

衛(wèi)星協(xié)同觀測主要有四種模式：1）單衛(wèi)星單時相觀測多目標(biāo)模式，即單顆衛(wèi)星同一時間觀測多個目標(biāo)，例如：小型滑坡災(zāi)害，因為災(zāi)害范圍小，“高分二號”衛(wèi)星一次可完成滑坡體、損毀房屋、損毀道路等多個目標(biāo)的同時觀測。2）單衛(wèi)星多時相觀測多目標(biāo)，即單顆衛(wèi)星在不同時間重復(fù)觀測多個目標(biāo)，例如：小型洪澇災(zāi)害，“高分一號”衛(wèi)星寬幅相機和高分相機可以在多個時間分別完成洪澇范圍、損毀道路、損毀農(nóng)作物等多目標(biāo)觀測，揭示洪澇災(zāi)害范圍和損失的變化。3）多衛(wèi)星單時相觀測多目標(biāo)，即多顆衛(wèi)星在同一時間對多個目標(biāo)進行協(xié)同觀測，例如：大型滑坡災(zāi)害，“高分一號”、“高分二號”、“高分六號”等多個衛(wèi)星協(xié)同，在同一天可完成滑坡體、損毀房屋、損毀道路等多個目標(biāo)的同時觀測。4）多衛(wèi)星多時相觀測多目標(biāo)，即：多顆衛(wèi)星在不同時間重復(fù)觀測多個目標(biāo)。例如：破壞性嚴(yán)重的地震災(zāi)害，需要不同空間分辨率、不同光譜分辨率和不同時間分辨率的衛(wèi)星在不同時間協(xié)同觀測損毀房屋、損毀道路、次生災(zāi)害、帳篷安置等多個目標(biāo)。具體觀測方式見圖2所示。

衛(wèi)星協(xié)同觀測模式需根據(jù)衛(wèi)星觀測策略進行調(diào)整和優(yōu)化，以具體實例進行說明。假設(shè)某地發(fā)生地震災(zāi)害，建立模擬受災(zāi)場景，按照圖1流程制定觀測策略。首先，確定模擬場景中觀測目標(biāo)，包括：重災(zāi)區(qū)和輕災(zāi)區(qū)、道路、人口密集點，如圖3所示，藍色區(qū)域為重災(zāi)區(qū)和輕災(zāi)區(qū)，綠色點為人口密集點，黃色線為道路目標(biāo)。然后，對觀測目標(biāo)劃分優(yōu)先級，原則如下：

1）包含重災(zāi)區(qū)的場景直接設(shè)置為高優(yōu)先級；

3）包含一個人口密集點區(qū)域、道路、輕災(zāi)區(qū)的場景設(shè)置為中優(yōu)先級；

4）其他場景設(shè)置為低優(yōu)先級。

圖3 觀測目標(biāo)及優(yōu)先級示意

按照以上原則，對每個區(qū)域的優(yōu)先級進行劃分，并確定觀測策略結(jié)果如表4所示。

表4 區(qū)域劃分與觀測策略

Tab.4 Regional division and observation strategies

從表4可以看出，地震災(zāi)害發(fā)生后，不同空間分辨率的衛(wèi)星觀測區(qū)域各有側(cè)重，能最大限度減輕目前業(yè)務(wù)中多個衛(wèi)星集中觀測重災(zāi)區(qū)造成的數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象，解決輕災(zāi)區(qū)由于缺乏衛(wèi)星觀測導(dǎo)致的數(shù)據(jù)匱乏問題。

4 結(jié)束語

本文充分借鑒全球衛(wèi)星應(yīng)急觀測業(yè)務(wù)和科學(xué)研究相關(guān)工作，結(jié)合我國防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)業(yè)務(wù)實踐，系統(tǒng)梳理了現(xiàn)有衛(wèi)星觀測不滿足自然災(zāi)害應(yīng)急期全天候、全天時、全要素、全過程、全球化的需求現(xiàn)狀及其產(chǎn)生原因。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)自然災(zāi)害觀測環(huán)境復(fù)雜、時效性強、觀測要素多、觀測范圍大、觀測密集度高等特點，圍繞空間分辨率和觀測頻次等關(guān)鍵指標(biāo)，開展了典型自然災(zāi)害應(yīng)急觀測需求分析，提出一種自然災(zāi)害事件驅(qū)動的基于目標(biāo)優(yōu)先級排序和時空約束的多星協(xié)同觀測策略。

本文提出的多星協(xié)同觀測策略貼近自然災(zāi)害應(yīng)急觀測需求，優(yōu)化了現(xiàn)有的衛(wèi)星觀測策略，提高了衛(wèi)星觀測的針對性，減少了衛(wèi)星觀測的盲目性，有利于在給定的時間范圍內(nèi)盡可能多地覆蓋目標(biāo)區(qū)域，對提升災(zāi)后有效數(shù)據(jù)獲取能力具有重要的意義，為現(xiàn)有衛(wèi)星效益的發(fā)揮和將來衛(wèi)星星座論證提供了技術(shù)支撐。由于災(zāi)害系統(tǒng)和衛(wèi)星觀測系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，所提協(xié)同觀測策略還不夠全面、完善，還需要在具體的業(yè)務(wù)實踐中進一步細化和驗證。

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Research on Requirements and Strategies of Satellite Cooperative Observation for Natural Disaster Emergency Response

HE Haixia1WU Bin2LI Ru3HAN Xingzi2

（1 National Disaster Center of China, Beijing 100124, China）（2 DFH Satellite Co., Ltd, Beijing 100094, China）（3 Institute of Remote Sensing and Digital Earth, CAS, Beijing 100094, China）

Earth Observation satellites are irreplaceable in global observation because of their rapid, dynamic, and accurate advantages. They play an important role in disaster prevention, reduction, disaster relief and rescue cycles. The existed collaborative earth observation methods can not meet the increasing demand for natural disaster emergency management because the valid post-disaster data can not cover the whole disaster area and sub-meter high spatial resolution data are lack. At first, the characteristics such as natural disasters' complex observation environment, strong timeliness, multiple observational factors, large observation extent, and high observation density were analyzed. Then, key indicators such as spatial resolution and observation frequency were chosen to analyze the typical natural disaster emergency observation requirements. Afterwards, a multi-satellite collaborative observation strategy based on natural disaster event-driven and space-time constraints was proposed according to the characteristics of disaster targets and their temporal and spatial changes. This strategy is based on the resources and constraints of the ground and satellites, which can provide solution to increase the effective coverage area of post-disaster data and the usage of the on-orbit satellite.

natural disaster emergency response; collaborative observations; observation strategies; space remote sensing application

X43

A

1009-8518(2018)06-0091-11

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.06.011

2018-05-29

國家重點研發(fā)計劃“靜止軌道高精度高光譜探測體制研究”（2016YFB0500502）；國家自然科學(xué)基金“冬小麥旱災(zāi)致災(zāi)因子危險性高光譜遙感定量診斷研究”（41401605）共同資助

和海霞，女，1980年生，2009年畢業(yè)于中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，副研究員。主要研究方向為空間技術(shù)減災(zāi)應(yīng)用。E-mail：hehaixia@ndrcc.gov.cn。

（編輯：龐冰）