遙感數據在自然災害救助中的應用

劉三超 范一大 高懋芳

（1 民政部國家減災中心，民政部減災和應急工程重點實驗室，北京 100124）

（2 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

1 引言

我國是世界上自然災害最嚴重的國家之一，災害種類多、分布地域廣、發生頻率高、造成損失大，是我國自然災害的主要特點，近年來，自然災害每年造成的經濟損失平均約2000億元。在全球變化和地殼活動增強的背景下，我國自然災害風險不斷增加，重、特大自然災害頻繁發生，2008年初低溫雨雪冰凍災害、汶川地震，2010年玉樹地震、舟曲特大山洪泥石流災害等都嚴重影響了社會經濟可持續發展和民生改善。

災害救助是國家災害管理和綜合防災減災的重要內容，同時也是保持災區穩定和保障災民生活的重要工作。在嚴峻災害形勢下，國家對災害救助高度重視，日益完善災害救助制度成為受災地區人心和社會穩定的重要保證。《國家自然災害救助應急預案》把水旱災害、臺風、冰雹、雪、沙塵暴、火山、地震、山體崩塌、滑坡、泥石流、風暴潮、海嘯、森林草原火災和重大生物災害等自然災害，以及其他突發公共事件納入到預案中。2010年7月8日國務院577號令公布《自然災害救助條例》（以下簡稱《條例》）［1］，并于當年9月1日正式實施，《條例》發布對于保障受災地區人民群眾生命安全和基本生活具有重要意義，標志著我國災害救助工作進入到規范化、程序化、制度化、法制化階段。

近年來，隨著空間技術的快速發展，遙感技術逐步應用于自然災害監測評估工作［2-5］，為政府及時制訂科學合理的防災減災措施提供了決策支持。但是，遙感技術特別是高分辨率遙感技術在災害救助領域研究與應用還比較欠缺，不能滿足自然災害救助工作中有效減輕災害對人類生命、財產造成損失等方面的迫切需求。本文根據我國自然災害救助業務，對衛星遙感和航空遙感的應用分別作了分析，并以汶川地震、玉樹地震為例進行應用示范研究。

2 遙感技術在自然災害救助中的應用分析

2．1 衛星遙感

衛星遙感技術具有宏觀、動態、持續和周期性觀測的特點和優勢，可連續和定期觀測災區情況，而且觀測不受國界和地理條件限制，能取得其他手段難以獲取的災害信息。利用多種衛星遙感數據資源，結合數據處理、信息提取和綜合分析技術，可以對災害預警、災害監測、災情評估、恢復重建監測評估等災害管理過程進行有效響應。根據電磁波波長及成像模式，衛星遙感主要包括衛星光學遙感和衛星雷達遙感。

（1）衛星光學遙感方面，根據載荷波長和分辨率等指標，包括全色、多光譜、紅外、高光譜等多種成像方式，是目前應用最全面、發展最完善、技術最成熟的遙感手段，其優勢在于：全色數據空間分辨率和信噪比等指標高，可以有效提取災害目標的幾何信息；多光譜數據擁有較高空間分辨率、較高光譜分辨率和較高信噪比，是地震、洪澇、滑坡泥石流、雪災、干旱災害中使用最多的遙感數據；紅外遙感白天晚上均可成像，對于災害目標輻射特性探測具有優勢，在干旱、雪災、森林草原火災、沙塵暴災害中應用廣泛［5］；高光譜遙感具有很高光譜分辨率，但幅寬、空間分辨率較低，適合精細評估災害對作物、環境的影響。因此，綜合運用多種衛星光學遙感數據，可以有效應用于臺風、洪澇、干旱、森林草原火災等災害的災前風險分析與預警，地震、滑坡、泥石流、洪澇、干旱、雪災、森林草原火災等災害的災后應急監測和災情評估，各種自然災害災后恢復重建進度監測。但是，由于觀測能力限制，衛星光學遙感受云雨等天氣條件影響較大。

（2）衛星雷達遙感方面，由于穿透力較強，具有全天時、全天候觀測能力，因此，衛星雷達數據可有效應用于災后應急響應和恢復重建工作［2-3］。隨著衛星合成孔徑雷達（SAR）數據從單極化到多極化、全極化，從單一掃描成像模式向條帶、聚束等多種成像模式發展，空間分辨率也不斷得到提高［6］，衛星雷達遙感的應急觀測能力和高分辨觀測能力不斷增強，越來越廣泛應用于洪澇淹沒范圍、滑坡泥石流范圍監測，地震、滑坡泥石流、洪澇等導致的房屋、交通線等損毀情況評估，房屋、基礎設施恢復重建監測。由于光學和雷達遙感各具優勢，因此，衛星光學數據和雷達數據的融合和協同使用已成為當前應用的重要趨勢［7］。

2．2 航空遙感

航空遙感技術具有分辨率高、靈活性強、調查周期短、地面條件限制小、資料回收方便等特點［8］，因此，在地震、滑坡、泥石流、火災、洪澇等突發性自然災害的應急響應工作中可以發揮應急能力強、更高分辨率、機動靈活、成本低的優勢，特別是可以及時獲取災害發生時，人難以到達區域的數據，從而迅速監測地震、滑坡、泥石流、火災、洪澇等災害的受災范圍，評估災害造成房屋、道路、重要基礎設施的損毀情況。無人機作為航空遙感的一類，任務執行更加機動靈活、經濟成本更低、快速反應能力更強，因此越來越受到災害等行業領域應用的重視。隨著平臺機動、應急能力以及搭載載荷種類和分辨率等指標不斷提升，航空及無人機遙感將為災害救助工作提供更快更好的信息支持。

3 汶川地震、玉樹地震案例分析

2008年“5·12”汶川特大地震給我國造成重大人員傷亡和財產損失［2］，據統計，地震造成四川、甘肅、陜西三省極重災區和重災區有51個縣（市、區），因災死亡失蹤共8萬余人，直接經濟損失達8500多億元人民幣。地震發生后，民政部國家減災中心綜合利用國內外空間數據共享機制獲取的1000多景遙感數據［3］，進行了災區遙感監測以及受災范圍快速評估工作，重點對重災區的房屋倒損、道路和重要基礎設施損毀、農田損毀、滑坡泥石流和堰塞湖等次生地質災害進行監測評估。2010年“4·14”青海玉樹7．1級強烈地震共造成了2698人遇難，給人民群眾生命財產和當地經濟發展帶來了重大損失。玉樹地震發生后，國家減災中心綜合緊急啟動“國際減災合作憲章”（CHARTER）機制，以及國內衛星數據減災應用協調機制，共獲取國內外衛星和航空遙感等數據1000余景［4］，制作的相關產品及信息為地震災害范圍評估和直接經濟損失評估提供了重要依據。災害救助監測評估是2次地震評估工作的重要組成部分，本節根據遙感技術宏觀、動態、連續觀測優勢，以高分辨率遙感數據為主，對災害救助相關工作進行了案例研究。

3．1 災民安置點規劃

圖1為玉樹地震重災區災民安置點規劃結果。根據災民安置點選址要綜合考慮安全、方便等方面需求，選擇結古鎮西部郊區空曠平地區，以及市區體育館、大型廣場、公園、主要道路兩側等地，利用2．5m分辨率快鳥（Quickbird）衛星多光譜數據、結合數字高程模型（DEM）等基礎地理數據，規劃出可安置帳篷的地塊，統計每個地塊面積Di。根據民政救災規格為3．7m×3．2m 的12m2標準帳篷，按照帳篷排列行距5m、列距1．5m，連空地每個帳篷需要占用面積約45m2，可計算每個地塊的可安置帳篷數Ki＝Di／45。如果考慮安置點帳篷擺放不要過于密集，預留應急通道和相關配套設施，按每個帳篷占用面積約100m2計算，可得出每個地塊的適宜安置帳篷數Si＝Di／100。按照相鄰區域累計方法，可分別計算出災區及周邊區域可安置帳篷數和適宜安置帳篷數。結果表明，圖1范圍內，跑馬場周邊、若娘德來、新村，玉樹州體育館、前進村附近公園、格薩爾廣場、第二民族中學、三完小學、縣政府等地，共可安置約5萬頂帳篷，適宜安置帳篷約2．1萬頂。

圖1 結古鎮及周邊地區災民安置區規劃Fig．1 Planning for settlement of disaster victims in and around Jiegu town

3．2 房屋倒損評估

災情是民政部門災害應急響應期間救災工作的核心，當災害管理部門啟動自然災害應急響應后，需及時了解災區受災人口、房屋、道路、基礎設施的損毀情況，并根據相關災情及時采取人員疏散、物資調度與配送、資金撥付、災民安置等應對措施。汶川地震發生時間為2008年5月12日，但由于災區天氣條件一直不好，地震發生后很難獲取有效的光學遙感數據，衛星雷達數據成為災后一段時間內的主要數據源。圖2為利用5月13日19時獲取的3m 分辨率“地中海盆地觀測小衛星”（COSMO-Skymed）星座合成孔徑雷達數據，評估的汶川地震重災區房屋倒損情況，結果表明汶川縣白花鄉和漩口鎮的房屋倒塌率都超過了40%，相關產品為了解當地災情、制定合理的救災措施提供了重要支撐。

圖2 汶川縣地震重災區白花鄉和漩口鎮房屋倒損評估Fig．2 Collapsed house rate assessment in Baihua village and Xuankou town of Wenchuan

3．3 災民安置帳篷監測

帳篷是政府臨時安置災民的主要設施，也是過渡期內災民生活的主要場所。圖3為青海玉樹地震發生后3天時間內，連續利用2010年4月14日、4月15日、4月16日的高分辨率航空遙感影像，對地震重災區結古鎮城區內主要安置點之一的玉樹州體育場帳篷安置變化情況進行動態監測。結果表明，玉樹州體育場及周邊地區帳篷安置數量增加很快，地震發生的當天（4月14日），當地政府動用儲備在玉樹州體育場就安置了40頂12m2民政救災標準帳篷（圖3中藍色部分），4月15日12m2民政救災標準帳篷快速增加到90頂，同時還有醫療帳篷、簡易帳篷等少量其他帳篷（圖3中灰色部分），4月16日該區域安置的民政救災標準帳篷數量進一步增加到110頂。

圖3 玉樹州體育場帳篷安置動態監測圖Fig．3 Dynamic monitoring of tent settlement around Yushu gymnasium

3．4 災民安置區監測

受災人員安置是災后救助工作的重點，包括就地安置與異地安置、政府安置與自行安置等方式。圖4為利用2008年5月17日、5月28日0．7m 高分辨率的以色列地球資源觀測衛星（EROS-B）數據，對汶川地震重災區之一的青川縣城及周邊地區災民安置區進行的動態監測。結果表明，地震后第5天的5月17日，當地災民主要被安置在道路兩則的空曠區域，災后第16天的28日，當地政府不斷采取救災措施，根據災情基本穩定的情況，在青川縣城周圍安全區域已經建設了大量臨時過渡性住房，災民安置能力和安全保障得到了較大提升。

圖4 青川縣城災民安置區動態監測圖Fig．4 Disaster resettlement area monitoring in Qingchuan

3．5 房屋恢復重建監測

房屋等重要設施的恢復重建對于保障災民生產生活、保持災區社會穩定和經濟發展具有重要意義。汶川地震后，民政部國家減災中心利用無人飛機，對甘肅、陜西等地震重災區的房屋恢復重建進度進行了監測與評估。

圖5為2009年1月甘肅省武都區馬街鎮感恩村災民集中安置點房屋恢復重建進度的監測結果，從無人機數據結合地面調查可以準確地分析感恩村等集中重建區的重建房屋的空間分布、面積、戶數和重建進度等信息，為評估災害救助效益、分析災民需求、監督政府工作提供了重要的信息。

根據以上案例可以看出：衛星遙感具有周期性獲取數據優勢，廣泛用于災前、災中和災后等災害不同管理階段，其中衛星光學遙感可以監測災區環境，反映災害目標的幾何、紋理、光譜等特征，能用于災害救助規劃、災害范圍監測以及災情評估等方面，但是受天氣條件影響大，同時衛星平臺機動能力有限，數據時效性往往不足；衛星雷達遙感可全天時、全天候工作，在一定程度上能彌補衛星光學數據時效性的問題，但由于其成像機理限制，較難滿足房屋倒損等精細評估需求。航空遙感機動靈活、空間分辨率更高，但是覆蓋范圍和搭載載荷有限，一般只在任務明確條件下獲取災區數據，主要用于災后房屋倒損精細評估和救助監測等應用。因此，根據衛星遙感和航空遙感的數據特點和技術區別，綜合發揮多種遙感手段的優勢互補作用，才能更好滿足災害救助需求。

圖5 武都區馬街鎮感恩村房屋恢復重建監測Fig．5 House reconstruction monitoring around Gan’en village of Majie town in Wudu district

4 結束語

災害救助是“以人為本、為民解困”救災理念的具體體現。我國《自然災害救助條例》的頒布實施，標志著災害救助進入依法行政的新階段，同時也對政府災害救助工作提出了更高更科學的要求。

本文分析了衛星光學遙感、衛星雷達遙感以及航空遙感的特點，提出綜合利用多種遙感手段是滿足災害應用需求的重要途徑，以汶川地震、玉樹地震為案例，利用高分辨率Quickbird、EROS-B 衛星光學數據和Cosmo-Skymed 衛星雷達數據以及航空與無人機數據，開展救助準備階段的災民安置點規劃，應急救助階段的房屋倒損評估、帳篷動態監測、災民安置及環境監測，災后救助階段的房屋恢復重建進度等方面應用，較好地滿足了不同階段災害救助業務需要，相關工作對防災減災決策起到一定支撐作用。

當前，以遙感技術（RS）、地理信息系統（GIS）與全球定位系統（GPS）為代表的“3S”技術在減災救災領域的應用日益深入［9-10］。今后，需要進一步推進“3S”技術集成以及與衛星通信和射頻識別（RFID）技術的綜合應用，加強激光雷達（LiDAR）［11］、傾斜攝影等新型載荷和新遙感手段的應用，建立高分辨率衛星及航空遙感、地面監測網、現場調查等“天-空-地-現場”一體化的災害立體監測體系，進一步突破多源遙感數據融合技術、災害目標快速識別技術、災害信息智能提取技術以及災情精確評估技術，推動遙感在城市及農村避難場所選址和適宜性評價、災民安置點規劃、災害風險分析、災情評估、人員疏散和災民緊急轉移安置、救災物資動態監測和調度、安置區環境監測及效果評估、恢復重建監測評估等災害救助領域的應用。

（References）

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