3S+C技術在減災行業的應用

· 文|航天恒星科技有限公司 張云杰 宋芳妮

3S+C技術在減災行業的應用

· 文|航天恒星科技有限公司 張云杰 宋芳妮

近年來，隨著全球氣候變化幅度的增大和經濟持續高速發展，災害造成的損失呈現日益加重的趨勢。據統計，2013年全球共發生了880多起自然災害，共造成2萬多人死亡，全球全年總計經濟損失達1250億美元。

我國是世界上自然災害最為嚴重的國家之一，災害種類多、分布地域廣、發生頻率高、災害損失重、社會影響深和減災難度大是我國自然災害的主要特點。近15年來，我國平均每年因各類災害造成約3億人受災，減災救災工作正面臨著巨大的挑戰。

如何利用科學技術，認識這些災害的發生、發展以及盡可能減小它們所造成的危害，已是國際社會的一個共同主題。在這樣的形勢背景下，加快通信、遙感、地理信息系統和導航定位等技術在減災救災業務中的應用步伐，推進其應用成果的轉化，是完善我國重大自然災害監測、預警、評估和應急救援指揮體系的一個重要手段。

一、3S+C技術與減災

遙感（RS）、地理信息系統（GIS）和全球定位技術（GNSS）以及衛星通信技術（Communication），即通常所說的3S+C技術，通過這些技術的綜合應用，可實現對多源災害信息的采集、傳遞、處理和分析，從而向減災決策者提供綜合減災空間信息服務，使其科學準確、及時快速地了解災害情況，制定減災方案。

1.遙感技術

RS技術的快速發展為我們提供了一種獲取實時災害信息的可靠手段。通過各種機載和星載傳感器，可以準確獲取災區的影像數據，這些數據是GIS處理的重要信息來源，可獲取大面積地表屬性及實現地物要素的提取。

RS技術已被廣泛應用于各種重大災害的救災工作中。事實證明，無論是印度洋海嘯，還是中國的汶川地震，RS技術都在減災救災工作中發揮了非常重要的作用。

與常規信息采集方式相比，RS技術在災區信息的獲取上具有明顯的優勢，主要表現在以下幾個方面∶

1）覆蓋范圍廣。RS技術可以對大范圍的受災地區進行觀測和數據采集，從宏觀上反映受災地區的情況。例如，一景Landsat-TM遙感器獲取的影像可以覆蓋185km×185km的地表范圍，相當于能夠覆蓋汶川地震中受災最嚴重的北川縣全境；我國環境減災衛星獲取的影像幅寬為360km（2臺組合700km），能夠獲取更大的地表范圍。大范圍的數據獲取能力也為全球氣候變化及區域地質活動的研究提供了有力條件。

2）獲取速度快、手段多。遙感技術可以對災區進行周期性的觀測來獲取不同時相的影像。通過受災前后遙感影像的對比分析，不但能夠定位受災區域、估計影響范圍，還能跟蹤災情的動態變化。例如，搭載MODIS光譜儀的上午星Terra和下午星Aqua可以達到一天過境4次；SPOT衛星的高分辨率可見光（HRV）傳感器具有傾斜觀察能力，能夠在不同軌道上用不同的觀察角對同一地區進行觀測，產生立體像對以獲得三維空間數據。這種高時相分辨率以及多觀測角度的特點，為實時獲取災情信息提供了可能。

3）信息量大。遙感可利用可見光/反射紅外、熱紅外和微波等波段，探測不同區域地質、水文地質、環境污染、森林火災和地表形態等信息。不同遙感影像的分辨率在幾十厘米至幾百千米之間，能夠滿足不同尺度下減災救災的應用需求。

2.衛星導航技術

GNSS為遙感影像處理提供空間位置坐標和時間信息；為GIS提供空間定位信息，可實現諸如定位、測量、移動物體的動態監控與導航等。如減災用戶終端的使用可提供救援路徑規劃、定位服務；北斗系統的短報文服務，可在任何時間、任何地點實現無縫通信連接，滿足減災應用需求。

3.地理信息技術

GIS為地物的幾何數據和屬性數據的存儲、管理、分析、可視化等應用提供了軟件平臺， 利用其強大的空間數據管理和分析能力，可作為遙感圖像解譯的強有力的輔助工具，同時，能夠為GNSS提供底層技術支持。

GIS技術已在火災、地震、旱災、洪澇、地面沉降以及滑坡、泥石流等方面取得了廣泛的應用。GIS技術在防災減災中的應用主要有以下幾方面：

（1）作為多源防災減災信息集成的平臺，提供信息服務

在建立空間圖形庫的基礎上，GIS支持以下基本圖形應用：電子地圖的應用；數據的顯示、查詢功能；統計。

（2）實現以空間分析為基礎的防災減災信息的綜合分析

防災減災信息是一個多要素的綜合體，各要素間具有時間序列和空間特征。GIS為我們綜合分析各種防災減災信息提供了現代化的手段。空間量算可分別從一維、二維空間實現對研究對象長度、面積的快速量算。空間疊加分析可提供矢量－柵格一體分析，可對不同要素的圖層進行疊加分析。利用疊加分析，可將任意選擇的要素進行空間疊加分析，以幫助我們進行專題分析。利用緩沖區分析，可進行點、線、面的緩沖分析。通過在重點災害源周圍建立緩沖區，可對緩沖區內各要素進行統計，如統計緩沖區內社會經濟信息、搶險救災信息(搶險物資、搶險隊伍及避險中心)等，不僅為搶險救災決策提供有力的輔助手段，同時還可為城市規劃、保險行業保費估算提供非常重要的依據。通過網絡分析實現資源供給網絡劃分、救災資源調撥及救災最佳路徑分析。

（3）減災專題圖件的生成及應用

GIS提供了強大的制圖功能，可繪制任意比例尺的地圖，可對同類圖件進行任意的分解和拼接，并且可繪制任意給定區域的單要素專題圖或多要素專題圖。

結合屬性數據庫與空間數據庫，可對在防災減災指揮決策中所需的各類分布圖進行繪制。

利用GIS技術與決策支持模型的結合，還可制作搶險實施方案圖（包括人力物資調度、人員疏散、交通管制等）、搶險預案圖、洪水淹沒圖等。

4.通信技術

通信技術提供了信息傳遞的通道，提供遙感圖像傳輸、災害信息、指揮決策信息及應急通信等的通信鏈路。

二、3S+C減災應用系統框架

3S+C技術綜合應用于防災和減災領域是很常見的，圖1是一個這類系統構成的通用架構圖。

如圖1所示，3S+C技術應用系統一般由4層組成，自下而上分別是數據采集層、數據傳輸層、處理分析層和應用服務層。

圖1 3S+C技術應用系統架構

1.數據采集層

數據采集層是整個系統的數據基礎，指利用不同技術手段采集系統所需數據。數據來源包括地面傳感器、遙感衛星、有人和無人飛機、飛艇和導航CORS網等，數據種類包括各種形變、位移和溫濕度等檢測數據、遙感影像以及導航數據等。

地面傳感器可以采集地面溫度、濕度、地震波等參數。

通過在遙感衛星和飛機上搭載的傳感器，可提供不同尺度的地物影像，無人機還可以在緊急狀況下獲取更高分辨率的災區影像。CORS系統可全自動、全天候、實時地向大量用戶提供高精度、高可靠性、實時的定位信息。此外，CORS系統可用于通信系統和電力系統中高精度的時間同步，并能就地面沉降、地質災害、地震等提供監測預報服務、研究探討災害時空演化過程。

手持/車載/船載定位終端可提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并可進行短報文通信。

海上浮標可以測量風速、風向、氣溫、氣壓和溫度等氣象要素。

2.數據傳輸層

數據傳輸層通過多種鏈接手段將數據傳輸至處理分析層，包括地面有線網絡、地面無線網絡、通信衛星、光纖、GPRS等。

3.處理分析層

處理分析層以數據傳輸層傳來的多源數據為基礎，在計算機集群設備的支持下，以GIS、RS和計算機技術為核心，為減災業務提供基礎處理分析。如：針對多源遙感圖像，提供幾何精校正、正射校正、融合、鑲嵌、勻色等分析；提供航空影像、衛星影像、現場數據等與基礎地理空間信息的疊加分析；提供緩沖區分析功能，支持減災救災資源調配；提供面積量算功能，支持洪澇淹沒范圍監測、大型滑坡體/泥石流范圍監測、積雪覆蓋范圍監測，火場面積及火燒跡地面積、干旱范圍、安置區監測等。

4.應用服務層

應用服務層在處理分析層的基礎上，結合減災業務體系，實現減災業務服務，如信息采集與協同、災害監測、生命線損毀評估、綜合評估和研判會商等。

信息采集與協同業務對來自遙感衛星、通信衛星、導航衛星、航空平臺及現場采集的各類災害相關數據進行同化和協同分析，以便針對某一特定受災區域開展減災救災業務。

災害監測業務以多源遙感衛星數據、航空數據和災害現場采集數據為主要數據源，實現孕災環境監測、災害指數計算、災害范圍監測等災害監測方法，實現生成洪澇淹沒范圍監測、大型滑坡體/泥石流范圍監測、積雪覆蓋范圍監測，火場面積及火燒跡地面積、干旱范圍、安置區監測等。

生命線損毀評估業務是在應急模式下，綜合利用信息采集與協同以及災害監測提取的信息，開展受災人口快速評估、生命線工程快速評估、房屋倒損快速評估、農作物損毀快速評估以及災情快速綜合評估等。

綜合評估業務是在災害過程穩定或結束后，針對不同災種評估的結果，利用空間技術和綜合分析手段建立綜合評估模型以及評估流程，從經濟損失、災情等級評估、救助需求分析等方面對受災情況進行全面評估，輔助人員轉移安置和指揮決策預案。

三、3S+C綜合減災應用案例

1.委內瑞拉綜合減災應用系統

針對委內瑞拉國內主要的自然災害，如洪水、泥石流頻發的現狀，航天恒星科技有限公司為用戶建設了委內瑞拉綜合減災應用系統。目前，該系統已交付委內瑞拉用戶。

系統建設在加拉加斯的對地觀測中心，通過地面光纖網絡，接收來自巴馬里地面站的委遙一號（VRSS-1）衛星數據，并綜合應用GIS和RS技術，提供災害信息提取，災害評估分析等功能。具體業務包括森林火災信息提取、洪澇災害信息提取、地質災害信息提取、海岸線信息提取等，并生產相應的災害專題信息，為政府減災提供信息支持。

委內瑞拉綜合減災應用系統組成見圖2。

圖2 委內瑞拉綜合減災應用系統組成圖

（1）產品生產調度分系統

統籌管理用戶的業務生產需求，經過匯總、融合和優化后，制定各種數據的生產計劃，并對所有任務的執行過程進行監控管理。

（2）數據獲取與分析分系統

是系統對外服務的窗口，為用戶提供專題圖生產服務、專業化的遙感影像處理工具、遙感數據統計與分析工具、報表生成工具；同時負責對遙感影像進行幾何較正、正射較正、影像融合與影像分類等遙感影像處理功能，并對影像處理結果進行效能評估。

（3）專題產品生產分系統

根據用戶需求，利用已有遙感數據，進行洪澇災害監測、森林火災監測、海岸線監測、泥石流災害監測等專題產品的生產。

（4）數據產品管理分系統

是系統數據匯總及分發中心，統籌規劃VRSS-1衛星及其他遙感衛星影像數據，建立數據歸一化處理途徑，為海量遙感影像數據與遙感輔助數據的接入、歸檔及分發提供技術支持。

圖3為利用委內瑞拉綜合減災應用系統生產的產品示例。

圖3 委內瑞拉綜合減災應用系統產品示例

2.減災信息收集平臺與應急減災特種導航終端技術

減災信息收集平臺如圖4所示，該平臺主要由指揮中心和應急減災特種導航終端組成。作業人員可手持該特種終端深入到災害現場，將災情信息通過北斗短報文或GSM/GPRS、CDMA2000、WCDMA等通信方式回傳到指揮中心，為民政部門收集災害救援現場的第一手資料，以便救災指揮決策。

該平臺的應急減災特種導航終端針對我國災害應急工作中現場信息監測與通信能力存在的不足，開展了基于衛星導航定位監測、嵌入式地理信息系統、遙感圖像應用、應急通信等技術的集成研究，并研制開發了基于北斗/GPS系統的特種導航終端系統。該系統有效結合了CDMA、北斗通信、藍牙等關鍵通信技術，是我國第一款針對減災應用的導航通信綜合終端系統。

目前，該終端系統已在我國甘肅肅北、重慶巫山、廣西平樂等地區完成了多次應急減災示范應用，并參與了2011年旱災災情信息采集工作，為進一步提升我國綜合減災救援能力提供了重要技術支撐。

基于北斗衛星定位數據，結合災區災情信息及基礎地理數據情況，為災害應急現場工作人員、車輛開展救災工作提供重要的導航定位信息，同時為指揮中心及時了解現場人員、車輛的動態提供相關定位信息，為救災人員、設備、物資的運送路徑進行快速規劃。為車輛、船舶、飛機等救災物資運輸工具提供自動導航功能，自動為運輸工具的行進方向、速度以及災情注意事項等提供前期預報和建議，并對偏離既定規劃路徑的交通工具做出預警提醒。

利用北斗導航定位技術實現對災害及次生災害發生位置、受災范圍做出精確描述，為災害范圍評估、災害影響人口評估、災害損失評估提供重要信息。利用多源對地觀測數據，精確提取受災范圍、災害等級等信息，對災害造成的損失進行全面評估，并對災害救助與恢復重建需求及救災效果進行監測、評估。

圖4 減災信息收集平臺組成圖

圖5 應用示范系統組成圖

3.“多源全球遙感數據采集處理和綜合信息服務平臺”災害應急監測應用示范

2013年12月，多源全球遙感數據采集處理和綜合信息服務平臺被列入國家戰略性新興產業支持項目，由航天恒星科技有限公司和國家衛星海洋應用中心承制。

本項目將自主研制的“多源遙感數據接收處理系統”和“遙感服務系統”，在全球布局，建設1個北京運管中心，1個固定國際服務節點和1個“雪龍號”移動服務節點，互聯互通，形成一個提供遙感綜合服務的國際化服務網絡，通過北京運管中心的“綜合業務管理系統”管理和運營整個網絡，實現數據、產品和服務的國際服務能力。該平臺由4部分組成：綜合業務管理系統、數據接收處理系統、信息監測系統、應用示范原型系統。

其中，災害應急監測應用示范系統利用應急指揮車上的設備對衛星遙感數據、導航信息及其他信息進行融合處理，現場為救災指揮提供支持服務。該示范系統組成及業務流程如圖5所示。

北京運管中心調度服務節點獲取衛星遙感影像數據，利用通信衛星向現場提供遙感數據產品，救災人員攜帶北斗用戶機采集災害數據并實時傳回信息，示范小組在指揮車上現場生成災情及救災信息產品，提供給救災指揮部。系統可開展洪水面積監測、洪水深度監測、泥石流路線分析、泥石流災害評估、救援覆蓋面和布局分析等業務分析。

四、結束語

基于3S+C技術，可實現災害信息采集、救援指揮、災害評估，對災害強度、規模、發展態勢和影響程度做出科學預測，從而有效地提高災害管理的科學決策水平，最大限度地減輕自然災害對民眾的危害，減少自然災害造成的經濟損失，優化救災投入，提高救災效益，為國家社會安定和經濟發展提供保障。