國產衛星數據特點與減災應用分析

吳瑋 胡凱龍 蘇琮

吳瑋，博士，應急管理部國家減災中心衛星遙感部副主任，副研究員。主要研究領域為災害遙感監測、空間數據管理與可視化、災害風險與損失評估等。近年來具體負責和承擔了民用空間基礎設施防災減災救災規劃論證、多源衛星資源協調與獲取機制建設、災害遙感監測評估業務、應用系統建設與關鍵技術研發等工作。先后多次參與重特大災害遙感監測評估與現場核查工作。主持或參與10 余項國家和省部級科研項目，發表科技論文20余篇，合著出版專著/圖集3部，獲得發明專利1項,主持或參與編寫防災減災救災領域國家標準、行業標準3項。

引言

習近平總書記指出，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，造成損失重，這是一個基本國情。黨的十九大報告中明確提出了“健全公共安全體系，完善安全生產責任制，堅決遏制重特大安全事故，提升防災減災救災能力”的要求。衛星遙感技術憑借其觀測范圍廣、探測手段多樣、多尺度動態連續監測能力強等優勢，在重特大災害監測、災情評估以及災后恢復重建等過程中發揮了重要作用，是防災減災救災重要的技術支撐手段之一。當前，全球遙感衛星正在加速升級換代，多星組網和全球化觀測趨勢日益明顯，多維、多尺度、多平臺的衛星遙感綜合觀測能力正逐步形成。與此同時，我國的遙感衛星正步入高質量發展的快車道，新平臺、新載荷、新成像體制不斷出現，遙感業務衛星穩步增長，商業遙感發展迅速，這些都為衛星遙感在應急管理中的應用提供了豐富的遙感數據資源。進入新時代，根據國際國內災害形勢，習近平總書記提出要“堅持以防為主、防抗救相結合，堅持常態減災和非常態救災相統一，努力實現從注重災后救助向注重災前預防轉變，從應對單一災種向綜合減災轉變，從減少災害損失向減輕災害風險轉變”，這一防災減災救災的新理念、新論述、新要求為我們開展衛星遙感數據在應急管理中的應用指明了方向，提供了根本遵循。隨著應急管理部的組建和機構改革的深入推進，遙感衛星數據在應急管理中的應用也正逐步從關注自然災害向人為事故災難拓展，從主要面向災害損失評估向注重災害風險監測轉變，從單一的災害遙感信息提取向天—空—地、多源多尺度數據的融合應用方向發展。

本文旨在總結近年來我國遙感衛星數據及其應用特點，分析新形勢下應急管理對衛星應用的需求以及遙感衛星在防災減災救災中的應用能力，展望未來遙感衛星數據應用的前景，為衛星減災應用的發展提供借鑒參考。

圖1 遙感衛星數據應用需求圖

新形勢下遙感衛星數據應急管理應用需求分析

衛星遙感是開展致災因子危險性、孕災環境穩定性、承災體脆弱性監測和災情精細評估的重要支撐手段。針對新形勢下防災減災、應急救援、安全生產等應急管理工作，遙感衛星數據應用需求主要可歸納為以下4個方面（圖1）。

1.遙感衛星數據種類需求。我國災害種類多樣，不同類型災害、不同災害監測對象以及災害管理不同階段對遙感衛星數據的類型和技術指標要求都不相同。從衛星遙感探測波段角度分析，可見光、近紅外、短波紅外至熱紅外譜段對洪澇、干旱、雪災、火災、人為事故等各類災害的監測均有不同程度的應用能力；對農業災害、地質災害等精細辨識需要納米級的高光譜衛星數據；不同頻段、極化方式和成像模式的微波遙感衛星是全天候獲取災害信息不可或缺的重要手段；激光雷達、差分干涉SAR衛星數據對于開展地質災害風險監測、災害損失評估等有積極作用。從衛星遙感數據空間分辨率角度分析，大尺度干旱、洪澇災害需要大幅寬、中低分辨率遙感數據，而對于由地震、滑坡、泥石流、人為事故等災害引起的房屋、基礎設施等承災體損毀，需要米級甚至亞米級的空間辨識能力進行精細化評估。因此，防災減災救災工作對于遙感衛星數據類型的需求應該是高中低多種分辨率相結合，涵蓋全色多光譜、紅外、高光譜、微波、激光雷達等多種類型有效載荷數據，甚至近年來發展的視頻衛星數據、夜光/微光遙感數據在防災減災中也有應用潛力。

2.遙感衛星數據獲取與服務需求。應急管理工作的特殊性決定了對遙感衛星應急響應時效性和持續動態跟蹤監測能力有較高的要求。災害發生發展受大氣、地理環境、地質條件等多因素影響，干旱等緩發性災害的變化較慢，對衛星重訪觀測時間要求不高，可以天、旬等為單位進行觀測成像；而臺風、洪澇、森林草原火災等災害發展變化很快，需要遙感衛星能第一時間獲取災害情況，觀測時間間隔需達到小時甚至分鐘級。在完成遙感衛星成像任務后，還需要盡可能地縮短數據接收、預處理和分發時間，為應急管理應用部門高效獲取衛星數據提供保障。在滿足時效性要求的同時，遙感衛星數據的應用能力還會受到分發服務的遙感數據質量影響，只有經過輻射定標、幾何定位精度高、覆蓋災區噪聲小的遙感數據才能滿足災害遙感指數參數反演以及洪澇、火災、雪災等災害監測對定量化應用的需求。

3.遙感衛星數據平臺建設需求。圍繞防災減災救災決策對遙感衛星數據的應用需求，需要推動遙感數據應用處理關鍵技術攻關，制定數據處理技術規范，建立面向應急管理全過程的遙感衛星數據多維展示、處理、分析與服務系統，為遙感衛星數據在防災減災救災中的業務化應用提供可靠、穩定的技術支撐平臺。

4.遙感衛星數據業務應用需求。災害管理周期包含減災、備災、應急救災和恢復重建等階段，各階段對衛星遙感數據需求和工作內容各不相同。為支撐災害應急管理全過程業務，需要國產遙感衛星數據有效支撐災害事故要素監測、風險評估、應急監測、損失評估和災后恢復重建等工作。其中，災害事故要素監測是對各類自然災害和安全事故的遙感特征和指數參數進行定量化反演和識別提取，通過連續、動態監測分析，為災害事故的隱患排查和早期發現提供信息服務。風險評估業務是利用遙感衛星數據等資料對災害事故發生的可能性、危險程度及其區域以及可能的損失進行評估，為災害事故的預報預警提供依據。應急監測業務是在災害事故發生后，利用中高分辨率遙感數據對洪澇淹沒區域、滑坡泥石流范圍、火點位置和過火面積、安置帳篷、尾礦庫、危化品等進行監測，為災害應急救援和緊急救助提供及時、精準的信息支持。損失評估業務是利用高分辨率國產遙感衛星數據對災害范圍、毀損實物量和直接經濟損失進行評估。災后恢復重建業務是災害穩定后，利用遙感衛星數據對災區的民房、基礎設施、公共服務設施以及生態環境恢復重建進展情況進行監測，為政府評估災后恢復重建效果提供決策支持。

表1 我國主要在軌民用遙感衛星一覽表

國產遙感衛星及數據特點分析

經過四十多年的努力，我國在軌對地觀測衛星數量已達到100余顆，基本形成了“風云”“海洋”“資源”“環境減災”“天繪”等系列的遙感衛星，吉林一號、高景等各具特色的商業遙感衛星發展迅猛，初步實現了不同分辨率自主遙感衛星數據的接收、處理和分發服務能力，為陸地、大氣、海洋等災害系統綜合觀測提供了有效的數據保障。近年來，我國主要在軌民用遙感衛星見表1。

衛星 主要載荷 性能指標 發射時間高分四號（GF-4）凝視相機 靜止衛星，分鐘級重訪。全色多光譜通道：5個譜段，空間分辨率為50m，幅寬400km中波紅外通道：1個譜段，空間分辨率為400m，幅寬400km 2015/12/29高分五號（GF-5）可見短波紅外高光譜相機、全譜段光譜成像儀等共6臺可見短波紅外高光譜相機：0.4～2.5 μm，空間分辨率為30m，幅寬為60km，330個通道全譜段光譜成像儀：0.45～12.5 μm，12個通道，空間分辨率為20m（0.45～2.35 μm）/40m（3.5～12.5 μm），幅寬為60km 2018/05/09高分六號（GF-6）高分相機、寬幅相機 高分相機:空間分辨率為2m（全色）/8m（多光譜），多光譜為可見光近紅外4個波段，幅寬為90km寬幅相機: 空間分辨率為16m，可見光近紅外8個波段，幅寬為800km 2018/06/02環境減災（HJ-1）A星CCD相機、高光譜成像儀CCD相機：可見光紅外4個波段，空間分辨率為30m，幅寬360km，4天重訪高光譜成像儀：115個波段，0.45～0.95 μm，空間分辨率為100m，幅寬50km，4天重訪2008/09/06環境減災（HJ-1）B星CCD相機、紅外多光譜相機CCD相機：可見光紅外4個波段，空間分辨率為30m，幅寬360km，4天重訪紅外多光譜相機：4個波段，幅寬720km，空間分辨率為150m（近紅外至中紅外）/300（熱紅外），4天重訪2008/09/06環境減災（HJ-1）C星合成孔徑雷達 S波段，空間分辨率為5m（單視）/20m（4視），幅寬為40km（條帶）/100km（掃描）2012/11/19資源一號04星（CBERS-04）全色多光譜相機、紅外多光譜相機、多光譜相機、寬視場成像儀全色多光譜相機：空間分辨率5m（全色）/10m（多光譜）,可見光近紅外3個波段，幅寬為60km，3天重訪紅外多光譜相機: 空間分辨率40m（近紅外短波紅外）/80m（熱紅外），4個波段，幅寬為120km多光譜相機：空間分辨率20m，可見光近紅外4個波段，幅寬為120km寬視場成像儀：空間分辨率73m，可見光近紅外4個波段，幅寬為866km，3天重訪2014/12/07資源一號02C星（ZY-1 02C）全色多光譜相機、全色高分辨率相機全色多光譜相機：空間分辨率5m（全色）/10m（多光譜），可見光近紅外3個波段，幅寬為60km，3天重訪全色高分辨率相機：空間分辨率2.36m，幅寬27km（單臺）2011/12/22資源三號（ZY3）01/02前視相機、后視相機、正視相機、多光譜相機01星：空間分辨率3.5m（前/后視）、2.1m（正視）、6m（多光譜）,幅寬≥51km，前/后/正視相機光譜范圍0.5～0.8 μm，多光譜相機含可見光近紅外4個譜段，5天重訪02星：空間分辨率2.5m（前/后視）、2.1m（正視）、5.8m（多光譜）,幅寬51km，前/后/正視相機光譜范圍0.5～0.8 μm，多光譜相機含可見光近紅外4個譜段，3～5天重訪2012/01/09（01）2016/05/30（02）實踐九號（SJ-9）A/B A星全色多光譜相機、B星紅外相機A星全色多光譜相機：空間分辨率2.5m（全色）/10m（多光譜）,可見光近紅外4個波段，幅寬為30km，4天重訪B星紅外相機：光譜范圍0.8～1.2 μm，1個譜段，空間分辨率73km，幅寬18km，8天重訪2012/10/14天繪一號01/02全色相機、多光譜相機、三線陣全色立體相機空間分辨率為2m（全色）/5m（三線陣全色）/10m（多光譜），可見光近紅外4個波段，幅寬為60km 2010/08/24（01）2012/05/06（02）北京二號 VHRI-100成像儀 空間分辨率為0.8m（全色）/3.2m（多光譜），多光譜為可見光近紅外4個波段，幅寬為24km，3顆衛星1天重訪2015/07/11吉林一號 光學A星載荷、視頻星載荷光學A星: 空間分辨率為0.72m（全色），2.88m（多光譜）；包含1個全色和3個可見光波段；幅寬為11.6km；重訪周期：1天（4星）視頻01/02星：空間分辨率為1.13m（彩色），幅寬為4.6km×3.4km視頻03星：空間分辨率為0.92m（彩色），幅寬為11km×4.5km視頻04/05/06/07/08星：空間分辨率為1m（彩色），幅寬為19km×4.5km。具備凝視、立體、夜光等多種成像模式2015/10/07（光學A星、視頻01/02）2017/01/09（視頻03）2017/11/21 （視頻04/05/06） 2018/01/09（視頻07/08）高景一號（SuperView-1）01/02/03/04全色多光譜相機 空間分辨率：0.5m（全色），2m（多光譜）；光譜：1個全色和4個多光譜波段（可見光近紅外）；幅寬：12km；重訪周期：1天（4星）2016/12/28（01/02）2018/01/09（03/04）

表1主要反映了近年來我國用于防災減災救災工作的科研、業務和商用遙感衛星資源情況。從中不難發現，我國風云氣象衛星已經形成了靜止和極軌兩個序列的衛星。面向災害性天氣過程的監測與預報預警任務，風云衛星配備有可見光紅外自旋掃描輻射儀、微波溫度計、微波濕度計、光譜成像儀、微波成像儀等多型傳感器。針對強對流天氣的監測和跟蹤，風云衛星能每15分鐘對地球圓盤掃描成像一次。同時，由于衛星遙感數據空間分辨率一般為公里級，最高達250m，可為各類突發災害天氣系統的動態監測、短時預報和臨近天氣預報提供大尺度、高頻次的衛星觀測資料。針對風暴潮、赤潮、海冰、海浪等海洋災害事件的預防、監測、預警、評估和指揮決策等應用需求，我國發展了海洋水色環境（海洋一號）、海洋動力環境（海洋二號）等系列衛星，配置有海洋水色掃描儀、海岸帶成像儀、微波散射計、雷達高度計和微波輻射計等多種遙感載荷，提供的遙感數據資料具有譜段范圍寬、覆蓋范圍廣、中低分辨率為主等特點。

陸地觀測衛星主要提供中高分辨率的遙感數據，隨著我國航天工業的發展，國產遙感衛星圖像質量不斷提高（圖2）。

其中，以環境減災衛星、高分一號為代表的對地觀測衛星可提供大尺度、大范圍、中分辨率的遙感數據，通過多星組網時間分辨率可達1天重訪，而靜止軌道高分四號衛星甚至能實現分鐘級的重訪觀測成像。以資源、天繪、實踐以及商業衛星為代表的對地觀測衛星能夠提供優于5m的高分辨率遙感數據，譜段配置上以全色和可見光近紅外多光譜數據為主，最高可實現0.5m分辨率成像，通過衛星組網，能實現1天重訪成像。目前，在軌民用SAR衛星數量總體偏少，高分辨率的紅外和高光譜遙感數據仍然不足，尚未形成小時級的高分辨率衛星遙感應急成像能力。同時，視頻成像、夜光/微光成像等新型遙感數據不斷涌現，為災害遙感監測評估提供了更豐富的監測手段。

圖2 高分一號寬幅相機假彩色影像圖

圖3 2018年11月3日西藏阿里地區改則縣4.5級地震災區資源三號遙感影像圖

國產遙感衛星數據應用能力分析

經過多年的發展，在防災減災救災領域我國已初步建立了一套遙感衛星數據應用的技術體系和產品體系，形成了常態減災和應急救災相結合的衛星數據應用模式，災害遙感數據應用系統初步建立。目前，我國已建立了國產遙感衛星數據獲取機制，衛星數據獲取渠道還在穩步拓展。利用環境減災、高分、資源等國產衛星數據，已開展災害應急制圖（圖3）、災情監測評估和恢復重建監測等工作，在四川蘆山地震、云南魯甸地震、長江中下游暴雨洪澇、四川茂縣山體滑坡、大興安嶺森林大火等減災與應急業務中發揮了重要作用。

結合遙感衛星數據的監測對象和應用服務方向（圖4），應用能力主要包括：

在災害事故要素監測方面，利用國產遙感衛星數據，能夠反演植被指數、水體指數、雪被指數、陸表溫度等遙感指數參數，提取和分析植被、水體、積雪、礦山、尾礦庫、危化品等災害系統重要要素的空間分布及其變化等信息。在災害風險評估方面，利用國產衛星遙感數據重點針對洪澇、臺風、干旱、滑坡等災害，提供災害風險要素的分布和狀態，在暴雨天氣系統監測評估、海洋風場和氣旋的監測與風暴潮風險防范、地面沉降分布與地災風險評估等方面發揮作用。在應急監測方面，針對突發性災害，利用國產遙感數據，分析災害在遙感影像上的光譜、結構、紋理等特征，獲取洪澇、地質、森林草原火災等災害范圍及其發展演變情況。在損失評估方面，主要利用高分辨率遙感影像對受災范圍內房屋、道路等毀損實物的數量和程度進行分析和評估。在災后恢復重建方面，國產遙感影像能對房屋規劃重建進度、道路修復進展和生態植被恢復進程等進行時序的定期監測。針對國際災害，國產遙感衛星數據已應用到阿富汗干旱、緬甸洪澇、老撾潰壩等重大災害的應急快速制圖服務中，為國際援助和應急救援提供了及時遙感信息服務。

圖4 遙感衛星數據應用框架圖

衛星遙感在應急管理中取得顯著成效的同時，受多方面因素的影響，實際應用中還存在諸多問題，突出表現在以下三個方面：

一是缺乏衛星資源統籌調度，遙感數據存在冗余重復現象。由于遙感衛星資源及配套地面系統分布在不同的機構，針對重大災害應急任務，衛星觀測規劃的協調機制尚未有效形成，導致衛星成像在時間上不銜接、空間上不統籌，造成災區遙感衛星數據存在既多又少的問題。一方面在空間上重點關注的區域往往遙感數據集中，存在大量冗余，而其他災區有效覆蓋數據較少，難以有效獲取全覆蓋的災區遙感數據；另一方面在時相上衛星連續協同監測還不夠，定期獲取災區動態監測遙感數據還存在不足。

二是缺乏業務聯動，遙感數據深度融合應用不夠。衛星遙感數據作為一種有效的天基資源，能夠實現對災區的廣域覆蓋監測，但也需要與航空、地面監測、社會輿情、現場調查等各方面的資料進行復合分析，才能最大限度地發揮衛星遙感數據的應用效果。由于還沒有形成協同聯動工作模式，各類資料沒有有效、及時的匯聚、共享和復用，導致衛星遙感數據應用容易出現低水平的重復，信息的時效性和可靠性降低，制約了衛星遙感應用成效的發揮。

三是遙感數據在災害風險防范中的應用研究不夠，缺乏信息共享與服務技術支撐平臺。加強災害隱患的排查與識別、災害綜合風險的防范是新時代防災減災救災工作的迫切要求。長期以來，盡管以風云衛星為代表的遙感衛星在臺風災害的跟蹤監測、短臨災害的預報預警等方面發揮重要作用。然而，遙感數據在洪澇、干旱、森林草原火災、滑坡泥石流等自然災害和人為災害風險的應用研究還很薄弱，相應的模型方法儲備不足。同時，跨部門、跨層級的應急管理遙感信息共享平臺尚未建立，盡管已經建立了多個與防災減災救災相關的技術系統，但在遙感信息共享標準、技術服務接口、信息交換共享協議等方面還存在較大差異，形成了多個封閉的技術系統，信息孤島、信息壁壘現象不同程度存在，嚴重制約了遙感數據在應急管理中的支撐保障能力。

結束語

隨著《國家綜合防災減災規劃（2016—2020年）》《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃(2015—2025年)》的深入實施，針對新時代應急管理的新任務新要求，建立高中低軌衛星相結合，全譜段、寬覆蓋、多分辨率載荷相配套，機動靈活、穩定運行的防災減災與應急管理衛星星座，實現對災害事故的全天候、全天時、全要素、全球化動態綜合觀測和應急觀測能力，將是應急管理領域國產遙感衛星發展的重要方向，必將為遙感衛星在防災減災救災中的深度應用提供更為豐富的遙感數據資源。為強化災害風險防范，落實《中共中央 國務院關于推進防災減災救災體制機制改革的意見》和中央財經委員會第三次全體會議關于提高自然災害防治能力的有關要求，在災害遙感天基平臺快速發展的同時，未來還要進一步完善國產遙感衛星數據的共享服務和任務協同聯動機制，健全數據應用技術標準、業務規程和產品體系，配套建設相應的業務應用系統，加強天—空—地數據的融合應用，不斷提高災害風險監測與損失評估的智能化、定量化和精細化水平，為帶動地方防災減災救災遙感應用能力和推動全球化的災害遙感國際服務提供更為有力的技術支撐。