環境減災-1B衛星紅外相機數據減災應用研究

劉三超楊思全

(1 民政部國家減災中心, 北京 100053)(2 民政部衛星減災應用中心,北京 100053)(3 減災與應急工程民政部重點實驗室,北京 100053)

1 引言

環境與災害監測預報小衛星星座(以下簡稱環境減災星座)是我國民用對地觀測系統的重要組成部分,它的成功發射,標志著我國減災救災工作進入到科學化管理的新階段[1]。

紅外相機是首期發射的光學HJ-1A、1B 衛星的3 種主要載荷之一。根據紅外相機數據特點開展減災應用研究,對于推進紅外遙感技術在國家減災救災業務中的應用以及增強衛星減災定量化應用水平有重要意義。

2 環境減災星座紅外相機

2008年9月6日, HJ-1A、1B 衛星通過一箭雙星的方式成功發射,兩顆衛星上總共搭載了3 種主要載荷,其中HJ-1A 星搭載兩臺CCD 相機和超光譜成像儀(HSI),HJ-1B 星搭載兩臺CCD 相機和紅外相機(IRS)[2-7]。由于紅外相機白天和晚上都能成像,因此對于提高環境減災星座全天時獲取數據的能力具有重要意義[6-8]。

表1 為HJ-1B 星紅外相機的主要參數。從表1 可以看出紅外相機主要具有以下幾個方面的特點和應用能力:成像幅寬達到720km ,基本能滿足較大自然災害一次成像覆蓋的需求;星下點地面像元分辨率熱紅外通道300m ,其他三個通道達到150m,特別是中紅外通道,相對于千米級分辨率的中分辯率成像光譜儀M ODIS 和風云(FY)衛星數據,較高的空間分辨率對于火點識別有重要意義;通道設置比較合理,熱紅外、中紅外和近紅外互相結合,可提取地面輻射信息、土壤墑情、識別云雪等,因此可以有效滿足雪災、干旱、火災等災害的應用需求。

表1 紅外相機基本性能指標Table 1 Main parameters of HJ-1B IRS

3 紅外相機數據減災應用研究

3.1 雪災

雪災是我國主要自然災害之一,2008年初南方低溫雨雪冰凍災害造成的直接經濟損失超過1 500億元,因此利用遙感技術進行雪災監測評估具有重要意義。2008年10月下午到11月上旬,我國西藏、青海部分地區發生大范圍雪災,其中西藏東南部部分地區遭遇有氣象資料以來范圍最廣、強度較大的一次強降雪過程。雪災對當地交通和生活造成很大影響,特別對畜牧業造成重大損失。

國家減災中心利用環境減災衛星紅外相機數據,利用熱紅外通道反演的亮度溫度,結合紅外相機近紅外波段反射特性進行云、雪和其他地物分離,從而提取出積雪覆蓋范圍(圖1)。

圖1 西藏積雪覆蓋范圍Fig.1 Snow covered area monitoring in Tibet

在積雪覆蓋范圍的基礎上,綜合基礎地理數據、交通數據、社會經濟數據,以及災情上報數據,對雪災影響等級和程度進行監測評估(圖2),為救災決策和災情救助提供重要支持。

圖2 西藏積雪災情評估Fig.2 Snow disaster assessment in Tibet

2010年1月上旬,我國華北地區遭受一次大范圍降溫過程,部分地區遭受雪災。圖3 為利用2010年1月6日環境減災星座紅外相機結合CCD 數據以及地方上報數據,對華北地區積雪覆蓋范圍和道路交通情況進行監測的評估圖。

圖3 華北地區積雪覆蓋和影響交通線監測圖Fig.3 Snow covered area and traffic effect monitoring in Northern China

3.2 火災

火災是我國和世界許多國家多發的自然災害,同時也是環境減災星座紅外相機數據主要應用領域。利用對溫度信息敏感的150m 分辨率的中紅外通道,結合近紅外通道以及CCD 數據,可以提取火點、過火面積等重要信息[9-10]。

3.2.1 黑龍江火災

2009年4月27日,黑龍江發生特大森林火災?；馂陌l生后,國家減災中心立即制定觀測計劃,調用環境減災衛星,開展監測評估工作。圖4 為利用5月3日、5月2日、4月29日紅外相機數據對此次特大火災進行持續動態監測。從多景紅外相機圖像可以分析得到此次火災火點分布、過火面積,以及火情變化趨勢,這些信息對于救火指揮工作具有重要意義。

3.2.2 澳大利亞火災

2009年2月上旬,受高溫、干旱影響,澳大利亞東南部發生山林大火,并危及墨爾本等大中城市。據報道,此次火災至少造成兩百多人死亡,墨爾本北部有數個小鎮被大火夷為平地,火災相關損失約14億美元,是澳大利亞歷史上最大規模,也是最嚴重的山林火災。

圖4 黑龍江火災動態監測Fig.4 Dynamic monitoring for H eilongjiang fire

火災發生后,為及時掌握火場信息,迅速組織開展撲救工作,澳大利亞通過外交渠道請求我國為災區提供環境減災衛星動態監測與服務。經外交部、科技部和民政部批準,國家減災中心作為中方對口銜接單位,負責協調向澳方提供環境減災衛星數據和產品服務。經過一個多月的緊張工作,國家減災中心已成功完成向澳大利亞提供火災監測服務的有關工作。

圖5 為利用2009年2月10日紅外相機中紅外數據提取的澳大利亞維多利亞州墨爾本市附近的火點和火場范圍圖。

圖5 澳大利亞墨爾本附近火點檢測Fig.5 Fire spots detection around M elbourne

圖6、7 分別利用2009年2月15日和2月24日紅外相機中紅外和近紅外數據對澳大利亞維多利亞州西南部地區的火災動態范圍評估圖。

利用多景紅外相機圖像可以對火點分布、過火面積、火情變化趨勢進行動態監測評估,從而為救火工作決策支持提供重要依據。

3.3 旱災

圖6 澳大利亞火災監測評估(2月15日)Fig.6 Fired area monitoring and assessment for Australia fire(Feb.15, 2009)

圖7 澳大利亞火災監測評估(2月24日)Fig.7 Fired area monitoring and assessment for Australia fire(Feb.24, 2009)

2009年6月以來,我國北方地區降水少,氣溫高,蒸發大,失墑快,部分地區出現明顯旱情,其中黑龍江西南部、吉林西部、內蒙古東部和中南部、遼寧西部、河北北部、山西北部和南部、寧夏中北部、甘肅中東部、新疆西部旱情嚴重。

針對北方地區旱災形勢,民政部國家減災中心綜合利用環境減災星座紅外相機和CCD 數據對旱災進行監測評估,并把相關產品及時提交給國家減災委及成員單位,為指導抗旱救災工作提供了重要依據。

圖8 為遼寧省西部旱災遙感監測評估圖,圖幅范圍內約65%以上地區受旱,其中朝陽市的朝陽縣、北票市、建平縣、市轄區受災最為嚴重,大面積農作物絕收。

圖9 為河北北部和內蒙古中南部旱災遙感監測評估圖。圖幅范圍內,約55%以上地區受旱,其中河北省康?？h、尚義縣、萬全縣、張北縣、崇禮縣、張家口市市轄區、宣化縣、沽源縣、赤誠縣、豐寧滿族自治縣北部,內蒙古鑲黃旗、正鑲白旗、正藍旗、太樸寺旗、化德縣、多倫縣受災嚴重,部分地區農作物絕收。

圖8 遼寧西部旱災監測評估Fig.8 Drought monitoring and assessment in west Liaoning

圖9 河北北部內蒙中南部旱災監測評估Fig.9 Drought monitoring and assessment in north Hebei and south central Inner Mongolia

4 結論與展望

紅外相機是環境減災星座A、B 星的3 種主要載荷之一,可以在國家減災救災業務中發揮重要作用。紅外相機數據結合CCD 數據在西藏東南部雪災、華北雪災范圍監測評估,黑龍江森林火災動態監測評估、澳大利亞火災火點和火場范圍和過火面積的動態監測評估、中國北方大范圍旱災監測評估等方面的應用效果較好。目前,紅外相機數據已經有效納入到國家減災救災業務體系之中。通過為中國減災救災管理部門以及對澳大利亞等國提供的數據和產品服務,表明紅外相機數據戶在國內外雪災、火災、干旱等災害監測評估中可以發揮重要作用。

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