高分影像在遼寧防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)中的應(yīng)用

文 | 周斌 王嘉琳 李航 龔強

1.遼寧省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心

2.高分辨率對地觀測系統(tǒng)遼寧數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心

一、前言

我國是世界上自然災(zāi)害影響最嚴重的國家之一，黨和政府始終高度重視自然災(zāi)害防治?！秶揖C合防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃（2016—2020 年）》明確指出，在重點區(qū)域開展“天空地”一體化綜合應(yīng)用示范，帶動區(qū)域和省級衛(wèi)星減災(zāi)應(yīng)用能力發(fā)展。面對災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展和災(zāi)后恢復(fù)，利用高分衛(wèi)星遙感手段可在早發(fā)現(xiàn)、早處置、支持救災(zāi)決策、災(zāi)后修復(fù)評估等方面發(fā)揮重要作用。

遼寧省位于東亞季風(fēng)區(qū)，氣象災(zāi)害頻發(fā)，災(zāi)害形勢嚴峻，干旱、暴雨、臺風(fēng)等氣象災(zāi)害及氣象因素誘發(fā)的森林火險、洪澇和泥石流等災(zāi)害比較頻繁，且近年罕見氣象災(zāi)害趨多趨重。全省僅在2010 年就出現(xiàn)暴雨災(zāi)害10 次，造成罕有持續(xù)性特大洪澇災(zāi)害；2019 年受臺風(fēng)“利奇馬”的影響，遼河流域出現(xiàn)一級暴雨災(zāi)害；2020 年8—9 月連續(xù)出現(xiàn)臺風(fēng)3 次，遭遇暴雨，局部大暴雨，有些地方洪澇災(zāi)害嚴重，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失；春夏連旱、伏旱、夏秋連旱在遼寧省時有發(fā)生，遼西地區(qū)更是十年九旱。

本文采用高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主、其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)源為輔，結(jié)合行政邊界數(shù)據(jù)、土地利用分類數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、氣象要素等輔助數(shù)據(jù)，開展多種氣象災(zāi)害的監(jiān)測分析評估，實現(xiàn)衛(wèi)星遙感影像、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)及專題成果的三維快速智能展示，實現(xiàn)災(zāi)情的高精度可視化顯示與綜合分析。

本文采用的衛(wèi)星影像主要來源于國產(chǎn)高分系列衛(wèi)星，數(shù)據(jù)從中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心申請獲取。為充分發(fā)揮高分專項遙感衛(wèi)星在重大自然災(zāi)害、國家權(quán)益維護、重大環(huán)境事件以及各類突發(fā)公共事件等應(yīng)急決策支撐作用，更好地為高分專項用戶提供及時高效的空間信息應(yīng)急服務(wù)，國防科工局重大專項工程中心組織制定了《高分專項遙感衛(wèi)星應(yīng)急數(shù)據(jù)獲取工作機制和流程》，明確適用范圍、工作職責(zé)和工作流程，規(guī)范應(yīng)急響應(yīng)各環(huán)節(jié)行為。中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心接收用戶提出的應(yīng)急觀測需求，根據(jù)觀測任務(wù)規(guī)劃制定具體衛(wèi)星觀測計劃并執(zhí)行實施，從地面站接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，開展數(shù)據(jù)處理和分發(fā)工作，保障用戶在災(zāi)害應(yīng)急時高分遙感影像獲取的及時性，提高應(yīng)急響應(yīng)、服務(wù)響應(yīng)速度與服務(wù)效果。省域級用戶通過上述渠道進行數(shù)據(jù)申請。

二、高分遙感在防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)中的應(yīng)用

遼寧省自然災(zāi)害頻發(fā)，但防災(zāi)減災(zāi)手段單一，開展高分衛(wèi)星在遼寧省氣象防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的應(yīng)用研究意義重大。本成果利用多源國產(chǎn)高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行多種災(zāi)害監(jiān)測分析評估，開展洪澇、暴雪、龍卷風(fēng)、大霧、森林火險、海冰等災(zāi)害在常規(guī)狀態(tài)及應(yīng)急狀態(tài)下的監(jiān)測分析和災(zāi)后評估及專題產(chǎn)品制作，為相關(guān)部門提供災(zāi)前的預(yù)警信息、災(zāi)中的監(jiān)測信息、災(zāi)后的決策信息，充分發(fā)揮高分衛(wèi)星高空間分辨率、寬覆蓋、多成像模式等優(yōu)勢，完善防災(zāi)減災(zāi)手段。

1.暴雨洪澇多源高分遙感監(jiān)測

受2022 年7 月7 日、7 月28 日兩輪強降雨影響，盤錦市繞陽河發(fā)生有水文記錄以來的最大洪水。8 月1 日，繞陽河部分堤段發(fā)生潰口。利用多源高分衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，對繞陽河左岸曙四聯(lián)段水體變化進行監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果顯示，潰口造成盤錦市繞陽河左岸曙四聯(lián)段大錦線S308 高速公路附近被淹沒；該區(qū)域土地利用類型以耕地（稻田）為主，其次為建筑用地，淹沒區(qū)面積自西向東擴大。8 月3 日淹沒區(qū)面積達最大，淹沒區(qū)水體于遼河的西河沿處流入遼河（圖1）。通過高分影像開展?jié)⒖趨^(qū)持續(xù)監(jiān)測，及時提供給相關(guān)決策部門，為潰口合龍?zhí)峁┝诵畔⒅巍?/p>

圖1 2022 年8 月3 日高分三號衛(wèi)星盤錦市繞陽河左岸曙四聯(lián)段水體監(jiān)測圖

2.暴雪高分遙感監(jiān)測

2020 年2 月14 日8 時 至2 月16 日16 時，遼寧全省普降雨雪，最大降水量出現(xiàn)在本溪市桓仁縣，降水量達到36.2mm，積雪深度28cm，經(jīng)評估為特大暴雪。利用多時相高分影像開展了桓仁縣暴雪對道路、設(shè)施農(nóng)業(yè)的影響評估。結(jié)果表明：2 月18 日，桓仁縣全縣有不同程度積雪覆蓋；低海拔地區(qū)，尤其是山谷以及地勢平坦地區(qū)積雪覆蓋光譜特征較明顯；全縣境內(nèi)G13、G201、S13、S201 道路積雪已清理，縣城主干道道路積雪大部分已清除，能夠保障正常通行；大部分設(shè)施大棚積雪已清理完畢，未見有明顯垮塌跡象（圖2）。監(jiān)測結(jié)果為相關(guān)部門災(zāi)情評估、掌握除雪進度、恢復(fù)道路通行和保障人們正常生活提供了決策參考。

圖2 2020 年2 月18 日桓仁縣山區(qū)及道路高分影像

3.龍卷風(fēng)遙感監(jiān)測

2023 年6 月1 日14 時20 分，鐵嶺市開原金溝子鎮(zhèn)田家村出現(xiàn)龍卷風(fēng)，由西南向東北方向移動，Sentinel-2 遙感影像（獲取于https://dataspace.copernicus.eu/）監(jiān)測顯示：開原西北部的龍卷存在清晰的條帶狀痕跡，龍卷始于北山村東側(cè)李家水庫，途經(jīng)李家窩棚村河家信子西側(cè)、新安堡村西北部、柴家窩棚村、池家窩棚北部、田家窩棚村北部、京哈高鐵、田家窩棚村東北側(cè)樹林。龍卷未出現(xiàn)跳躍式接地，移動距離約為9km（圖3）。本次監(jiān)測保障了當(dāng)?shù)卣M快組織力量，落實應(yīng)急預(yù)案，迅速采取措施，第一時間組織救援部門進行救援和善后工作，提升救援能力來減小對社會的影響，確保人民群眾的生命財產(chǎn)安全。

圖3 2023 年6 月2 日鐵嶺市開原市金溝子鎮(zhèn)龍卷路徑正射遙感影像圖

4.大霧高分遙感監(jiān)測

2021 年11 月18 日遼寧出現(xiàn)大霧天氣，利用高分四號衛(wèi)星遙感監(jiān)測影像顯示：大霧主要分布在沈陽大部以及大連、鞍山、本溪、丹東等地區(qū)。從波譜特征來看，在14 個地市中沈陽地區(qū)霧區(qū)范圍較大。為交通部門提供了及時、準(zhǔn)確的實況服務(wù)，并提出了建議措施。

5.森林火險多源衛(wèi)星監(jiān)測

2022 年4 月23 日15 時左右，沈撫示范區(qū)突發(fā)森林火災(zāi)，由于風(fēng)勢較大，山火迅速蔓延，災(zāi)情緊急，高分遼寧中心迅速行動，利用高分一號、高分四號、風(fēng)云四號等多源衛(wèi)星對此次火情進行了高頻次跟蹤監(jiān)測和評估（圖4），同時加強對天氣形勢和火險氣象等級分析研判，根據(jù)防火形勢和當(dāng)?shù)貧庀髼l件開展氣象保障服務(wù)，提供了過火區(qū)域范圍和面積、煙霧蔓延形勢等信息，為現(xiàn)場指揮救援提供了精準(zhǔn)決策支撐。

圖4 2022 年4 月23 日沈撫示范區(qū)森林火災(zāi)過火區(qū)域高分影像圖

6.海冰高分遙感監(jiān)測

2023 年春節(jié)假日期間，遼寧省受2023 年第1號東北冷渦影響，冷空氣活躍，地面受冷高壓影響以北風(fēng)為主。1 月27 日高分四號遙感影像監(jiān)測顯示（圖5），遼東灣海域海冰面積較2022 年同期增加了679km2，海冰覆蓋度增加3%，初生冰減少，灰冰和白冰有所增加。海冰遙感監(jiān)測服務(wù)是海冰冰情精準(zhǔn)、高效調(diào)查的重要技術(shù)手段，可為海冰災(zāi)害預(yù)警預(yù)報服務(wù)、港口安全等提供重要保障。

圖5 2023 年1 月27 日高分四號海冰監(jiān)測面積專題圖

三、討論與思考

自然災(zāi)害給人民群眾生命財產(chǎn)安全帶來了嚴重威脅。對于突發(fā)性重特大自然災(zāi)害，由于地形條件以及災(zāi)害造成的通信中斷、交通設(shè)施毀壞等多方面影響，導(dǎo)致在災(zāi)害發(fā)生時很難通過傳統(tǒng)的方法及時獲取災(zāi)區(qū)的實時信息，從而影響救災(zāi)工作的進行。遙感技術(shù)利用其宏觀、動態(tài)、綜合監(jiān)測優(yōu)勢，具有獲取信息快速、周期短、信息量大、受條件限制少等特點，在救災(zāi)工作中具有傳統(tǒng)手段不可比擬的優(yōu)勢，成為我國應(yīng)急管理和防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)工作重要的技術(shù)支撐手段。利用遙感技術(shù)可快速獲取受災(zāi)區(qū)域的遙感影像數(shù)據(jù)，通過分析處理，可全面地掌握受災(zāi)情況、災(zāi)害發(fā)展變化趨勢、災(zāi)害損失概況等信息，為行政指揮決策和災(zāi)害損失評估提供數(shù)據(jù)支撐，是完成減災(zāi)救災(zāi)工作的重要技術(shù)手段。

近年來，基于高分系列衛(wèi)星影像推進遙感數(shù)據(jù)的區(qū)域應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，特別是在防災(zāi)減災(zāi)、鄉(xiāng)村振興、生態(tài)環(huán)保、自然資源、綜合治理、規(guī)劃管控、國防安全等領(lǐng)域已經(jīng)取得了很多成果和實際應(yīng)用，實現(xiàn)了從二維到三維、從平面到立體、從靜態(tài)到動態(tài)、從實景三維到數(shù)字孿生的升級，開創(chuàng)了“平臺+數(shù)據(jù)+應(yīng)用”的遼寧高分示范推廣應(yīng)用模式，優(yōu)化數(shù)據(jù)共享與合作，開展多種學(xué)術(shù)交流與培訓(xùn)工作，有力促進高分數(shù)據(jù)在遼寧各行各業(yè)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，服務(wù)于遼寧社會經(jīng)濟行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與高質(zhì)量發(fā)展。

目前，在實際數(shù)據(jù)應(yīng)用中，也存在一些不足。高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源略有不足，無法滿足在災(zāi)害出現(xiàn)時高時間分辨率的數(shù)據(jù)需求。高分數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中沒有規(guī)范、多時相影像的疊加存在定位偏差等因素造成影像數(shù)據(jù)在分析過程中存在誤差。另外，不同行業(yè)、不同地區(qū)之間在使用國產(chǎn)高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)過程中對遙感影像的災(zāi)害反演技術(shù)缺乏共享機制以及應(yīng)用推廣相對不足，一定程度上阻礙了高分影像在防災(zāi)減災(zāi)中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。這些都需要在未來不斷完善與改進，進一步促進高分遙感數(shù)據(jù)在防災(zāi)減災(zāi)中的應(yīng)用。