衛星技術在我國災害管理中的應用

· 文|北京師范大學減災與應急管理研究院 陳曦 李京

衛星技術在我國災害管理中的應用

· 文|北京師范大學減災與應急管理研究院 陳曦 李京

我國幅員遼闊，地形地貌與氣候條件復雜，自然災害種類繁多且發生頻繁，除現代火山活動導致的災害外，幾乎所有的自然災害都有發生，其分布廣、隨機性強，是世界上自然災害最多、損失最嚴重的國家之一。從災害區劃看，全國有74％的省會城市以及62％的地級以上城市位于地震烈度VII度以上危險地區，70％以上的大城市、半數以上的人口、75％以上的工農業產值，分布在氣象、海洋、洪水、地震等災害嚴重的地區。隨著國民經濟持續高速發展、生產規模擴大和社會財富的積累，災害損失呈現日益加重的趨勢。20世紀90年代以來，中國進入新的災害多發期，新的重大災害事件不斷出現，災害帶來的損失和危害程度呈明顯上升趨勢，呈現出頻次增加、損失加劇、多災并發、次生衍生災害不斷等特點；盡管國家在防災減災領域投入了大量的人力物力，使自然災害造成的人員傷亡逐漸減少，但直接和間接的經濟損失卻不斷增加，自然災害已成為制約國家和區域經濟社會全面發展和影響社會安定的最重要因素之一。

一、空間技術是獲取災害信息的重要手段

為應對嚴重自然災害帶來的挑戰，我國建立了完整的災害管理和應急體系，以加強自然災害綜合管理能力，提高應急速度，盡可能地降低災害造成的影響，減少傷亡和經濟損失。從中央到地方的各個部門都建立了災害應急預案，保證在出現災害時，能在第一時間啟動相應的預案，并按照預案開展有序的專業化救災。信息服務是災害管理和應急體系建設的重要環節，信息是貫穿災害管理全過程的核心要素，在整個災害管理過程中，各項決策都要依據信息來制定，由信息“發動”：應急預案的啟動要根據對災情信息的分析，依據應急預案的啟動標準決定；災害應急工作由信息獲取與分析工作開始，后續的一系列工作，包括救災工作組和救援隊伍的派出，救災設備和物質的調運，生命線的搶通，受災人員搶救和安置轉移，以及災后恢復重建，都是根據災情等信息開展的（見圖1）。

圖1 災害應急工作流程

由此可見，災情信息的及時獲取對救災工作至關重要，只有在第一時間掌握可靠準確的信息，救災指揮部才能制定正確的決策，將有限的救災資源（人、財、物）準確地投放到最需要的地點上，以提高應急救援速度和救災效率，最大限度地發揮作用。不能及時獲取災情信息會使整個救災滯后而錯過最佳救援時間，甚至導致救援工作失敗。

然而，重大自然災害發生時，通常發生發展十分迅速，影響范圍很大，并將各種地面基礎設施（包括信息采集和監測系統、通信系統等）統統破壞，使得災區無法向外傳送信息，而且由于道路被摧毀，救援人員無法在第一時間進入重災區了解災情，造成災害發生后一段時間的“信息真空”，使救災指揮部因不能及時獲取準確可靠的災情信息而難以做出正確的決策，嚴重影響應急救援工作的開展。衛星技術的發展有效地解決了這一問題，在地面信息采集和通信系統被災害摧毀的情況下，以衛星技術為基礎的空間信息系統卻依然可以正常工作，保證對救援人員的信息支持和救災工作的順利展開。這一優點使災害管理成為最需要也最適合應用衛星技術的領域之一，也被證明是衛星技術應用最為成功的領域之一。在應急救災中使用的衛星技術主要有：衛星通信，衛星導航和衛星遙感技術，他們都被證明是救災工作中十分有效的工具，被國內外廣泛地應用于重大自然災害的應急救援工作中。

二、衛星通信技術在災害管理中的應用

從我國歷次救災工作經驗來看，暢通的通信手段與方式是向人民通報災情、疏散群眾、請求支援的關鍵環節，沒有一個健全可靠的通信信息系統作為保障，應急救援工作是無法順利展開的。我國的通信系統長期以來一直是應急救援中一個薄弱環節，中西部的數十萬農村、牧區和山區在實施“村村通”工程之前連電話都不通，使災情報送工作遇到很大困難。例如，1993年青海玉樹索加鄉君曲村被大雪圍困，由于通信不暢，村干部騎馬到鄉上求救，4天4夜才趕到鄉政府，鄉里又用同樣的時間將災情上報到縣里，導致災民在一個多星期后才得到救援，損失慘重。1996年在云南麗江地震中，由于通信中斷，使得災區災情信息48小時后才報告到北京，極大地延誤了救災工作的進行。如果有完善暢通的災情通信系統，使救災部門能夠在第一時間內獲取災情信息，并及時開展應急救援工作，將會大大減少災區的損失。這一局面在衛星通信技術廣泛應用后得到徹底改觀。衛星通信提供了地面網絡所不具備的備份性、廣泛覆蓋性和靈活性；不受距離和地形的限制，不需要布設通信機站，不依賴地面通信條件等。在沒有光纖、沒有無線通信條件下；或發生突發事件，地面通信網絡遭受破壞時，衛星通信仍可以輕松實現話音、視頻和數據通信服務。它可確保在任何情況下及時、快速、可靠、穩定地提供寬帶多媒體通信服務，是真正能夠做到廣域無縫隙覆蓋的通信方式。在地面通信網絡遭受破壞后，地面應急通信系統會自動地轉接到衛星網絡上，保證通信的暢通。

目前，我國氣象、水利、地震等災害監測部門普遍使用了固定站衛星通信的方式傳送各種監測站（水文、氣象、地震等）的數據，保證了在邊遠地區和災區的數據及時上報；而移動衛星通信則更多的應用于應急救援中。例如，國家減災委將移動衛星通信終端列入應急工作組的標準設備配置，在近年來歷次應對重大自然災害中，應急工作組奔赴災區時都攜帶衛星電話，保證了與應急指揮部的信息暢通。2006年初，新疆阿勒泰地區遭遇大雪和寒流襲擊，造成上萬平方千米的牧區受災嚴重，新疆聯通阿勒泰分公司利用衛星通信技術，成立應急通信小組，出動應急通信車輛，確保所有受災牧區通信暢通，為雪災救災提供了良好的通信保障。2013年4月20日四川雅安地震，重災區寶興縣交通通信全部中斷成為“孤島”，在用直升機機降方式進入災區的方案因氣象條件惡劣而無法實施的情況下，空投了兩部衛星電話，終于在當晚19：10與寶興縣建立了通信聯系，使救災指揮部及時了解了災情并制定了相應的救援方案，保證了救援工作的快速開展。2008年5月12日四川汶川8.0級地震發生，當時災區通信設施（包括基站、光纜等）和交通設施被大面積摧毀，通信中斷，情況十分緊急，為此救災部門大規模使用衛星通信技術應對危機，幾千臺衛星通信終端（各種移動衛星通信車輛、VAST終端站、衛星手機等）源源不斷地進入災區，迅速構建起了災區衛星通信網絡，成為了重災區唯一的應急通信手段，地震發生的當天應急衛星通信車即已到達重災區都江堰開始提供應急通信服務；第2天，通過救災人員艱難跋涉送來的衛星電話，從震中映秀鎮打出了地震后的第一個電話，向指揮中心的領導匯報了當地災情；通過緊急安裝的衛星寬帶視頻系統，將映秀鎮現場災情的視頻、語音實時傳出，成為映秀鎮唯一的實時視頻傳送平臺，為映秀地區前沿指揮中心和后方指揮中心提供了穩定的全方位通信保障。同時，在地震災區，衛星移動通信不僅用于最基本的語音通信， 傳輸現場圖片和視頻資料， 還被用于一些特殊的應用。例如：開通了以衛星通信為基礎的遠程醫療系統，使在后方的醫療專家可以參加災區的醫療救治工作；后方通過遠程視頻系統對災區現場的救援工作組進行應急指揮；在災民轉移安置點建立帳篷學校，利用衛星遠程教育開辦“空中課堂”，使災區學生迅速恢復上課；減災委救災工作組在5月15日上午在災情最重的北川縣城使用無人機獲取了災區的第一批無人機遙感影像后，首次采用了無人機與便攜式衛星通信終端結合的技術路線，將遙感影像及時傳送回在北京的應急指揮部。

三、衛星導航技術在災害管理中的應用

衛星導航系統在應急救援工作中也發揮了重要作用，特別是國產的北斗衛星導航系統的表現更是十分優異，這與北斗系統的總體設計特點有關。北斗導航系統采用的是與其他衛星導航系統被動導航定位不同的主動導航定位方式，具有一定的通信功能。它可以不依賴其他通信系統而獨立完成定位和通信，指揮中心可隨時了解救災車輛和各救災工作組的位置，實現監控導航；還可以通過短報文進行雙向通信，隨時了解災情的發展，做到心中有數，并發出指令指揮各工作組相互配合救災。與其他衛星通信設備比較，北斗終端輕便靈活，容易使用和攜帶，成本低，更容易大量部署，在巨災發生時，位于重災區的車載北斗終端更容易保全下來，有利于實時報災。上述優點使得北斗系統很快就應用于災害管理領域。最初，北斗系統是用于偏遠地區固定的水文站點傳送水文信息以實現測報，因其具有體積小、功耗低、雨衰弱等優點而迅速推廣，目前有超過3000套北斗終端在使用。而使用北斗終端進行導航定位和報災開始雖然晚一些，但發展更為迅速。2007年8月減災委應急救災工作組在福建安溪臺風災區使用北斗終端進行導航定位和報災取得成功后，即將北斗終端列為了應急救災工作的標準配置，利用基于北斗衛星導航系統的救災應急指揮調度系統，在以后的歷次救災中，特別是2008年南方雨雪冰凍災害和“5·12”汶川地震救災中發發揮了十分重要的作用。

為保證報災的及時性，民政部還計劃給全國的報災人員（一直到村級）配備北斗終端，完成為十個省配備30000臺北斗終端，這將極大地提高我國在巨災情況下的應急通信和災情報送能力。

減災委應急工作組還根據北斗衛星導航系統的特點發展了稱為”天地一體，前后協同”的工作模式：前方應急工作組在運動中不斷發現問題和對災情進行實時快速評估，并通過北斗系統發回后方指揮部；后者則據此確定問題出現的準確位置，調動其他技術手段（包括遙感技術等）對其進行跟蹤監視和詳細的災情評估，大大提高了工作效率。例如，“5·12”地震救災中，應急工作組在趕往陜西受災最重的寧強縣查災，途徑略陽縣時，發現遠處山體有大面積滑坡，因趕路不能前往觀察，遂用北斗終端發短信請后方跟蹤監視，后方確定位置后立即分析該地區最新的衛星遙感影像，對災情進行監測評估。

四、衛星遙感技術在災害管理中的應用

與衛星通信和衛星導航相比，衛星遙感技術在防災減災領域應用的更早也更成熟。早在1960年第一顆試驗氣象衛星發射成功后，人們就在不斷研究使用氣象衛星遙感數據監視災害性天氣系統的發生和發展，提高天氣預報的準確性，并逐漸走向實用。20世紀70年代陸地衛星和海洋衛星發射成功以后，也很快被應用到災害監測工作中。人們發現衛星遙感技術在災害監測、評估中具有其獨特優勢：其觀測范圍廣（可實現對整個災區的全覆蓋），重復觀測頻率高（有利于對迅速變化的致災因子和災情進行連續監測），信息獲取快速客觀準確，最重要的是，可全天候全天時穩定工作，不受災害影響，能幫助我們在任何惡劣氣候條件或在難以到達地區直接獲取實時的信息，能發揮無可比擬的重要作用，其在減災防災領域的應用也一向被認為是衛星遙感最成功的應用領域之一。

我國在這一領域的研究與應用工作開展的也很早，除應用于氣象監測預報外，衛星遙感第一次大規模應用于災害監測是在1987年大興安嶺火災期間，被用于監測火災的發展過程。不僅用來分析火點的位置，計算過火面積，還根據遙感影像上煙霧擴散的方向確定當地的風向，預測林火會向哪個方向發展（圖2），連續不斷地為撲滅大火提供準確可靠的信息。此后，在歷次重大自然災害應急救災工作中，衛星遙感都發揮了不可替代的重要作用，特別是在1998年長江大洪水（圖3）和2008年汶川地震救災期間，多個系列的遙感衛星（包括國外和國內衛星）數據被大規模應用于災害監測和災情評估中，為救災工作提供了強有力的信息支持。

圖2 大興安嶺火災NOAA衛星影像

圖3 1998年8月洞庭湖洪水遙感監測圖（由災前和災后的Radarsat-1衛星雷達影像合成）

衛星通信和衛星導航技術主要用于應急階段，而衛星遙感技術則廣泛的應用于災害管理的各個階段：在災前的減災備災階段，主要用于對可能受災的地區和目標（受災體）進行監測和風險源識別，獲取重要參數（如土地利用、土壤類型、作物分布、水體范圍、基礎設施情況等）建立或更新災害數據庫，用以在本階段進行災害風險分析，以及在災害發生后進行災情評估；在預警預報階段，主要用于對致災因子（如降雨、臺風等）和其他可能影響災害形成的因素（如土壤含水量等）進行動態監測，通過對其與其他來源的數據綜合分析，實現對災害的預警預報；災害發生后的應急階段，是衛星遙感用的最多也是最能發揮作用的階段，主要用于對災情進行動態監測和評估，監測和評估的內容廣泛，包括災害發生范圍、面積、災害強度、損失程度及其分布、房屋倒塌、農業損失、生態環境破壞等，還包括水庫、堤壩、橋梁、鐵路、公路、港口、機場等基礎設施破壞情況；在災后恢復重建階段，用于對恢復重建情況（包括房屋、各種基礎設施、減災工程的建設和生態環境的恢復等）的監測和評估。

隨著衛星技術的發展，國際上遙感衛星的數量不斷增加，其質量和分辨率也在不斷提高。與此同時，我國也發展了一系列的遙感衛星，包括氣象、海洋、資源、環境、高分等系列衛星，在災害應對時可獲取的數據十分豐富，獲取的時間周期也大大縮短；我國也建立了衛星減災地面應用系統，可以對接收到的衛星數據進行實時的快速處理，并在災害數據庫的支持下進行分析，形成為救災決策服務的數據產品，并通過分發系統迅速提供給救災指揮部門、應急救援人員和公眾，保證其了解災情的最新變化和救災工作的進展。

[1]國家遙感中心.98中國特大洪災遙感圖集[M].北京:科學出版社,1999.

[2]李京.衛星通信在我國災害應急體系中的應用需求[J].當代通信，2006（13）:37-39.

[3]李京.綜合減災需要科技支持[J].中國減災,2007（9）:14-15.

[4]李京.遙感技術及其在減災中的應用[M]//災害應急處置與綜合減災.北京:北京大學出版社,2007.

[5]李京.災害與應急通信探析[J].衛星與網絡,2008（11）:24-25.

[6]Jing Li,Yunhao Chen,A-duGong,et al.Spatial Information Technologies for Disaster Management in China[M]//Geospatial Techiques in Urban Hazard and Disaster Analysis,Berlin: Springer,2010.

[7]Milan Konecny,Eva Mulickova,Petr Kubicek.Geoinformation Support For Flood Management in China and the Czech Republic[M].Prague:Masaryk University Press, 2011.

[8]李京,陳云浩,唐宏,等.自然災害災情評估模型與方法體系[M].北京:科學出版社,2012.