衛星遙感在我國重大地震災害應急監測中的應用

李素菊 劉明

李素菊，應急管理部國家減災中心研究員，空間與重大災害國際憲章項目經理，衛星應急制圖國際工作組成員，曾任聯合國災害管理與應急反應天基信息平臺北京辦公室高級專家和世界糧食計劃署項目官員。2003年獲北京大學城市與環境學院理學博士學位，現主要從事防災減災衛星論證、應用、科研與國際合作工作。先后主持民用高分專項、國家重點研發計劃、自然科學基金等項目或課題5項，目前正在負責國家重點研發計劃項目“星機地協同的大地震災后災情快速調查關鍵技術研究”課題研究。作為技術骨干參與民用空間基礎設施10 多顆衛星的論證與在軌測試工作。發表論文30 余篇，參與編寫出版專著4 部。

我國是世界上地震活動最強烈和地震災害最為嚴重的國家之一，重大地震災害往往造成大量人員傷亡、巨大財產損失和深遠社會影響。近十年來，國家啟動三級或以上救災應急響應的重大地震災害有6次，具體包括2008年四川汶川地震、2010年青海玉樹地震、2013年四川蘆山地震、2014年云南魯甸地震、2015年尼泊爾地震波及西藏災區和2017年四川九寨溝地震。地震之后及時準確掌握人口、房屋、基礎設施等受災信息和滑坡、堰塞湖等次生災害發生情況是開展應急救援、救助和綜合評估的基礎和依據。重大地震災害具有影響面廣、破壞力強、災情復雜等特點，道路中斷情況時有發生，單靠地面人員調查往往難以在短時間內全面獲取災情信息。

衛星遙感具有對地震災區進行大范圍、多尺度、動態綜合觀測且不受地面條件限制等優勢，已經成為國內外重大地震災害應急監測的重要支撐技術手段之一。利用不同時相的衛星影像可對震前和震后幾小時到幾天甚至幾周內的情況進行動態監測，衛星影像的空間分辨率和波段設置不同對災區范圍和要素的識別監測能力也不同。通過多種衛星的協同觀測和綜合應用可實現對重大地震災區主要損毀要素、次生災害和安置帳篷等時空分布信息的動態監測，進一步將遙感監測與地面調查手段相結合，可對地震災害的態勢和損失進行全面分析和綜合評估。

自2008年國家減災中心在四川汶川地震中第一次大規模使用衛星遙感技術開展地震監測評估以來，隨著我國衛星遙感技術的迅速發展，衛星數據資源不斷豐富，地震應急監測技術和產品體系不斷發展完善，目前已經初步形成從衛星數據獲取、監測分析到產品服務的衛星遙感地震應急動態監測業務體系。本文在對重大地震災害遙感監測業務流程、衛星資源、監測過程和產品服務進行介紹的基礎上，結合實際應用案例進行了說明，進一步提出后續工作建議，可為新時期地震應急監測工作提供參考與借鑒。

圖 1 地震應急監測基本流程

監測基本流程

根據應急監測流程，地震應急監測可分為數據獲取、處理分析、制圖生產和產品服務四個方面（圖1）。數據是監測的基礎，衛星數據獲取是指從用戶提出數據申請到獲得衛星影像數據的過程，獲取災后第一幅有效衛星影像數據的時間是衛星觀測能力的重要體現，也是決定應急制圖效率的重要因素。該過程涉及用戶提出申請、衛星方制訂任務規劃并將任務轉化為指令上注到衛星、衛星根據指令進行遙感觀測并生成觀測數據、衛星數據通過地面接收站傳輸到地面、經預處理生成初級圖像數據傳給用戶使用等多個環節，也是衛星應急監測流程中最為關鍵、復雜和耗費時間最長的階段，其中耗費時間的長短則主要取決于可用衛星數量和衛星的觀測周期。處理分析首先是對衛星影像進行幾何校正、圖像質量提升等基本處理，進而針對地震災害中關注的目標信息對影像的紋理、光譜、幾何形態等多種特征進行分析基礎上，識別提取需要的相關信息，進一步通過與地震相關地面信息和基礎地理數據進行融合，并通過空間分析生成監測信息的過程。制圖生產是根據一定的標準規范將處理分析產生的信息以制圖的方式表達的過程。最后是將制作的制圖產品通過多種方式和形式分發給地震應急決策者為其服務的過程。

主要衛星資源

可用的衛星資源越多，監測的時效性就越高。目前國家減災中心已經針對常態和應急兩種模式建立了響應的衛星獲取渠道和機制。常態條件下以定期獲得我國環境減災衛星、高分系列衛星和國際開放衛星數據為主，在應急條件下，除常態監測衛星外，還通過國內應急監測機制和國際應急合作機制，獲取其他民用衛星、商業衛星和國際憲章衛星等資源（圖2）。

圖2 地震應急監測衛星獲取機制

目前我國民用衛星已經形成氣象衛星、海洋衛星、資源衛星、環境減災衛星和高分衛星系列，其中地震監測中使用的衛星資源以空間分辨率較高的資源、環境減災和高分衛星等地球觀測衛星為主，目前我國已經具有近20顆在軌運行的地球觀測衛星，初步形成以中高空間分辨率和雷達光學相結合的全天時全天候的綜合觀測能力。商業衛星普遍具有空間分辨率高和應急獲取能力強等特點，是地震應急監測評估的重要數據源，目前我國的商業衛星均是高分辨率光學衛星，已經具有以北京二號衛星、吉林一號衛星和高景衛星為代表的0.5～1米空間分辨率的系列衛星，目前國家減災中心已經與以上衛星運營商之間簽訂了合作協議，為大災應急期間及時獲取高分辨率衛星影像提供保障。

地震災害無國界，衛星遙感亦無國界。重大災害應急是國際衛星遙感合作應用最為活躍的領域，世界上目前已經形成多個專門針對重大災害應急監測的衛星國際合作機制，其中空間與重大災害國際憲章(CHARTER)是迄今為止運行最為成功的應急機制，可在重大災害時協同共享來自17個成員的40多顆在軌衛星數據，該機制自2000年正式運行以來已經為100多個國家的500多次重大災害提供應急監測服務。2007年中國加入該機制，國家減災中心作為授權用戶可在我國發生重大災害時啟動和使用該機制的衛星資源。目前該機制已經為我國包括汶川地震在內的7次重大地震災害提供衛星數據支持，汶川地震期間通過該機制共獲取來自國際20多顆衛星的數百幅衛星影像，成為汶川地震衛星應急監測的主要數據源。

動態應急監測

地震災害應急監測是一個動態過程（圖3），根據地震應急管理過程和衛星影像獲取情況可劃分為四個階段，第一階段是準備階段，主要是衛星數據和專題信息準備。常態條件下主要利用高分辨率光學衛星對地震多發易發區域開展定期監測，生產制作本底影像數據（圖4），并進一步識別提取居住區、建筑物和交通道路、學校、醫院等重要基礎和公共服務設施等專題信息，便于掌握和及時更新承災體信息，為地震應急監測做好數據準備。第二階段是快速評估階段，即對地震影響進行初步評估，目前能夠在1個小時內完成。在震后尚未獲取災區有效衛星遙感數據之前，基于災區背景影像和地震震中和烈度分布等信息，結合基礎地理數據、社會經濟數據和歷史數據，利用空間分析和經濟估算等方法對地震造成的影響進行初步評估，主要是對受影響的人口、行政駐地和經濟損失等因素進行估算，評估結果可作為是否啟動應急響應的參考。第三階段是應急監測階段，主要對毀損實物量、次生災害分布和臨時安置情況進行監測，一般持續數天到幾周的時間，監測結果可為地震損失綜合評估提供支持。利用災后遙感監測影像，通過與災前背景影像進行對比，針對不同目標和影像利用變化檢測的方法識別并提取地震造成倒塌建筑物、中斷的橋梁和道路、滑坡和堰塞湖等次生災害的分布及臨時安置點帳篷的分布等信息（圖5），相關分析結果可為地震救援、物資運輸和應急救助提供參考。大地震應急期間，災情復雜且動態變化，需動用多種不同類型衛星進行動態監測，對于重災區和重點關注區域或目標應加密觀測。如遇陰天下雨，則需要利用雷達衛星進行全天候的觀測。第四階段是損失評估階段，即對地震的整體損失情況進行全面評估，一般持續幾周到幾個月的時間，評估結果為災區恢復重建方案提供決策依據。此外，因為衛星遙感具有多年重復觀測的優勢，可定期監測地震恢復重建情況，特別是特大地震災害的恢復往往需要數年的時間，利用衛星遙感多年對地球重復觀測的優勢更為明顯（圖6）。

圖3 地震應急動態監測評估過程

圖4 2014年云南魯甸地震衛星數據覆蓋與基于背景影像提取信息產品

圖5 2017年8月9日四川九寨溝地震滑坡和道路受損動態監測產品

圖6 2015年汶川地震恢復重建監測產品

結語

目前全球處于衛星遙感技術快速發展時期，我國也正處于《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015—2025年）》組織實施階段，未來一段時期遙感衛星的數量和種類將大幅增長，必將極大促進地震等災害的應急監測能力提升，突出表現在災后有效衛星影像獲取時間將縮短，對地面信息的遙感識別種類和精細化程度將增強，干涉雷達等新型衛星技術的應用使得可以監測地面的微小沉降，必將促進對地震災害理解的加深和損失評估效率的提高。在衛星遙感地震應急監測應用方面，應著力于多星協同規劃、綜合定量評估、地震風險評估、社會影響評估和新型載荷地震應急應用潛力方面強化研究與實踐，爭取充分發揮衛星在地震應急監測中的應用，為最大程度滿足我國新時期應急管理工作的新要求新使命做出努力。