高分辨率遙感衛星在應急監測領域的應用

● 文|天津航天中為數據系統科技有限公司　許繼爽　王詩奎 楊鶴猛 王兵

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高分辨率遙感衛星在應急監測領域的應用

● 文|天津航天中為數據系統科技有限公司許繼爽王詩奎 楊鶴猛 王兵

本文首先介紹了近年來國內外高分辨率衛星發展情況，其次，以廣東地區為例，從空間分辨率和時間分辨率兩方面，進行了高分辨率衛星在應急監測領域的應用能力分析，然后從臺風、地質、洪澇、林火和環境五個方面，分別選取典型應用案例，闡明了高分辨率衛星數據在應急監測領域發揮的作用，最后對我國高分辨率衛星數據在應急監測領域應用的發展方向進行了展望。

引言

我國地域遼闊，地理環境復雜，是災害發生頻率較高的國家之一。近幾年地質活動和氣候變化引發的地質、臺風等自然災害較為頻繁，引起了人們對災害應急監測的極大重視。重大災害大多具有突發性強、波及面廣、危害性大等特點，要求在災害發生后短時間內做出反應，提供災區現狀和評估的信息，由于災害本身造成的通信中斷、交通設施毀壞等多方面影響，導致在大型災害發生時很難通過常規手段獲取災區的實時信息，進而影響救援工作的進行。遙感技術的出現，特別是高分辨率衛星的快速發展，為我們提供了一種在應急監測領域獲取實時信息的可靠手段，為減災救災工作決策提供重要依據。

高分辨率衛星數據用于應急監測領域，主要體現在其空間分辨率高、覆蓋能力強和時間分辨率高等優勢。在災害發生前，高分辨率衛星數據可以不斷提供關于自然災害發生背景和條件的大量信息，有助于圈定某些災害可能發生的地區、時段及危害程度，采取必要的防災措施，減輕災害造成的損失；高分辨率衛星數據在災害發展過程中進行應急監測，可以不斷監測災害進程和態勢，及時把信息傳輸到各級抗災指揮機關，幫助他們有效地組織抗災活動；在成災以后，基于高分辨率衛星數據可以在大范圍內迅速、準確地對災害造成的損失進行災情評估，以便及時組織救災、恢復生產、重建家園等[1,2]。

一、高分辨率衛星在應急監測領域應用能力分析

由于重大災害大多具有突發性強、波及面廣、危害性大等特點，對其應急監測必須在短時間內做出反應，要求災害發生前對災害做出估計，及時發布災害預警信息，為災前準備爭取寶貴的時間；在災害發生中動態監測其進展和態勢，從宏觀上獲取受災范圍、受災程度、交通運輸狀況等信息給各級抗災指揮機關，作為搶險救災的準確依據；在災后快速尋找并定位倒塌房屋、損毀道路、堵塞河道、受損農田、滑坡、林火和泥石流等災情的位置，評估災害影響的范圍和程度，作為制定救災重建方案的重要依據。為滿足上述災前、災中、災后應急監測的要求，衛星遙感技術應用于應急監測領域必須具有高空間分辨率和高時間分辨率，現就應急監測領域對遙感影像的空間分辨率和時間分辨率要求進行總結，并針對國內的高分辨率衛星，以廣東地區為例進行覆蓋能力的仿真分析，來進行高分辨率衛星在應急監測領域的應用能力分析。

1．空間分辨率

遙感影像的空間分辨率是指每個像元所代表的地面實際范圍的大小。不同的應急監測事件對遙感數據的空間分辨率有不同的需求，其中，對于洪澇災害監測、林火災害等宏觀觀測來講，空間分辨率要求相對較低；對于定位精度要求較高的行業如災后變化監測等需要的數據分辨率較高，表1具體給出了應急監測領域不同研究層次對遙感圖像空間分辨率的要求[3]。

表1　應急監測領域不同研究層次對遙感圖像空間分辨率的要求

近年來，隨著衛星空間分辨率的逐步提高、米級高分辨率衛星數據的陸續普及，使得高分辨率衛星數據能夠滿足應急監測領域對數據空間分辨率的要求，高分辨率衛星數據在應急監測領域發揮著越來越大的作用。

2．時間分辨率

時間分辨率指遙感影像對同一地區重復覆蓋的頻率，即多長時間可以重復獲得一次新的遙感信息。不同的應急監測事件對遙感數據的時間分辨率有不同需求，對于作物長勢監測、自然和人為污染等監測，時間分辨率的要求相對較低，一般為幾天到幾周的時間；對于重大自然災害如森林火災和大面積洪澇災害的實時監測，需要具有高時間分辨率的衛星遙感影像，表2具體給出了應急監測領域不同研究層次對遙感圖像時間分辨率的要求[4]。

近年來，高空間分辨率遙感探測器的成像時間周期顯著縮短，重復軌道周期一般在1～3天之內，能夠在應急監測領域不同研究層次要求的時間內及時做出反應，滿足應急監測領域對遙感數據時間分辨率的需求。

表2　應急監測領域不同研究層次對遙感圖像時間分辨率的要求

近年來，高空間分辨率遙感探測器的成像時間周期顯著縮短，重復軌道周期一般在1～3天之內，能夠在應急監測領域不同研究層次要求的時間內及時做出反應，滿足應急監測領域對遙感數據時間分辨率的需求。

3．國內高分辨率遙感衛星覆蓋能力仿真分析

高分辨率遙感圖像一般指的是圖像的空間分辨率在10m以內的航空、航天遙感圖像數據[5]。目前國內在軌的高分辨率遙感衛星主要為GF-1、GF-2、ZY-3等，另外ZY-1 04、ZY-1 02C等衛星的空間分辨率也都達到了10m，可以作為有力的數據補充。現以廣東地區為例，對國內高分辨率遙感衛星的覆蓋能力進行仿真，仿真結果如圖1所示。目前廣東省有大約一半的城市衛星時間覆蓋能力大約為8～16小時，小部分城市區域的衛星時間覆蓋能力為16～24小時，其余城市的光學衛星影像重訪時間要大于24小時，其中包括了廣州市、珠海市、韶關市等幾個較為重要的城市。由仿真結果可知高分辨率衛星能夠在短時間內做出反應，并滿足應急監測領域對數據時間分辨率的需求；所用衛星的空間分辨率均優于10m，部分地區空間分辨率優于米級，可滿足應急監測領域對數據空間分辨率的需求。

圖1　廣東地區國內高分辨率遙感衛星覆蓋能力分析

2020年我國在軌的高分辨率遙感衛星數量會大大增加，包括GF-5、GF-6、GF-7等，高分辨率衛星應用與應急監測領域的能力將進一步增強。以廣東地區為例，2020年高分辨率衛星覆蓋能力分析如圖2所示。到2020年，廣東省全省各地區均滿足8小時覆蓋能力；空間分辨率能夠達到優于2m的水平，可滿足應急監測領域對數據時間分辨率、空間分辨率的需求，高分辨率衛星數據在應急監測領域的能力也有了大幅度提升。

圖2　2020年廣東地區高分辨率遙感衛星覆蓋能力分析

二、高分辨率衛星在應急監測領域應用案例

高分辨率遙感衛星具有觀測范圍廣、時效快、數據質量高、不受自然條件和地域條件限制等特點，應用于應急監測領域，能夠為災害預警、監測、評估、應急響應、災害救助、恢復重建等決策提供信息支持，現主要從臺風、地質、洪澇、林火和環境五個方面的典型應用闡明高分辨率衛星在應急監測領域的作用。

1．臺風災害

臺風災害具有巨大的破壞力，與之相伴的暴雨和風暴潮往往會引起洪水暴發等次生災害[6]。高分辨率衛星數據在臺風應急監測中，可以跟蹤臺風的形成和發展，確定其中心位置，監測實時的移動方向和速度，估計臺風強度和登陸的時間地點，提供實時準確的臺風預報[7]，并為災后救援、災害評估和災后重建等提供重要的空間信息支持。福建省利用高分辨率衛星數據和氣象監測數據等作為數據支持，建立起一套防臺風風情實時監測預警系統，有效減少了災害中人員傷亡和直接經濟損失[8]。2014年“威爾遜”登陸華南沿海地區后，相關部門采用高分一號、資源三號、資源一號02C等高分衛星進行應急觀測，較快了解臺風推進情況和受災區域范圍，為災后救援、災害評估和重建等提供了重要的空間信息支持。

2．地質災害

地質災害主要是地震方面的災害，具有時間上的隨意性、地域上的不確定性及快速變化等特點[9]。高分辨率衛星數據應用于地震災害應急監測主要體現在從空間視角快速獲取大范圍災害信息、地震災損快速評估，能夠快速綜合判定地震災區范圍、重要救援目標、道路通行狀況、確定救援路線等，為災情速報、損失評估和抗震救災決策提供有力依據。“5·12”汶川地震發生后，由高分辨率遙感衛星和通信衛星組成的“太空救援隊”進行應急監測，為救災指揮、災害評估、次生災害防御及災后重建等提供了第一時間的數據信息。在玉樹地震中，利用災后高分辨率影像，開展了房屋建筑物損壞情況、生命線工程損毀程度以及次生災害調查等方面的災情遙感應急監測工作[10]。在云南省魯甸地震發生后資源三號、高分一號、資源一號02C和實踐九號A四顆高分辨率衛星第一時間開通衛星數據應急共享通道，客觀、真實呈現受災現狀，為搜救工作提供了可靠的參考信息。

其他的地質災害包括崩塌、滑坡、泥石流等。高分辨率衛星遙感技術應用于地質災害應急監測方面，以宏觀性強、時效性好、信息量豐富的優勢可以貫穿于地質災害調查、監測、預警、評估的全過程。20世紀80年代，我國就開始運用高分辨率遙感數據對長江三峽、紅水河龍灘等電站附近的滑坡、泥石流情況和寶成、成昆等鐵路沿線的地質災害分布信息進行調查。近年來，眾學者利用高分辨率衛星影像，有效地監測和評估了三峽工程周邊的地質災害情況，為庫區地質災害的預防和治理提供科學依據。

3．洪澇災害

洪澇災害具有持續時間短、受災面積廣、危害大等特點，必須及時、迅速、準確了解災情，并及時對其做出反應[11]。高分辨率衛星在洪澇災害應急監測領域，能夠借助其全天時、全天候的優勢能夠獲取白天的可見光云圖、晝夜的紅外云圖、水汽分布圖像，通過解譯分析得到洪水態勢、淹沒范圍、損毀情況等信息，為抗洪搶險工作提供有力的依據。我國于“八五”、“九五”期間采用資源衛星和氣象衛星資料建立了七大江河地區洪澇災害易發區警戒水域遙感數據庫。例如2003年7月發生的淮河流域大洪水，有關部門適時啟用了國家級洪澇災害高分遙感監測業務運行系統，運用高分辨率衛星對這次大洪水進行了及時有效的動態監測，為準確了解判斷汛情提供了方便，也為防汛指揮工作提供了技術支持。

4．林火災害

林火災害是一種具有突發性和周期性的自然災害。采用高分衛星數據開展林火監測，其優勢在于時間分辨率高、覆蓋范圍廣,基本可實現每天對全國林區火情的監測，高分衛星采用具有熱紅外波段的衛星影像能檢測到地表熱異常變化，并根據林火熱點具有特殊的光譜特征和輻亮度，來提取熱源點與背景的亮溫及其差值等可用于火點識別與判斷的信息，從而進行林火的監測，隨著高分衛星的進一步發展，衛星林火監測已經成為國家森林防火指揮部掌握全國火情的重要支撐手段之一[12]。2009年和2013年，澳大利亞發生山林火災，中國調動多顆高分辨率衛星監測火情，利用高分一號、資源三號、資源一號02C、實踐九號等高分辨率衛星，向澳方連續提供火場地區大量高清晰度的衛星圖像數據和分析材料，實現重災區目標的詳查，對火災進行持續動態跟蹤監測，為澳大利亞滅火救災提供重要的寶貴支持。

5．環境災害

環境污染事故具有突發性、嚴重性、持續性、累積性等特點，因此對環境污染應急監測必須是一種從靜態到動態、從地區性到區域性乃至更大范圍的全方位、多層次的監測[13]。高分辨率衛星遙感數據蘊含準確、精細的自然環境與生態背景的地理空間信息，能觀察到地表的細節特征，可有效用于指導環境應急監測點位布設、人員疏散，防止污染物對河流、水源、大氣、土壤的生態破壞等工作，及時判斷污染事故的影響范圍、程度，為科學制定監測方案和疏散措施提供支持[14]。2005年12月，江蘇省江都市化工廠發生嚴重的丙烯腈泄漏事故，相關部門利用高分辨率遙感影像對現場進行圖像分析，確定了事故詳細的地理位置，并合理布設了監測點位，為搶險指揮提供了數據支持和決策依據。

三、結論

高分辨率衛星的快速發展，提供了一種在應急監測領域獲取實時信息的可靠手段，高分辨率衛星數據無論在空間分辨率還是時間分辨率上都能夠滿足應急監測需求，并憑借空間分辨率高、覆蓋能力強、時間分辨率高等優勢，廣泛應用于臺風、地質、洪澇、林火和環境等典型災害應急監測中，已成為災害應急監測、救援和損失評估等工作中不可或缺的技術和信息支持手段。但在積累成功經驗的同時，也應該看到我國高分辨率衛星數據在應急監測應用中還不夠完善和成熟，未來我國高分辨率衛星數據在應急監測領域的應用將向以下幾個方向發展：

1）加快高分辨率衛星體系的建設。我國在高分對地觀測系統建設方面起步較晚，目前擁有的高分辨率衛星數量較少，未來應從空間分辨率、圖像質量、衛星能力上全面加強高分衛星體系建設，使越來越多的高分辨率衛星能夠服務于應急監測領域。

2）增強高分辨率遙感數據獲取能力，促進信息共享。構建應急監測衛星星座系統，建立穩定可靠的遙感數據來源，以提升自身數據獲取能力；加強應急監測信息網絡的建設，推動國際、國內的高分辨率遙感數據共享合作，使更豐富的高分辨率衛星資源能夠應用于應急監測領域。

3）提高高分辨率遙感數據處理的時效性。應急監測領域短時間內待處理數據數量的激增對數據處理的時效性提出了極高的要求，研究快速、高效、自動化的數據處理方法和技術，在保證信息質量的同時大幅提高數據處理的效率，也是高分辨率遙感衛星應用于應急監測領域的一個重要發展趨勢。

參考文獻

[1]劉志明,晏明. 關于建立吉林省重大氣象災害遙感監測評估系統的總體構想[J]. 災害學,1998(01):62-66.

[2]黃宇民,范一大,馬駿, 等. 中國遙感衛星系統災害監測能力研究[J]. 航天器工程,2014(06):7-12.

[3]張廷斌,唐菊興,劉登忠. 衛星遙感圖像空間分辨率適用性分析[J]. 地球科學與環境學報,2006(01):79-82.

[4]王偉娜,葛瑩,李心玉,等. 淺談遙感應用領域對衛星影像的要求[J]. 測繪與空間地理信息,2008(03):118-119.

[5]孫彥花. 基于高分辨率遙感數據的礦區房屋信息提取方法研究[D].山東科技大學,2011.

[6]石少華,李愛平,沙偉. 影響長江口區熱帶氣旋的特征分析[J]. 海洋通報,2005(01):18-22.

[7]張文靜,朱首賢,黃韋艮. 衛星遙感資料在湛江港風暴潮漫灘計算中的應用[J]. 解放軍理工大學學報(自然科學版),2009(05):501-506.

[8]吳金塔,莊先. 福建省防臺風風情實時監測預警系統[J]. 水利水電技術,2003(07):64-66.

[9]DongJianguo. The Application of Aerial Photography Technology in the Monitoring and Estimating for Earthquake Disaster[J]. Areal Research and Development,2008(27):117-119.

[10]王麗濤,王世新,周藝,等.青海玉樹地震災情遙感應急監測分析[J]. 遙感學報,2010(05):1053-1066.

[11]徐鵬杰,鄧磊. 遙感技術在減災救災中的應用[J].遙感技術與應用,2011(04):512-519.

[12]吳雪瓊,覃先林,李程,等. 我國林火監測體系現狀分析[J]. 內蒙古林業調查設計,2010(03):69-72.

[13]李國剛.環境化學污染事故應急監測技術與裝備[M].北京:化學工業出版社,2005.

[14]黃小雪,羅麟,程香菊. 遙感技術在災害監測中的應用[J]. 計算機應用,2004(23):102-106.