環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星應急管理應用系統(tǒng)設(shè)計

劉明 李素菊 劉龍飛 陳璐

(應急管理部國家減災中心，北京 100124)

我國是世界上自然災害最為嚴重的國家之一，具有災害種類多，分布地域廣，發(fā)生頻率高，造成損失重等特點。按照“兩個堅持、三個轉(zhuǎn)變”重要指導思想，需充分發(fā)揮遙感衛(wèi)星多模態(tài)、多要素、長時序動態(tài)監(jiān)測優(yōu)勢，提升災害綜合風險監(jiān)測與應急快速動態(tài)監(jiān)測能力，為減輕災害綜合風險及損失發(fā)揮更大作用[1-2]。環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星于2020年9月27日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，已接替在軌超期服役的環(huán)境減災一號A/B衛(wèi)星。雙星技術(shù)狀態(tài)一致，均搭載多光譜、紅外、高光譜、大氣校正儀4個載荷[3]，具備成像范圍大、重訪周期短、觀測信息豐富等特點，可為防災減災救災和應急救援提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

近年來，隨著國家空間基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，綜合監(jiān)測體系逐步形成[4]，各類衛(wèi)星結(jié)合應用需求建立了適合自身的應用系統(tǒng)[5-8]。本文從防災減災救災業(yè)務(wù)應用需求出發(fā)，對環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星應用系統(tǒng)架構(gòu)、功能模式、業(yè)務(wù)模式進行設(shè)計，為應用系統(tǒng)研發(fā)提供參考依據(jù)。

1 需求分析

1.1 災害綜合風險監(jiān)測

在災害特征參數(shù)與目標持續(xù)定期提取與識別基礎(chǔ)上，將時空特征分析、異常信息提取等傳統(tǒng)手段與大數(shù)據(jù)分析、人工智能等新技術(shù)方法相結(jié)合，實現(xiàn)面向多種災害類型的風險監(jiān)測產(chǎn)品的定期生產(chǎn)，及時發(fā)現(xiàn)災害風險與隱患。

單災種風險監(jiān)測。針對干旱、洪澇、臺風、滑坡/泥石流、雪災、森林草原火災等不同災害類型特點，利用定期動態(tài)提取的積雪、植被長勢、水體范圍、熱異常點分布信息，開展不同時相、不同區(qū)域特征參數(shù)時空變化特征分析，基于異常信息技術(shù)，結(jié)合地形地貌、地表覆蓋、承災體分布等相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建面向不同災害類型的風險監(jiān)測模型，實現(xiàn)災害風險定期監(jiān)測與隱患排查。

災害綜合風險監(jiān)測。針對單一地區(qū)多災風險并發(fā)、主災誘發(fā)次生災害(災害鏈)等情況，充分發(fā)揮多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)優(yōu)勢，分析不同區(qū)域、不同災害鏈特點，提取或識別相關(guān)災害參數(shù)、目標，開展多災害特征參數(shù)綜合分析，開展災害綜合風險分析。

1.2 災害應急監(jiān)測

針對國內(nèi)外重特大災害事故應急救援及災后重建工作需求，充分發(fā)揮衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)優(yōu)勢，結(jié)合不同災害類型特點，了解災害范圍及動態(tài)變化[9]，并提取房屋、橋梁、道路等承災體，及時開展災害損失評估，為災害應急決策提供信息支撐，主要包括災害范圍監(jiān)測、災害損失監(jiān)測、應急救援監(jiān)測、恢復重建監(jiān)測等功能。

災害范圍監(jiān)測。針對干旱、臺風、洪澇、地質(zhì)、森林草原火災、雪災等重特大災害，基于多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，利用變化檢測技術(shù)，提取光譜、紋理、極化、干涉特征及各類特征指數(shù)與歷史同期或災前影像對比，明確災害發(fā)生位置和影響區(qū)域。

災害損失監(jiān)測。針對房屋、農(nóng)作物、森林、交通基礎(chǔ)設(shè)施、水利基礎(chǔ)設(shè)施等承災體，分別利用災前/災后相應空間分辨率衛(wèi)星遙感影像開展對比分析，將特征參數(shù)分析等傳統(tǒng)手段與大數(shù)據(jù)、人工智能等新方法相結(jié)合，提取各類承災體毀損數(shù)量及程度。

應急救援監(jiān)測。利用高空間分辨率光學、SAR衛(wèi)星遙感影像，對應急搶險(如滑坡體治理、道路搶通等)與救助過程(如臨時安置點位置與數(shù)量)開展全過程監(jiān)測，及時了解救援與救助工作進展。

1.3 環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星主要應用需求

在災害綜合風險監(jiān)測方面，與高分一號、高分六號衛(wèi)星相協(xié)同，實現(xiàn)16 m空間分辨率光學衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)每天獲取一次能力，實現(xiàn)針對植被、水體、積雪、冰凌、熱異常點等災害系統(tǒng)要素的定期獲取，提升對干旱、洪澇、低溫冷凍災害風險的監(jiān)測支撐能力。在災害應急監(jiān)測方面，憑借其快速重訪與800 km大幅寬監(jiān)測能力，可為洪澇、森林草原火災、大型地質(zhì)災害開展應急監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星按照“五統(tǒng)一分”的設(shè)計原則。其中包括：統(tǒng)一的交換引擎，支持網(wǎng)絡(luò)附屬存儲(NAS)、應用程序編程接口(API)、WebService等多種異構(gòu)數(shù)據(jù)源進行一體化設(shè)計；統(tǒng)一的存儲管理，針對不同的數(shù)據(jù)類型，提供數(shù)據(jù)庫、分布式文件存儲等多種存儲方式；統(tǒng)一的讀取引擎，提供結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的統(tǒng)一讀取解析；統(tǒng)一的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對系統(tǒng)資源狀態(tài)、任務(wù)調(diào)度狀態(tài)、算法執(zhí)行狀態(tài)等的統(tǒng)一監(jiān)控；統(tǒng)一的應用服務(wù)系統(tǒng)，提供多終端使用；建設(shè)分布式計算框架，面向空間地理數(shù)據(jù)處理、進程控制及消息通訊等多種場景，構(gòu)建并行調(diào)度計算環(huán)境，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的分布式處理。

2.2 總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)面向應用軟件的集成和整合，從整體上劃分為用戶層、應用層、基礎(chǔ)組件層、數(shù)據(jù)層和基礎(chǔ)設(shè)施層五個層次(圖1)。

1)基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層包括兩個部分，為本系統(tǒng)提供各類軟、硬件的基礎(chǔ)設(shè)施支撐。其一是基礎(chǔ)平臺，即硬件支撐平臺，為數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)運行提供硬件支撐，包括計算機、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和安全系統(tǒng)等；其二是各類支撐軟件，為各應用系統(tǒng)提供開發(fā)、測試與運行的軟件支撐。

2)軟件支撐層

應用支撐層是將應用層中的各個分系統(tǒng)中與業(yè)務(wù)邏輯無關(guān)的通用支撐功能分離出來，構(gòu)成可以被不同系統(tǒng)進行調(diào)用的構(gòu)件集、服務(wù)集，實現(xiàn)對功能的重用?；A(chǔ)組件層主要包括：地理信息組件、遙感處理組件、數(shù)據(jù)管理組件、集群管理組件、系統(tǒng)管理組件、運行監(jiān)控組件等，主要為整個系統(tǒng)提供基礎(chǔ)的功能支撐。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.1 System architecture

3)數(shù)據(jù)資源層

數(shù)據(jù)層主要實現(xiàn)對遙感數(shù)據(jù)、用戶信息、元數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲管理，是為不同用戶提供共享服務(wù)的各類信息的集合，包括應急減災原始影像庫、正射影像庫、要素遙感監(jiān)測產(chǎn)品庫、應急風險監(jiān)測產(chǎn)品庫、報告發(fā)布產(chǎn)品庫、基礎(chǔ)地理信息庫、元數(shù)據(jù)庫和運行管理數(shù)據(jù)庫。

4)應用層

應用層直接面向各類用戶提供應用服務(wù)，包括遙感數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)、衛(wèi)星影像綜合接入管理分系統(tǒng)、任務(wù)管理調(diào)度分系統(tǒng)等，提供內(nèi)外部訪問接口。

5)用戶層

用戶層提供統(tǒng)一信息服務(wù)的窗口，用戶層主要面向相關(guān)行業(yè)部門、科研機構(gòu)等用戶，通過統(tǒng)一入口，為各類用戶提供數(shù)據(jù)查詢檢索、數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)處理等服務(wù)。

6)標準規(guī)范與安全保障體系

系統(tǒng)各層都緊密地架構(gòu)在統(tǒng)一的安全保障系統(tǒng)上，其業(yè)務(wù)流程和技術(shù)實現(xiàn)等都遵循應急管理部相關(guān)技術(shù)規(guī)范和技術(shù)標準，按照信息系統(tǒng)等級保護三級標準建設(shè)，采用符合國家安全的技術(shù)與管理手段，保障本系統(tǒng)建設(shè)的標準統(tǒng)一以及信息的安全保密傳輸。

2.3 系統(tǒng)組成與功能

環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星應用系統(tǒng)由衛(wèi)星影像綜合接入管理分系統(tǒng)、遙感數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)、要素目標遙感監(jiān)測分系統(tǒng)、災害綜合風險監(jiān)測分系統(tǒng)、災害應急監(jiān)測分系統(tǒng)、衛(wèi)星監(jiān)測產(chǎn)品服務(wù)分系統(tǒng)等組成(圖2、3)。

圖2 環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星應用系統(tǒng)組成圖Fig.2 The composition of satellite application system for HJ-2A/B satellites

圖3 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖Fig.3 Logical architecture of application system

1)衛(wèi)星影像綜合接入管理分系統(tǒng)?；贐/S架構(gòu)和區(qū)位地理編碼，對接入的環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)，開發(fā)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、自動接入、手動入庫及時空數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)產(chǎn)品提取。

2)遙感數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)。針對環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)、紅外數(shù)據(jù)、高光譜數(shù)據(jù)，開發(fā)上述衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的自動化處理系統(tǒng)包括幾何批處理、輻射校正、幾何精校正、正射校正、圖像拼接勻色、圖像融合等數(shù)據(jù)處理功能，并實現(xiàn)基于多尺度參考影像和服務(wù)的異源圖像幾何配準。

3)要素目標遙感監(jiān)測分系統(tǒng)。針對2顆環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星多光譜、紅外和高光譜載荷不同數(shù)據(jù)特點，開發(fā)水體指數(shù)、雪蓋指數(shù)、植被指數(shù)、熱異常等典型遙感參數(shù)反演功能，充分利用人工智能、深度學習手段，開展城鄉(xiāng)居民地等典型承災體的提取功能[10]，并形成水體范圍、積雪范圍、海冰范圍、火點等致災因子提取工具。

4)災害綜合風險監(jiān)測分系統(tǒng)。依托環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星等數(shù)據(jù)源和其它業(yè)務(wù)部門災害相關(guān)的產(chǎn)品，完善森林草原火災風險、海冰冰凌災害、積雪災害、旱災、臺風災害、暴雨/洪澇/地災、綜合災害風險等信息的自動化集成，開發(fā)多源信息的匯聚更新和空間統(tǒng)計等功能。

5)災害應急監(jiān)測分系統(tǒng)。以環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主，兼顧其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用多時相遙感影像，開發(fā)洪澇災害、地質(zhì)災害、森林草原火災、災難事故等災區(qū)背景影像、災害范圍、災害損失、恢復重建等災害應急監(jiān)測功能。

6)衛(wèi)星監(jiān)測產(chǎn)品服務(wù)分系統(tǒng)。建設(shè)一套衛(wèi)星監(jiān)測產(chǎn)品制圖與產(chǎn)品服務(wù)瀏覽器/服務(wù)器(B/S)架構(gòu)，實現(xiàn)災害要素目標監(jiān)測、災害綜合風險監(jiān)測、災害應急監(jiān)測產(chǎn)品的標準化、一體化服務(wù)。

3 業(yè)務(wù)模式設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動模式

對于自主接收的多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采取數(shù)據(jù)驅(qū)動方式按計劃進行全自動處理模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接入、云檢測、正射校正、融合鑲嵌、產(chǎn)品質(zhì)檢等自動化業(yè)務(wù)流程。根據(jù)接入數(shù)據(jù)類型，啟動相應影像產(chǎn)品生產(chǎn)線，按數(shù)據(jù)的先后順序進行數(shù)據(jù)的處理生產(chǎn)，并進行生產(chǎn)日志的記錄，對處理的產(chǎn)品需要進行質(zhì)檢入庫管理。

其中，針對環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)，在開展數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)上，完成單景數(shù)據(jù)云判、植被指數(shù)提取、水體范圍提取等信息提??；針對紅外數(shù)據(jù)，在開展輻射定標、幾何校正基礎(chǔ)上，完成云判、積雪、陸表溫度識別和提取，并及時發(fā)布提取的熱異常信息；針對高光譜數(shù)據(jù)，重點完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)，并開展植被指數(shù)信息提取。

3.2 任務(wù)驅(qū)動模式

針對特定需求開展對重點區(qū)域(局部區(qū)域)的多源數(shù)據(jù)自動化、流程化處理、存儲、發(fā)布等，側(cè)重于災害監(jiān)測中的應急處理業(yè)務(wù)，采取任務(wù)驅(qū)動按需自動化處理模式。包括任務(wù)建立、數(shù)據(jù)獲取、產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)檢、產(chǎn)品入庫等流程。

任務(wù)驅(qū)動模式在業(yè)務(wù)工作中主要針對災害綜合風險、災害應急監(jiān)測兩種工作模式，實現(xiàn)針對某一應急事件數(shù)據(jù)及信息的集中管理，同時提升數(shù)據(jù)處理、信息提取等任務(wù)的優(yōu)先級。

3.3 人機交互模式

隨著人工智能技術(shù)發(fā)展，災害目標要素提取的精度逐漸升高，但是針對災害范圍及損失精細監(jiān)測等應用場景，需要開展人機交互研判。

4 結(jié)束語

環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星憑借其多要素、大幅寬、高重訪觀測特點，為防災減災救災、應急救援以及其他應用領(lǐng)域提供中分辨率光學遙感數(shù)據(jù)，為及時了解災害系統(tǒng)異常信息、迅速開展災害應急監(jiān)測提供了重要支撐。環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星應用系統(tǒng)建設(shè)緊密圍繞新時代應急管理新任務(wù)、新要求，結(jié)合衛(wèi)星特點設(shè)計研發(fā)，充分運用了深度學習等新興手段，重點強化了災害系統(tǒng)各類要素的定期監(jiān)測與災害綜合風險監(jiān)測能力。但是，我國災害多樣，災害形勢復雜嚴峻，單憑一顆或一類衛(wèi)星難以解決所有問題，應用系統(tǒng)的建設(shè)更需要在用好環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星基礎(chǔ)上，強化與其他光學衛(wèi)星、SAR衛(wèi)星的協(xié)同監(jiān)測應用，提升衛(wèi)星監(jiān)測效率。