美國公布日韓衛星觀測的天津濱海新區爆炸事故圖像

劉韜 （北京空間科技信息研究所）

2015年8月12日23：30許，天津濱海新區瑞海公司危險品倉庫發生爆炸，事故造成了嚴重的人員傷亡和經濟財產損失。事故發生后，美國科學研究機構在第一時間公布了源自日本和韓國靜止軌道氣象衛星的圖像，顯示了事故引發的爆炸和火災情況。另外，8月13日，美國“天空衛星”（SkySat）拍攝到事故現場的高分辨率圖像，“土”（Terra）衛星和“水”（Aqua）衛星所搭載的中分辨率成像光譜儀（MODIS）分別于8月13日上午和下午拍攝了現場的云圖，云圖顯示爆炸引起的黑煙向渤海灣擴散。

（1）衛星拍攝到事故發生時爆炸沖擊波和大火的熱信號

目前已報道并觀測到天津濱海新區爆炸事故的國外衛星有日本向日葵－8（Himawari－8）衛星、日本多用途運輸衛星－2（MTSAT－2）和韓國通信、海洋及氣象衛星－1（COMS－1），這3顆衛星均是地球靜止軌道（GEO）氣象衛星，且均帶有紅外遙感器。事故發生時，它們實時探測到爆炸引發的沖擊波熱信號和事故現場大火的熱信號。第一時間將這些衛星圖像數據加以分析并公布的是美國一家空間研究機構，即美國威斯康星大學麥迪遜分校（Wisconsin-Madison）空間科學和工程中心（SSEC）的氣象衛星合作研究所（CIMSS），該機構是一個專注于地球遙感研究、天氣預報和臨近預報的研究機構，與美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）及美國航空航天局（NASA）保持有緊密的合作關系。

爆炸點熱信號 左圖為未探測到熱源信號，右圖為探測到熱源信號

下圖是從CIMSS官方網站發布的視頻中截取的圖像，該視頻來源于向日葵－8衛星的“先進向日葵成像儀”（AHI）1.6μm波長通道，時間從8月12日15：00 UTC（世界標準時）至18：10UTC。視頻中，事故發生地點熱信號出現時間為15：20UTC（北京時間減8h等于UTC）。

日本向日葵－8靜止軌道氣象衛星于2014年升空，其主遙感器“先進向日葵成像儀”實際由美國國際電話電報公司（ITT）研制，相似設備也將搭載在即將發射的美國新一代地球靜止軌道環境衛星－R（GOES－R）上。“先進向日葵成像儀”的地球全盤掃描時間從上一代日本“多用途運輸衛星”的30min縮短到10min。憑借靜止軌道衛星的區域實時監視能力，能夠有效地執行動態目標的監視任務。對1000km×1000km區域的觀測時間間隔可以達到2.5min。

向日葵－8共有16個工作譜段，即3個可見光譜段、3個近紅外譜段和10個紅外譜段，空間分辨率分別為0.5～1km、1～2km和2km。天津濱海新區瑞海公司危險品倉庫爆炸事故被向日葵－8的1.6μm、2.3μm、3.9μm、6.2μm、7.0μm、7.3μm、8.6 μ m和10.35 μ m紅外譜段檢測出來，其中3.75～3.9μm譜段范圍信號較強烈。

美國“土”衛星拍攝的事故現場云圖

美國“天空衛星”拍攝的事故現場高分辨率圖像

向日葵－8衛星觀測能力和要素

另外2顆探測到天津濱海新區危險品爆炸事故的衛星是即將退役的日本多用途運輸衛星－2和韓國近年發射的韓國通信、海洋及氣象衛星－1。右圖也是從CIMSS官方網站截取的衛星圖像，每組圖像的上行由向日葵－8衛星拍攝，中行由日本多用途運輸衛星－2拍攝，下行由韓國通信、海洋及氣象衛星－1拍攝。圖片顯示出爆炸產生煙云的擴散情況。

日本多用途運輸衛星－2于2006年2月18日成功發射，由日本三菱電氣公司研制。有5個工作譜段，即1個可見光近紅外譜段、2個中波紅外譜段和2個熱紅外譜段，分辨率分別為1km、4km和4km，全盤掃描時間需要30min。

韓國通信、海洋及氣象衛星－1于2010年6月26日成功發射，由歐洲阿斯特留姆公司（現改名為歐洲空客防務與航天公司）研制。衛星平臺采用歐洲星－3000（Eurostar－3000）平臺，衛星定位于128.2°（E）。此次拍攝到爆炸煙云的是韓國通信、海洋及氣象衛星－1的氣象成像儀（MI），它是美國國際電話電報公司宇航和通信分部的商業增強靜止軌道成像儀（CAGI）的商業現貨產品。該氣象成像儀是一臺可見光和紅外成像輻射計，有5個譜段，0.675μm、3.75μm、6.75μm、10.8μm和12.0μm。紅外譜段的分辨率為4km。

3顆日韓靜止軌道氣象衛星拍攝的爆炸煙云情況

“向日葵”數據傳輸服務

（2）氣象衛星數據快速傳輸到用戶，便于快速分析

新一代“向日葵”衛星不但觀測時間間隔大幅度縮短，而且從圖像獲取到分發的時間也大幅度縮短。“向日葵”數據傳輸服務（HimawariCast）是日本氣象廳（JMA）新推出的一種氣象衛星數據傳輸服務，于2015年1月29日開始試運行，2015年中期開始正式運行，當時利用多用途運輸衛星－2進行了數據傳輸試驗。在此之前，多用途運輸衛星－2圖像的傳輸由高速率信息傳輸（HRIT）服務和低速率信息傳輸（LRIT）服務提供。日本氣象廳計劃在2015年11月停止這些服務，而以最新的“向日葵”數據傳輸服務作為替代。該服務能夠每10min提供1次地球全盤圖像數據。

上圖是“向日葵”數據傳輸服務的流程圖，向日葵－8衛星圖像數據首先通過日本氣象廳轉發給通信衛星，再由日本通信衛星中繼給各用戶，整個傳輸時間約在10min內完成。目前，與之配套的通信衛星是日本通信衛星－2A （JCSat－2A），該衛星定位于154°（E），用于廣播“向日葵”數據傳輸服務數據。日本通信衛星－2B將于2015年第四季度接替日本通信衛星－2A。

（3）事件背后的思考

如上所述，日本向日葵－8衛星的“先進向日葵成像儀”實際是美國研制的，其快速觀測能力是目前最先進的。美國CIMSS僅是一所大學的研究機構，并不是國家層面的災害應急響應部門，更不是美國軍方。美國衛星能力和高效的反應能力給了我們深刻的啟示。

首先，國外重視靜止軌道高分辨率衛星的研制。運行于靜止軌道的衛星能夠對區域進行持續監視，而低軌衛星過頂速度快，事件發生時，上空可能沒有具備相應觀測能力的低軌衛星。國外以更新換代靜止軌道氣象衛星為基礎，正在逐步向高分辨率的靜止軌道光學成像衛星邁進。未來，靜止軌道衛星分辨率有望提高到米級，屆時不但能夠對大面積爆炸或火災進行監視，還能夠對小型重點目標進行實時的動態跟蹤和監視。從本次事件可以看出，國外民用靜止軌道衛星已經初步具備了對爆炸等大面積突發熱源的實時監視能力。

其次，以日本為代表的國外新型靜止軌道氣象衛星采用了新的數據傳輸方式，即“向日葵”數據傳輸服務，能夠在10min內將圖像傳輸給最終用戶。

再次，根據推測，國外已具備高效的衛星圖像自動分析能力。目前，地球靜止軌道氣象衛星分辨率比較低，紅外譜段的分辨率更低，僅為2km。也就是說，對于向日葵－8衛星，其探測器上的1個像元只能分辨2km的物體。從國外公布的衛星圖像看，爆炸引發的火災反應在1幅圖像上，僅有1個或幾個像素點的變化。從數量眾多的衛星圖像中，依靠人工發現幾個像素點的變化是非常困難的。而美國CIMSS研究所擁有很多氣象觀測模型和算法，例如，環境模型和數據同化算法、生物質燃燒監測模型、全球紅外輻射系數模型、區域同化預報系統等，這些模型或算法很有可能在這次爆炸事件中，對衛星圖像進行自動識別，從而使研究人員能夠在第一時間獲取到相關衛星圖片，并制作了動畫。

綜合上述分析，對突發事件進行應急響應，不僅需要性能優良的衛星，而且需要面對應急災害事件和公共安全事件的數據傳輸與分發機制，以及災害事件的圖像分析模型和算法等。