衛星遙感技術在熱帶氣旋監測中的應用
——以“伊代”為例

崔 燕，聶 娟，劉 明，李素菊

（1. 應急管理部國家減災中心，北京100124；2. 應急管理部衛星減災應用中心，北京100124）

0 引言

熱帶氣旋（我國統稱臺風）是影響我國東海沿海地區的主要自然災害之一，每年汛期登陸我國的臺風都會造成人員傷亡和直接經濟損失。臺風可能引起風暴潮、大風和暴雨災害［1］。風暴潮使沿海水位上升數米，嚴重時導致海水漫溢和海堤潰壩，沖毀房屋和基礎設施，淹沒城鎮和農作物。大風可能吞沒海上船只，影響海上作業人員和近海魚排養殖人員安全。暴雨導致的洪澇災害，最具危險性，強度大，出現頻率高，波及范圍廣，來勢兇猛，破壞性極大，淹沒房屋、農作物和基礎設施。另外，臺風可能引發的內澇、滑坡、泥石流、倒房、墜物等次生災害嚴重影響人們正常的生產生活。我國應急管理部自2018年3月成立以來，高度重視防汛抗旱防臺風工作，健全完善自然災害防范救援救災一體化機制，根據應對重特大自然災害的應急管理體系內容，國家防總適時啟動防汛防臺風應急響應，派出工作組分赴受影響省份，協助開展防汛防臺風工作。國際上，受熱帶氣旋影響國家政府一般依靠自身力量開展應急救援和恢復重建，也可向其他國家或者國際組織提出國際援助需求，以共同開展災害救援，減少人員傷亡和直接經濟損失，盡快恢復生產生活。

衛星遙感技術作為一種受地面條件限制少、方法多、信息量大的大范圍天基動態感知手段，在災害管理中一直發揮著獨特的優勢［2］。應急管理部國家減災中心從2008年汶川地震［3-4］以來，針對國內上百次啟動自然災害救助應急響應的重特大自然災害開展了衛星遙感應急監測，包括2010年青海玉樹7.1級地震［5-6］和甘肅舟曲特大山洪泥石流、2013年四川雅安7.0級地震［7］、2013年甘肅漳縣岷縣6.6級地震、2014年云南魯甸6.5級地震、2017年四川九寨溝7.0級地震等國內重特大自然災害。另外，近年來針對澳大利亞火災、非洲旱災、緬甸洪澇、老撾潰壩等10余次國際重特大自然災害，開展了國際衛星遙感監測服務。

黨的十八大以來，習近平總書記多次就防災減災救災工作發表重要講話。2015年6月2日，習近平總書記在十八屆中共中央政治局第二十三次集體學習時強調，要切實增強抵御和應對自然災害能力，堅持以防為主、防抗救相結合的方針，堅持常態減災和非常態救災相統一，全面提高全社會抵御自然災害的綜合防范能力。這標志著我國災害管理全過程中，從一直以來的以救災為主的應急管理理念，向綜合防災減災為主的新時代應急管理理念發生轉變，為當代應急管理的發展指明了發展方向。衛星遙感的監測重點也從以災后應急監測為主，兼顧風險監測和恢復重建監測，轉變為以風險監測為主，統籌風險監測、應急監測和恢復重建監測。在此過程中，除了在應急監測中發揮重要作用的高空間分辨率光學衛星和中高空間分辨率的雷達衛星外，具有高時間分辨率和大范圍監測的遙感衛星也不斷發揮出自身的優勢。應急管理部國家減災中心針對熱帶氣旋的衛星遙感監測初步形成了包括衛星遙感風險監測、衛星遙感應急監測和衛星遙感恢復重建監測等3方面內容的監測體系。

（1）衛星遙感風險監測。利用高時間分辨率、中低空間分辨率光學遙感衛星，動態監測臺風位置、風眼、臺風和熱帶云團變化、移動路徑、影響范圍、可能登陸位置等臺風實時情況。同時利用災前高空間分辨率光學遙感數據，掌握可能影響范圍內的房屋、農作物和基礎設施的分布情況，為災前災后遙感信息變化檢測提供影像數據支撐。

（2）衛星遙感應急監測。利用不同時相中時空分辨率的雷達衛星數據開展大范圍洪澇淹沒區域的動態監測和變化檢測，整體把握災害影響范圍和程度。同時利用高空間分辨率的雷達和光學衛星對重點損毀目標開展遙感監測，監測災害要素的損毀程度。

（3）衛星遙感恢復重建監測。利用高空間分辨率光學遙感衛星數據，對損毀房屋、農作物、基礎設施等恢復重建情況開展定期監測，監測恢復重建進度。

文章以強熱帶氣旋“伊代”為例，開展基于遙感技術的風險和應急監測研究。

1 “伊代”基本情況

強熱帶氣旋“伊代”2019年3月4日在西南印度洋洋面上生成，隨后登陸非洲東南部。3月10日熱帶低氣壓增強為中度熱帶風暴，命名為“伊代”（IDAI）。3月14—15日夜間“伊代”在莫桑比克中部索法拉省貝拉市附近登陸，以超過175 km/h的風速襲擊莫桑比克中部沿海地區，大量降雨導致布吉河和蓬圭河2條主要河流河水泛濫，沿途多個村莊被淹沒。大風和洪澇給莫桑比克索法拉省、贊比西亞省、馬尼卡省和伊尼揚巴內省多地帶來了持續一周以上嚴重的洪澇災害、山體滑坡和河水決堤。截止2019年4月3日“伊代”已造成598人死亡，1 600多人受傷，8.5萬間房屋完全損毀，11萬間房屋造成不同程度損壞，另外，還有超過7.1萬hm2的農作物受災。

災害發生后，多個國家、地區和世界衛生組織、兒基會等國際組織向受災地區發起人道主義救援。經黨中央、國務院批準，2019年3月24日應急管理部派出中國救援隊65名隊員攜帶20 t搜救、通訊、醫療等救援設備、物資前往災區，經過12 d圓滿完成國際救援任務。應急管理部在開展國際救援的同時，國家減災中心利用多源多時相衛星遙感影像，針對“伊代”開展了風險監測和應急監測。

2 國際機制響應

2.1 空間與重大災害國際憲章

《空間與重大災害國際憲章》（CHARTER）［8］目前成員16個，衛星資源40余顆，可以通過授權用戶向受到自然或人為影響的地區提供服務。2019年3月14日應莫桑比克強熱帶氣旋災害監測請求，22點04分（UTC時間）針對莫桑比克強熱帶氣旋災害啟動《空間與重大災害國際憲章》［9］，共獲取了包括Meteosat8、Landsat7、Pleiades-1A/B、Worldview-3、GeoEye-1在 內 的6顆 光 學 衛 星 和Sentinel-1A/B、TerraSAR-X、TanDEM-X、GF3、ALOS-2在內的6顆雷達衛星災后遙感影像。利用災前光學遙感衛星影像開展洪澇淹沒范圍內房屋存量提取，災后光學和雷達衛星遙感影像開展洪澇淹沒范圍、房屋倒損程度、道路、橋梁、工廠等基礎設施損毀以及滑坡等次生災害的遙感監測工作。制作衛星遙感監測產品35期，為莫桑比克提供災害應急監測產品服務。

2.2 哥白尼應急管理服務機制

哥白尼應急管理服務機制（CompernicusEMS）［10］是歐盟哥白尼計劃的重要組成部分，主要衛星資源為Sentinel系列衛星和現有商業和公益衛星組成的貢獻衛星。應莫桑比克的請求，2019年3月15日10點04分（UTC時間）啟動哥白尼應急管理服務機制（CompernicusEMS）［11］。根據災害的影響范圍，生成10個感興趣區域，利用Sentinel-1A/B、Radarsat-2、COSMO-SkyMed等災前災后衛星影像開展洪澇淹沒范圍變化遙感監測，制作完成范圍監測圖29期，同時利用Worldview-3、Pleiades-1A/B、GeoEye-1等衛星災前災后影像開展房屋、道路倒損程度遙感監測，制作完成程度監測圖12期，為莫桑比克強熱帶氣旋“伊代”帶來的嚴重洪澇災害提供衛星快速制圖服務。

3 國家減災中心衛星遙感監測

3.1 數據獲取

從2019年3月10日“伊代”命名到3月23日“伊代”殘余完全消散，以在莫桑比克中部索法拉省貝拉登陸為時間分界點，分別利用高時間分辨率光學遙感衛星影像和多源遙感衛星影像開展風險監測和應急監測。

（1）登陸前，跟蹤“伊代”實時路徑（位置和中心附近最大風力）和預報路徑，判斷可能登陸的位置和影響范圍，積極獲取非洲莫桑比克國家、省、市行政區劃數據、土地利用數據、地形地貌信息，以及多時相高時間分辨率氣象衛星影像。同時，根據“伊代”可能登陸的位置，查詢下載處理災前高分辨率光學遙感衛星影像數據，共獲取災前GF-1、GF-1C、GF6等3顆衛星影像7景（圖1，表1）。

（2）登陸后，根據登陸點位置和重點關注區域，及時制定衛星觀測計劃，提交中國資源衛星應用中心。衛星成像后，通過與中國資源衛星應用中心的專線，準實時獲取災后高分系列衛星標準一級數據產品。同時通過互聯網獲取Sentinel系列、NOAA等開源衛星遙感影像。截至2019年3月27日，共獲取災后NOAA、Sentinel、GF-1、GF-2、GF-3、GF-6等6顆衛星影像63景。（圖2，表1）

表1 強熱帶氣旋“伊代”衛星遙感數據獲取情況Table 1 Acquisition of satellite remote sensing data of intense tropical cyclone IDAI

圖1 強熱帶氣旋“伊代”衛星遙感影像分布圖Fig.1 Distribution map of satellite remote sensing images of intense tropical cyclone IDAI

3.2 數據處理

國產高分系列衛星、NOAA、Sentinel系列衛星數據處理算法的應用已較為成熟，該研究利用自主研發的數據處理系統和高分共性技術項目成果等軟件平臺，開展多源多時相遙感衛星數據的標準化批量處理。該軟件平臺具有處理環節少、時間短、效率高等優點。

3.3 監測分析

利用2019年3月14日6時17分（UTC時間）NOAA衛星的影像數據，結合“伊代”實時路徑和預報路徑，制作“伊代”路徑圖，在該時刻中心附近最大風力為150m/s，達到我國的超強臺風級，可能登陸位置為莫桑比克全國第二大經濟中心和主要港口貝拉（圖 2）。

圖2 強熱帶氣旋“伊代”路徑圖（2019年3月14日）Fig.2 Path map of intense tropical cyclone IDAI in March 14，2019

利用宮鵬繪制的10 m空間分辨率全球地表覆蓋圖（FROM-GLC10）［12］和2017年6月5日高分一號衛星遙感影像，分析法拉省中部貝拉的社會經濟現狀，如圖3、圖4所示。貝拉位于蓬圭河口北岸，布濟河以北，腹地寬廣，人口密集，森林草原資源豐富，公路、鐵路、機場等交通基礎設施發達，是非洲東海線主要的貿易港口。

圖3 重災區貝拉災前GF-1遙感影像圖（2017年6月5日）Fig.3 GF-1 pre-disaster remote sensing image of Beira in June 5，2017

圖4 重災區貝拉10 m地表覆蓋圖Fig.4 10m resolution global land cover map of Beira

利用2019年3月20日Sentinel-1雷達衛星影像和2019年3月25日GF-6和GF-2光學遙感衛星影像，對蓬圭河和布濟河沿岸的洪澇淹沒范圍進行變化監測（圖5）。監測結果顯示，索法拉省蓬圭河和布濟河兩岸大量村莊和農作物被淹沒。2019年3月25日，布濟河下游、蓬圭河上游部分區域洪水淹沒范圍消退，但大部分地區洪水淹沒時長超過6 d。

圖5 “伊代”重災區洪澇淹沒范圍變化圖（2019年3月20日和3月25日）Fig.5 Flood monitoring map of the hardest hit area in IDAI in March 20 and March 25，2019

4 結論

綜合利用多源多時相衛星遙感數據，結合行政區劃數據、地表覆蓋數據和輿情信息，針對強熱帶風暴“伊代”開展了風險監測和應急監測研究，為決策支持提供了技術支撐。后續研究中，還應在以下2個方面進一步完善。

（1）針對可能影響我國的臺風，及時關注浙江省水利廳臺風路徑實時發布系統、中國臺風天氣網、中國氣象臺臺風網等網站系統發布的路徑走勢、風力風圈、可視風場、雷達基本反射率產品、氣象衛星云圖、降水實況和降水預報等大量信息，全面跟蹤臺風變化和可能產生的影響，為制定衛星遙感數據任務規劃提供準確的技術支撐。

（2）繼續開展基于衛星遙感技術的“伊代”恢復重建進度監測工作。