衛星遙感應急管理應用框架

文 | 李素菊 劉明 和海霞 劉明博應急管理部國家減災中心

一、引言

災害及其風險是人類面臨的共同挑戰，空間維度分布范圍廣、類型多、影響復雜，時間維度具有孕育發生發展演變規律和不同頻次出現的特點。衛星遙感的宏觀、動態、綜合、長時間序列地球觀測優勢與災害的時空演變特點高度契合，自1972年世界上第一顆地球觀測衛星發射運行以來，應急管理一直是重要應用領域之一。近年來隨著遙感衛星數量迅猛增加和衛星遙感技術不斷發展，衛星遙感已經成為世界各國防災減災和應急管理的重要支撐。《減輕災害風險仙臺框架2015-2030》明確提出充分利用衛星遙感數據和技術加強理解災害風險，2000年以來全球和區域層面出現多個衛星減災合作機制，如聯合國災害管理與應急反應天基信息平臺、空間與重大災害國際憲章、全球地球觀測組織仙臺減災框架優先發展領域、歐盟哥白尼應急管理服務，美國、俄羅斯、日本等國家均依托其本國衛星資源并結合其他開放衛星資源建立衛星應急管理信息服務平臺。隨著衛星遙感與信息化技術的融合創新發展，衛星應急管理應用日趨科學、精準并呈現全球化監測、全過程覆蓋和智能化服務趨勢。

我國是世界上自然災害最為嚴重的國家之一，同時也是航天大國，目前在軌遙感衛星數量位居世界第二，一貫高度重視衛星應用支撐應急管理工作。20世紀90年代以來，伴隨著我國應急管理能力的不斷提升和衛星遙感技術的持續發展，衛星遙感在應急管理領域的應用也經歷了從科學研究到形成業務支撐能力并不斷完善發展的過程。特別是2018年應急管理部組建，整合了11個部門的13項職責，業務涉及防災減災救災、安全生產和應急救援等領域，正在大力推進國家應急管理體系和能力現代化，極大推動了衛星遙感在該領域的應用與發展。

二、衛星減災應用發展歷程

我國的衛星應急管理應用是與國家空間技術和大災應急實踐相伴發展的，記錄了汶川地震等重特大災害發生發展的歷史，也見證了國家災害管理工作從救災到應急管理的巨大轉變（圖1）。國家應急管理需求是衛星應用發展牽引，自“ 十一五”起，國家綜合防災減災規劃就將衛星減災應用作為重要內容，先后提出衛星減災建設工程、環境減災衛星星座建設工程和民用空間基礎設施減災應用系統工程等重大項目，統籌推進防災減災衛星與應用系統建設。國產衛星資源是應急管理應用發展驅動，自1988年我國發射第一顆國產氣象衛星風云一號以來，經過30多年發展，目前已經形成氣象、海洋、資源、環境減災、高分等多個系列民用衛星，為應急管理應用提供了豐富的衛星遙感數據資源，特別是2008年環境與災害監測預報小衛星星座A、B（簡稱環境減災一號A、B, HJ-1A/B）和2011年環境減災一號C衛星的相繼發射與減災應用系統的建設運行，開啟了衛星減災業務化建設歷程。針對重大災害應急高時效需求，應急管理部國家減災中心還建立民用、商業和國際等衛星數據獲取機制，可協調獲取數十顆衛星的數據資源，實現重大災害的動態觀測能力[1-2]。

圖1 衛星減災應用發展歷程示意圖

我國的衛星應急管理應用根據衛星資源和支撐能力可以分為四個階段：第一階段環境減災衛星發射之前，以國際衛星資源為主，應用以大災遙感監測科研為主，尚未形成穩定業務支撐能力；第二階段依托環境減災衛星及其應用系統建設，初步形成減災應用體系，并初步搭建業務體系，形成重大災害監測評估產品業務服務能力，應急觀測時效平均2～3天；第三階段依托高分衛星和高分災害監測與服務示范系統一期項目，形成高分災害監測服務能力，減災應用產品體系、業務模式、標準規范和技術體系更加完善，衛星應急觀測時效平均1天一次；第四階段，應急管理部成立以來，著力強化風險監測和應急救援應用，進一步創新完善衛星數據資源獲取機制、產品體系和技術流程，初步形成應急管理全過程監測產品體系，針對重大災害事故實現中分辨率小時級應急監測和高分辨率平均每天2次動態監測能力[3]。

重大災害應對需要衛星遙感信息支撐，也推動了衛星應用能力提升，經歷了衛星資源從依靠國際衛星到國產衛星為主，服務業務從災后評估為主到應急管理全過程的轉化。2008年汶川地震應急期間，國家減災中心協調了來自12個國家24顆衛星的1000多幅影像，開展了100余期的災害監測與損失評估產品服務，創造了針對一次大災全球衛星應急監測數據量的紀錄[4]；2010年玉樹地震和舟曲泥石流災害應對期間，利用環境減災衛星和國際高分辨率衛星數據，通過空天地協同開展災害范圍和房屋等實物量損毀精細監測評估；2014年魯甸地震期間，利用環境減災衛星和高分一號衛星，一周之內完成災區滑坡、堰塞湖等次生災害監測評估工作；2018年10-11月利用國產衛星對雅魯藏布江和金沙江的滑坡災害每天平均2次針對災區開展堰塞體、上游堰塞湖范圍、救援場景和下游受災情況等開展動態變化監測，實現優于1天的高分辨應急監測能力；2019年山西沁源森林火災和2020年四川木里火災利用國產多源衛星針對全災區開展平均2～3小時的熱異常區域、火點、火線、過火面積等的動態監測，實現最快從數據申請到產品服務優于2小時的應急服務能力。

三、衛星遙感應急管理應用框架

1. 應急管理應用需求

應急管理業務覆蓋范圍廣、涉及領域多、時效要求高、信息要求精，與衛星遙感的宏觀、綜合、動態和精準觀測特點相契合。應急管理空間范圍不但覆蓋我國全境，還承擔國際救援職責，需要掌握全球國際災害事件信息，需要利用衛星遙感進行大范圍和全球化觀測。應急業務涉及森林草原火災、洪澇、干旱、地震、地質等自然災害防治，危化品、煤礦、非煤礦山、尾礦庫等安全生產重點領域監管，應急力量、資源指揮調度與組織保障等，需要利用多源衛星遙感對各領域要素進行識別與監測。針對災害事故的應急處置，時效是第一要求，特別是在人員和地面通信難以到達的區域，第一時間獲取災區衛星遙感信息，快速判斷災害情況是科學應急響應的基礎，應急救援過程中也需要對災區態勢進行全景動態監測，要求多星協同動態對災區進行全天候、全天時監測。精準應急管理要求信息的高精度和準確性，特別是對重大風險和隱患的識別與預測，需要對變化的敏感監測和發展趨勢的定量判定，要求長時間序列和新型遙感手段的精細感知應用。

2. 應用體系框架

衛星遙感應用是應急管理信息化發展的組成部分，是一項系統工程。從框架總體來看，需要功能包含信息化全流程，內容覆蓋應急管理全領域，建設運行需要衛星資源、軟硬件設施與軟環境保障。從流程角度包含數據獲取到產品服務全鏈路各環節，數據環節包括數據獲取、處理、管理等數據治理內容，為應用提供有效數據支撐；信息環節包括提取、分析和綜合研判等過程，是應用的核心內容；產品環節包括產品生產、服務與用戶管理等內容，是應用的成果體現。從業務內容角度覆蓋要素監測、風險監測、應急監測和恢復重建監測全過程，分別直接支撐風險調查、風險評估、應急處置和救助保障等應急管理業務，服務于國家應急管理能力建設和全球減災框架。運行保障方面，應急專用衛星或共享資源數據源是應用的輸入和基礎，軟硬件設施是應用的承載與支撐，相應的技術體系、產品體系、標準規范和機制保障是業務運行的軟環境保障。衛星遙感應急管理應用框架見圖2。

圖2 衛星遙感應急管理應用框架

3、衛星遙感應急管理應用與服務

衛星遙感可為防災減災救災、安全生產和應急救援管理提供全過程監測信息支撐。常態條件下，利用應急管理衛星、高分、資源等衛星數據和開放衛星數據定期開展要素監測、風險監測和恢復重建監測；應急條件下，利用應急管理衛星數據和其他協調獲取的數據資源，開展動態災害應急監測，為國家應急管理提供支撐的同時也服務于國際減災合作。

1）防災減災救災應用。一是支持開展全國災害風險調查，可提供統一時點的全國陸域亞米級衛星影像作為調查底圖，結合特征解譯及人工智能技術進行典型要素識別提取，作為地面調查的補充與校核；二是基于多源信息匯聚綜合、同化耦合和時空趨勢分析技術方法開展多災種災害鏈風險綜合監測、重點區域特定風險持續監測和應急過程風險趨勢動態監測；三是針對各類自然災害的發生位置、影響范圍、影響要素和發展態勢開展動態監測；四是針對重大災害受災區域可定期開展長時間序列恢復重建和生態、社會恢復情況監測。

2）安全生產應用。衛星遙感可為安全生產隱患排查、風險防控、安全監管及事故災難應急提供信息支持。一是針對危化品生產安全，可利用高分辨率光學衛星監測全國危化企業及典型設施空間格局，化工企業、油儲庫周邊及輸油管線兩側安全距離范圍內的重點目標類型、位置、分布、數量等；二是針對礦山安全生產監管，可通過礦山動態監測，識別人為活動信息，對企業開工情況進行監管，利用差分干涉合成孔徑雷達（SAR）技術監測礦山地表形變情況，利用紅外探測煤礦自燃等；三是針對事故災難，通過爆炸事故前后影像對比，確定爆炸范圍、影響設施及動態變化情況，還可針對尾礦庫溢出或潰壩位置、影響范圍及動態變化情況進行監測。

3）應急救援應用。應急救援需要多星協同、多方聯動，在最短時間內獲得全場景全過程信息，為應急救援實施提供信息保障。在具體應用上，一是結合三維數字地球模型和多源多時相衛星數據，進行救援場景構建和實景動態信息更新，為應急救援指揮決策提供直觀信息支撐；二是針對人員尚未到達現場或遠程通信終端的極端情況，基于災后災區遙感監測信息，初步判定重災區和救援重點區域；三是救援過程中可開展災區及周邊救援裝備與物資分布及動態變化情況監測，為物資調配提供信息服務；四是針對應急救援過程，可利用動態遙感監測信息開展宏觀態勢分析與研判。

4）全球監測服務。衛星遙感具有全球化監測能力，為全球災害監測服務奠定了基礎。國家減災中心是全球衛星應急機制的組成部分，已經為全球30多個國家的50多次重大災害提供衛星應急監測服務，其中應急管理部組建以來已為13個國家的13場重大災害開展監測服務。隨著國產衛星資源增加，應進一步加強國際服務能力：一是在全球衛星影像積累基礎上，針對特定國家或區域及時更新高分辨率國產衛星影像，可作為合作資源之一；二是基于人工智能等技術，針對災害風險典型要素和應急管理典型目標進行提取分析與監測，為應急管理國際救援提供信息支持；三是針對全球重大災害，積極通過多雙邊合作機制開展全球服務，在發揮國產衛星效益的同時，積極支持全球衛星減災框架，服務于“一帶一路”倡議。

四、衛星遙感應急管理應用實踐

1. 多災種綜合風險監測

針對我國自然災害分布廣、種類多和經常存在多災并發連發的特點，匯聚相關部門發布的森林火災、山洪、暴雨等災害預警信息可以發現災害多發并發區域，利用美國國家航空航天局（NASA）火災信息管理系統發布的熱異常信息和火險區域進行疊加分析，可確定森林火災重點觀測區域；利用高分四號衛星數據對森林火險區的熱異常點進行監測，可進一步核實確認火情信息，并對發展趨勢進行研判。考慮不同季節，針對海冰、冰凌、地質災害隱患點、典型水體、重要基礎設施等風險重點關注區，利用高分衛星開展定期監測，可及時識別變化，發現異常，為風險預警防范提供有效信息。全國綜合災害風險監測圖見圖3。

圖3 全國綜合災害風險監測圖（2019年2月11日）

2. 災害事故應急監測

利用多源衛星數據可針對自然災害和安全生產事故及救援過程開展動態監測。如森林火災方面可對森林資源狀態、火點識別、火情態勢、過火范圍、發展趨勢及恢復情況的全過程進行監測，圖4是針對2020年5月四川涼山州森林火災開展的全過程遙感監測。針對防汛抗旱應用，洪澇災害可利用衛星遙感監測洪澇范圍、受影響建筑物和基礎設施、洪澇范圍變化與恢復情況，圖5是利用災前的高分一號衛星數據和災后哨兵一號、高分三號衛星數據對2019年7月江西撫州洪澇范圍變化進行監測。針對旱災可開展土壤墑情、典型水源地水體范圍變化、植被長勢、旱災范圍等監測，圖6是針對2018年上半年的阿富汗旱災，利用高分一號、四號衛星開展典型水體范圍變化和植被指數變化監測。圖7是針對地震地質應用，可開展地震災害影響范圍、毀損基礎設施、倒塌建筑物及滑坡、堰塞湖等次生災害監測。圖8是針對地質災害，可利用高分辨率衛星遙感對災害位置、影響范圍、毀損基礎設施等信息進行監測。圖9是對作業現場進行監測。

圖4 2020年5月四川涼山森林火災遙感監測圖

圖5 2019年7月江西省撫州市臨川東鄉一帶洪澇淹沒范圍遙感監測圖

圖6 2018年6月阿富汗旱災監測圖

圖7 2017年8月四川九寨溝地震過程監測圖

圖8 甘肅省舟曲縣東山鎮下莊村滑坡遙感監測圖（2019年7月25日）

圖9 金沙江白格11.3堰塞湖救援作業區遙感監測圖（2018年11月9日）

危化品爆炸和尾礦庫潰壩是容易出現的安全生產事故。化工廠爆炸事故不但對周圍建筑物和設施造成嚴重毀損而且還會產生有毒物質溢出擴散, 人員第一時間難以進入現場。圖10是2019年7月19日河南三門峽義馬氣化廠“7·19”重大爆炸發生后，利用衛星遙感手段，通過對比分析初步確定爆炸影響的范圍和設施。尾礦庫尾礦砂泄漏或潰壩也是容易出現的生產事故，會對下游造成沖毀威脅和嚴重污染，圖11是利用高分一號衛星對黑龍江省伊春鹿鳴礦業尾礦庫泄漏造成下游河流污染情況進行監測,污染河流清晰可見。

圖10 河南三門峽義馬氣化廠爆炸事故遙感監測圖

圖11 黑龍江伊春鹿鳴礦業鉬礦尾礦庫溢流遙感監測圖

3.災區恢復重建監測

災害事故對建筑物和基礎設施造成的嚴重毀壞需要重建,造成的社會服務中斷和生態破壞需要恢復,重特大災害特別是地震造成的嚴重破壞和影響甚至需要數年才能完成重建和恢復，及時掌握恢復重建情況，有助于合理安排轉移安置、人員救助和部署災區生產生活恢復。陸地衛星具有近50年的應用歷史，保存的全球陸表數據記錄了許多大災發生的歷史，也為定期開展災區重建和恢復情況的監測提供了數據積累。圖12是2008年汶川地震4天后的衛星影像，可見震中映秀鎮的建筑物幾乎全部毀壞、道路中斷、山河破碎，2015年的衛星影像則可見重建的城鎮建筑和學校、道路等設施，山川被蔥郁植被覆蓋，生態得到恢復。

圖12 2008年汶川地震災區映秀鎮災后4天和7年重建恢復對比

4. 國際災害事故監測

世界各國均面臨災害事故的風險挑戰，但遙感衛星資源卻集中在少數具有航天能力的國家，所以針對國際重大災害開展衛星數據共享和監測服務是遙感應用合作最為活躍的領域之一，在全球和區域層面出現了一些專門合作機制，推動重大災害衛星應急國際服務[5]。隨著我國國產衛星資源逐漸豐富，國家減災中心將國際災害納入日常監測，并通過多雙邊合作機制開展服務，也為國家應急管理提供信息借鑒。2019年9月，老撾南部因臺風造成洪澇災害，圖13是國家減災中心利用高分三號衛星多時相數據對洪澇范圍及變化進行監測。圖14是針對2019年3月伊朗北部的嚴重洪澇災害，利用高分二號衛星對洪澇影響的城鎮進行監測。

圖14 伊朗北部洪澇災害遙感監測圖（2019年3月29日）

五、衛星遙感應急管理應用趨勢

衛星遙感應急管理應用是衛星發展、管理需求和技術創新綜合作用的結果，經過20多年的發展已經成為我國防災減災救災工作的重要支撐。當前我國正值國產衛星迅速發展、應急管理現代化建設和信息化技術創新的交匯發展關鍵期，也是全球減災框架實施第一個五年周期即將完成之際，衛星遙感應急管理應用的發展面臨重大機遇。在此背景下，應急管理應用將依托國家民用空間基礎設施建設，以應急管理現代化建設需求為牽引，強化新一代信息化技術融合創新驅動，推動新型衛星應用、海量數據治理、風險監測預警和全球化服務發展，這將是衛星遙感應急管理應用的發展趨勢。

1）新型衛星應用方面。我國民用空間基礎設施正在加快實施且逐漸形成全譜段、高分辨、全天候、全天時、體系化和通導遙融合發展特征，衛星觀測模式走向協同，觀測時效趨于實時，新型載荷和多型組合載荷不斷出現，觀測精細化能力增強。需加強與新型衛星相匹配的星地協同處理、新體制SAR、微光、高光譜、紅外及多型載荷的綜合處理與分析應用，發揮多星協同綜合應用效益。

2） 海量數據治理方面。隨著衛星數據量呈現指數式增長，全國年度新增數據量達PB級，全球數據總量已達EP級，利用云計算和大數據的理念與技術，構建衛星遙感大數據治理體系成為全球風險治理的重要保障，強化數據處理水平提高數據質量，在實現接入、處理、存儲與服務功能的同時開展分析就緒數據服務，提高數據利用率。

3）風險監測預警方面。精準風險監測預警是科學風險防范的基礎。將災害風險機理、演化規律與理論模型與遙感技術融合，發揮衛星遙感長時間序列、宏觀和精細化監測數據優勢，支持開展災害機理和發展規律的研究，進一步融合遙感與信息化技術，在風險監測水平基礎上開展災害模擬和風險預測，提高預警水平。

4）全球化服務方面。衛星遙感的全球化觀測能力使其成為推動全球減災框架實現的重要支撐，成為本已活躍發展的國際衛星減災合作領域的一致目標，也成為相關國際機制或組織的優先發展領域，并呈現依托合作機制建立服務平臺，在全球、區域、國家和地方等層面開展咨詢、數據、產品、技術和能力建設等內容的多維體系化全球服務趨勢。