災害監測應急虛擬衛星星座及應用服務研究

劉三超 高懋芳

(1 交通運輸部規劃研究院，北京 100028) (2 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081)

我國是世界上自然災害最為嚴重的國家之一[1]，在全球氣候變化背景下，隨著經濟快速發展和人口資源環境壓力加劇，自然災害損失呈現日益加重趨勢。近年來，一些歷史罕見的重特大自然災害頻繁發生，1998年長江和嫩江松花江流域性大洪水、2008年汶川特大地震[2]、2010年青海玉樹地震[3]、2010年舟曲特大山洪泥石流災害、2013年四川蘆山地震[4]、2014年云南魯甸地震均造成巨大人員傷亡和財產損失。當前，自然災害時空分布規律更復雜，災害風險防范、災害監測和災情評估迫切需要新技術、新手段、新方法支撐[5]。

衛星遙感以其全球性、全天時、全天候、高動態、連續性的數據獲取、傳輸與服務能力，已成為自然災害監測評估業務體系不可或缺的手段[6-7]。國際上，來自歐洲、亞洲、非洲的不同國家的8個組織，協調運行災害監測星座(DMC)[8]，該星座是國際合作的虛擬衛星星座，目前由光學小衛星組成，由于不同災害監測需求差別巨大，特別是地震、洪澇、滑坡泥石流等破壞性災害往往伴隨著云霧雨雪天氣，DMC光學衛星數據的分辨率、時效性往往很難滿足災害實時監測與應急需要。20世紀90年代以來，中國開始論證環境與災害監測預報小衛星星座。目前，第一階段“2+1”星座已建成，有關部門建設了環境減災小衛星星座運行管理與應用系統[1]，在國內外重大災害事件應對中發揮了很好的作用[5]。汶川地震發生后，國家國防科技工業局和國家減災委員會等提出建設自然災害空間信息基礎設施[9]，此后，國家發展改革委員會、國家國防科技工業局聯合中國航天科技集團有限公司和有關部委進一步開展國家民用空間基礎設施論證。2015年，我國正式發布《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃(2015年-2025年)》(以下簡稱“規劃”)[10]，為我國衛星遙感發展提供了重大機遇。

本文分析了我國當前衛星系統建設存在的問題，根據災害系統特點和災害遙感指標需求構建了災害監測應急虛擬衛星星座，提出了衛星應用服務功能及模式，可為相關領域的衛星及應用服務提供參考。

1 問題與需求

衛星系統是一項綜合、復雜的系統工程，由于項目批復過程、建設進度等原因，我國衛星應用系統建設往往比較滯后，在一定程度上限制了衛星整體效益發揮。當前，我國防災減災、自然資源、環境保護、交通運輸、農業水利等與經濟社會發展密切相關的行業部門，都對衛星遙感提出了更加急迫、更為深入的需求，作為空間基礎設施應用的主要領域，相關應用系統建設迫切需要提前部署建設。同時，隨著我國進一步深化黨和國家機構改革，行業管理涉及部門更多、領域更廣，其應用系統的綜合性、協同性離實際業務還有很大差距，迫切需要利用云計算、大數據、人工智能等現代信息技術，提高應用系統設計的科學性、實用性，以更好滿足跨部門、跨層級、跨地域的衛星數據共享、業務協同和產品服務需要。

地球是由大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈等圈層組成的復雜開放巨系統，根據災害系統理論[11]，災害系統是由孕災環境、致災因子和承災體共同組成的異變系統，孕災環境-致災因子-承災體之間不斷循環、反饋及作用形成災害，災情是孕災環境穩定性、致災因子危險性、承災體脆弱性相互作用的結果和表現(見圖1)。

災害具有連續性、穩定性、鏈式效應特點，因此，災害管理是一項連續不斷的且相互關聯的活動和系統性工作。災害管理又具有周期性，可分為備災、救災、恢復重建、減災4個階段[11]。由于災害成因機理復雜，各階段工作側重點又有所區別，對衛星的功能需求也不相同，要完成災害管理各環節的工作任務，需要多觀測平臺和多類型傳感器對災害系統進行全方位、全天時、全天候、多要素、高密度的立體監測(見圖2)。

圖1 災害系統各要素之間的關系Fig.1 Relationship among the every factors of disaster system

圖2 災害管理四階段監測要素需求Fig.2 Monitoring factors needs of disaster management four steps

不同災害要素對遙感數據的空間分辨率、時間分辨率、光譜分辨率和輻射分辨率需求不同。一般而言，災害觀測要素主要有人口、房屋、基礎設施/生命線、農作物等，各種災害觀測要素對衛星監測的技術指標需求差異很大(見圖3)。房屋需要較高空間分辨率數據，正常房屋監測遙感數據空間分辨率一般要優于10 m，而災害發生后房屋倒損評估的遙感數據需要達到亞米級甚至厘米級分辨率。基礎設施/生命線監測一般呈規則分布，遙感數據空間分辨率一般需優于10 m。農作物分布范圍廣，對遙感數據覆蓋能力要求相對較高，百米量級分辨率數據一般可滿足大尺度農作物監測要求，而中小尺度農業遙感數據要優于30 m。人口一般通過提取居民地、道路、土地利用等要素間接獲取其空間分布信息，因此，人口評估的遙感數據一般要優于20 m。

圖3 災害要素對衛星監測指標需求Fig.3 Index needs of disaster monitoring factors

不同災害類型、災害不同階段對衛星平臺載荷的需求也不同。我國主要自然災害有臺風、洪澇、干旱、地震、滑坡/泥石流、森林/草原火災、雪災等，對遙感數據需求體現在應急觀測能力、高分辨率觀測能力和綜合觀測能力三方面：應急觀測能力方面，時間分辨率即所需要的重訪時間從數小時到數月不等，在應急和救災階段大多數災害監測指標需要多次重復觀測，如洪澇、地震、滑坡、泥石流等，要滿足災害快速響應、動態持續監測需要；高分辨率觀測能力方面，除了少數災種大范圍監測需要中低分辨率的信息外，大多數災害監測預警都需要中高空間分辨率遙感數據，特別是災害損失房屋倒損等實物量評估，空間分辨率需要優于1 m甚至更高空間分辨率的遙感數據才能進行精細評估；綜合觀測能力方面，光學遙感數據需要覆蓋可見光、短波紅外至熱紅外，要求多個譜段并具有較窄的帶寬，同時需要有高信噪比的全色波段；此外，為滿足云、霧、雨、雪天氣下災害全天時、全天候觀測需要，需要大量利用不同頻段、主被動結合的微波遙感數據。文獻[9]對主要自然災害的衛星數據性能需求進行了分析，主要指標見表1。

表1 主要自然災害對遙感衛星指標需求

2 衛星星座構想

2.1 衛星組成

當前，我國空間基礎設施已經進入到從實驗驗證到業務應用發展轉變的關鍵階段，并成為國家重要戰略資源和重大基礎設施。“規劃”按照“服務應用、統籌發展，創新驅動、自主發展，天地協調、同步發展，政府引導、開放發展”的原則，構建了由七個星座及三類專題衛星組成的遙感衛星系統[10]，提出“對以國家投資為主的遙感衛星，由國家發展改革委員會、國家國防科技工業局會同有關部門研究建立以主用戶為代表的用戶管理委員會負責制”。

自然災害涉及自然系統和社會系統各方面，是對地觀測技術綜合性和先進性的集中體現，單靠一類或少數幾顆衛星很難滿足防災減災對分辨率、時效性和精度等的需求。《2011年中國的航天》、《國家綜合防災減災規劃(2011—2015)》先后提出建設和完善環境與災害監測小衛星星座[5]，國家自然災害空間信息基礎設施專項考慮各類災害，建設災害監測衛星系統[9]。防災減災作為國家民用空間基礎設施的重大應用領域，按照一星多用、多星組網、多網協同的發展思路，根據國家綜合防災減災業務需求和技術特征，結合交通運輸、資源環境、農業水利、氣象海洋等領域和公眾服務等需求，提出建設災害監測應急虛擬衛星星座構想(見圖4)。

星座由主體業務衛星和其它衛星資源組成。主體業務衛星屬于國家民用空間基礎設施規劃的陸地觀測衛星系列，由“4+4+6”衛星組成：4顆災害光學衛星由2顆寬幅光學衛星、1顆高光譜衛星和1顆紅外多光譜衛星組成；4顆災害雷達衛星由2顆S頻段SAR衛星、2顆L頻段SAR衛星組成；6顆災害綜合觀測衛星由1顆敏捷光學衛星、1顆X頻段敏捷SAR衛星、1顆高軌光學衛星、1顆高軌SAR衛星、1顆大氣污染衛星和1顆水資源衛星組成。在綜合防災減災業務基礎上，結合交通、農業、水利、國土、環保、測繪、氣象、海洋等行業業務，以及公眾服務、產業發展等需求，通過數據資源共享，實現與氣象衛星、海洋衛星和其它陸地衛星等綜合利用，形成“4+4+6+X”災害應急監測虛擬衛星星座。

2.2 系統能力

“4+4+6+X”災害監測應急虛擬衛星星座采用用戶管理委員會機制，最終實現國家民用空間基礎設施規劃的衛星資源管理、調度和共享。整個系統具有以下4方面的能力。

1)高低軌與敏捷組網，實現多星統籌協同應用

低軌衛星可獲取較高空間分辨率、全球覆蓋遙感數據，高軌衛星可獲取高時間分辨率、區域凝視遙感數據，結合通過敏捷衛星靈活機動、變化(工作模式、觀測方向等)成像，實現甚高空間分辨率、高時效兼顧。災害監測衛星星座通過不同軌道、不同平臺衛星組網，可大大提高星座應急響應和協同應用能力。

2)光學與雷達衛星協同，實現全天時全天候應用

多光譜衛星可大范圍、高重訪獲取災害系統遙感數據，高光譜衛星獲取災害環境、目標的精細光譜數據，S/L頻段SAR衛星組合，可顯著提高多云、多雨、多霧地區全天時、全天候數據獲取能力。同時，每顆衛星還對大氣、海洋、陸地要素進行觀測，同一平臺搭載多種有效載荷，進一步提升星座中“一星多用”的功能。

3)高、中、低分辨率互補，實現系統化全方位應用

自然災害系統成因復雜、過程多變、要素多樣，在衛星和載荷成像能力一定的條件下，衛星數據空間分辨率、時間分辨率、光譜分辨率和輻射分辨率指標參數間往往不能兼顧。災害監測衛星星座綜合考慮了災害目標多層次觀測需求，實現了高中低分辨率數據優勢互補，提升了星座系統化全方位觀測和多星共用能力。

4)不同衛星系列融合，實現跨領域綜合化應用

綜合國家民用空間基礎設施所有衛星資源，通過氣象、海洋和陸地跨系列衛星的融合應用，組成災害監測應急觀測虛擬衛星星座，既能提高自然災害監測評估業務應用水平，又能滿足交通、農業、水利、國土、環保、測繪、氣象、海洋等行業領域綜合應用需求。

3 應用服務模式

應用服務是國家民用空間基礎設施建設的出發點和落腳點，是發揮空間基礎設施效益的關鍵。應用服務作為衛星系統的重要組成部分，按照“規劃”提出的適度超前部署應用系統要求，圍繞國家自然災害管理各階段的任務，開展綜合防災減災應用服務系統建設，充分發揮空間信息基礎設施的災害監測、預報、預警和應急能力，為國家自然災害管理能力建設提供堅實的應用服務支撐。

3.1 應用功能組成

“規劃”將防災減災與應急反應綜合應用列為重大工程。在“規劃”框架下，防災減災綜合應用服務系統主要面向綜合防災減災實際業務，基于云服務理念建設，包括基礎平臺、業務平臺和擴展平臺三部分(見圖5)。

圖5 防災減災應用功能組成Fig.5 Functional component of disaster prevention and disaster reduction application

(1)基礎平臺重點解決衛星運行管理、業務應用流程任務管理、云存儲與云計算、數據智能管理、災害現場信息采集等功能，包括運行管理系統、云服務系統、分布式數據管理系統、移動信息采集系統等，可實現衛星資源、業務應用與災害現場綜合協調管理。

(2)業務平臺是防災減災綜合應用系統業務核心，重點解決多源衛星數據處理、災害監測預警評估、產品制作與質量驗證等功能需求，包括數據處理系統、災害監測系統、災害預警系統、災情評估系統、災害恢復重建監測評估系統、數據質量分析與真實性驗證系統、產品制作系統等，可形成天地一體化自然災害立體數據獲取、處理、分析與應用能力。

(3)擴展平臺包括區域中心、備災中心，負責將衛星資源、應用服務鏈條向區域、地方和基層延伸，進一步提升國家-地方-現場多級協同的衛星減災應用能力。

3.2 系統服務模式

近年來，隨著應用領域需求日益廣泛和應用規模不斷擴大，以衛星遙感為主的空間信息服務范圍越來越大、服務模式更加契合業務需求。因此，災害監測應急虛擬衛星系統的應用服務應該是開放的、共享的，包括支撐層、業務層、服務層、用戶層(見圖6)。

支撐層包括以空間基礎設施為主體，主要提供衛星遙感數據，同時還涉及不同部門站網數據、災害現場數據、統計核查數據和社會經濟數據，此外，相關法規政策、標準規范、知識產權也是必不可少的軟環境支撐。

業務層主要源于圖5的防災減災應用系統，通過利用數據處理、信息提取、智能分析等技術，進一步集成轉化空間數據處理和應用成果，實現衛星遙感在災害管理不同階段的業務應用。

服務層包括信息發布與產品服務、研判會商與指揮調度兩部分，通過利用云計算、大數據、智能決策等技術，實現綜合防災減災相關的數據和產品的發布共享、不同部門的業務協同與會商調度。

用戶層主要利用互聯網、國家電子政務外網、國家電子政務內網等，為國家減災委員會成員單位、地方災害管理部門、企業和公眾個人提供多樣化、定制化的信息資源的訪問、搜索和管理等服務。

圖6 防災減災信息服務模式Fig.6 Service pattern of disaster prevention and disaster reduction

不同用戶的服務模式如下：

(1)國家減災委員會成員單位。基于國家電子政務內外網，實現國家減災委員會成員單位間衛星遙感等空間數據、站網數據、災害現場等數據共享，為成員單位專題應用產品提供上傳、定制和服務渠道。

(2)地方政府。基于國家電子政務外網，為地方災害管理部門提供空間數據、減災應用專題產品和技術支持服務，利用災害信息采集與發布終端，提升基層災害信息員災情信息報送能力，同時按需求定向推送專題產品。

(3)企業。企業是衛星數據和專題產品服務對象，同時是遙感標準數據、增值產品的重要提供者。基于互聯網，利用市場機制，通過政府購買服務方式，提升數據生產、加工和增值服務的水平。

(4)高校、科研院所。基于互聯網，系統向高校、科研院所提供科學研究的數據服務，同時，高校、科研院所可重點開展國產遙感衛星理論和模型開發，解決災害遙感的理論研究和技術突破等問題。

(5)公眾個人。公眾是信息消費的主體，可按需定制數據和專題產品，同時也可作為信息匯集、災情評估的重要資源。基于互聯網，建立“產-學-研-用”的商業化運行模式，推動災害監測衛星系統規模化應用，帶動衛星及其應用產業化發展。

4 結束語

衛星遙感是我國綜合防災減災能力建設的重要支撐，是災害立體監測體系的重要組成。本文剖析了我國衛星遙感存在問題，分析了災害遙感業務需求，在此基礎上，研究提出了采用用戶管理委員會模式，通過高低軌與敏捷組網、光學與雷達星協同、高中低分辨率互補、不同衛星系列融合，構建我國“4+4+6+X”的災害監測應急虛擬衛星星座構想，最后指出了應用系統功能組成，并從支撐層、業務層、服務層和用戶層提出了相關服務模式。

在“規劃”實施過程中，可以充分發揮國家減災委員會的綜合協調作用，按照國家規劃總體框架和有關要求，及時開展衛星及應用服務系統的立項、建設，適度超前部署防災減災綜合應用系統，重點建設好防災減災與應急反應綜合應用重大工程。此外，要加強衛星遙感應用基礎研究，通過突破災害監測、預警、評估、救助處置關鍵技術，揭示巨災發生機理、規律，構建跨部門遙感數據、專題產品共享和協調聯動機制，提高各級政府特別是基層災害管理人員業務應用能力；要注重衛星遙感市場化、產業化發展，鼓勵企業、高校、科研院所、公眾個人參與衛星及應用，加快標準規范制定，推動數據信息資源共享、部門業務協同，通過規模化應用引領帶動技術進步、產業發展和服務推廣。

當前，中國特色社會主義建設進入到了新時代，行業管理也出現了綜合化、標準化的新要求，隨著衛星遙感技術及應用服務不斷深入，交通運輸、自然資源、環境保護、農業農村等遙感主要應用領域的業務出現了跨部門、跨層級協同的趨勢，衛星資源的統籌、協調、共享不斷加強，遙感應用服務的范圍、深度、廣度不斷提高，本文的研究可為上述管理部門高效利用衛星資源、加強遙感應用服務等提供一定研究借鑒。