雷達衛星防災減災應用現狀與展望

邵蕓

邵蕓，中國科學院遙感與數字地球研究所雷達遙感應用技術研究室主任，研究員，遙感衛星應用國家工程實驗室總工程師。曾任中科院遙感信息科學重點實驗室常務副主任、中科院遙感所遙感科學國家重點實驗室副主任、中國科學院暨香港中文大學地球信息科學聯合實驗室主任等職。2001年獲中國科學院遙感應用研究所雷達遙感研究方向博士學位，長期從事雷達遙感與災害應急監測工作。主持國家重點研發計劃首期項目“天空地協同遙感監測精準應急服務體系構建與示范”等。撰寫專著7部，發表研究論文160余篇，其中SCI論文36篇。獲國家科技進步二、三等獎，中科院自然科學一等獎，中科院科技進步一、二等獎等多項，榮獲“98”全國科技界抗洪救災先進個人、科技奧運先進個人、國家機關優秀共產黨員、中國科學院“十大女杰”（2012）等榮譽稱號，十八大、十九大黨代表。

引言

近年來，全球極端天氣事件增多、自然災害頻發，嚴重影響了人民生命財產安全和國民經濟發展，因此防災減災是全世界各個國家需積極應對的重大問題。我國是世界上自然災害最為嚴重的國家之一，災害種類多，分布地域廣，發生頻率高，給人民生命財產安全和國民經濟發展造成了嚴重損失。空間對地觀測技術在防災減災方面具有巨大潛力，雷達遙感具有全天時、全天候對地觀測優勢，是災害應急監測和防災減災的重要手段。1978年美國成功發射第一顆SAR衛星Seasat-A，開創了星載SAR遙感監測的先河，之后陸續發射了ERS-1/2，ENVISAT，Radarsat-1/2，COSMOSkyMed，TerraSAR-X，ALOS PALSAR，ALOS 2，Sentinel等雷達衛星，我們國家也在一系列重大項目的支持下發射了S波段HJ-1 C小衛星和高分三號雷達衛星。雷達衛星的幾何分辨率得到顯著提高，極化信息更為豐富。雷達回波對地物目標的介電和幾何特性敏感，不同地物目標、不同幾何狀態目標的雷達散射特征不同，因此利用高分辨率、極化雷達遙感技術可以檢測出受災區域和受災程度，而利用雷達干涉測量可以對地表形變場進行監測，因此可在一定程度上對災害進行防范和預警。我們充分利用雷達衛星的優勢，開展了地震及次生災害、地質隱患、海洋溢油、洪澇監測等工作，下面分別結合實例進行介紹。

地震及次生災害監測

地震是一種破壞性極強的自然災害，目前還缺乏有效的預測手段。嚴重破壞性地震的發生會造成大量房屋倒塌和人員傷亡，并且引發滑坡、堰塞湖等次生災害，若地震發生在近海還會引發海嘯，極大地影響人們的生命財產安全。地震發生時通常伴隨惡劣的天氣條件，而具有全天時、全天候觀測能力的高分辨率雷達遙感在損毀靶區快速圈定，建筑物損毀評估，滑坡、堰塞湖等次生災害的快速監測與評價中可以發揮不可替代的作用。近年來，我們利用多源多時相雷達遙感數據，對國內外重大地震災害進行了快速監測，對地震造成的房屋損毀情況、滑坡和堰塞湖的分布與規模等進行了快速定量評估，監測成果及報告呈送相關部門和救援隊伍，為搶險救災及災后重建工作提供了翔實、可靠的科學依據。

圖1 汶川震后COSMO-SkyMed與震前IKONOS對比圖

（一）損毀區域快速圈定

災害發生后受災靶區的快速圈定對于有針對性地開展救援具有重要意義，這一工作可以根據經驗信息利用目視解譯的方法對SAR圖像進行快速判讀，并對損毀程度進行大概評估。經過多年的積累，我們建立了典型地物微波特性知識庫（簡稱LAMP），對各類地物目標在不同狀態下的遙感圖像特征進行了規范化總結與歸納，為利用SAR圖像進行快速解譯從而初步評估災害的范圍和分布奠定了基礎。

一般情況下，可以利用變化檢測方法快速鎖定受災害影響的范圍，但由于SAR圖像特征復雜，受斑點噪聲影響嚴重，在易受影響的城鎮、山區等存在較復雜的幾何畸變等問題，我們將視覺認知方法與普通變化檢測方法相結合，提高受災影響范圍檢測的效率和準確度。首先對災害前后的圖像進行預處理，然后綜合利用差值和Pearson相關系數生成差異圖，再結合顯著性檢測快速鎖定發生變化的區域，提高目視解譯的速度和效果，為災害靶區的確定提供初步判估結果。

汶川地震發生后，中國科學院遙感與數字地球研究所（原遙感所）的團隊第一個向國家有關部門報送了都江堰地區的災情和房屋損毀情況，第一個發現北川的受災程度遠遠超過位于震中的汶川，共計提交雷達遙感地震災害、房屋倒塌、滑坡和堰塞湖監測報告24份，為抗震救災、受災人員救援、次生災害監測提供了有效決策支撐信息。

（二）建筑物損毀解譯

圖1是汶川地震發生后2008年5月13日的COSMOSkyMed與震前IKONOS的對比圖，可以發現紅色區域是房屋倒塌比較嚴重的區域。從雷達圖像特征上來看，城區完好的建筑物呈現比較規則的線狀排列，彼此之間的空間關系符合樓群特征，由于沒有倒塌，可以看到呈直線狀的清晰陰影。因為墻體或屋頂二面角反射效應而使得房屋一側的后向散射強度高而呈現強回波特征，強回波位置仍然符合房屋的排列關系。當房屋發生損毀，房屋排列不再規則，房屋紋理結構特征發生變化，二面角反射效應減弱，而粗糙程度加大，使得回波普遍增強，但是紋理結構特征消失，雷達圖像特征表現為一定區域內的高亮目標，看不出房屋排列關系和陰影。

（三）極化SAR建筑物損毀評估制圖

極化SAR數據可以測量地物目標的極化散射特性，反映地物目標更為精細的特征和信息。通過分析災害發生前后不同損毀程度建筑物極化散射特征的時域變化規律，發現Yamaguchi分解得到的二次散射分量、極化方位角，以及Touzi分解得到的分量可以有效反映建筑物的損毀程度，因此可以利用多時相極化SAR數據進行建筑物損毀評估制圖。

對于城市區域來講，災害發生前，建筑物區域由于建筑物密集，結構完好，所以二次散射分量占主導；但災害發生后，建筑物倒塌或消失，墻—地二面角結構被破壞，則二次散射分量占比會下降。而且分析表明，建筑物損毀程度越嚴重，災害發生后與災害發生前的二次散射分量占比的比值越低，即越多的二次散射結構消失了，因此，可以利用災害發生前后二次散射分量占比的變化來定量描述建筑物的損毀程度。

一般相鄰區域的建筑物分布方向基本上都是一致的，因此建筑物區域極化方位角會在平均值附近波動；但建筑物一旦發生損毀，建筑物的結構會被破壞，極化方位角的分布將變得雜亂，則極化方位角的波動范圍明顯增大。分析表明，損毀越嚴重的區域，極化方位角分布的變化就越明顯，因此可以利用災害前后極化方位角變化的標準差來描述建筑物損毀程度。

Touzi分解是一種非相干極化目標分解方法，Touzi分解得到的 αs1表示主導散射類型的大小，對于純凈的二面角散射機制，α ≈， 對于純凈的表面散射，α ≈0。地震發s1s1生前，建筑物區域的 αs1的值很大部分都在90°左右，但地震發生后，由于建筑物損毀，二面角結構減少，αs1的值明顯下降，損毀越嚴重，角度減小的幅度越大。因此，災害前后αs1的比值主要反映了建筑物損毀情況，可以作為建筑物損毀評估的有效指標。

圖2 新疆阿克陶地震解譯

（四）雷達干涉形變場監測

雷達干涉測量可以獲取地表形變信息，因此是地震災害監測和評估的有效手段。地震發生后，可以采用干涉測量技術進行地震同震形變測量與分析，對于評價地震破壞程度，推斷斷層性質，研究地震形變和地震孕育特征具有重要的參考價值。在多年工作的基礎上，建立了快速有效的自動化干涉測量處理系統，該系統對干涉測量處理過程中的圖像配準、噪聲濾波、相位解纏、大氣延遲消除及平地相位去除等問題進行了優化處理，為實現震后2小時內提供災情初步判定結果提供了重要保障；通過對干涉處理過程中獲取的同震干涉圖和形變場，并基于地質構造進行地震特性分析，通過形變等值線和跨斷層剖面線對形變場進行初步分析。

圖3 唐家山滑坡（2008-05-16 TerraSAR-X圖像）

開展了基于干涉SAR技術的地震受災范圍快速圈定與分級研究，基于干涉SAR技術，從地震烈度的定義及評定指標出發，確定了以SAR干涉形變方法為主，遙感震害提取和網絡爬蟲獲取烈度信息輔助、驗證的基本思路，開展了ShakeMap烈度劃分方法的研究，通過將干涉、形變數據與ShakeMap烈度劃分方法相結合，能夠進一步提高結果精度，更好地開展救災工作（圖2）。

（五）次生災害監測

地震的發生常常伴隨惡劣的天氣條件，因此容易引發滑坡、堰塞湖等次生災害。滑坡是斜坡上的巖體或土體在重力的作用下，沿一定的滑動面整體下滑的現象，大型滑坡通常發生在存在大量山體凌空面的河谷地帶，通常會造成植被的大面積破壞。由于SAR對地表粗糙度和介電特性的敏感性以及立體感強的特點，可以利用SAR圖像識別滑坡體后壁和前緣等特征。地震引發的山崩、滑坡堵截阻斷河道、蓄水而形成的湖泊，即堰塞湖，其一旦受沖刷、侵蝕、溶解等作用產生崩塌，便會形成洪災，淹沒居民地，導致新一輪的生命財產損失，因此堰塞湖的識別與監測是非常重要的。水體雷達回波較弱，在SAR圖像上較容易識別。滑坡、堰塞湖的動態監測是地震次生災害監測的重要內容，利用高分辨率雷達遙感數據可以成功識別地震災害引發的滑坡、堰塞湖等次生災害，確定其分布、規模，量算面積、長度等，在地震災害應急監測與評估中發揮不可替代的作用（圖3）。

地質隱患排查

我國西南地區地質災害嚴重，基層國土部門人力有限，對于日常巡查已經是疲于應付，新增的地質隱患點根本沒有機會發現。采用常規地表位移監測手段（斜坡傾斜儀和水準測量等）通過野外作業進行地災監測難度較大，難以及時發現局部位移，不能適應大范圍全面監測的需要。差分干涉測量方法能夠獲取大范圍的地表形變信息，因此可以用于地質隱患的排查。我們利用干涉測量技術，在西南地區開展了滑坡易發區地質隱患點排查工作。通過優化使用干涉處理關鍵算法，標準化定制數據收集處理流程，形成了自動化干涉測量系統（AISAR），將差分干涉測量數據處理效率提高了50%以上。目前，AISAR已應用于貴州北部地質隱患點的排查，為我國西南滑坡易發區地質隱患點排查監測提供了新的技術手段，使用該方法能夠發現未列入臺賬的地質災害隱患點，避免地方群眾在完全不知情的情況下遭受嚴重自然災害；同時對列入臺賬的地質災害隱患點能夠進行及時跟蹤監測，對加速發展的地質災害隱患點進行及時預警，大幅提高了對地形復雜地區地質隱患點排查的精度、效率和可靠性。

圖4黃圈是我們發現的一個新增的地災隱患點，中間的照片是老鄉家墻壁和地面開裂的情況，這個滑坡體的下緣距離婁山中學只有180米，就像懸在學生們頭上的一顆雷，隨時威脅著孩子們的安全。通過遙感手段發現這樣的新增點，避免學校師生在完全不知情的情況下遭受嚴重自然災害傷及生命安全。

圖4 威脅桐梓縣婁山中學的新增地質災害隱患點排查

海洋溢油監測

海面油膜會對海水表面波形成阻尼作用，海面溢油的存在阻尼了海水的短表面波（毛細波和短重力波）、減小了海水表面張力、改變了海面粗糙度，而SAR對粗糙度極為敏感，因此可用于執行海面溢油的常規與應急監測任務。近10年來，開展了多次中國近海重特大海洋溢油災害事故的遙感應急監測工作。例如，2008年廣西北部灣海底輸油管線泄露溢油污染事故、2010年大連港“7·16”海面溢油污染事故、2011年美國康菲石油公司蓬萊“19-3”鉆井平臺漏油事故等；累計處理、分析、解譯的SAR遙感圖像近500景，向國家海洋局發送《海洋溢油污染監測信息快報》百余份，持續為國家海洋局提供7×24小時的中國海域海洋溢油污染雷達遙感業務化監測技術支持服務。

圖 5為利用中國GF-3衛星時間序列圖像監測2018年1月發生在我國東海海域的一次大規模海洋溢油污染泄露事故。監測結果為國家國防科技工業局、交通運輸部等主管部門的科學決策、應急處置提供了有力的技術支撐。

洪澇監測

洪澇災害是我國主要自然災害之一，具有范圍廣、變化快的特點，尤其對于人口密集和經濟發達的城區而言，其危害程度更加嚴重。為了最大限度地減輕洪澇災害對城區造成的損失，需要及時地對洪澇災害進行監測和損失評估。洪澇災害淹沒范圍的快速提取對于應急響應具有重要意義，快速獲取洪水淹沒范圍是洪澇災害監測和評估的基礎。雷達波到達水體后由于發生鏡面反射返回的能量少，因此在SAR圖像上通常呈現為較低的散射特征，容易與其他地物區分開來，因此在洪澇監測中得到廣泛應用。目前，SAR洪澇災害監測方法已經比較成熟，主要方法有人工目視解譯、閾值法、自動分類方法、圖像紋理分析、主動輪廓法和多時相變化檢測等。1998年的特大洪水期間，我國就多次利用航空雷達遙感監測和評估洪水災害，目前雷達遙感已經成為洪澇災害監測的重要手段。我們利用國際商業衛星和我們國家自己的雷達衛星獲取的數據，協同利用其他遙感數據源，開展了多次洪澇災害的動態監測，為應急響應和抗洪救災提供了有用信息（圖6、圖7）。

圖5 2018年1月東海海域溢油污染泄露事故監測

圖6 2013年8月27日同江八岔段水位雷達衛星監測結果

圖 7 2013年東北洪澇災害監測多日動態監測結果

結束語

自然災害具有突發性、破壞性和動態性的特征，及時有效地獲取災情動態是有效防災減災的前提和基礎。雷達遙感數據具有全天時、全天候成像能力，因此具有較好的時效性，能獲取可靠的數據源，進而實現對災害的動態、連續監測，是災害應急監測不可或缺的重要手段。隨著星載SAR衛星性能指標的不斷改進，將為災害應急響應提供更高效的數據源，但同時，我國雷達衛星數量少，數據獲取的時間分辨率不夠，災情快速響應能力較弱，難以滿足災情態勢快速監測的需求。汶川地震之后，黨和國家對自然災害高度重視，對利用空間信息進行防災減災提出了明確要求。《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015—2025）年》批準了四類七顆雷達衛星的立項研制，這將為災害應急監測提供更穩定的數據源保障，大幅提高我國對各類災害的快速響應能力。