航空遙感災害應急區域協同優化研究

陳 凱， 房成法， 李 儒

(中國科學院遙感與數字地球研究所航空遙感中心，北京 100094)

0 引言

在我國自然災害頻發，全國70%以上的城市和50%以上的人口都分布在氣象、地震、地質和海洋等自然災害嚴重的地區[1]。災害發生后最急迫的是災區救援，應用航空遙感技術可以大范圍、高精度、快速獲取災區地面影像，對災情評估、制定救災方案等工作提供重要依據，因此航空遙感技術歷來是災害應急監測的首選[2-4]。航空遙感應急是指當災害發生時，航空平臺攜帶遙感設備在最短的時間內抵達災區空域，快速獲取和處理災區地理影像數據的過程[5-6]。近年來，雖然無人機也得到了飛速發展，但由于其載荷較小、續航時間有限，還無法滿足重大災害應急監測的需要，本文重點針對有人駕駛的航空平臺進行研究。

20世紀60年代，美國已將航空遙感廣泛應用于災害監測方面，并逐漸建立了國家、州政府和企業3個層級的航空遙感應急體系； 隨后，歐洲也建立了以歐盟為主導和成員國參與的航空遙感體系，在災害應急和地質調查方面共享協作； 作為發展中國家，巴西也很重視航空遙感在環境和災害方面的應用，建立了著名的“保衛亞馬遜”計劃[7-8]。我國航空遙感事業起步于20世紀50年代，在國土測繪、資源調查和災害應急監測等方面應用廣泛。2008年汶川地震，曾先后有多個部門10余架遙感飛機參與災情遙感監測[9]； 2010年青海玉樹7.1級地震，某部門遙感飛機當日下午便飛達震區，成功獲取0.33 m高空間分辨率圖像6 T數據量[10]； 目前，國家級工程“航空遙感系統”正在建設之中。

但是，當前我國航空遙感在災害應急組織方面仍存在2方面的突出問題： ①效率低，涉及飛機載荷耦合和空域審批等諸多環節，導致應急反應時間滯后，有時救援工作已經展開，卻沒有災區實時航空遙感影像為救災提供支持； ②組織混亂，在救災期間，災區空域聚集大量的遙感飛機(包括不滿足遙感應急需求的飛行平臺)，使有限的空域異常繁忙，既浪費資源，又容易造成航空安全事故[11-14]。如何保障在組織有序的應急模式下，充分利用有限的航空遙感資源，減少應急反應時間，提高應急效率才是科學的航空遙感應急組織機制。

1 航空遙感區域協同應急模式

1.1 定義

結合我國航空遙感發展現狀，本文提出航空遙感區域協同應急組織模式。該模式是空域管理部門通過對災害所在區域及鄰近區域正在實施航空遙感作業的飛機或者航空遙感資源進行擇優，選擇最為適合的遙感飛機承擔應急監測飛行任務。

該模式的優勢為： ①空域管理部門作為航空遙感應急飛行的組織者，不僅可以減少審批環節，還能夠協調諸多飛行保障單元； ②應急響應時間短，在災區及附近空域的遙感飛機可用最短時間到達災區； ③航空平臺、遙感設備、機組與技術人員相當于待命狀態，不存在機載調試和耦合等問題。

1.2 可行性分析

區域協同應急模式的可行性從3個方面分析：

1)資源條件。近年來，開展航空遙感飛行的機構(測繪部門、公司和科研院所等)數量增長迅速并且遍及全國； 并且據不完全統計，全國各省市幾乎每年都有不同種類的遙感測繪需求，也就是說在任意時段某地或與其相鄰地區的空域都可能有航空遙感作業在開展。

2)組織條件。2018年國務院成立國家應急管理部，從國家層面整合優化全國應急力量和資源。應急管理部負責組織災害救助體系建設，指導安全生產類、自然災害類應急救援，承擔國家應對特別重大災害指揮部工作； 我國空域由空域管理部門負責統一指揮管理，各區域空域管理部門完全掌握轄區內遙感飛機的飛行與分布情況。因此，在區域協同應急模式中，國家應急管理部作為頂層組織者負責組織災害應急隊伍； 空域管理部門負責組織航空遙感應急監測飛行。兩者的權責分工是區域協同應急模式能夠開展實施的關鍵。

3)參與條件。自汶川地震發生之后，考慮對國家災害救援工作的支持，增加行業的影響度，近年全國各類別航空遙感機構主動參與災害應急工作，參與者的數量之多與積極性都達到空前水平。但是各機構的特長、能力、經驗各不相同，一旦有應急災情時，具備參與救災的調度條件及優化可能性也有差別。所以參與條件是救災指揮部門有效、快速組織精干救災隊伍需要嚴格把控的重要依據。

1.3 實施流程

區域協同應急模式的組織框架擁有3個層級： 第1層級為應急啟動者，即國家應急管理部，負責統籌應急指揮的全面工作，既可調動多方資源，又負責統一發布信息； 第2層級為遙感應急組織者，即空域及應急隊伍管理部門，負責協調、優化配置災區附近航空遙感應急資源，組織遙感數據處理和遙感影像成果上報工作； 第3層級為遙感應急實施者，泛指遙感飛機，負責執行航空遙感應急飛行任務。航空遙感區域協同應急實施流程如圖1所示。

圖1 區域協同模式組織實施流程Fig.1 Flowchart of regional collaboration mode implementation

具體步驟如下：

1)重大災害發生時，國家應急管理部迅速啟動航空遙感應急監測工作，發送任務指令。該部門在災害發生時應賦有空域統籌指揮的權利或可直接對接最高級別空域管理部門，并組建應急管理隊伍。

2)災區所在區域空域管理部門和應急隊伍接到上級應急指令，迅速開展航空遙感應急組織工作，前者通過擇優選擇本區域最適合的遙感飛機執行應急飛行任務，如果本轄區空域內沒有符合條件的飛機，立即通知災區相鄰區域空域管理部門，判斷是否有符合應急需求的遙感飛機。為保證應急飛行順利開展，應選取1～2架遙感飛機為應急備選飛機； 后者負責組織監測數據處理、傳輸以及應急機場等地面工作。

3)被選中的遙感飛機機組根據災情信息充分考慮災區空域和氣候條件等因素制定涵蓋最大災區范圍的飛行計劃，并立即執行應急任務。

4)技術團隊根據預案快速處理應急遙感數據，將經科學判斷分析的災區影像成果及時上報國家應急管理部。

2 區域協同應急擇優模型

對遙感飛機的擇優過程決定了區域協同應急模式的實施效率，建立擇優模型時應充分考慮影響航空遙感應急效率的諸多重要因素，如應急響應時間、飛機性能、作業面積、遙感設備和數據處理能力等方面，采用層次分析法建立區域協同應急擇優模型。該模型的層次結構為單目標3層次模型[15-17]，即目標層、準則層和方案層，目標層A為最適合航空遙感應急飛行的飛機，準則層C是根據航空遙感應急飛行要求設置的指標，方案層P為所選空域內符合要求的遙感飛機，層次模型如圖2所示。

圖2 應急擇優層次模型Fig.2 Emergency optional optimization hierarchical model

本文準則層選用的5項指標如下：

1)應急響應時間(C1)。指遙感飛機從所在地飛達災區空域的時間，耗時越短越好。統計規則為飛行前準備時間和飛達災區時間2部分之和，該時間由機組預估并向空域管理部門如實報告。

2)飛機性能(C2)。飛行平臺性能的優劣主要比較飛機發動機推重比(決定高度、速度和滯空時間)。災情發生后往往伴隨惡劣天氣，飛機性能是在惡劣天氣下飛行的重要能力指標，應盡量優先選擇飛機性能好(即發動機推重比大)的遙感平臺。

3)作業面積(C3)。指遙感飛機在災區空域遙感飛行的總面積。作業面積越大，獲取災區的信息量就越大。該指標統計規則為單位時間作業面積與飛行作業時間2部分的乘積。

4)遙感成像設備(C4)。遙感設備種類較多，有光譜儀、航空數碼相機、合成孔徑雷達和激光掃描儀等遙感系統。為便于量化，從空間分辨率及成果應用角度對遙感成像設備進行對比排序，由高到低依次為航空數碼相機、合成孔徑雷達、激光掃描儀和光譜儀。

5)數據處理能力(C5)。該指標的量化較為復雜，取決于遙感測繪機構的性質與規模。這里主要參考測繪等級資質，資質越高說明該機構的專業技術能力越強。測繪等級分為甲、乙、丙、丁4個等級，且逐級遞減。

3 案例及分析

我國西部是地質災害高發地區，2008年5月12日汶川地區發生了8.0級地震，5月14日下午(震后2日)經過審批的2架遙感飛機最先抵達災區并展開遙感監測，隨后共有11架飛機抵達災區，與16日(震后4日)將災區遙感影像上報指揮部門。

假設此地再次發生8.0級地震，應用航空遙感區域協同應急監測機制，該地空域管理部門接到國家應急管理部命令立即啟動遙感應急飛行組織工作，對該時期在轄區空域作業的遙感飛機進行統計，通過確認與更新轄區遙感飛機的應急能力信息，確定有P1，P2和P3這3家單位的遙感飛機符合要求，具體遙感應急能力信息如表1所示。

表1 航空遙感應急能力信息Tab.1 Airborne RS emergency ability information

將3家單位的遙感應急能力信息輸入到擇優模型中，選擇最為適合應急飛行的遙感飛機。擇優計算過程如下：

1)建立A-C，C1-P，C2-P，C3-P，C4-P和C5-P的判斷矩陣，即

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2)計算JA-C層次單排序的權向量和一致性檢驗。其中，JA-C的最大特征值λmax為5.073。該特征值對應的歸一化特征向量為ω={0.263,0.475,0.055，0.099,0.110}，則

(7)

RI=1.12,

(8)

(9)

式中：CI為一致性指標；n為矩陣階數，RI為平均隨機一致性指標；CR為一致性比率。當CR<0.1時，表明矩陣JA-C通過一致性驗證。

同理，分別計算JC1-P，JC2-P，JC3-P，JC4-P和JC5-P層次總排序的權向量(ω1，ω2，ω3)并進行一致性檢驗，結果如表2所示。通過計算各判斷矩陣，CR均小于0.1，可知JC1-P，JC2-P，JC3-P，JC4-P和JC5-P都通過一致性檢驗。

表2 JCk-P(k=1，…，5)權向量、λmax和一致性驗證結果Tab.2 Results ofω，λmaxand consistency validation ofJCk-P(k=1，…，5)

3)計算層次總排序權值和一致性檢驗。

P1對總目標的權值為

0.595×0.263+0.082×0.475+0.429×0.055+0.633×0.099+0.166×0.110=0.3。

(10)

同理得，P2和P3對總目標的權值分別為0.246和0.456。即決策層對總目標的權向量為{0.300，0.246，0.456}。

計算決策層的CR為

CR=(0.263×0.003+0.475×0.001+0.055×0+0.099×0.005+0.110×0)/0.58=0.015 。

(11)

由于CR<0.1，故層次總排序通過一致性檢驗。

綜上，{0.300，0.246，0.456}可作為最后的決策依據，即方案層遙感飛機的權重排序為P3>P1>P2。根據擇優結果P3空中國王飛機為本次最適合遙感應急飛行的飛機，經計算該飛機將在2 h內(主要是航線飛行時間)飛達災區空域展開應急監測任務，并預計在48 h內(震后2日)將第一批次遙感影像成果報送救災指揮中心。另外，為保證此次應急任務順利完成，P1運12遙感飛機作為備選應急飛機。

仿真結果與2008年8.0級地震航空遙感應急結果對比，震區影像報送時間預計能提前48 h報送災區指揮部門，其意義不言而喻。同時也驗證了區域協同應急模式及其擇優模型在航空遙感應急響應方面的組織有序性和實施高效性。

4 結論

航空遙感應急區域協同模式從我國實際情況出發，從組織模式上改變了現有應急組織機制，滿足了航空遙感應急在時間效率方面的要求，其擇優模型使得航空遙感資源得到了更加合理的優化利用，使航空遙感應急過程實施更加科學、高效、有序。

區域協同應急模式是構建我國航空遙感應急體系的一個新思路，具有較強的可操作性和實用性。由于資料有限，算例采用模擬數據僅展示了擇優過程，無法驗證擇優模型指標的量化是否準確與全面，該問題將是下一步研究的重點。