文 | 李素菊 劉明博 武斌
1.應(yīng)急管理部國家減災(zāi)中心 2.航天東方紅衛(wèi)星有限公司
衛(wèi)星遙感對地球的宏觀、動態(tài)、綜合和全球化觀測優(yōu)勢與災(zāi)害事故的覆蓋范圍廣、發(fā)生頻次高、造成影響大和援助國際化的特點高度契合,伴隨著近年來衛(wèi)星遙感技術(shù)的迅猛發(fā)展,其已成為各國防災(zāi)減災(zāi)與應(yīng)急管理的重要支撐。國內(nèi)外各類衛(wèi)星均將防災(zāi)減災(zāi)和應(yīng)急管理作為主要應(yīng)用領(lǐng)域之一,針對不同衛(wèi)星特點通過一星多用和多星共用策略,可為多災(zāi)種自然災(zāi)害風(fēng)險監(jiān)測提供精準(zhǔn)信息支持,為各類重大災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測提供及時信息保障。2018年6月2日高分六號(GF-6)衛(wèi)星的成功發(fā)射為我國應(yīng)急管理應(yīng)用增加了重要中高分辨率遙感數(shù)據(jù)源,且通過與高分一號(GF-1)衛(wèi)星、環(huán)境減災(zāi)二號(又稱應(yīng)急減災(zāi)二號)衛(wèi)星組網(wǎng),中分辨率數(shù)據(jù)獲取的時間分辨率達(dá)到1天,其大范圍動態(tài)綜合的觀測特點在災(zāi)害風(fēng)險和應(yīng)急監(jiān)測中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。
為系統(tǒng)研究GF-6 衛(wèi)星在防災(zāi)減災(zāi)與應(yīng)急管理領(lǐng)域的應(yīng)用能力,本文根據(jù)GF-6 衛(wèi)星特點,以空間分辨率、譜段設(shè)置、幅寬和重訪周期等為主要指標(biāo),對比分析國內(nèi)外具有相似特點衛(wèi)星并在借鑒已開展應(yīng)用成果基礎(chǔ)上,針對我國應(yīng)急管理新任務(wù)新需求,系統(tǒng)開展應(yīng)用分析,結(jié)合國家減災(zāi)中心已經(jīng)形成的衛(wèi)星遙感災(zāi)害全過程監(jiān)測產(chǎn)品體系框架基礎(chǔ),構(gòu)建基于GF-6 衛(wèi)星的防災(zāi)減災(zāi)與應(yīng)急管理應(yīng)用產(chǎn)品體系,并在洪澇、森林火災(zāi)、地震和地質(zhì)災(zāi)害中開展應(yīng)用實踐驗證,最后結(jié)合應(yīng)用需求提出進(jìn)一步深化應(yīng)用研究的方向與建議。
GF-6 衛(wèi)星配置2m 全色/8m 多光譜高分辨率相機(jī)和16m 多光譜中分辨率寬幅相機(jī),2m 全色/8m 多光譜相機(jī)觀測幅寬95km,16m 多光譜相機(jī)觀測幅寬860km,具有高分辨率、寬覆蓋、高質(zhì)量成像等特點,設(shè)計壽命8年。GF-6 寬幅多光譜相機(jī)首次實現(xiàn)8 譜段CMOS 探測器的國產(chǎn)化研制,具有從海岸藍(lán)到近紅外(0.40-0.9μm)的連續(xù)譜段,量化倍數(shù)達(dá)12bit,重訪周期4 天。
GF-6 衛(wèi)星與2013年發(fā)射目前仍在軌運(yùn)行的GF-1 衛(wèi)星相比,軌道設(shè)計一致,載荷配置相似,技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化提升,其中寬幅相機(jī)由GF-1衛(wèi)星的四臺拼接優(yōu)化為一臺CMOS 相機(jī),幅寬與四臺相機(jī)拼接后寬度一致,2m 全色/8m 多光譜相機(jī)幅寬提升至95km,量化比特提升至12bit。目前GF-6 與GF-1 衛(wèi)星實現(xiàn)雙星組網(wǎng)。結(jié)合GF-6 衛(wèi)星的多載荷特點,從空間分辨率、譜段特點及時間分辨率角度,分析GF-6 衛(wèi)星在應(yīng)急管理領(lǐng)域的應(yīng)用能力,可見GF-6 衛(wèi)星對于應(yīng)急管理的多要素風(fēng)險調(diào)查、典型目標(biāo)趨勢監(jiān)測和洪澇、林火、旱災(zāi)等大范圍災(zāi)害監(jiān)測具有優(yōu)勢。
從空間分辨率特點分析。GF-6 衛(wèi)星可獲得地球表面2m 全色數(shù)據(jù)和基于2m 全色8m 多光譜融合的2m 多光譜數(shù)據(jù),具有識別單體建筑物和機(jī)場、碼頭、橋梁、水庫、學(xué)校操場、水庫壩體、露天礦山、尾礦庫、化工廠、交通道路等典型基礎(chǔ)設(shè)施的空間位置及分布的能力,可用于重點區(qū)域相關(guān)典型承災(zāi)體的快速遙感調(diào)查?;?m 多光譜數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)方法的典型承載體目標(biāo)智能提取技術(shù)發(fā)展迅速。利用GF-6的16m 多光譜數(shù)據(jù)可識別城市、城鎮(zhèn)、大型水庫等人工地物目標(biāo),并可以用于土地覆蓋分類,適用于全國和全球尺度的信息識別提取。遙感提取進(jìn)一步與地面調(diào)查信息融合,在開展精度驗證基礎(chǔ)上通過空間協(xié)同可提升風(fēng)險調(diào)查的精度和效率。
從時間分辨率與覆蓋特點分析。GF-6 衛(wèi)星與GF-1 衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行,使16m 多光譜相機(jī)的重訪周期達(dá)1 天,2m/8m 相機(jī)的重訪能力提升至2 天,大大提高了衛(wèi)星的應(yīng)急能力。每天觀測一次的16m 多光譜相機(jī)特別適合于開展汛期之前針對水庫、湖泊等典型水體范圍變化趨勢監(jiān)測,還可對森林火險高風(fēng)險區(qū)的熱異常點進(jìn)行巡查及對森林火災(zāi)造成的過火面積進(jìn)行估算。
2008年環(huán)境減災(zāi)一號A、B 衛(wèi)星的發(fā)射開啟了衛(wèi)星減災(zāi)業(yè)務(wù)應(yīng)用的歷程,并初步構(gòu)建了應(yīng)用體系,2013年到2019年底高分系列衛(wèi)星的陸續(xù)發(fā)射與應(yīng)用,使衛(wèi)星遙感技術(shù)在防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)一步提升和完善,并實現(xiàn)了以國產(chǎn)化衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源。2018年4月應(yīng)急管理部組建,也對衛(wèi)星遙感在應(yīng)急管理領(lǐng)域的應(yīng)用提出更高的要求。在國產(chǎn)遙感衛(wèi)星發(fā)展驅(qū)動和應(yīng)急管理應(yīng)用需求的牽引下,應(yīng)急管理部國家減災(zāi)中心初步構(gòu)建了衛(wèi)星遙感應(yīng)急管理應(yīng)用框架,形成覆蓋災(zāi)害全過程的衛(wèi)星遙感監(jiān)測產(chǎn)品服務(wù)體系。GF-6 衛(wèi)星的發(fā)射、測試過程正是應(yīng)急管理部邊組建邊應(yīng)急的時期,所以衛(wèi)星在軌測試期間即開始服務(wù)于應(yīng)急實戰(zhàn),目前已經(jīng)成為管理業(yè)務(wù)監(jiān)測的重要數(shù)據(jù)源,在應(yīng)急管理各階段監(jiān)測業(yè)務(wù)中得到應(yīng)用。GF-6 衛(wèi)星應(yīng)急管理應(yīng)用服務(wù)框架如圖1 所示。
圖1 GF-6 衛(wèi)星應(yīng)急管理應(yīng)用服務(wù)框架
衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)是專題應(yīng)用的基礎(chǔ)。GF-6 衛(wèi)星的多譜段、大幅寬和高輻射分辨率特點,經(jīng)過幾何、輻射、融合、增強(qiáng)處理,可生產(chǎn)全國、省級和重點區(qū)域的高質(zhì)量2m、8m 和16m 多光譜的影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品。16m 多光譜影像數(shù)據(jù)可以開展“一帶一路”和全球影像產(chǎn)品生產(chǎn)與服務(wù)。通過與GF-1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)協(xié)同,可以實現(xiàn)多尺度全國數(shù)據(jù)的季度更新。進(jìn)一步再與環(huán)境減災(zāi)A、B 衛(wèi)星組網(wǎng),16m 多光譜全球數(shù)據(jù)可實現(xiàn)年度更新。在常態(tài)條件下為大范圍風(fēng)險普查、風(fēng)險監(jiān)測、應(yīng)急監(jiān)測和恢復(fù)重建監(jiān)測提供背景影像數(shù)據(jù)。在應(yīng)急條件下,為獲得最新的影像數(shù)據(jù)可以只進(jìn)行快速幾何處理,在一個小時內(nèi)實現(xiàn)災(zāi)區(qū)影像產(chǎn)品的快速生產(chǎn),為應(yīng)急監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支撐。此外,多時相影像產(chǎn)品還可以與三維數(shù)字地球模型和多源專題數(shù)據(jù)信息融合,輔助應(yīng)急指揮和態(tài)勢研判。
GF-6 衛(wèi)星的多譜段多空間分辨率影像為應(yīng)急要素定量反演和重要信息提取提供寶貴數(shù)據(jù)源?;? 譜段的寬覆蓋相機(jī)數(shù)據(jù),可以進(jìn)行植被指數(shù)、水體指數(shù)等大范圍長時間序列參數(shù)反演,也可以用于土地覆蓋分類和大型水體、機(jī)場、建成區(qū)、露天礦山、化工園區(qū)等地物目標(biāo)的識別?;?m 全色和8m 多光譜數(shù)據(jù)融合后的2m 多光譜影像,則具有對房屋、操場、道路、工廠等小目標(biāo)承災(zāi)體和尾礦庫、儲油罐、?;饭S等安全隱患目標(biāo)的識別提取能力。近年來人工智能技術(shù)在基于高分辨率遙感影像目標(biāo)提取中的應(yīng)用發(fā)展迅速,GF-6 衛(wèi)星的高輻射分辨率也有利于提高應(yīng)急目標(biāo)要素識別提取的精度,全球化覆蓋能力也為全球目標(biāo)的智能提取與監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。
GF-6 寬幅相機(jī)的2 天重訪和2m/8m 相機(jī)的4天重訪能力,可對典型應(yīng)急管理要素進(jìn)行定期監(jiān)測,并進(jìn)一步基于時空變化分析趨勢和異常信息識別,為單災(zāi)種和多災(zāi)種風(fēng)險監(jiān)測提供參考。如汛期之前,針對洪澇易發(fā)區(qū)的湖泊、河流、水庫等典型水體范圍及其變化,利用寬幅相機(jī)可以每周開展1 ~2 次的定期監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)水面急速變化區(qū)域,同時結(jié)合降水預(yù)報和承災(zāi)體情況可進(jìn)一步分析識別洪澇災(zāi)害風(fēng)險區(qū)域。寬幅相機(jī)設(shè)置的2 個紅邊譜段可使GF-6 衛(wèi)星對于森林和農(nóng)作物類型、分布及長勢進(jìn)行定期監(jiān)測,通過旬、月和年際的長時間序列趨勢分析,并結(jié)合物候等地面信息可以對旱災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測。此外,針對高風(fēng)險區(qū)域或重點區(qū)域的尾礦庫、地質(zhì)災(zāi)害隱患點等重點目標(biāo)定期監(jiān)測空間特性變化,可以作為隱患排查的一種手段,適合于人員難以到達(dá)區(qū)域的風(fēng)險監(jiān)測。
基于GF-6 的寬覆蓋和2 天的高重訪能力可以在應(yīng)急監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。通過與其他衛(wèi)星的多維協(xié)同,可以針對森林火災(zāi)、洪澇、旱災(zāi)、大型滑坡和地震等災(zāi)害過程進(jìn)行有效監(jiān)測。衛(wèi)星應(yīng)急協(xié)同可分為時間協(xié)同、空間協(xié)同和觀測目標(biāo)協(xié)同等不同的維度,多星時間協(xié)同可以縮短應(yīng)急監(jiān)測時間間隔和提升應(yīng)急監(jiān)測時效,少云白天可以與GF-1 衛(wèi)星協(xié)同,洪澇等災(zāi)害則多與合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星協(xié)同;多星多載荷空間協(xié)同可以實現(xiàn)對災(zāi)區(qū)全覆蓋和重點區(qū)域的多次覆蓋,如利用寬幅相機(jī)的一幅圖像可以開展省域監(jiān)測,而針對其中的重災(zāi)區(qū)則可以用2m/8m 相機(jī)或更高分辨率衛(wèi)星開展精細(xì)化監(jiān)測;大的災(zāi)害范圍中涉及空間分散分布和尺度不一的多關(guān)注目標(biāo)應(yīng)急觀測時,則需要針對多目標(biāo)監(jiān)測特點開展多星多載荷多模式協(xié)同,實現(xiàn)最快多目標(biāo)觀測。
(1)森林火災(zāi)監(jiān)測
森林火災(zāi)突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大,一旦迅速蔓延,針對森林火災(zāi)的不同時空尺度的全過程監(jiān)測就非常重要,GF-6 衛(wèi)星在常態(tài)森林覆蓋、災(zāi)后火燒范圍評估和生態(tài)恢復(fù)等階段監(jiān)測方面可以發(fā)揮針對森林的高分辨多譜段識別作用,應(yīng)急期間則輔助高軌高時效衛(wèi)星開展協(xié)同監(jiān)測。常態(tài)條件下利用GF-6 的寬幅相機(jī)可對全國的森林覆蓋區(qū)范圍、主要森林種類及其中的國家自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行及時更新,針對中俄、中緬、中哈等邊境地區(qū)的森林覆蓋情況也需要及時更新?;瘘c的發(fā)現(xiàn)一般需要利用靜止軌道衛(wèi)星攜帶的紅外載荷對林區(qū)高風(fēng)險區(qū)進(jìn)行熱異常點識別,一旦發(fā)現(xiàn)熱異常點則一方面利用高分四號(GF-4)衛(wèi)星進(jìn)行凝視觀測確認(rèn),同時協(xié)調(diào)GF-6 等更高分辨率衛(wèi)星對煙點、火線、過火范圍及蔓延趨勢做更精細(xì)動態(tài)監(jiān)測,救援過程中還可以基于2m/8m 影像對火場周圍一定范圍內(nèi)的居住區(qū)和化工廠等重點關(guān)注目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測,火災(zāi)結(jié)束后可以結(jié)合災(zāi)前高分辨率森林類型及分布等數(shù)據(jù)和災(zāi)后GF-6 等衛(wèi)星的中高分辨率數(shù)據(jù),在精確估算過火范圍基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展損失評估。針對遭受森林火災(zāi)的林區(qū)可以利用GF-6 衛(wèi)星的寬覆蓋紅邊譜段開展月度、季度和年度的生態(tài)恢復(fù)情況監(jiān)測。針對2020年3月31日云南怒江蘭坪縣的森林火災(zāi),GF-6 衛(wèi)星的8m 多光譜影像可以清晰識別災(zāi)區(qū)地形地貌、燃燒區(qū)域、煙霧及蔓延方向等信息。2018年6月初大興安嶺發(fā)生森林火災(zāi),GF-6 衛(wèi)星正值在軌測試,利用寬幅相機(jī)假彩色影像可以清晰識別和估算過火面積(圖2)。
圖2 GF-6 衛(wèi)星森林火災(zāi)監(jiān)測圖
(2)大范圍洪澇災(zāi)害監(jiān)測
GF-6 衛(wèi)星的大幅寬覆蓋能力和高重訪特點對流域性大范圍洪澇災(zāi)害全過程監(jiān)測具有明顯優(yōu)勢。汛前針對典型大型水體范圍可以開展每周、每旬的定期監(jiān)測,通過與GF-1 衛(wèi)星協(xié)同,可以對洪澇災(zāi)害易發(fā)區(qū)內(nèi)的典型水體范圍及變化進(jìn)行每天監(jiān)測。洪澇災(zāi)害期間多云多雨情況居多,洪澇應(yīng)急監(jiān)測多以雷達(dá)衛(wèi)星為主,GF-6 衛(wèi)星可以用于偶爾天氣允許條件下的洪澇災(zāi)區(qū)大范圍監(jiān)測,補(bǔ)充提升監(jiān)測頻次和覆蓋范圍,同時也可基于災(zāi)害前最新的災(zāi)區(qū)2m 融合多光譜影像開展洪澇范圍內(nèi)受影響房屋、基礎(chǔ)設(shè)施、道路、圩堤等評估。洪澇退水期間,則可以開展退水及災(zāi)區(qū)恢復(fù)。2020年6-9月,長江、淮河等流域發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害,國家減災(zāi)中心協(xié)調(diào)利用國內(nèi)外各類遙感衛(wèi)星對洪澇災(zāi)區(qū)范圍和重點目標(biāo)進(jìn)行每天動態(tài)監(jiān)測。7月13日GF-6 衛(wèi)星獲得江西全省16m 寬覆蓋影像,西北局部小范圍被云覆蓋,通過利用7月14日的高分三號(GF-3)衛(wèi)星進(jìn)行空間協(xié)同觀測,2 天內(nèi)獲得了全省洪澇范圍,有利于全面了解全省洪澇態(tài)勢。2020年7月中旬,安徽長江流域和淮河流域洪澇災(zāi)害嚴(yán)重,8月初災(zāi)情穩(wěn)定后則需要針對不同受災(zāi)程度區(qū)縣災(zāi)情進(jìn)行現(xiàn)場核查,以準(zhǔn)確掌握災(zāi)害情況。利用8月3日GF-6 衛(wèi)星寬幅相機(jī)獲取安徽全境影像,直觀呈現(xiàn)全省洪澇區(qū)域和重災(zāi)區(qū)域,為核查提供了綜合信息參考(圖3)。
圖3 GF-6 衛(wèi)星洪澇災(zāi)害監(jiān)測圖
(3)地震地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測應(yīng)用
GF-6 衛(wèi)星的高輻射分辨率和米級空間分辨率使其圖像清晰、層次感強(qiáng)、信息豐富,可以用于人工地物、自然地物等多類型地物目標(biāo)的識別與提取,已經(jīng)在地震和大型地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中得到應(yīng)用。地質(zhì)災(zāi)害往往發(fā)生在山地丘陵地區(qū),需要對滑坡體或泥石流的位置、范圍、堵塞河道或毀損道路、形成堰塞湖、對上游或下游造成影響的范圍和毀損情況進(jìn)行監(jiān)測。2018年11月3日, 金沙江白格段發(fā)生滑坡,滑坡體堵塞金沙江主河道,造成上游形成堰塞湖,11月8日GF-6的8m 多光譜相機(jī)對滑坡體周邊及上游堰塞湖情況進(jìn)行監(jiān)測,可以清晰監(jiān)測到滑坡體及上游沿河70km 范圍內(nèi)河道水面明顯變寬區(qū)域,沿河兩岸數(shù)十個村莊受到水面上漲而面臨被淹的危險。2018年11月12日通過在堰塞體上人工開挖泄流槽,堰塞湖開始過流,11月16日應(yīng)急處置結(jié)束,險情解除。2018年12月16日的GF-6 衛(wèi)星8m 多光譜圖像仍清晰監(jiān)測到滑坡位置和上游逐漸恢復(fù)的水面寬度。重大地震災(zāi)害往往造成建成區(qū)破壞嚴(yán)重,集中被毀損區(qū)域紋理變化明顯,2018年9月28日印尼中蘇拉威西省發(fā)生7.4 級地震并引發(fā)海嘯,造成2000 多人死亡上萬人受傷,強(qiáng)震后引起土壤液化,大量村莊和建筑物沉沒。GF-6 衛(wèi)星于10月6日對重災(zāi)區(qū)進(jìn)行監(jiān)測,并與災(zāi)前的高分辨率影像進(jìn)行對比,可見觸目驚心的土壤液化區(qū)域和粗略估計被毀的上千棟房屋(圖4)。
圖4 GF-6 衛(wèi)星地質(zhì)和地震災(zāi)害監(jiān)測圖
GF-6 衛(wèi)星作為繼GF-1 衛(wèi)星之后的第二顆中高分辨率高分系列光學(xué)衛(wèi)星,已經(jīng)成為應(yīng)急管理業(yè)務(wù)監(jiān)測的穩(wěn)定數(shù)據(jù)源,已經(jīng)納入監(jiān)測業(yè)務(wù)體系并在各階段得到應(yīng)用。通過對GF-6 衛(wèi)星的各項指標(biāo)分析,進(jìn)一步與GF-1 衛(wèi)星和兩顆國際常用衛(wèi)星(美國的Landsat-8 衛(wèi)星、歐洲的Sentinel-2 衛(wèi)星)指標(biāo)比較,綜合考慮GF-6 衛(wèi)星的空間分辨率及在可見光到近紅外譜段范圍內(nèi)的指標(biāo)配置與國際同類衛(wèi)星相當(dāng),覆蓋范圍和重訪觀測能力方面優(yōu)勢明顯。GF-6 的多分辨率多譜段設(shè)置與寬覆蓋能力使其在應(yīng)急管理的常態(tài)影像生產(chǎn)、要素監(jiān)測、風(fēng)險監(jiān)測、應(yīng)急監(jiān)測與恢復(fù)重建監(jiān)測方面均得到應(yīng)用,針對森林火災(zāi)、流域洪澇等可以在全過程監(jiān)測中發(fā)揮有效作用。特別是GF-6 衛(wèi)星的發(fā)射測試時期正是應(yīng)急管理部邊組建邊實戰(zhàn)的關(guān)鍵時期,其在測試期間已經(jīng)通過多星協(xié)同針對大型地質(zhì)災(zāi)害、森林火災(zāi)及國際災(zāi)害開展監(jiān)測應(yīng)用,在2020年的防汛救災(zāi)中更是發(fā)揮大范圍省級覆蓋監(jiān)測的優(yōu)勢,充分證明了GF-6 衛(wèi)星對應(yīng)急管理監(jiān)測業(yè)務(wù)工作的有效支撐。
進(jìn)一步可在不同應(yīng)急場景下,研究GF-6 衛(wèi)星與其他多源衛(wèi)星在風(fēng)險監(jiān)測與應(yīng)急監(jiān)測中的協(xié)同策略,使得在空間協(xié)同覆蓋、時間協(xié)同應(yīng)急和要素協(xié)同識別方面更加科學(xué)有效,提升多星在應(yīng)急管理領(lǐng)域的綜合應(yīng)用成效。特別是2020年9月27日發(fā)射的環(huán)境減災(zāi)二號A、B 衛(wèi)星目前仍在軌道測試,具備與GF-6、GF-1 的組網(wǎng)能力,實現(xiàn)國內(nèi)每天16m重訪和全球快速覆蓋的能力,4 顆衛(wèi)星組網(wǎng)后對應(yīng)急管理監(jiān)測業(yè)務(wù)的模式、內(nèi)容與效率方面的拓展優(yōu)化有待進(jìn)一步分析挖掘和固化,同時應(yīng)大力加強(qiáng)對“一帶一路”沿線國家和地區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)用、仙臺減輕災(zāi)害風(fēng)險框架指標(biāo)監(jiān)測及應(yīng)急監(jiān)測服務(wù)方面的應(yīng)用研究。