衛(wèi)星監(jiān)測地震，預(yù)知地球“動靜”
—— 專訪中國地震局地震預(yù)測研究所申旭輝研究員

衛(wèi)星監(jiān)測地震，預(yù)知地球“動靜”
—— 專訪中國地震局地震預(yù)測研究所申旭輝研究員

申旭輝，中國地震衛(wèi)星計劃實施專家組負責(zé)人，國家對地觀測領(lǐng)域國際合作專家組成員，主持高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項“遙感地震監(jiān)測與應(yīng)急應(yīng)用示范工程”等多個重點項目。

2013年年底，我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項首星高分一號衛(wèi)星正式投入使用，遙感衛(wèi)星應(yīng)用進入新階段，國產(chǎn)高分辨率遙感數(shù)據(jù)在國土資源調(diào)查、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測、氣候變化監(jiān)測等多個領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用。高分一號在軌測試階段，已經(jīng)投入實際應(yīng)用。2013年9月，巴基斯坦、秘魯相繼發(fā)生7級以上地震。根據(jù)空間和重大災(zāi)害國際憲章機制，我國啟動了一級應(yīng)急響應(yīng)，地震當(dāng)天即安排高分一號衛(wèi)星及其他國產(chǎn)遙感衛(wèi)星連續(xù)對災(zāi)區(qū)成像，獲取衛(wèi)星全色/多光譜數(shù)據(jù)，提供給受災(zāi)國。高分一號衛(wèi)星在綜合減災(zāi)救援中都能發(fā)揮哪些作用，遙感技術(shù)在我國地震災(zāi)害防御、監(jiān)測預(yù)報和應(yīng)急救援等防震減災(zāi)工作中的應(yīng)用情況如何，帶著這些問題，本刊記者采訪了中國地震局地震預(yù)測研究所申旭輝研究員。

未來通過高分專項的建設(shè)，結(jié)合其他國產(chǎn)遙感衛(wèi)星協(xié)同工作，時間分辨率、空間分辨率都將大幅提高，可大幅減少生命和財產(chǎn)損失。

中國地震局正在實施“喜馬拉雅計劃”，也將充分利用高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行針對全國地震構(gòu)造的調(diào)查。

記者：2012年4月20日四川雅安地震，4月26日高分一號衛(wèi)星升空。中國航天科技集團公司高分一號工程總指揮兼衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師白照廣說：“要是高分一號衛(wèi)星能早點發(fā)射，現(xiàn)在已經(jīng)可以用于雅安地震災(zāi)情監(jiān)測了。”穩(wěn)定運行并開展工作的高分一號衛(wèi)星，在第一時間加入雅安地震減災(zāi)救災(zāi)的航天臨時星座編隊之列，及時、清晰、準(zhǔn)確地傳回雅安地震災(zāi)區(qū)影像，為減災(zāi)救災(zāi)提供第一手資料。 請問高分數(shù)據(jù)的加入，對發(fā)揮衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在減災(zāi)救災(zāi)方面有哪些優(yōu)勢？

申旭輝：防震減災(zāi)分為三個工作階段，一是震災(zāi)防御，主要面向未來50～100年左右區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)劃和工程抗震需要，提供區(qū)域地震危險性趨勢分析和抗震設(shè)防基準(zhǔn)服務(wù)；二是監(jiān)測預(yù)報，是在區(qū)域地震危險區(qū)趨勢判斷基礎(chǔ)上，采用先進的技術(shù)手段開展有針對性的地震監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測資料分析結(jié)果對未來一定時間段地震活動趨勢進行預(yù)測并在可能的情況下發(fā)布地震預(yù)測預(yù)警意見；三是應(yīng)急救援，是在破壞性地震發(fā)生后，迅速組織政府、社會和專業(yè)救援隊伍，開展災(zāi)害應(yīng)急決策、現(xiàn)場救援以及后續(xù)的救助和重建活動。

從應(yīng)急救援角度，可以充分應(yīng)用航天技術(shù)優(yōu)勢，通過運用大量高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對救援提供十分重要的數(shù)據(jù)信息支撐。通過對災(zāi)區(qū)震前、震后遙感圖像變化檢測，來判斷地震災(zāi)害的嚴重程度。

在四川雅安地震中，正如白總所說，如果高分一號衛(wèi)星在地震時已經(jīng)在軌的話，一定能發(fā)揮重大作用。高分一號衛(wèi)星為2m分辨率，能清晰反映建筑物的輪廓情況，并能通過建筑物陰影計算出建筑物的高度，能對受災(zāi)情況精確評估。2013年7月甘肅天水岷縣地區(qū)發(fā)生地震，高分一號衛(wèi)星很好地開展了工作。高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，判斷出岷縣地震災(zāi)害情況并非十分嚴重，因此采取了與災(zāi)情程度相符的應(yīng)急救援措施。可見，通過高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，我們可以判斷震區(qū)災(zāi)害的嚴重程度，如果災(zāi)情嚴重，則全力組織救援，提高救援效果；如果災(zāi)害并不嚴重，可以避免過度救援，避免不必要的浪費。對地震來說，最重要的是黃金72小時，但實際情況中，由于衛(wèi)星資源較少，72小時很難保證，未來通過高分專項的建設(shè)，結(jié)合其他國產(chǎn)遙感衛(wèi)星協(xié)同工作，時間分辨率、空間分辨率都將大幅提高，可大幅減少生命和財產(chǎn)損失。

記者：在2013年9月秘魯和巴基斯坦發(fā)生的地震中，我國緊急調(diào)動高分一號衛(wèi)星成像，為受災(zāi)國提供了重要的數(shù)據(jù)支撐，高分一號衛(wèi)星在軌測試階段即完成了重要成像任務(wù)。請您談一下高分一號衛(wèi)星在接下來的實際應(yīng)用階段，在地震構(gòu)造調(diào)查中能發(fā)揮哪些作用。

申旭輝：防震減災(zāi)三大業(yè)務(wù)體系中，震災(zāi)防御的開展首先是要對全國或重點地區(qū)進行地質(zhì)構(gòu)造及其活動性普查，在地震專業(yè)領(lǐng)域稱為地震構(gòu)造調(diào)查。與國土資源普查不同，地震構(gòu)造調(diào)查是在全國地質(zhì)普查基礎(chǔ)上篩選那些敏感的、可能發(fā)生地震的危險地區(qū)。地震構(gòu)造相對于一般的地質(zhì)構(gòu)造來說，是線性和局部劇烈變化并且現(xiàn)今仍然在繼續(xù)活動的地區(qū)。利用高分辨率衛(wèi)星識別地震構(gòu)造大有可為。國家地震局早在1978年就開始運用遙感手段編制全國地震構(gòu)造圖，早期是利用美國陸地衛(wèi)星MSS數(shù)據(jù)、TM 30m分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)、法國SPOT衛(wèi)星5～10m分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)等，每年需要花費大量資金購買數(shù)據(jù)。現(xiàn)在我們可以運用高分一號2m分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及環(huán)境衛(wèi)星、資源一號02C星、資源三號衛(wèi)星等國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)來完成相關(guān)工作。目前，配合“高分”地震遙感監(jiān)測與應(yīng)急應(yīng)用開展示范項目，項目開展，我們選擇張家口——大同地區(qū)、云南—四川地區(qū)以及陜甘寧交界地區(qū)作為示范區(qū)，利用高分一號高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，結(jié)合野外工作，定量地將地震構(gòu)造的強度、量級計算出來，在此基礎(chǔ)上將能夠進一步預(yù)測該地區(qū)未來地震發(fā)生趨勢。中國地震局正在實施“喜馬拉雅計劃”，也將充分利用高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行針對全國地震構(gòu)造的調(diào)查。

與應(yīng)急遙感和地質(zhì)遙感不同，地震遙感監(jiān)測是對衛(wèi)星采集到的地球物理場、地球化學(xué)場信息及其動態(tài)進行提取和加工分析。

記者：作為高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項“遙感地震監(jiān)測與應(yīng)急應(yīng)用示范工程”負責(zé)人，請您介紹一下該示范工程的情況和進展。

申旭輝：“遙感地震監(jiān)測與應(yīng)急應(yīng)用示范工程”是高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項對我國防震減災(zāi)工作的巨大支持。按照高分專項的統(tǒng)籌安排和統(tǒng)一部署，第一階段為先期攻關(guān)；第二階段為搭建應(yīng)用示范系統(tǒng)平臺，同時開展相關(guān)應(yīng)用示范研究；第三階段為應(yīng)用系統(tǒng)的推廣，以及算法、模型的升級改造。

目前“遙感地震監(jiān)測與應(yīng)急應(yīng)用示范工程”進展順利。經(jīng)過將近3年的努力，我們開展了高分可見光、紅外、雷達以及高光譜數(shù)據(jù)在防震減災(zāi)領(lǐng)域的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)工作，突破了遙感地震業(yè)務(wù)應(yīng)用的多項關(guān)鍵技術(shù)，尤其是基于可見光遙感信息的地震構(gòu)造定量分析技術(shù)和基于多分辨率紅外遙感信息的地震監(jiān)測分析技術(shù)等，成功研制了基于光學(xué)遙感對地震構(gòu)造分析和地震應(yīng)急原型系統(tǒng)。目前，正在搭建高分遙感地震監(jiān)測與應(yīng)急應(yīng)用示范系統(tǒng)，并籌建地震遙感應(yīng)用中心，預(yù)計在2015年按計劃完成高分遙感地震監(jiān)測與應(yīng)急應(yīng)用示范系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)并投入示范運行。

記者：我國是地震活動強烈的國家之一，請您談一下遙感技術(shù)在我國地震災(zāi)害防御、監(jiān)測預(yù)報和應(yīng)急救援等防震減災(zāi)工作中的應(yīng)用情況。

申旭輝：高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用覆蓋防震減災(zāi)工作三大業(yè)務(wù)體系。尤其在地震構(gòu)造遙感中，我們做了大量的工作。與地質(zhì)遙感不同，地震構(gòu)造不能通過遙感圖像直觀地判斷，需要開發(fā)自動分析處理工具，實現(xiàn)線性形跡提取以及變異微小地貌識別和定量測量功能。目前，在線性形跡提取方面，已有所突破，能夠?qū)崿F(xiàn)地震構(gòu)造中山體、河流等地貌通過某些特征進行自動識別。在變異微小地貌的識別和測量方面，由于地震構(gòu)造需要識別米級的變化，利用環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星、資源系列衛(wèi)星是達不到的，現(xiàn)在可以利用分辨率更高的1～2m高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上進行特征檢測，將與地震有關(guān)的變異的微地貌、微地形特征進行系統(tǒng)分析并制作特征庫，以此為基礎(chǔ)，開發(fā)定量的分析和提取變異地形工作。除了光學(xué)遙感衛(wèi)星，還利用立體測圖衛(wèi)星、雷達衛(wèi)星，獲得地物三維信息，可以更直觀地認識地物情況。

遙感數(shù)據(jù)如何運用到地震監(jiān)測預(yù)報是大家更關(guān)注的問題。與應(yīng)急遙感和地質(zhì)遙感不同，地震遙感監(jiān)測是對衛(wèi)星采集到的地球物理場、地球化學(xué)場信息及其動態(tài)進行提取和加工分析。現(xiàn)有遙感系統(tǒng)不直接獲取地球物理場、地球化學(xué)場信息，但可以通過反演獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。例如，利用衛(wèi)星紅外遙感技術(shù)，可以獲得溫度場的變化信息，以及基于InSAR衛(wèi)星、電磁衛(wèi)星、重力衛(wèi)星技術(shù)，可以獲得多種地球物理場及其動態(tài)變化。目前正在研制的電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星，將直接測量地球電磁場及其變化，并提供全球地磁場和電離層模型，從而為地震監(jiān)測和地震預(yù)測科學(xué)探索提供寶貴的數(shù)據(jù)支持。

高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在地震災(zāi)害的應(yīng)急判斷和評估中可以發(fā)揮重大作用。在地震黃金72小時中，第一時間的決策和響應(yīng)至關(guān)重要。例如在汶川地震中，救援隊伍想用最快的速度抵達震中汶川，但當(dāng)時沒有任何信息告訴我們：破壞最嚴重的地區(qū)并不在汶川而在北川，而且通往汶川的道路在短時間內(nèi)難以打通，因此浪費了寶貴的救援時間。這里我想應(yīng)該特別強調(diào)應(yīng)急救災(zāi)，在地震遙感應(yīng)急中，應(yīng)急救災(zāi)最核心的目標(biāo)是第一時間支撐國務(wù)院抗震救災(zāi)指揮部和國家緊急救援隊快速決策，利用高時間分辨率、中高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)為第一時間決策提供支持。在高分專項的支持下，我們正在研制快速數(shù)據(jù)處理技術(shù)，將高分數(shù)據(jù)分析與國務(wù)院抗震救災(zāi)指揮決策機構(gòu)、國家緊急救援隊的派遣業(yè)務(wù)流程相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動觸發(fā)、直接推送，以提高地震應(yīng)急救援效率。目前，我們在震后4～5個小時能獲取相關(guān)地區(qū)的遙感數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理完成后大概共需要12個小時左右。通過高分專項建設(shè)，數(shù)據(jù)推送的時間將大大縮短。

地震立體觀測體系建設(shè)將充分依靠國家規(guī)劃的各種衛(wèi)星和衛(wèi)星應(yīng)用資源，重點建設(shè)地震遙感監(jiān)測系統(tǒng)和應(yīng)急救援系統(tǒng)。

記者：國家防震減災(zāi)規(guī)劃提出了“天地一體化地震立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”建設(shè)的任務(wù)，請您介紹一下我國地震立體監(jiān)測體系的發(fā)展思路和進展。

申旭輝：20世紀末到21世紀初，國際上關(guān)于地震能否預(yù)報的科學(xué)大討論十分激烈。我個人認為，地震監(jiān)測是自然科學(xué)問題，是可以預(yù)報的，只是現(xiàn)在還沒有找到規(guī)律。目前來說，地震預(yù)報存在兩方面的困難：一是破壞性地震是小概率事件，科學(xué)家們還不足以積累足夠的震例來進一步檢驗和發(fā)展地震科學(xué)理論；二是地震發(fā)生在地下幾十千米的深度，很難直接去探測，而且現(xiàn)有的地震觀測手段有很大局限性，需要依賴新技術(shù)和新方法的突破，因此提出了發(fā)展“地震立體監(jiān)測體系”計劃。

利用空間技術(shù)手段進行地震監(jiān)測有其自身優(yōu)勢。首先，地震是個小概率事件，需要盡可能多的觀測到地震，積累數(shù)據(jù)。對我國大陸來說，地震發(fā)生的概率基本上7級地震每3年兩次，6級地震每年4次；而全球7級地震每年十七八次，6級地震每年150多次。按照這樣的發(fā)生概率，如果利用衛(wèi)星來觀測地震的話，地震事件經(jīng)驗的積累可以比只在國內(nèi)地表觀測提高二三十倍。其次，利用空間技術(shù)手段，可以觀測地球板塊之間的相互作用。我國位于環(huán)太平洋和歐亞地震帶之間，受到地球板塊之間的相互作用，但板塊邊界都在國境之外，利用衛(wèi)星可以進行板塊監(jiān)測，提高板塊動力學(xué)研究能力，突破地震預(yù)報技術(shù)。基于這樣的研究思路，國家防震減災(zāi)事業(yè)發(fā)展規(guī)劃明確了“天地一體化地震立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”建設(shè)任務(wù)。

地震立體觀測體系建設(shè)將充分依靠國家規(guī)劃的各種衛(wèi)星和衛(wèi)星應(yīng)用資源，重點建設(shè)地震遙感監(jiān)測系統(tǒng)和應(yīng)急救援系統(tǒng)。地震遙感監(jiān)測系統(tǒng)包括三個分系統(tǒng)；一是地球電磁、紅外觀測體系，包括天上的衛(wèi)星和地面的觀測臺網(wǎng)建設(shè)，通過地基對天、天基對地和地面的三個層次的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成立體的不同層次、不同高度的地球物理場變化信息的觀測識別，研究其變化過程與地震的相關(guān)性。二是地殼形變觀測體系，包括GPS、北斗、InSAR及重力衛(wèi)星等多種空間大地測量技術(shù)，進行大區(qū)域長時間的地殼形變的動態(tài)分析。三是地球化學(xué)觀測體系。利用高光譜技術(shù)和地面的地球化學(xué)觀測系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的反演，研究地面、地下的氣體化學(xué)變化及其與地震的關(guān)系。應(yīng)急救援系統(tǒng)重點建設(shè)高軌道、中高分辨率的光學(xué)和雷達衛(wèi)星，實時監(jiān)測國內(nèi)大部分地區(qū)，提高數(shù)據(jù)分析和科學(xué)決策能力。地震立體觀測體系建成后，對地震監(jiān)測預(yù)報、應(yīng)急救援將有非常大的支撐。

記者：地震立體觀測體系空間段的發(fā)展重點是發(fā)展專用的地震監(jiān)測衛(wèi)星系列，您作為中國地震衛(wèi)星計劃實施專家組負責(zé)人，經(jīng)過近十年的不懈努力，立體地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的第一個天基平臺——衛(wèi)星電磁觀測技術(shù)與電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星成功立項。請您介紹一下我國電磁衛(wèi)星工程進展情況。

申旭輝：電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星定位為在地震監(jiān)測預(yù)測和相關(guān)領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景的試驗衛(wèi)星。其主要目標(biāo)是：獲取全球低頻電磁場和電離層等離子體及高能粒子觀測數(shù)據(jù)，研究與地震相關(guān)的電離層變化現(xiàn)象，總結(jié)地震電離層前兆特征，探索地震電離層耦合機理和地震預(yù)測方法，為空間科學(xué)、電波科學(xué)以及地球物理研究等提供數(shù)據(jù)信息服務(wù)。

電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星基于CAST小衛(wèi)星平臺，太陽同步圓軌道，軌道高度約500km。星上搭載高精度磁強計、感應(yīng)式磁力儀、三分量電場儀、LANGMUIR探針、等離子體分析儀、GNSS掩星接收機、三頻信標(biāo)發(fā)射機和高能粒子探測器共8種有效載荷，目前電磁衛(wèi)星工程進展順利。作為我國地球物理遙感衛(wèi)星的第一顆，電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星計劃2016年發(fā)射。衛(wèi)星在軌期間，可以提供全球地震觀測能力，能使地震資料積累提高二三十倍，建成我國立體觀測體系中第一個電磁立體觀測系統(tǒng)。同時可以利用該衛(wèi)星資料制作我國第一張自主的全球地磁圖；可以構(gòu)建我國第一個自主的全球電離層模型，對通信、導(dǎo)航、空間天氣預(yù)警、地球物理勘探等戰(zhàn)略應(yīng)用具有重要作用。

作為我國地球物理遙感衛(wèi)星的第一顆，電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星計劃2016年發(fā)射。衛(wèi)星在軌期間，可以提供全球地震觀測能力，能使地震資料積累提高二三十倍，建成我國立體觀測體系中第一個電磁立體觀測系統(tǒng)。

記者：國際上各國在地震電磁觀測技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展概況是怎樣的？

申旭輝：國際上遙感衛(wèi)星的發(fā)展與我國有點不同，蘇聯(lián)、美國、歐洲、加拿大等國家和地區(qū)都是先研制地球物理遙感衛(wèi)星，然后才發(fā)展成像遙感衛(wèi)星的。蘇聯(lián)1957年發(fā)射的全球第一顆衛(wèi)星就是一顆微重力衛(wèi)星，隨后發(fā)射了研究地球磁層和電離層的系列電磁類衛(wèi)星；美國和加拿大研制的第一顆衛(wèi)星也是電磁衛(wèi)星。1979年美國發(fā)射的MAGSAT地磁衛(wèi)星數(shù)據(jù)至今我國的地磁學(xué)家還在使用。阿根廷發(fā)射了SAC-C、SAC-B衛(wèi)星，歐洲航天局也發(fā)射了很多這類衛(wèi)星。這類衛(wèi)星發(fā)射目標(biāo)起初并不是針對地震預(yù)報科學(xué)探索，只是出于對基本地球物理場的觀測目的。后來，蘇聯(lián)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在地球電磁觀測中，有一些電磁擾動與地震密切相關(guān)。此后，多個國家相繼發(fā)射了專門用于地震預(yù)測的衛(wèi)星。2000年，俄羅斯發(fā)射首顆專門設(shè)計用于預(yù)報地震的衛(wèi)星“先驅(qū)者-E”衛(wèi)星，但由于火箭問題而失敗；2003年，美國和烏克蘭分別發(fā)射了QuickSat-1和預(yù)警一號地震衛(wèi)星，其中QuickSat-1衛(wèi)星在軌一年多，獲取了一些有效數(shù)據(jù)； 2004年法國發(fā)射的DEMETER電磁衛(wèi)星成功在軌運行了6年半，為積累地震電離層數(shù)據(jù)，探索地震預(yù)測方法提供了巨大支持；2013年歐洲航天局發(fā)射了3顆Swarm衛(wèi)星星座，對地球磁場進行勘察。我國的電磁衛(wèi)星發(fā)射之后，可以與國外的衛(wèi)星合作，組成星座編隊飛行，提高時間分辨率，盡可能捕捉到地震短臨前兆。

記者：目前我國空間技術(shù)在防震減災(zāi)中還存在哪些問題，您還有哪些建議。

申旭輝：從遙感衛(wèi)星發(fā)展來看，現(xiàn)在光學(xué)遙感衛(wèi)星分辨率越來越高；但從電磁衛(wèi)星用戶的角度出發(fā)，希望地球物理遙感衛(wèi)星能得到更多的重視，地球遙感物理還有很多未知的領(lǐng)域需要我們?nèi)ゲ粩嗵剿鳌?/p>

· 本刊記者|靳穎 贠敏