高分六號衛星應急管理應用

文 | 李素菊 劉明博 武斌

1．應急管理部國家減災中心 2．航天東方紅衛星有限公司

一、前言

衛星遙感對地球的宏觀、動態、綜合和全球化觀測優勢與災害事故的覆蓋范圍廣、發生頻次高、造成影響大和援助國際化的特點高度契合，伴隨著近年來衛星遙感技術的迅猛發展，其已成為各國防災減災與應急管理的重要支撐。國內外各類衛星均將防災減災和應急管理作為主要應用領域之一，針對不同衛星特點通過一星多用和多星共用策略，可為多災種自然災害風險監測提供精準信息支持，為各類重大災害應急監測提供及時信息保障。2018年6月2日高分六號（GF-6）衛星的成功發射為我國應急管理應用增加了重要中高分辨率遙感數據源，且通過與高分一號（GF-1）衛星、環境減災二號（又稱應急減災二號）衛星組網，中分辨率數據獲取的時間分辨率達到1天，其大范圍動態綜合的觀測特點在災害風險和應急監測中具有獨特的優勢。

為系統研究GF-6 衛星在防災減災與應急管理領域的應用能力，本文根據GF-6 衛星特點，以空間分辨率、譜段設置、幅寬和重訪周期等為主要指標，對比分析國內外具有相似特點衛星并在借鑒已開展應用成果基礎上，針對我國應急管理新任務新需求，系統開展應用分析，結合國家減災中心已經形成的衛星遙感災害全過程監測產品體系框架基礎，構建基于GF-6 衛星的防災減災與應急管理應用產品體系，并在洪澇、森林火災、地震和地質災害中開展應用實踐驗證，最后結合應用需求提出進一步深化應用研究的方向與建議。

二、高分六號衛星特點與應急管理應用能力分析

GF-6 衛星配置2m 全色/8m 多光譜高分辨率相機和16m 多光譜中分辨率寬幅相機，2m 全色/8m 多光譜相機觀測幅寬95km，16m 多光譜相機觀測幅寬860km，具有高分辨率、寬覆蓋、高質量成像等特點，設計壽命8年。GF-6 寬幅多光譜相機首次實現8 譜段CMOS 探測器的國產化研制，具有從海岸藍到近紅外（0.40-0.9μm）的連續譜段，量化倍數達12bit，重訪周期4 天。

GF-6 衛星與2013年發射目前仍在軌運行的GF-1 衛星相比，軌道設計一致，載荷配置相似，技術指標進行了優化提升，其中寬幅相機由GF-1衛星的四臺拼接優化為一臺CMOS 相機，幅寬與四臺相機拼接后寬度一致，2m 全色/8m 多光譜相機幅寬提升至95km，量化比特提升至12bit。目前GF-6 與GF-1 衛星實現雙星組網。結合GF-6 衛星的多載荷特點，從空間分辨率、譜段特點及時間分辨率角度，分析GF-6 衛星在應急管理領域的應用能力，可見GF-6 衛星對于應急管理的多要素風險調查、典型目標趨勢監測和洪澇、林火、旱災等大范圍災害監測具有優勢。

從空間分辨率特點分析。GF-6 衛星可獲得地球表面2m 全色數據和基于2m 全色8m 多光譜融合的2m 多光譜數據，具有識別單體建筑物和機場、碼頭、橋梁、水庫、學校操場、水庫壩體、露天礦山、尾礦庫、化工廠、交通道路等典型基礎設施的空間位置及分布的能力，可用于重點區域相關典型承災體的快速遙感調查。基于2m 多光譜數據和深度學習方法的典型承載體目標智能提取技術發展迅速。利用GF-6的16m 多光譜數據可識別城市、城鎮、大型水庫等人工地物目標，并可以用于土地覆蓋分類，適用于全國和全球尺度的信息識別提取。遙感提取進一步與地面調查信息融合，在開展精度驗證基礎上通過空間協同可提升風險調查的精度和效率。

從時間分辨率與覆蓋特點分析。GF-6 衛星與GF-1 衛星組網運行，使16m 多光譜相機的重訪周期達1 天，2m/8m 相機的重訪能力提升至2 天，大大提高了衛星的應急能力。每天觀測一次的16m 多光譜相機特別適合于開展汛期之前針對水庫、湖泊等典型水體范圍變化趨勢監測，還可對森林火險高風險區的熱異常點進行巡查及對森林火災造成的過火面積進行估算。

三、高分六號衛星應急管理應用實踐

1. 高分六號衛星應急應用框架

2008年環境減災一號A、B 衛星的發射開啟了衛星減災業務應用的歷程，并初步構建了應用體系，2013年到2019年底高分系列衛星的陸續發射與應用，使衛星遙感技術在防災減災領域的應用進一步提升和完善，并實現了以國產化衛星數據為主要數據源。2018年4月應急管理部組建，也對衛星遙感在應急管理領域的應用提出更高的要求。在國產遙感衛星發展驅動和應急管理應用需求的牽引下，應急管理部國家減災中心初步構建了衛星遙感應急管理應用框架，形成覆蓋災害全過程的衛星遙感監測產品服務體系。GF-6 衛星的發射、測試過程正是應急管理部邊組建邊應急的時期，所以衛星在軌測試期間即開始服務于應急實戰，目前已經成為管理業務監測的重要數據源，在應急管理各階段監測業務中得到應用。GF-6 衛星應急管理應用服務框架如圖1 所示。

圖1 GF-6 衛星應急管理應用服務框架

衛星影像數據是專題應用的基礎。GF-6 衛星的多譜段、大幅寬和高輻射分辨率特點，經過幾何、輻射、融合、增強處理，可生產全國、省級和重點區域的高質量2m、8m 和16m 多光譜的影像數據產品。16m 多光譜影像數據可以開展“一帶一路”和全球影像產品生產與服務。通過與GF-1 衛星數據協同，可以實現多尺度全國數據的季度更新。進一步再與環境減災A、B 衛星組網，16m 多光譜全球數據可實現年度更新。在常態條件下為大范圍風險普查、風險監測、應急監測和恢復重建監測提供背景影像數據。在應急條件下，為獲得最新的影像數據可以只進行快速幾何處理，在一個小時內實現災區影像產品的快速生產，為應急監測提供數據支撐。此外，多時相影像產品還可以與三維數字地球模型和多源專題數據信息融合，輔助應急指揮和態勢研判。

GF-6 衛星的多譜段多空間分辨率影像為應急要素定量反演和重要信息提取提供寶貴數據源。基于8 譜段的寬覆蓋相機數據，可以進行植被指數、水體指數等大范圍長時間序列參數反演，也可以用于土地覆蓋分類和大型水體、機場、建成區、露天礦山、化工園區等地物目標的識別。基于2m 全色和8m 多光譜數據融合后的2m 多光譜影像，則具有對房屋、操場、道路、工廠等小目標承災體和尾礦庫、儲油罐、危化品工廠等安全隱患目標的識別提取能力。近年來人工智能技術在基于高分辨率遙感影像目標提取中的應用發展迅速，GF-6 衛星的高輻射分辨率也有利于提高應急目標要素識別提取的精度，全球化覆蓋能力也為全球目標的智能提取與監測奠定了基礎。

GF-6 寬幅相機的2 天重訪和2m/8m 相機的4天重訪能力，可對典型應急管理要素進行定期監測，并進一步基于時空變化分析趨勢和異常信息識別，為單災種和多災種風險監測提供參考。如汛期之前，針對洪澇易發區的湖泊、河流、水庫等典型水體范圍及其變化，利用寬幅相機可以每周開展1 ～2 次的定期監測，及時發現水面急速變化區域，同時結合降水預報和承災體情況可進一步分析識別洪澇災害風險區域。寬幅相機設置的2 個紅邊譜段可使GF-6 衛星對于森林和農作物類型、分布及長勢進行定期監測，通過旬、月和年際的長時間序列趨勢分析，并結合物候等地面信息可以對旱災風險進行預測。此外，針對高風險區域或重點區域的尾礦庫、地質災害隱患點等重點目標定期監測空間特性變化，可以作為隱患排查的一種手段，適合于人員難以到達區域的風險監測。

基于GF-6 的寬覆蓋和2 天的高重訪能力可以在應急監測中發揮重要作用。通過與其他衛星的多維協同，可以針對森林火災、洪澇、旱災、大型滑坡和地震等災害過程進行有效監測。衛星應急協同可分為時間協同、空間協同和觀測目標協同等不同的維度，多星時間協同可以縮短應急監測時間間隔和提升應急監測時效，少云白天可以與GF-1 衛星協同，洪澇等災害則多與合成孔徑雷達（SAR）衛星協同；多星多載荷空間協同可以實現對災區全覆蓋和重點區域的多次覆蓋，如利用寬幅相機的一幅圖像可以開展省域監測，而針對其中的重災區則可以用2m/8m 相機或更高分辨率衛星開展精細化監測；大的災害范圍中涉及空間分散分布和尺度不一的多關注目標應急觀測時，則需要針對多目標監測特點開展多星多載荷多模式協同，實現最快多目標觀測。

2.高分六號衛星應急應用實踐

（1）森林火災監測

森林火災突發性強、破壞性大，一旦迅速蔓延，針對森林火災的不同時空尺度的全過程監測就非常重要，GF-6 衛星在常態森林覆蓋、災后火燒范圍評估和生態恢復等階段監測方面可以發揮針對森林的高分辨多譜段識別作用，應急期間則輔助高軌高時效衛星開展協同監測。常態條件下利用GF-6 的寬幅相機可對全國的森林覆蓋區范圍、主要森林種類及其中的國家自然保護區進行及時更新，針對中俄、中緬、中哈等邊境地區的森林覆蓋情況也需要及時更新。火點的發現一般需要利用靜止軌道衛星攜帶的紅外載荷對林區高風險區進行熱異常點識別，一旦發現熱異常點則一方面利用高分四號（GF-4）衛星進行凝視觀測確認，同時協調GF-6 等更高分辨率衛星對煙點、火線、過火范圍及蔓延趨勢做更精細動態監測，救援過程中還可以基于2m/8m 影像對火場周圍一定范圍內的居住區和化工廠等重點關注目標進行監測，火災結束后可以結合災前高分辨率森林類型及分布等數據和災后GF-6 等衛星的中高分辨率數據，在精確估算過火范圍基礎上進一步開展損失評估。針對遭受森林火災的林區可以利用GF-6 衛星的寬覆蓋紅邊譜段開展月度、季度和年度的生態恢復情況監測。針對2020年3月31日云南怒江蘭坪縣的森林火災，GF-6 衛星的8m 多光譜影像可以清晰識別災區地形地貌、燃燒區域、煙霧及蔓延方向等信息。2018年6月初大興安嶺發生森林火災，GF-6 衛星正值在軌測試，利用寬幅相機假彩色影像可以清晰識別和估算過火面積（圖2）。

圖2 GF-6 衛星森林火災監測圖

（2）大范圍洪澇災害監測

GF-6 衛星的大幅寬覆蓋能力和高重訪特點對流域性大范圍洪澇災害全過程監測具有明顯優勢。汛前針對典型大型水體范圍可以開展每周、每旬的定期監測，通過與GF-1 衛星協同，可以對洪澇災害易發區內的典型水體范圍及變化進行每天監測。洪澇災害期間多云多雨情況居多，洪澇應急監測多以雷達衛星為主，GF-6 衛星可以用于偶爾天氣允許條件下的洪澇災區大范圍監測，補充提升監測頻次和覆蓋范圍，同時也可基于災害前最新的災區2m 融合多光譜影像開展洪澇范圍內受影響房屋、基礎設施、道路、圩堤等評估。洪澇退水期間，則可以開展退水及災區恢復。2020年6-9月，長江、淮河等流域發生嚴重洪澇災害，國家減災中心協調利用國內外各類遙感衛星對洪澇災區范圍和重點目標進行每天動態監測。7月13日GF-6 衛星獲得江西全省16m 寬覆蓋影像，西北局部小范圍被云覆蓋，通過利用7月14日的高分三號（GF-3）衛星進行空間協同觀測，2 天內獲得了全省洪澇范圍，有利于全面了解全省洪澇態勢。2020年7月中旬，安徽長江流域和淮河流域洪澇災害嚴重，8月初災情穩定后則需要針對不同受災程度區縣災情進行現場核查，以準確掌握災害情況。利用8月3日GF-6 衛星寬幅相機獲取安徽全境影像，直觀呈現全省洪澇區域和重災區域，為核查提供了綜合信息參考（圖3）。

圖3 GF-6 衛星洪澇災害監測圖

（3）地震地質災害監測應用

GF-6 衛星的高輻射分辨率和米級空間分辨率使其圖像清晰、層次感強、信息豐富，可以用于人工地物、自然地物等多類型地物目標的識別與提取，已經在地震和大型地質災害監測中得到應用。地質災害往往發生在山地丘陵地區，需要對滑坡體或泥石流的位置、范圍、堵塞河道或毀損道路、形成堰塞湖、對上游或下游造成影響的范圍和毀損情況進行監測。2018年11月3日， 金沙江白格段發生滑坡，滑坡體堵塞金沙江主河道，造成上游形成堰塞湖，11月8日GF-6的8m 多光譜相機對滑坡體周邊及上游堰塞湖情況進行監測，可以清晰監測到滑坡體及上游沿河70km 范圍內河道水面明顯變寬區域，沿河兩岸數十個村莊受到水面上漲而面臨被淹的危險。2018年11月12日通過在堰塞體上人工開挖泄流槽，堰塞湖開始過流，11月16日應急處置結束，險情解除。2018年12月16日的GF-6 衛星8m 多光譜圖像仍清晰監測到滑坡位置和上游逐漸恢復的水面寬度。重大地震災害往往造成建成區破壞嚴重，集中被毀損區域紋理變化明顯，2018年9月28日印尼中蘇拉威西省發生7.4 級地震并引發海嘯，造成2000 多人死亡上萬人受傷，強震后引起土壤液化，大量村莊和建筑物沉沒。GF-6 衛星于10月6日對重災區進行監測，并與災前的高分辨率影像進行對比，可見觸目驚心的土壤液化區域和粗略估計被毀的上千棟房屋（圖4）。

圖4 GF-6 衛星地質和地震災害監測圖

四、結論與展望

GF-6 衛星作為繼GF-1 衛星之后的第二顆中高分辨率高分系列光學衛星，已經成為應急管理業務監測的穩定數據源，已經納入監測業務體系并在各階段得到應用。通過對GF-6 衛星的各項指標分析，進一步與GF-1 衛星和兩顆國際常用衛星（美國的Landsat-8 衛星、歐洲的Sentinel-2 衛星）指標比較，綜合考慮GF-6 衛星的空間分辨率及在可見光到近紅外譜段范圍內的指標配置與國際同類衛星相當，覆蓋范圍和重訪觀測能力方面優勢明顯。GF-6 的多分辨率多譜段設置與寬覆蓋能力使其在應急管理的常態影像生產、要素監測、風險監測、應急監測與恢復重建監測方面均得到應用，針對森林火災、流域洪澇等可以在全過程監測中發揮有效作用。特別是GF-6 衛星的發射測試時期正是應急管理部邊組建邊實戰的關鍵時期，其在測試期間已經通過多星協同針對大型地質災害、森林火災及國際災害開展監測應用，在2020年的防汛救災中更是發揮大范圍省級覆蓋監測的優勢，充分證明了GF-6 衛星對應急管理監測業務工作的有效支撐。

進一步可在不同應急場景下，研究GF-6 衛星與其他多源衛星在風險監測與應急監測中的協同策略，使得在空間協同覆蓋、時間協同應急和要素協同識別方面更加科學有效，提升多星在應急管理領域的綜合應用成效。特別是2020年9月27日發射的環境減災二號A、B 衛星目前仍在軌道測試，具備與GF-6、GF-1 的組網能力，實現國內每天16m重訪和全球快速覆蓋的能力，4 顆衛星組網后對應急管理監測業務的模式、內容與效率方面的拓展優化有待進一步分析挖掘和固化，同時應大力加強對“一帶一路”沿線國家和地區的防災減災應用、仙臺減輕災害風險框架指標監測及應急監測服務方面的應用研究。