高分四號衛(wèi)星在防災減災中的應(yīng)用實踐

一、引言

衛(wèi)星遙感技術(shù)是防災、減災、救災工作的重要技術(shù)支撐手段，具備觀測范圍廣、信息采集豐富、重復觀測能力強等優(yōu)勢，可通過定期獲取各類數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)風險隱患，并為災害應(yīng)急救援提供及時有效監(jiān)測數(shù)據(jù)。近十年，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷進步，數(shù)據(jù)獲取時效性和服務(wù)能力逐年提升和加強，災害遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)體系逐漸形成。

高分四號衛(wèi)星作為遙感衛(wèi)星中的獨特一員，在災害遙感監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。高分四號衛(wèi)星于2015年12月29日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，作為世界首顆地球靜止軌道中高空間分辨率光學遙感衛(wèi)星，兼具地球同步觀測、中高空間分辨率成像優(yōu)勢，具有全色、藍、綠、紅、近紅外、中波紅外6個波段，星下點空間分辨率達50m（可見光近紅外波段）、400 m（中波紅外波段），可提供快速、高頻次、中空間分辨率、大幅寬對地觀測光學遙感數(shù)據(jù)[1]，在支撐日常條件數(shù)據(jù)獲取基礎(chǔ)上，憑借其快速響應(yīng)能力強的優(yōu)勢，在應(yīng)急數(shù)據(jù)獲取中發(fā)揮作用。

衛(wèi)星發(fā)射三年來，通過國內(nèi)外數(shù)次重特大自然災害應(yīng)用實踐，構(gòu)建了針對高分四號衛(wèi)星的防災減災救災應(yīng)用體系，形成了與業(yè)務(wù)需求緊密結(jié)合的獨特成像特點，本文將在分析高分四號衛(wèi)星特點基礎(chǔ)上，介紹針對這一獨特衛(wèi)星的技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用實踐情況，并圍繞應(yīng)急管理新需求、新要求，提出未來高分四號衛(wèi)星的應(yīng)用方向和發(fā)展建議。

二、面向災害監(jiān)測的高分四號衛(wèi)星特點分析

1.觀測模式多

高分四號衛(wèi)星包括普查、凝視、區(qū)域、機動巡查4種主要觀測模式[2]，具備面向不同觀測范圍和頻次需求的差異化數(shù)據(jù)獲取能力。普查模式下，衛(wèi)星按照既定觀測順序，通過調(diào)整衛(wèi)星觀測指向，針對衛(wèi)星成像能力全范圍進行遍歷觀測，獲取大范圍觀測數(shù)據(jù)。凝視模式下，衛(wèi)星固定在某個觀測角度，對特定地區(qū)（不超過1個單景觀測范圍400km×400km）開展持續(xù)拍攝。區(qū)域模式下，衛(wèi)星可以針對2個以上（含2個）連續(xù)觀測范圍，通過調(diào)整觀測指向開展區(qū)域觀測。機動巡查模式下，衛(wèi)星可以針對2個以上（含2個）離散觀測范圍進行交替觀測，具備短時間內(nèi)針對數(shù)個目標快速接續(xù)觀測能力。

高分四號衛(wèi)星的不同觀測模式在防災減災救災領(lǐng)域具備不同的應(yīng)用方向和目的。普查模式重點應(yīng)用于災害日常監(jiān)測，可實現(xiàn)災害本底數(shù)據(jù)的有效獲取，定期提取災害系統(tǒng)要素的各項參數(shù)、指標，為災害風險評估提供數(shù)據(jù)支撐。區(qū)域模式相比于普查模式數(shù)據(jù)獲取的周期更短，可用于針對特定較大區(qū)域的數(shù)據(jù)采集，對于影響范圍較廣災害（例如流域性洪澇災害、雪災、旱災等）災害范圍監(jiān)測發(fā)揮重要作用。凝視模式重點面向影響范圍較小且變化速度較快的突發(fā)災害（例如潰壩性洪澇災害、森林草原火災、大型滑坡泥石流、堰塞湖等），通過開展定點高頻觀測，準確獲取災害范圍及動態(tài)變化，是開展災害應(yīng)急監(jiān)測的重要手段。我國災害種類多、分布廣，多災并發(fā)情況突出，機動巡查模式則重點針對多災并發(fā)情景，可同時針對2個以上（含2個）離散重大災害事件開展交替式監(jiān)測，同時滿足多個任務(wù)需求，提升多災應(yīng)對能力。

2.響應(yīng)速度快

高分四號衛(wèi)星依托其地球靜止軌道優(yōu)勢，可隨時接收地面指令開機拍攝并下傳數(shù)據(jù)，具備突發(fā)災害當天申請觀測、當天開機拍攝、當天獲取數(shù)據(jù)、當天完成監(jiān)測產(chǎn)品（天氣條件允許）能力，有效支撐突發(fā)重特大災害監(jiān)測需求。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)從需求提出到數(shù)據(jù)獲取需要經(jīng)歷任務(wù)安排、指令上注、開機拍攝、數(shù)據(jù)下傳、數(shù)據(jù)處理等諸多環(huán)節(jié)。在高分四號衛(wèi)星在軌測試期間，開展了數(shù)據(jù)獲取時效性測試，分別選擇了凝視、區(qū)域、機動巡查三種工作模式，詳細記錄各階段所需時間。由于數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸鏈路等多因素影響，在數(shù)據(jù)下傳、處理階段存在較大不確定性，從數(shù)據(jù)需求提出到觀測數(shù)據(jù)獲取的時間最短為 1 h 10 min，最長需要 5 h 33 min完成（衛(wèi)星開機拍攝工作時間在19～30 min）[2]，但仍可滿足當天任務(wù)需求提出并獲取數(shù)據(jù)的要求。

潰壩性洪澇災害、重特大山體滑坡等災害具有一定的突發(fā)性，洪澇、森林火災等災害演進速度快，高分四號衛(wèi)星憑借其響應(yīng)速度快的優(yōu)勢，可迅速獲取災區(qū)影像。在投入業(yè)務(wù)應(yīng)用后，高分四號衛(wèi)星參加了江西洪澇、大興安嶺森林火災等突發(fā)重特大災害應(yīng)急監(jiān)測工作，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速獲取，為災害應(yīng)急救援提供了重要數(shù)據(jù)支撐。

3.觀測頻率高

高分四號衛(wèi)星觀測頻率高主要體現(xiàn)在兩個方面：一是其地球靜止軌道降低了數(shù)據(jù)獲取間隔；二是其面陣探測器具備單波段連續(xù)成像能力。

對地觀測遙感衛(wèi)星大多運行在太陽同步軌道，根據(jù)幅寬、軌道高度等參數(shù)不同，重訪周期在數(shù)天至數(shù)十天，數(shù)據(jù)獲取時間間隔較長。高分四號衛(wèi)星作為地球靜止軌道衛(wèi)星，可以在白天任意時刻獲取可見光近紅外影像，并且在夜間獲取中波紅外數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取時間間隔明顯縮短。

高分四號衛(wèi)星相機采用面陣CMOS探測器和面陣紅外探測器，可對同一目標進行重復觀測，獲得秒級高時間分辨率遙感影像。高分四號衛(wèi)星重復觀測主要分為兩種模式：一種是單譜段成像模式，其中，中波紅外重復觀測時間為1s，可見光近紅外單譜段重復觀測時間為 5s；一種是全譜段成像模式，即順序完成各個譜段成像，每個譜段的成像時間為5s，相鄰譜段的切換時間為10s，可見光近紅外全譜段成像需要約75s。靈活的成像模式為高分四號衛(wèi)星應(yīng)用提供了諸多選擇[3]。

高分四號衛(wèi)星高頻率觀測為災害應(yīng)急監(jiān)測提供了重要支撐，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：一是增加了有效數(shù)據(jù)獲取的可能性。突發(fā)重特大災害往往伴隨惡劣氣象條件，云層覆蓋降低了數(shù)據(jù)獲取的有效性，高分四號衛(wèi)星憑借其軌道特性，增強了數(shù)據(jù)獲取能力，通過高頻次觀測，可在云層散去后快速獲取有效數(shù)據(jù)，從而為災害應(yīng)急工作提供第一手數(shù)據(jù)。二是提升了災害變化跟蹤能力。突發(fā)重特大災害變化趨勢快，通過高分四號衛(wèi)星可實現(xiàn)對災區(qū)的準實時跟蹤，及時了解災區(qū)動態(tài)變化，提升了遙感影像服務(wù)時效性。

4.影像幅寬大

高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)有效幅寬達到了400 km，與現(xiàn)有同等分辨率極軌衛(wèi)星影像相比，具有明顯優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：一是提升了數(shù)據(jù)獲取的完整性。極軌衛(wèi)星受軌道、幅寬等因素影響，存在災區(qū)無法觀測完整的情況，大幅寬數(shù)據(jù)可以在單景影像中獲取重災區(qū)甚至全災區(qū)完整數(shù)據(jù)；二是降低了數(shù)據(jù)處理復雜度。數(shù)據(jù)預處理工作是開展信息提取的前提，大幅寬數(shù)據(jù)可以降低數(shù)據(jù)預處理工作的數(shù)量，提升了數(shù)據(jù)處理時效，更好地為應(yīng)急工作提供及時、有效的數(shù)據(jù)支撐。

三、高分四號衛(wèi)星減災應(yīng)用實踐

1.產(chǎn)品體系構(gòu)建

在原有災害遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)產(chǎn)品體系基礎(chǔ)上，通過與高分四號衛(wèi)星能力和特點相結(jié)合，形成了針對高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的產(chǎn)品體系（見圖1）。

圖1 高分四號衛(wèi)星災害監(jiān)測產(chǎn)品體系

高分四號衛(wèi)星產(chǎn)品體系仍按災害遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)流程分為本底影像產(chǎn)品、災害要素與特征參數(shù)產(chǎn)品、災害范圍與損失監(jiān)測產(chǎn)品與恢復重建監(jiān)測產(chǎn)品。本底影像產(chǎn)品是指全國、重點區(qū)域基礎(chǔ)本底數(shù)據(jù)，主要為災害應(yīng)急提供快速災前影像產(chǎn)品服務(wù)。根據(jù)高分四號衛(wèi)星成像能力，災害要素與特征參數(shù)產(chǎn)品選擇災害系統(tǒng)目標，定期了解其分布及狀態(tài)，為災害風險評估提供數(shù)據(jù)支撐。災害范圍與損失產(chǎn)品是在應(yīng)急期間開展災害范圍監(jiān)測與損失評估形成的業(yè)務(wù)產(chǎn)品，按照適用的災種及承災體類型細化?；謴椭亟ūO(jiān)測產(chǎn)品包括針對重要承災體及生態(tài)環(huán)境的恢復重建監(jiān)測產(chǎn)品。

2.業(yè)務(wù)應(yīng)用實踐

（1）本底影像產(chǎn)品

本底影像產(chǎn)品是指經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理后根據(jù)年份、季節(jié)、區(qū)域分類存儲的影像產(chǎn)品，是開展基礎(chǔ)信息參數(shù)提取、災害應(yīng)急影像對比的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。高分四號衛(wèi)星普查模式可有效實現(xiàn)全國甚至周邊一帶一路沿線國家大范圍觀測影像，在開展遙感數(shù)據(jù)精校正基礎(chǔ)上，開展圖像拼接鑲嵌、勻光勻色等工作，定期形成全國及部分重點區(qū)域高分四號衛(wèi)星影像圖。

（2）災害要素與特征參數(shù)產(chǎn)品

在日常條件下，利用高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)在開展相關(guān)特征參數(shù)提取基礎(chǔ)上，對致災因子、承災體、孕災環(huán)境等災害系統(tǒng)主要組成要素開展定期、持續(xù)、動態(tài)監(jiān)測。

根據(jù)高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)特性，重點開展洪澇、雪災、干旱等災害監(jiān)測與損失評估工作，地表反照率、植被指數(shù)、植被覆蓋度、水體指數(shù)等為高分四號衛(wèi)星減災救災應(yīng)用的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（見圖2）。

圖2 高分四號衛(wèi)星特征參數(shù)反演圖

針對干旱、洪澇、雪災等自然災害，結(jié)合高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)特性，開展水體、積雪、冰凌等災害系統(tǒng)要素監(jiān)測工作，并定期獲取其動態(tài)變化過程（見圖3a）。農(nóng)田、居民地分布情況等承災體信息是開展災害損失評估的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，高分四號衛(wèi)星具有高時間頻次觀測特性，從而為地類識別提供了特有技術(shù)和方法（見圖3b）。

圖3 高分四號衛(wèi)星災害系統(tǒng)目標分布監(jiān)測圖

（3）災害范圍與損失監(jiān)測產(chǎn)品

高分四號衛(wèi)星以其響應(yīng)速度快、觀測頻率高、覆蓋范圍廣的優(yōu)勢，在洪澇、干旱、森林草原火災等災害監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。

潰壩性洪澇災害具有突發(fā)性強、變化快等特點。針對潰壩性洪澇災害，高分四號衛(wèi)星充分發(fā)揮其觀測優(yōu)勢，基于可見光近紅外譜段數(shù)據(jù)，快速、準確識別洪澇災害區(qū)域，為應(yīng)急救援工作提供支撐（見圖4）。2016年6月20日晚7時，江西省上饒市鄱陽縣濱田水庫泄洪道河堤（濱田河）出現(xiàn)堤身潰口。受光照條件所限，當晚未能開展有效觀測，但于21日早8時快速獲取高分四號觀測數(shù)據(jù)，準確提取洪澇淹沒范圍，并在隨后持續(xù)跟蹤災害范圍變化。2018年8月，山東省濰坊市壽光縣彌河出現(xiàn)決堤，當天緊急申請并獲取高分四號衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，迅速開展災害范圍監(jiān)測工作。

圖4 高分四號衛(wèi)星潰壩性洪澇災害監(jiān)測圖

針對流域性洪澇災害影響范圍廣的特點，高分四號衛(wèi)星充分發(fā)揮其幅寬大的優(yōu)勢，減少數(shù)據(jù)處理量，為災害應(yīng)急工作提供了強時效性觀測數(shù)據(jù)。2016年7月，湖北省漢江流域發(fā)生嚴重洪澇災害，高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)僅利用 2 景數(shù)據(jù)完成了災區(qū)全覆蓋，有效提取了洪澇災害動態(tài)范圍（見圖5）。

圖5 高分四號衛(wèi)星流域性洪澇災害監(jiān)測圖（湖北，2016-07）

在干旱災害應(yīng)對期間，基于高分四號衛(wèi)星可見光近紅外波段數(shù)據(jù)，提取植被指數(shù)及典型水體面積，并通過與往年同類數(shù)據(jù)對比，開展植被長勢監(jiān)測及重點水庫蓄水情況，間接反映干旱災害狀況及趨勢。2016年，受持續(xù)高溫少雨天氣影響，內(nèi)蒙古中東部地區(qū)發(fā)生重特大干旱災害，高分四號衛(wèi)星發(fā)揮其載荷及幅寬優(yōu)勢，成功應(yīng)用至大范圍植被長勢與水體面積變化監(jiān)測之中（見圖6）。

圖6 高分四號衛(wèi)星干旱災害監(jiān)測圖（內(nèi)蒙古，2016-08）

森林草原火災具有突發(fā)性強、變化速度快等特點，高分四號衛(wèi)星以其快速響應(yīng)及高頻觀測的優(yōu)勢，在森林草原火災監(jiān)測中發(fā)揮作用。高分四號衛(wèi)星搭載的可見光近紅外相機和中波紅外相機均較為適合森林草原火災監(jiān)測。森林草原火災伴隨局地高溫，中波紅外波段對高溫地物較為敏感，此外可見光近紅外波段則可用于濃煙及火燒跡地的識別，兩者相互配合形成針對森林草原火災的全鏈條監(jiān)測。2018年6月初，大興安嶺發(fā)生 2 起嚴重森林草原火災，在前期充分發(fā)揮中波紅外優(yōu)勢，準確識別火勢變化，在火災撲滅之后，采用可見光近紅外數(shù)據(jù)準確識別火燒跡地，服務(wù)于損失評估工作（見圖7）。

圖7 高分四號衛(wèi)星森林火災監(jiān)測圖（內(nèi)蒙古，2018-06）

（4）恢復重建監(jiān)測

恢復重建監(jiān)測是災害管理的重要組成部分，高分四號衛(wèi)星憑借其高頻觀測優(yōu)勢，提高了數(shù)據(jù)監(jiān)測密度，準確識別災害恢復狀況。受制于其50 m空間分辨率，高分四號衛(wèi)星較為適用于針對重大洪澇災害退水及植被恢復狀況監(jiān)測工作。2016年，高分四號衛(wèi)星成功應(yīng)用至湖北重大洪澇災害恢復狀態(tài)監(jiān)測中（見圖8）。

圖8 高分四號衛(wèi)星洪澇災害災后恢復監(jiān)測圖（湖北，2016-07）

（5）國際重特大災害監(jiān)測

高分四號衛(wèi)星位于地球靜止軌道，對我國周邊一帶一路部分國家具備良好監(jiān)測能力，在滿足國內(nèi)突發(fā)重特大災害應(yīng)急監(jiān)測的同時，高分四號衛(wèi)星積極參與國外重特大災害應(yīng)急監(jiān)測工作，為周邊國家災害應(yīng)急救援提供幫助。2017年5月，孟加拉東北部發(fā)生了嚴重洪澇災害，西北部6個區(qū)受災嚴重?；?017年5月4日高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，開展水體面積提取，并與2015、2016年同期水體面積開展對比，準確識別洪澇災害范圍（見圖9）。

圖9 高分四號衛(wèi)星孟加拉2015-2017年水體范圍監(jiān)測圖

四、未來應(yīng)用建議

高分四號衛(wèi)星自發(fā)射以來以其獨特的軌道和成像優(yōu)勢，為災害監(jiān)測提供了重要數(shù)據(jù)支撐，面向災害監(jiān)測的產(chǎn)品體系逐步完善，理論技術(shù)體系逐步形成，在數(shù)次國內(nèi)外重特大災害應(yīng)急監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。但是，對照新時代應(yīng)急管理的新任務(wù)、新要求，數(shù)據(jù)獲取時效性、產(chǎn)品精度等方面仍需進一步加強，因此，對高分四號衛(wèi)星應(yīng)用提出如下展望：

進一步優(yōu)化運管機制。高分四號衛(wèi)星具有較強的快速響應(yīng)和高頻次觀測能力，但由于高分四號衛(wèi)星從觀測需求提出到數(shù)據(jù)推送至用戶需要經(jīng)歷多個環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)時效性服務(wù)能力與數(shù)據(jù)成像能力尚不匹配。建議進一步優(yōu)化觀測計劃申請與數(shù)據(jù)傳輸機制，研究各項任務(wù)特點，在各個環(huán)節(jié)設(shè)立應(yīng)急機制，確保觀測計劃優(yōu)先安排、數(shù)據(jù)優(yōu)先下傳、處理及推送，提升數(shù)據(jù)的時效性。同時，由于受制于天氣情況，數(shù)據(jù)獲取有效性存在較大不確定性，建議構(gòu)建數(shù)據(jù)有效性處理機制，根據(jù)實際成像情況，及時添加后續(xù)觀測任務(wù)。

進一步加強定量應(yīng)用。目前，高分四號衛(wèi)星的定量化仍處于科研階段，相關(guān)技術(shù)的業(yè)務(wù)應(yīng)用程度仍存在明顯不足，部分業(yè)務(wù)產(chǎn)品仍處于定性分析階段，一定程度上影響了產(chǎn)品的服務(wù)能力。今后，建議針對高分四號衛(wèi)星特點，加強數(shù)據(jù)輻射定標工作與關(guān)鍵參數(shù)反演驗證工作，并與實際業(yè)務(wù)緊密結(jié)合，從目標精度要求反推各級產(chǎn)品精度，構(gòu)建高分四號衛(wèi)星定量化應(yīng)用精度指標體系，提升產(chǎn)品準確度。

進一步挖掘數(shù)據(jù)潛力。現(xiàn)階段，高分四號衛(wèi)星仍處于“單打獨斗”的局面，尚未構(gòu)建與傳統(tǒng)極軌衛(wèi)星系統(tǒng)化、體系化協(xié)同應(yīng)用的模式和技術(shù)體系，高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)和方法也多建立在原有極軌衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)方法的改進和升級上，尚未凸顯高分四號高頻次觀測特性，對高頻次觀測數(shù)據(jù)蘊含的豐富信息挖掘不夠。今后，加強高分四號衛(wèi)星與極軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)在任務(wù)觀測、數(shù)據(jù)融合、信息挖掘等方面的協(xié)同應(yīng)用，充分發(fā)揮其快速、靈活、高頻觀測優(yōu)勢，依托大數(shù)據(jù)、人工智能等分析手段，構(gòu)建基于高頻次海量觀測數(shù)據(jù)的信息挖掘技術(shù)。