航天遙感技術(shù)與重大自然災(zāi)害管理

周一鳴 郭世亮 梁巍

周一鳴，北京空間科技信息研究所情報室主任，清華大學自動化專業(yè)博士畢業(yè)，曾任中國空間技術(shù)研究院研究發(fā)展部、總體設(shè)計部系統(tǒng)研發(fā)主管工程師，主要從事航天領(lǐng)域的科技情報研究、空間基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展論證、應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展等方面的工作。發(fā)表各類論文40余篇，科研成果獲國家國防科技進步三等獎1項，省部級科技獎2項。

當前，重大自然災(zāi)害已經(jīng)成為影響和威脅人類經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。為有效應(yīng)對重大自然災(zāi)害，國際上已經(jīng)形成自然災(zāi)害管理的概念，而且逐步認識到并證明，航天遙感在自然災(zāi)害管理中有不可替代的優(yōu)勢和作用。因此，重大自然災(zāi)害管理是航天遙感技術(shù)面臨的重要命題，本文擬從重大自然災(zāi)害管理的角度，對一些科學問題和航天遙感所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)進行分析，提出一些思考和建議。

重大自然災(zāi)害管理是航天遙感技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域

（一）重大自然災(zāi)害與自然災(zāi)害管理

所謂重大自然災(zāi)害，應(yīng)該是對人類生存和發(fā)展、經(jīng)濟社會發(fā)展、國家和地區(qū)安全、生態(tài)環(huán)境、乃至人類的生活、生產(chǎn)方式產(chǎn)生重大影響或嚴重危害的自然災(zāi)害。現(xiàn)代人類文明的發(fā)展進步使得人口和財富更加集中，雖然科技水平和防災(zāi)救災(zāi)能力不斷提高，但在重大自然災(zāi)害面前也更易產(chǎn)生重大損失、次生災(zāi)害，甚至鏈式效應(yīng)。例如，2011年3月11日的日本地震海嘯災(zāi)害，造成損失超過1800億美元，死亡達14704人，并導致了核電站泄露等嚴重的次生生態(tài)災(zāi)害，影響超過了1986年的蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故。可見，現(xiàn)代化的建設(shè)使得自然災(zāi)害作用于人類的破壞性在日益增大，全球范圍內(nèi)的重大自然災(zāi)害形勢日趨嚴峻。

據(jù)聯(lián)合國國際減災(zāi)署（UNISDR）在2018年10月10日最新發(fā)布的報告顯示，最近20年（1998—2017）自然災(zāi)害給全球造成的經(jīng)濟損失達29080億美元，相比上一個20年增加2.2倍。歐盟和世界銀行在2011年發(fā)布了名為《利用高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)評估城市自然災(zāi)害危險》的研究報告，預測了自然災(zāi)害對人類社會的影響趨勢，指出全球快速城市化將導致受災(zāi)人口成倍增大，災(zāi)害損失日益增多。

表1 歐盟和世界銀行在報告中的預測

雖然自然災(zāi)害不可避免，但是卻可以通過合理的科學技術(shù)和組織管理手段，來認識災(zāi)害的產(chǎn)生機理和演變規(guī)律，預測災(zāi)害的發(fā)生，預防、減緩、甚至避免自然災(zāi)害造成的損失，實現(xiàn)災(zāi)后恢復，即以“災(zāi)害管理”的理念建立起一套人類應(yīng)對自然災(zāi)害的科學技術(shù)和組織管理體系，這就是國際上公認的自然災(zāi)害管理的概念。

由于自然災(zāi)害是一個宇宙系統(tǒng)和地球系統(tǒng)相互作用并受到人類活動和文明發(fā)展影響的一個復雜的、巨系統(tǒng)的問題，因此自然災(zāi)害管理可以說是一個與幾乎所有自然科學、人文社會科學以及所有技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)的，極為復雜的科學技術(shù)與組織管理體系，是一個凝聚全人類智慧和力量，適應(yīng)自然、改造自然，以實現(xiàn)與自然界和諧共處為最高目標的過程。

圖1 美國EOS系統(tǒng)組成示意圖

（二）航天遙感技術(shù)在自然災(zāi)害管理中的作用與優(yōu)勢

航天遙感技術(shù)在自然災(zāi)害管理中具有不可替代的優(yōu)勢和重大潛力，通過航天遙感技術(shù)的廣泛應(yīng)用，能夠提供全球范圍內(nèi)的長期觀測和感知手段，為災(zāi)害機理研究、災(zāi)害預報和防災(zāi)救災(zāi)提供技術(shù)支持，極大地豐富人類認識自然災(zāi)害的手段；能夠為災(zāi)時救援和災(zāi)后恢復重建提供地理勘察、重建規(guī)劃等遙感服務(wù)支持，顯著提高人類應(yīng)對自然災(zāi)害的能力。當前，世界各航天大國都將自然災(zāi)害管理列為航天活動的重要領(lǐng)域，高度重視長期持續(xù)的、多手段的航天綜合遙感能力建設(shè)，已建成以EOS（美國）、Copernicus（歐洲，原GMES）為代表的應(yīng)對自然災(zāi)害的綜合性天基系統(tǒng)，并在應(yīng)對重大自然災(zāi)害的過程中發(fā)揮了重要作用。

1. 典型的綜合性遙感衛(wèi)星系統(tǒng)

（1）地球觀測系統(tǒng)（EOS）

地球觀測系統(tǒng)是美國宇航局（NASA）制訂的一項大型地球觀測計劃，是一項全球性的國際合作項目，致力于將地球作為一個整體，利用不同軌道的眾多衛(wèi)星搭載多種遙感載荷進行觀測，提供有關(guān)地球大氣、海洋和陸地的綜合數(shù)據(jù)，供多個學科開展自然災(zāi)害監(jiān)測和災(zāi)害機理等方面的綜合研究（圖1）。目前，EOS已完成任務(wù)47項，在軌工作任務(wù)29項，即將實施的已規(guī)劃項目26項。

（2）哥白尼計劃（Copernicus，原GMES）

哥白尼計劃是歐盟繼“伽利略”計劃之后又一項重大航天發(fā)展計劃，該計劃意在整合歐洲的遙感衛(wèi)星資源，以實現(xiàn)并高效開展全球性的環(huán)境和安全監(jiān)測（圖2）。哥白尼計劃將提供有關(guān)環(huán)境與安全的高質(zhì)量數(shù)據(jù)和信息，以實現(xiàn)歐洲長期可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標。

（3）災(zāi)害監(jiān)測星座（DMC）

該星座計劃提出了一個國際合作性對地觀測星座的發(fā)展概念，目前參加該計劃的有英國、中國、西班牙、土耳其等國家。該星座由多顆多光譜衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星都由某個成員國單獨負責運行，而每顆衛(wèi)星每天數(shù)據(jù)量的5%將被共享用于自然災(zāi)害監(jiān)測。其中，我國以“北京一號”加入了該組織，配合DMC星座，每天提供全球災(zāi)害監(jiān)測用圖像。

2.航天遙感技術(shù)在重大自然災(zāi)害中的應(yīng)用舉例

（1）航天遙感技術(shù)在美國颶風監(jiān)測中的應(yīng)用

2011年5月22日，美國遭受一場破壞性極強的颶風襲擊。在這次災(zāi)害中，美國和歐洲的多顆光學和SAR遙感衛(wèi)星對颶風進行了全程實時監(jiān)測（圖3），美國宇航局戈達德空間飛行中心還利用衛(wèi)星采集的颶風到來之前、之中、之后的連續(xù)圖像數(shù)據(jù)進行影像模擬，推演出颶風行進過程，并發(fā)出了颶風路徑預警。隨后，針對颶風強度預測能力不足等教訓，美國開始嘗試利用搭載微波輻射計的在軌衛(wèi)星，開展了監(jiān)測熱帶風暴結(jié)構(gòu)的發(fā)生機理、動態(tài)變化及預測其強度突變的系統(tǒng)研究，并已經(jīng)取得初步研究成果。

（2）航天遙感技術(shù)在澳大利亞山火監(jiān)測中的應(yīng)用

2009年2月，澳大利亞東南部爆發(fā)大面積森林火災(zāi)，造成重大損失。由于澳大利亞東南部森林面積大，當?shù)卣诒O(jiān)控森林著火點和制訂滅火方案方面面臨嚴重困難，因此澳大利亞政府向包括中國的多個具備航天遙感能力的國家發(fā)出了援助請求。接到澳方請求后，中國國家減災(zāi)中心迅速調(diào)整環(huán)境-1（HJ-1）星座的衛(wèi)星姿態(tài)，晝夜收集數(shù)據(jù)，以最快的速度向澳方連續(xù)提供火場地區(qū)大量高清晰度的衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)（圖4），并分析推理出潛在可能的火點，為澳方滅火救災(zāi)給予了重要的支持，得到了澳大利亞政府的高度贊揚，同時也展示了我國在國際事務(wù)中的大國地位與國際責任，獲得了世界范圍內(nèi)的廣泛好評。

圖2 哥白尼計劃中的遙感衛(wèi)星示意圖

圖3 航天技術(shù)監(jiān)測美國颶風

圖4 中國航天技術(shù)監(jiān)測澳大利亞山火

重大自然災(zāi)害管理對航天遙感技術(shù)的挑戰(zhàn)

重大自然災(zāi)害管理涉及復雜的科學問題，迫切需要航天遙感提供助力支撐，但也對航天遙感技術(shù)提出了諸多挑戰(zhàn)。

（一）與航天遙感相關(guān)的科學問題

1.地球系統(tǒng)運行演變與自然災(zāi)害的關(guān)系

在人類發(fā)展的漫長年代里，地球系統(tǒng)一直在按照一定的規(guī)律演化和發(fā)展著。在這種演化和發(fā)展過程中，地殼運動和大氣運動起著至關(guān)重要的作用，從而導致地震、火山噴發(fā)、滑坡、暴雨、洪水等地球系統(tǒng)內(nèi)部的自然災(zāi)害頻頻發(fā)生（圖5）。從某種角度說，要想理解這些自然災(zāi)害的產(chǎn)生原因和運行規(guī)律，首先要分析地球系統(tǒng)演化和發(fā)展的動力、機制與方式。

2.地外天體和宇宙演變與自然災(zāi)害的關(guān)系

地球是一顆宇宙天體，環(huán)境變異甚至是災(zāi)變乃是宇宙演變中的尋常事件。而地球本身又絕非是孤立的，時刻同四周的宇宙存在著物質(zhì)或能量的交換。因此，自然災(zāi)害也與宇宙演變、地外天體存在著密切的關(guān)系，NASA已將地球科學和行星科學劃歸在同一個科學主題下開展研究，基于天文學和地球動力學的天文地球動力學研究領(lǐng)域就是在這種認識背景下誕生的，其主要研究內(nèi)容之一就是宇宙演變與自然災(zāi)害的關(guān)系。此外，非合作性的地外天體威脅也是人類生存與發(fā)展所面臨的重大現(xiàn)實威脅，比如通古斯小行星撞擊事件、太陽風暴爆發(fā)等。

圖5 地球系統(tǒng)運行演變引發(fā)的自然災(zāi)害

3.自然災(zāi)害的機理及其演變規(guī)律

人類對自然災(zāi)害的認識是逐步深入的，由于自然災(zāi)害往往是與很多問題耦合在一起的，因此短期內(nèi)的災(zāi)害機理研究往往被限于局部，在一定程度上是近似的。因此，要想最大程度地避免、減緩自然災(zāi)害所帶來的威脅和損失，必須具備動態(tài)修正、不斷深入的思維，基于宇宙和地球的整體大空間尺度的研究視角，重視科學理論研究和工程技術(shù)驗證兩方面的相互牽引和循環(huán)支撐的研究方法，螺旋上升式地理解自然災(zāi)害的機理與演變規(guī)律，以實現(xiàn)自然災(zāi)害管理的終極目標。

4.各類自然災(zāi)害之間的聯(lián)系與相互作用機理

越來越多的自然災(zāi)害實例說明，各種自然災(zāi)害的發(fā)生并非彼此孤立而是存在著地下、地表、地上的災(zāi)害鏈效應(yīng)。研究地球各圈層之間的相互關(guān)系，特別是研究陸圈與氣圈之間的交互作用和耦合機制，是研究自然災(zāi)害預測預報的重要生長點，也是地球物理科學的新的重要領(lǐng)域。近些年，關(guān)于旱震關(guān)系、地溫與降水關(guān)系、日地關(guān)系、日蝕與旱澇關(guān)系、引潮力與地氣關(guān)系、天地運動與天災(zāi)關(guān)系，都揭示出自然災(zāi)害具有明顯的非線性、開放性、群發(fā)性、并發(fā)性等特性。

5.人類活動對自然災(zāi)害的關(guān)系與相互影響

自然災(zāi)害系統(tǒng)在發(fā)生和發(fā)展過程中對人類社會造成一定的影響，但人類社會的經(jīng)濟和社會活動,也反饋于自然災(zāi)害系統(tǒng)，共同促進自然環(huán)境變異，而自然環(huán)境變異對人類的生存和活動，自然災(zāi)害的形成和發(fā)展，又起著反饋作用。它們之間是相互作用、相互聯(lián)系、相互影響而形成了一個具有一定結(jié)構(gòu)、功能、環(huán)境和特征的整體。從系統(tǒng)論的觀點來說,這一整體就是自然災(zāi)害系統(tǒng)。比如，巴西政府在1970年做出了開發(fā)亞馬孫地區(qū)的決策，多年的濫砍亂伐和奪林造田導致被譽為“地球之肺”的亞馬孫叢林面積減少一半以上，并直接導致了歐洲乃至全球范圍內(nèi)的環(huán)境惡化。目前，歐洲已經(jīng)將該問題上升為影響國家和人類生存的安全問題；并有專家預測，如果亞馬孫的森林被砍伐殆盡，地球上維持人類生存的氧氣將減少 1/3。

（二）重大自然災(zāi)害管理對航天技術(shù)提出的挑戰(zhàn)

綜合以上科學問題不難看出，重大自然災(zāi)害機理研究與預測的前提必須建立在全面、廣泛、深入、細致、持久的認識自然的基礎(chǔ)上，對地球系統(tǒng)運行演變規(guī)律與致災(zāi)機理、自然災(zāi)害的征兆與發(fā)生過程、各類自然災(zāi)害之間的聯(lián)系與相互作用等主要問題有足夠深入、完整的認識。這些問題對航天提出了一些新的挑戰(zhàn)和迫切需求，分解來看，尤其是以下8個方面需要引起高度重視。

1.溫室氣體監(jiān)測

發(fā)展有效的高分辨率與超高分辨率光譜儀、激光遙感儀器等遙感衛(wèi)星技術(shù)，監(jiān)測二氧化碳向氧化亞氮、甲烷等其他溫室氣體的擴展過程，提供全球范圍內(nèi)的高精度、高時空分辨率以及適當尺度的溫室氣體及其循環(huán)過程監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.太陽輻射收支測量

發(fā)展有效的照度監(jiān)測儀、偏振測量儀等遙感衛(wèi)星技術(shù)，測量地球?qū)μ栞椛涞奈樟恳约暗厍蛞暂椛湫问结尫诺哪芰浚@得氣候變化的基本參數(shù)，支持對地球氣候變化最主要的驅(qū)動力和主導因素的研究。

3.降水測量監(jiān)測

發(fā)展有效的專用降水測量微波雷達、氣象監(jiān)測等遙感衛(wèi)星技術(shù)，測量并描繪云特征以及與其相關(guān)的降水過程，加強對降雨的數(shù)量以及區(qū)域分布格局方面的詳細分析，促進氣候變化研究取得突破性進展。

4.土壤濕度與海洋鹽度測量

發(fā)展有效的L波段綜合孔徑微波輻射計、主被動聯(lián)合探測鹽度計、海洋監(jiān)測、陸地監(jiān)測等遙感衛(wèi)星技術(shù)，監(jiān)測全球土壤濕度，繪制海表鹽度，進而深入了解全球水循環(huán)，更好地進行遠期天氣預報與季節(jié)預報，預測干旱、大范圍冰雪等極端氣象災(zāi)害。

5.地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測

發(fā)展有效的干涉雷達、激光雷達、重力場測量等遙感衛(wèi)星技術(shù)，對地表形變進行測量。將地表的變化、形變作為地震、火山爆發(fā)和山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害預報的重要指標。

6.地震監(jiān)測

發(fā)展有效的電離層探測、紅外探測、地磁場測量、重力場測量等遙感衛(wèi)星技術(shù)，獲取和監(jiān)測地震發(fā)生前后的電離層異常、紅外輻射異常、地殼形變等現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，為地震預測提供研究支撐。

7.環(huán)境污染監(jiān)測

發(fā)展有效的多光譜/高光譜遙感器、微波遙感器、掩星探測、氣象監(jiān)測、靜止軌道污染事件監(jiān)測等遙感衛(wèi)星技術(shù)，對地球大氣、水體、土壤等環(huán)境污染現(xiàn)象進行測量。監(jiān)測氣溶膠、臭氧層、海洋漏油、水體污染、赤潮、土壤污染等數(shù)據(jù)。

8.火險監(jiān)測

發(fā)展有效的紅外遙感器、激光雷達、成像光譜儀、氣象監(jiān)測等遙感衛(wèi)星技術(shù)，對森林、草原等重點區(qū)域提供火災(zāi)預警信息，對處于火災(zāi)危險的居民區(qū)內(nèi)燃燒物（植被和建筑物）進行制圖，為火災(zāi)風險評估和火災(zāi)發(fā)生模型的輸入提供高精度的數(shù)據(jù)。

思考和建議

重大自然災(zāi)害管理是一項涵蓋了科學理論研究和工程技術(shù)驗證的復雜的系統(tǒng)工程，航天技術(shù)不可能解決所有的問題。但是，航天遙感作為重要手段之一，與其他各類技術(shù)手段有機結(jié)合，將顯著地增強我國對重大自然災(zāi)害機理和發(fā)生規(guī)律的認知能力。特別是在長期持續(xù)監(jiān)測、全球大尺度測量、綜合環(huán)境感知等方面，航天遙感技術(shù)具有其獨特和不可替代的優(yōu)勢。據(jù)此，建議除進一步拓展航天遙感技術(shù)在減災(zāi)救災(zāi)中的應(yīng)用外，應(yīng)同步努力提升、完善發(fā)展航天技術(shù)在自然災(zāi)害監(jiān)測、預測中的應(yīng)用能力，并努力將航天技術(shù)融入自然災(zāi)害產(chǎn)生機理和演變規(guī)律的科學研究中去，以探索應(yīng)對重大自然災(zāi)害的最優(yōu)解決方法。