遙感大數(shù)據(jù)在防災(zāi)減災(zāi)中的應(yīng)用

韓岳麒

(忻州師范學(xué)院會(huì)計(jì)系，山西 忻州 034000)

自然災(zāi)害通常指可以危害人類生命、破壞財(cái)產(chǎn)安全的現(xiàn)象或事件，如雨、雪、冰雹、地震、火災(zāi)、干旱、臺(tái)風(fēng)、泥石流等。在這類災(zāi)害面前，人類是渺小的、抵抗能力也是微小的。在災(zāi)難發(fā)生后，國家和社會(huì)的救援速度和救援能力是保障人民生命和財(cái)產(chǎn)安全的最后保障，也是災(zāi)民的生命可否延續(xù)、財(cái)產(chǎn)可否保全的唯一希望。[1]據(jù)應(yīng)急管理部公布的數(shù)據(jù)，2021年上半年我國各種自然災(zāi)害共造成2801.9 萬人次受災(zāi)，29.7 萬人次緊急轉(zhuǎn)移安置，156 人因?yàn)?zāi)死亡失蹤；房屋1.3萬間倒塌，45.1萬間遭各種程度損壞；農(nóng)作物2921.7千公頃受災(zāi)，237.7千公頃絕收；直接經(jīng)濟(jì)損失合408.6 億元。[2]2021 年7 月20 日河南特大暴雨導(dǎo)致該省災(zāi)情嚴(yán)重，截至8 月2 日12 時(shí)，全省共有150 個(gè)縣（市、區(qū)）、1663 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、1453.16 萬人受災(zāi)。全省組織緊急避險(xiǎn)93.38 萬人，轉(zhuǎn)移安置最高峰值147.08 萬人；倒塌房屋30106 戶、89001 間；農(nóng)作物成災(zāi)面積872 萬畝，絕收面積380 萬畝，直接經(jīng)濟(jì)損失1142.69億元。此次特大洪澇災(zāi)害導(dǎo)致302人喪生，50人下落不明。[3]

近年來，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，它已成為衡量一個(gè)國家科技發(fā)展水平和綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。目前，國外遙感衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展非常迅速，如美國的QuickBird、WorldView 和GeoEye 等多個(gè)系列衛(wèi)星群，其衛(wèi)星圖像的分辨率大多在0.3～0.5m，且光譜信息豐富，具備業(yè)界領(lǐng)先的定位精度。近年來我國遙感衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)高速發(fā)展，目前我國遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)總量正以超過10 TB/天的速率不斷獲取與積累，包括不同的成像方式、波段、分辨率、觀測尺度和時(shí)間間隔，數(shù)據(jù)的數(shù)量呈現(xiàn)爆炸性的增長，遙感數(shù)據(jù)已快速步入了大數(shù)據(jù)時(shí)代。[4]

在重大自然災(zāi)害中，快速、準(zhǔn)確地獲得災(zāi)區(qū)的災(zāi)情信息，是進(jìn)行救災(zāi)決策部署的重要基礎(chǔ)。在災(zāi)情信息收集、災(zāi)情分析評(píng)估等方面，高分辨率遙感等科技手段可以發(fā)揮尤為重要的作用。[5]隨著“星載雷達(dá)技術(shù)”發(fā)展迅速，遙感設(shè)備可以不受天氣影響，穿透云雨層進(jìn)行探測，在多種情景下均可發(fā)揮作用。[6]目前，遙感領(lǐng)域進(jìn)入了以高精度、全天候信息獲取和自動(dòng)化快速處理為特征的新時(shí)代，衛(wèi)星、無人機(jī)、地面監(jiān)測站網(wǎng)站形成的空天地一體化的協(xié)同觀測體系，提供了多維度和高頻次的多源異構(gòu)災(zāi)害觀測數(shù)據(jù)。[7-8]近些年發(fā)生了特大地質(zhì)災(zāi)害，如汶川地震、玉樹地震和舟曲泥石流災(zāi)害后，都是利用環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星和航空遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，依托“天—地—現(xiàn)場”一體化業(yè)務(wù)平臺(tái)，成功開展了災(zāi)后評(píng)估工作。[9-11]可見，空間遙感大數(shù)據(jù)在防災(zāi)減災(zāi)方面的應(yīng)用具有重要的意義。

一、遙感技術(shù)與遙感大數(shù)據(jù)

遙感技術(shù)指的是將多種電磁波等傳感設(shè)備安裝到各種航空、航天及地面遙感平臺(tái)上，通過定期對遠(yuǎn)距離目標(biāo)所輻射或反射的電磁波信息進(jìn)行收集、處理后成像，依據(jù)影像揭示研究對象特征及變化的綜合性探測技術(shù)。搭載平臺(tái)目前主要可以分為三類：①人造衛(wèi)星、空間站等地外設(shè)備，②飛機(jī)、無人機(jī)、熱氣球等航空設(shè)備，③汽車、塔架、手持等地面設(shè)備。據(jù)此，遙感技術(shù)也可大致分為航空遙感、航天遙感和地面遙感。以下對應(yīng)用場景最廣的衛(wèi)星遙感（航空遙感）和無人機(jī)遙感（航天遙感）兩個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行簡述。

（一）衛(wèi)星遙感技術(shù) 衛(wèi)星遙感作為獲取地表數(shù)據(jù)的一種重要方法，具有不受國界限制、覆蓋范圍廣、觀測周期長、數(shù)據(jù)客觀性強(qiáng)等特點(diǎn)。[12]衛(wèi)星遙感以其宏觀、快速、動(dòng)態(tài)、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，可以在大尺度上全天候、全天時(shí)、動(dòng)態(tài)地觀測地表狀況。衛(wèi)星遙感具有高空間、高時(shí)間、高光譜、高輻射“四高”特性，因而在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注。美國首次發(fā)射的氣象衛(wèi)星標(biāo)志著衛(wèi)星遙感的時(shí)代的來臨。在此之后，美國在1972 年和1978 年分別發(fā)射了首枚陸地衛(wèi)星和首枚海洋衛(wèi)星。我國衛(wèi)星遙感起步晚于歐美國家，中國首顆遙感衛(wèi)星于1975 年誕生于中國空間技術(shù)研究院，為膠片返回式遙感衛(wèi)星?！帮L(fēng)云一號(hào)”是我國首個(gè)氣象衛(wèi)星，于1988 年成功發(fā)射。首個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)播資源衛(wèi)星“中巴地球資源衛(wèi)星01 星”(CBERS-01)，于1999年成功發(fā)射。中國遙感衛(wèi)星歷經(jīng)四十多年發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了膠片返回式到傳輸型光電遙感、高分辨率遙感的跨越，突破了高分辨率大型可見光、紅外、高光譜、SAR、高精度動(dòng)態(tài)成像、高軌成像等關(guān)鍵技術(shù)，形成了陸地、氣象、海洋等衛(wèi)星遙感系統(tǒng)。當(dāng)前，我國在軌光學(xué)衛(wèi)星的空間分辨率達(dá)到0.5 米，雷達(dá)衛(wèi)星的1 米，可以在2—3 天之內(nèi)對國內(nèi)任何區(qū)域進(jìn)行有效的觀測，極大地提高了對地觀測能力，并被廣泛用于大尺度的災(zāi)害防治。

（二）無人機(jī)遙感技術(shù) 近年來無人飛行器技術(shù)不斷進(jìn)步，使得無人機(jī)成為穩(wěn)定可靠的遙感傳感器搭載平臺(tái)，進(jìn)而衍生出無人機(jī)遙感技術(shù)。無人機(jī)遙感技術(shù)能夠靈活地搭載各種傳感器，能夠快速地獲取資源、環(huán)境、災(zāi)害等各類遙感圖像，并通過相應(yīng)的算法來進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用，它在云下作業(yè)、機(jī)動(dòng)靈活、應(yīng)急調(diào)度、高精度數(shù)據(jù)獲取等方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠解決衛(wèi)星遙感受到云層影響較大、數(shù)據(jù)獲取時(shí)效性難以保證、任務(wù)定制成本較高等問題，并且兩者相互配合，能夠更有效地實(shí)現(xiàn)下墊面多維信息獲取和災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測。我國的輕、小型、尤其是消費(fèi)級(jí)無人機(jī)技術(shù)水平在國際上處于領(lǐng)先地位，擁有了大疆等知名品牌，在國際上的市場占有率達(dá)到了70%。隨著導(dǎo)航、操控、電池、材料等技術(shù)的發(fā)展，輕型、微型無人駕駛飛機(jī)的成本大幅下降，操作更加簡單，攜帶和使用更加方便。目前，航空相機(jī)、照相機(jī)、紅外相機(jī)、多光譜相機(jī)、傾斜相機(jī)、激光雷達(dá)等車載設(shè)備正以迅猛的速度向微型化方向發(fā)展，并可通過無人機(jī)攜帶多種災(zāi)害信息。[13-15]無人機(jī)遙感技術(shù)已成為災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測的重要手段。

二、空間遙感大數(shù)據(jù)在防災(zāi)減災(zāi)方面的應(yīng)用

在防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域，空間遙感大數(shù)據(jù)能夠充分發(fā)揮其數(shù)據(jù)特性。一方面，從基本特點(diǎn)來看，大數(shù)據(jù)的規(guī)模大、類型多、變化迅速，防災(zāi)減災(zāi)對矢量、影像、地面采樣、災(zāi)情、降水、溫度等數(shù)據(jù)以及傳感數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)等的實(shí)時(shí)、可靠的空間遙感大數(shù)據(jù)有著迫切的需求。[16-17]另一方面，在技術(shù)處理方面，空間遙感大數(shù)據(jù)與普通的大數(shù)據(jù)具有相同的要求，比如統(tǒng)計(jì)思維（異常分析）、精確氣象預(yù)報(bào)、災(zāi)情分析、損失評(píng)估分析以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等。[18]空間遙感大數(shù)據(jù)既包含地理信息，又包含高維光譜信息和高分辨信息。所以，空間遙感信息具有信息量豐富、覆蓋面大、實(shí)時(shí)性和現(xiàn)實(shí)性強(qiáng)、獲取速度快、周期短、可靠準(zhǔn)確性以及省時(shí)、省力、成本低等優(yōu)勢，它十分適合于防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域。

（一）空間遙感大數(shù)據(jù)在洪澇災(zāi)害中的應(yīng)用 我國地處東亞大陸，受東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)帶來的大量水汽影響，是世界上洪澇災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。根據(jù)《中國水旱災(zāi)害防御公報(bào)2019》的數(shù)據(jù)，每年由于洪水造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1500 億元。[19]洪澇災(zāi)害發(fā)生后，遙感大數(shù)據(jù)可以對災(zāi)害發(fā)生區(qū)域進(jìn)行大范圍的掃描監(jiān)測，通過遙感手段可以獲取洪水的范圍、淹沒的面積、水量水深以及承災(zāi)體的影響評(píng)估等。因此，遙感技術(shù)可為洪澇災(zāi)害的監(jiān)測和評(píng)估提供重要的信息。

（二）空間遙感大數(shù)據(jù)在臺(tái)風(fēng)災(zāi)害中的應(yīng)用 我國沿海地區(qū)每年都要面對臺(tái)風(fēng)直接登陸的威脅，臺(tái)風(fēng)過境時(shí)無論是中心城市還是邊緣地區(qū)的高樓民居，以及更外范圍的山區(qū)都會(huì)遭受重大災(zāi)害。例如2017 年臺(tái)風(fēng)天鴿登陸珠海，造成24 人死亡和400 多億元的經(jīng)濟(jì)損失，2018 年臺(tái)風(fēng)山竹登陸臺(tái)山，造成6人死亡和52 億元經(jīng)濟(jì)損失，可見臺(tái)風(fēng)造成的災(zāi)害程度不容忽視。遙感技術(shù)可以獲得臺(tái)風(fēng)肆虐的區(qū)域圖像、自然環(huán)境狀況、各種資源分布情況等信息，并將獲得的空間信息進(jìn)行處理后，建立三維立體模型，并將其應(yīng)用到各種分析的應(yīng)用技術(shù)中。臺(tái)風(fēng)監(jiān)測的傳統(tǒng)方法利用該平臺(tái)，結(jié)合無人駕駛飛機(jī)在低空的實(shí)時(shí)觀測，能夠在區(qū)域尺度上對臺(tái)風(fēng)進(jìn)行精細(xì)的預(yù)報(bào)。

（三）空間遙感大數(shù)據(jù)在干旱災(zāi)害中的應(yīng)用 干旱也是自然災(zāi)害中不可避免的一種，在我國干旱地區(qū)占比不小，而季節(jié)性干旱更是每年都有，需要認(rèn)真對待方可減少損失。[20]衛(wèi)星遙感所帶來的前所未有的地表特征覆蓋，為區(qū)域乃至全球尺度下的地面狀況監(jiān)測提供了獨(dú)特的數(shù)據(jù)來源，使得基于氣象、通量等數(shù)據(jù)的局地單個(gè)旱情監(jiān)測向基于多源遙感數(shù)據(jù)的大范圍空間旱情監(jiān)測進(jìn)行轉(zhuǎn)變。近年來，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，不同衛(wèi)星平臺(tái)、不同類型的觀測資料（包括光譜掃描儀、微波散射儀、專題成像儀等）、不同時(shí)間和空間分辨率的遙感資料在旱情監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用。

（四）空間遙感大數(shù)據(jù)在地震災(zāi)害中的應(yīng)用 地震災(zāi)害涉及地球的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，造成的災(zāi)害嚴(yán)重時(shí)可永久改變地貌特征。我國有大面積的國土處于地震帶范圍內(nèi)，近幾年受地震災(zāi)害影響嚴(yán)重。面對此類自然災(zāi)害，人們首先想到的是如何預(yù)報(bào)地震區(qū)域、級(jí)別及時(shí)間信息，但截至目前，人類對地震預(yù)報(bào)的提前量不足，效果接近于零，所以人們關(guān)注重心是建防震建筑，減少地震災(zāi)害帶來的損失。利用空間遙感大數(shù)據(jù)，在應(yīng)用生命探測儀的基礎(chǔ)上，在災(zāi)后救援中可以精確定位，查找生命，及時(shí)救助，保證用最短時(shí)間救治最多被困者及其生命和財(cái)產(chǎn)。

（五）空間遙感大數(shù)據(jù)在森林草原火災(zāi)中的應(yīng)用森林草原火災(zāi)突發(fā)性極強(qiáng)。發(fā)生后火情蔓延迅速，若不加以干涉，將造成極大的危害，是世界八大主要自然災(zāi)害之一。森林草原火災(zāi)除了破壞林草資源和生態(tài)環(huán)境外，還會(huì)造成環(huán)境污染、危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全，這也是我們國家必須高度重視的一種災(zāi)害。林火監(jiān)測是指以衛(wèi)星為載體，利用敏感探測器探測到林火，并對林火進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的一種空間遙感技術(shù)。利用目標(biāo)在一定溫度以上時(shí)，會(huì)持續(xù)釋放出紅外線能量的特點(diǎn)，本項(xiàng)目擬利用衛(wèi)星搭載的高分辨輻射儀，在數(shù)百千米的高度，在大氣層內(nèi)對地表進(jìn)行高精度的觀測，實(shí)現(xiàn)對地表目標(biāo)的熱能探測。森林火災(zāi)的熱輻射溫度一般為900 K，而森林植被表面溫度卻只有300 K，兩者之間存在著很大的反差。該波段可被星載遙感器中紅外波段探測，可有效獲取熱區(qū)信息，從而實(shí)現(xiàn)對林火的遙感監(jiān)測。

三、遙感大數(shù)據(jù)在防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)

各類自然災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，人們在日常生活工作中要有預(yù)防意識(shí)，時(shí)刻學(xué)習(xí)正確的應(yīng)對措施，同時(shí)不可造謠傳謠。相關(guān)的政府部門和工作人員也要有相關(guān)的專業(yè)知識(shí)和警惕意識(shí)，災(zāi)害前要應(yīng)用現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)科學(xué)防護(hù)，合理安排，正常規(guī)避，災(zāi)害發(fā)生后要綜合利用各類技術(shù)手段和物資資源開展救災(zāi)工作，最大限度搶救人民的生命與財(cái)產(chǎn)。本文系統(tǒng)的綜述了遙感大數(shù)據(jù)在防災(zāi)減災(zāi)方面的應(yīng)用和成果，但依然面臨不少挑戰(zhàn)：

（一）遙感大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理效率不高 在重大災(zāi)害發(fā)生之后，盡快獲得災(zāi)區(qū)的精確災(zāi)情信息是當(dāng)務(wù)之急。因此，必須加強(qiáng)遙感大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的能力，從而可以第一時(shí)間利用遙感大數(shù)據(jù)提供實(shí)時(shí)，準(zhǔn)確、豐富的災(zāi)害信息。傳統(tǒng)的遙感圖像處理方法耗時(shí)長、效率低，很難適應(yīng)突發(fā)事件的快速監(jiān)測和應(yīng)急反應(yīng)需要。今后，需要利用先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)，研究遙感圖像處理和多源數(shù)據(jù)融合的有效算法。隨著深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，它還將促進(jìn)對遙感數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深層次挖掘、對自然災(zāi)害信息進(jìn)行智能化提取，從而進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)處理的效率和質(zhì)量，為防災(zāi)減災(zāi)提供及時(shí)、準(zhǔn)確的技術(shù)支持。

（二）遙感大數(shù)據(jù)專業(yè)人才缺失 在全球氣候變化大背景下，自然災(zāi)害的發(fā)生頻率逐年上升。遙感大數(shù)據(jù)應(yīng)用是國家戰(zhàn)略新興學(xué)科，是國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要的重要方向之一。遙感科學(xué)與技術(shù)由于其技術(shù)的專業(yè)性、擴(kuò)展性和應(yīng)用的廣泛性，對專業(yè)從事防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的人才有較強(qiáng)的綜合性背景要求和數(shù)量需求。因此，迫切需要加強(qiáng)遙感大數(shù)據(jù)專業(yè)人才的培養(yǎng)。

結(jié)語

面對全球自然災(zāi)害頻發(fā)的局勢，遙感大數(shù)據(jù)的應(yīng)用可以有效為政府在防災(zāi)減災(zāi)工作中的決策提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時(shí)，遙感大數(shù)據(jù)的學(xué)科發(fā)展和防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的應(yīng)用都離不開國家的政策扶持與人才培養(yǎng)。相關(guān)政府部門及工作人員也應(yīng)提高警惕與專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)，多方合力才能更好地助力并實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)工作的科學(xué)合理，保障人民的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。