環境減災二號A/B衛星應急管理應用研究

李素菊 魏振寬 王平 胡凱龍 劉明

(應急管理部國家減災中心, 北京 100124)

遙感衛星是國家災害事故監測預警網絡的重要組成部分[1]，憑借其對地觀測的大范圍、長時序、多模態的獨特優勢，已經在事故災害災前監測預警、災中應急救援和災后調查評估等應急管理業務中發揮重要作用。多源可持續的衛星資源是衛星遙感應急管理業務化應用的基礎，遙感衛星的數量、種類與響應機制是應急服務時效與監測能力的決定因素[2]。全球有效運行的衛星監測服務系統均具有穩定并不斷發展的衛星數據源[3]。空間與重大災害國際憲章具有全球17個航天機構的270顆衛星的數據源，自2000年運行以來已經針對131個國家的756次災害開展應急監測。歐盟哥白尼的應急管理服務項目以“哨兵”(Sentinel)系列衛星作為主要數據源并已經形成全球干旱、林火、洪澇監測預警和災害應急監測服務能力[4]。

2008年9月6日環境減災一號A/B衛星的成功發射與減災應用系統的建設，開啟了我國衛星遙感減災業務應用的篇章，其10余年的不斷發展，遙感衛星資源不斷豐富，面向國家應急減災的遙感衛星與衛星遙感體系初步成型[5-6]。環境減災二號A/B衛星作為環境減災一號A/B衛星的后續業務衛星，也是國家民用空間基礎設施中長期發展規劃實施以來首批建設的業務衛星項目之一，在載荷設計、平臺配置、多星協同等方面性能均有明顯優化與提升[7]。自2020年9月27日成功發射以來，經過在軌測試和實際應用，其多載荷、大幅寬、高重訪的觀測能力在綜合災害風險監測和大范圍應急監測中的優勢初步體現。自2015年立項建設到2022年初業務使用，經歷了我國防災減災救災能力建設轉型與應急管理體系改革的重大階段，應急管理體系建設也對環境減災衛星發展與應用提出了更高要求。本文在回顧環境減災二號A/B衛星工程論證建設與測試應用歷程、比較分析同期中分辨光學衛星指標性能及特點基礎上，從載荷、單星、多星等不同層面，系統分析了兩顆衛星針對九類應急管理典型場景在不同應急管理階段的應用能力，結合國家應急管理能力現代化建設使命要求，進一步分析了投入業務應用后提升監測預警與應急減災應用成效的具體建議與措施。

1 衛星項目情況

環境減災二號A/B衛星項目是《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃(2015-2025年)》實施建設的中分辨率遙感衛星任務之一，主要面向國家應急管理、生態環境等重大應用需求，兼顧自然資源、水利、農業農村、林業草原、地震等行業業務需求，研制發射2顆光學衛星，接替環境減災一號A/B衛星，滿足國家在相關領域的中分辨率光學衛星數據持續供給的需求。衛星工程由衛星系統、運載火箭系統、發射場、測控系統、地面系統、應用系統等六大系統組成，自2015年工程啟動到投入業務使用至今歷時近7年，在各方的大力協同配合下，衛星工程實施進展順利，目前衛星運行狀態穩定，持續地獲取地球陸表多模態光學衛星數據。

根據工程實施情況，總體過程可劃分為三個階段：第一階段2015-2016年論證期，主要開展工程的論證立項與初步設計工作，2015年衛星工程可行性研究論證工作啟動，2016年衛星工程可行性研究報告和初步設計先后得到批復；第二階段2017年到發射前為工程建設期，各系統組織開展研制、測試與集成工作，其中2020年7月28日和8月17日，運載火箭系統與衛星系統先后通過出廠評審；第三階段發射到投入使用前為測試期，2020年9月27日兩星成功發射，接續開展在軌測試，2021年1月完成與高分一號、高分六號衛星組網調軌，2021年7月衛星工程通過在軌測試總結評審，隨后進入實際應用測試階段，2022年1月衛星工程完成在軌交付轉入業務使用階段。

環境減災二號A/B衛星工程建設時期也是推進我國防災減災救災轉型發展的關鍵時期，2016年12月《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》強調“兩個堅持、三個轉變”的防災減災救災指導思想。2018年4月，應急管理部組建，強化了應急工作的綜合管理、全過程管理和力量資源的優化管理，當前正在積極推進應急管理體系和能力現代化，對衛星應用能力提出更高要求。為強化環境減災二號A/B衛星應用工作，2019年應急管理部支持建設國家減災中心防災減災與應急管理衛星綜合應用系統，初步實現衛星研制與應用同步，應用系統本著邊建設邊應用原則，有力支撐衛星應急應用的在軌測試、專題服務和日常監測，目前針對環境減災二號A/B衛星數據，已經具備管理處理、信息提取、分析服務等業務化監測能力，形成應急管理應用產品體系，并在2021年河南鄭州“7·20”特大暴雨災害和冬奧會賽區的災害綜合風險監測中發揮有效作用。

圖1 環境減災二號A/B衛星項目歷程Fig.1 History of HJ-2A/B satellites project

2 衛星觀測特點

面向應急管理的遙感衛星觀測能力主要考慮觀測要素、觀測精度、覆蓋寬度、重訪周期等因素，其中觀測要素和觀測精度決定典型要素的識別能力，主要取決于衛星的載荷類型、譜段設置和空間分辨率，覆蓋范圍和重訪周期決定了災害風險監測頻次和應急響應時效，主要取決于軌道設計和組網策略。環境減災二號A/B衛星在繼承環境減災一號A/B衛星的多載荷、大幅寬、雙星組網等特點基礎上，全面優化設計，實現雙星載荷配置一致，可見光、紅外和高光譜載荷的光譜范圍、光譜分辨率、空間分辨率、量化位數等指標均有較大提升，并與在軌高分一號、高分六號衛星組網實現16 m相機1天全球覆蓋，觀測能力大幅提升。與在軌其他國內外常用的同類中分辨率衛星相比，環境減災二號A/B衛星在多模態、全譜段、大覆蓋、高重訪觀測方面具有明顯優勢。在軌同類衛星主要指標表見表1。

從單型載荷看，環境減災二號A/B衛星的可見光多光譜相機可用于大范圍地表覆蓋與土地利用情況監測，進一步還可以開展水體、植被、冰、雪等自然要素及建成區、大型水庫、露天礦山等人工地物目標識別與分布情況監測。覆蓋近中長紅外譜段的紅外相機則在土壤濕度、地表溫度反演和熱異常點識別方面具有監測優勢。高光譜相機則可用于森林、農作物、露天礦物等類型的精準識別。3個載荷協同對同一區域進行同步多模態觀測，通過數據處理與信息融合，可實現對同一區域的地表環境、精細地物分類、大型目標位置形態等幾何特性、地表溫度與土壤濕度等物理特性的多維監測。雙星協同則具備全球范圍2天一次的重訪能力，再加上與高分一號、高分六號等4星協同具備每天1次的重訪能力。環境減災二號A/B衛星的高效多維觀測能力，為常態條件下全球、全國、重點區域的地表環境與典型要素的定期監測提供條件，應急條件下，通過與其他衛星協同，可提升洪澇、林火等大范圍災害事故的監測時效與頻次。

表1 在軌同類衛星主要指標表Table 1 Main indicators of similar satellites in orbit

3 應急管理應用

衛星遙感應急管理應用主要由4部分組成：①應急管理業務場景，是衛星應用的目標，也是衛星觀測規劃的依據，主要涉及自然災害和安全生產領域的常態監測和應急監測兩類場景；②遙感衛星資源，是應急管理應用的基礎與輸入，其類型不同觀測能力也不同，應急條件下通常多星協同使用，提升綜合觀測能力；③應用系統，是衛星應用服務的載體，需具備數據接入管理、信息處理分析、產品生產服務等全鏈條功能與技術實現；④機制模式，是應急應用的保障，也是衛星遙感在應急管理領域實現高效、規范、業務化應用的關鍵，通常涉及業務流程、服務規范、協調機制和有關政策等。衛星類型與觀測能力不同，其數據的模態、格式、規模不同，處理分析方法和產品服務模式不同，適用應用的業務場景有所區別，如圖2所示。

圖2 環境減災二號衛星應急管理應用構成Fig.2 Composition of emergency management application of HJ-2A/B satelltes

3.1 應用場景

衛星應用以要可識別要素為核心，在對其有關屬性進行識別提取、變化檢測、趨勢分析基礎上結合實際業務場景開展具體應用。環境減災二號A/B衛星的中分辨率、光學多模態遙感、大范圍覆蓋、2天重訪和全球觀測特點，使其在以水體、植被、冰雪、溫度熱異常、土壤濕度等要素為核心的洪澇、森林草原火災、干旱等相關自然災害風險要素識別、定期監測和災害范圍及變化的動態監測中具有明顯優勢，同時，還可以用于全球、全國、重點區域的建成區、堰塞湖、大尺度滑坡、大型尾礦庫、水庫、露天礦山等地物目標的大范圍定期更新，應急條件下可用于對災區相關要素的快速識別與變化檢測等方面，同時，其每2天的全球觀測能力使其在國際大范圍災害監測方面具有特色。衛星應用還可以與其他衛星數據融合，提升信息識別精度與應急協同時效。

3.2 應用系統

針對環境減災二號A/B衛星大數據量、模態多樣、場景復雜和業務化服務特點，國家減災中心已經初步建成應用系統并具備業務化服務能力。系統采用私有云計算架構研發，強化了數據自動接入管理、高效處理分析和穩定監測服務等能力。系統總體框架分為四層，其中：①平臺層具備PB級存儲與高性能計算等系統支撐功能；②數據層實影像數據的自動接入、高級處理與綜合管理功能；③業務應用層包括要素目標監測、風險綜合監測和災害應急監測等三類主體業務；④服務層則包括產品制作、可視化表達與多平臺接入等能力。針對環境減災二號A/B衛星數據特點，常態條件下的數據規模化高精度處理、典型要素信息的精準高效提取、風險隱患信息遙感識別等技術是關鍵，分別支撐多模態高精度影像產品生產、應急管理典型要素監測和綜合風險監測業務應用；應急條件下災區環境減災衛星數據的快速處理、信息融合分析與產品即時服務等技術是關鍵。

3.3 服務產品

從產品形式劃分，環境減災二號A/B衛星在應急管理領域的應用產品按照處理分析可以分為數據產品、信息產品和專題產品等三類。數據產品基于不同載荷遙感數據經過正射校正等處理生產，主要產品包括年度全球16 m可見光多光譜影像產品，季度全國、重點區域的16 m多光譜影像和紅外影像數據產品，重點區域的年度高光譜影像產品。信息產品基于遙感數據經提取或反演的地物目標或參數指數類信息，包括地表覆蓋和典型承災體地物目標，以及火點、滑坡體、尾礦庫等災害隱患要素類信息，和植被指數、水體指數、土壤濕度、地表溫度等參數信息。專題產品包括以環境減災二號A/B衛星數據為主要數據源的單災種風險監測、以衛星信息產品為補充數據源的綜合風險監測產品和以衛星為協同資源的應急監測產品。

3.4 機制模式

與衛星特點相適應的運行機制與服務模式，是保障衛星應急應用業務化與遙感服務高效精準的關鍵。針對環境減災衛星二號A/B衛星與應急管理業務場景，已經建立覆蓋業務需求提出、衛星數據申請獲取、產品生產服務、定期評估反饋等環節的閉環運行機制，并對其中每個環節的責任主體、工作內容、工作要求予以明確，為衛星監測產品的穩定可持續提供保障。運行模式方面，針對應急管理常態與應急兩種場景和環境減災二號A/B衛星穩定數據獲取與大范圍動態觀測能力，建立了數據驅動的風險定期監測業務模式和事件驅動的衛星應急監測模式。

4 應用案例

環境減災二號A/B衛星從在軌測試階段開始即結合應急管理實際開展監測應用，一年多來，已經在黃河冰凌等典型災害風險要素監測、洪澇等大范圍災害應急監測和冬奧會賽場安全保障監測中作為主要或補充數據源得到應用。

4.1 黃河寧蒙段冰凌動態監測

黃河寧蒙段地處河套平原，受緯度差異、同期上下游溫差大、封開河倒序等因素影響，冬春季容易發生凌汛災害，是黃河防凌的重要河段，及時掌握河道結冰情況可為防凌工作提供直觀信息參考[8]。2021年12月22日—2022年3月8日，利用環境減災二號A/B衛星的可見光多光譜相機的大幅寬影像數據，并結合高分一號和高分六號衛星的寬幅相機影像數據，對黃河寧蒙段的封河和流凌情況進行了8次不定期監測，其中環境減災二號A/B衛星監測6次，高分一號和六號衛星各監測1次，如圖3所示影像上可清晰識別完全封凍、部分封凍河段和遍布其中的流凌河段，監測發現封河初期封凍河段較短而流凌河段較長，封河中期封凍河段較長而流凌較少。由此可見，環境減災二號A/B衛星作為主要數據源可以對大范圍、持續數月、每天動態變化的黃河冰凌情況開展業務化監測。

圖3 黃河寧蒙段冰凌動態監測Fig.3 Dynamic monitoring of ice jam of Yellow River

4.2 國內外重大災害應急協同監測

環境減災二號A/B衛星的大幅寬、48 h重訪、全球化監測、組網觀測等使其在國內外洪澇、林火等大范圍災害動態監測中具有優勢。2021年7月17—23日，河南省因極端暴雨導致嚴重城市內澇、河流洪水、山洪滑坡等多災并發，造成重大人員傷亡和財產損失[9]。國家減災中心啟動多源衛星應急監測機制，利用環境減災二號A/B、高分一號系列、高分三號、高分六號、哨兵一號等10顆衛星，7月21日—8月1日連續12天，以鄭州市及周邊和河南中北部區域洪澇災情為重點開展每日動態監測，其中7月24日和31日環境減災二號B星和A星分別獲取災區有效數據，主要對河南中北部的洪澇范圍進行監測，并分別與2 m分辨率的高分一號C和高分一號B衛星協同，同時對潰堤漫堤、被淹城鎮村莊等情況開展精細監測。如圖4所示，每日監測產品為河南暴雨洪澇災害的總體態勢及重災區研判提供參考。

2022年5月18日，巴基斯坦俾路支省萊曼山區發生山火，20日附近山區出現第2個火場，該地區是全球最大的松子產地[10]，火災燒毀大面積森林并造成3人死亡3人重傷。利用5月18日高分一號、5月20日和24日高分六號和5月23日環境減災二號B衛星數據，國家減災中心對第2個火場進行動態監測，可清晰識別火點、火線、煙霧及蔓延方向、火燒跡地面積等信息，并對火災發生發展進行全過程監測。如圖5所示，動態監測產品為國際應急救援決策提供有效信息參考。

圖4 河南洪澇災害范圍監測Fig.4 Monitoring of flood disaster scope in Henan province

圖5 巴基斯坦火災動態監測Fig.5 Dynamic monitoring of forest fire in Pakistan

4.3 北京冬奧會賽區安全保障自然災害綜合風險監測

2022年北京冬奧會場館設在北京市區、延慶和河北張家口的兩地三個賽區，自然災害風險監測預警是冬奧賽區安全保障的任務之一，針對賽區內可能存在的森林草原火災、低溫雨雪冰凍、地震地質、洪澇、干旱等自然災害風險[11]，自2021年初起，即利用長時序多源衛星數據定期開展自然災害綜合風險遙感監測，其中利用環境減災二號A/B衛星的多模態遙感特點，基于其紅外數據主要開展了賽區的地表溫度反演、積雪范圍監測和熱異常點識別(圖6)；基于可見光多光譜數據，結合高分一號和高分六號衛星寬幅相機數據，對密云水庫、官廳水庫近5年同期的水面面積及變化情況開展定期監測(圖7)。業務工作中，衛星任務規劃采用定期定點觀測模式，產品生產按照數據驅動的基本要素定量提取與定期動態監測服務模式，對環境減災衛星針對固定區域的多模態遙感、定量化監測及長時序協同精細應用能力進行了初步探索。

圖6 北京冬奧會場館溫度反演監測Fig.6 Temperature inversion monitoring of Beijing Winter Olympic venues

圖7 北京冬奧會積雪范圍遙感監測Fig.7 Remote sensing monitoring of snow cover in Beijing Winter Olympics

5 結束語

環境減災二號A/B衛星作為我國民用空間基礎設施規劃的中分辨率光學遙感衛星星座組成，在工程項目的論證建設與應用實施的過程中，充分體現需求牽引、繼承發展的理念和一星多用、多星組網的原則，按照系統工程方式開展建設管理，保證了工程建設與應用的順利實施。衛星工程的建設歷經我國應急管理部組建和推進應急管理體系與能力現代化建設過程，對提升衛星應急管理服務水平提出新高要求。作為衛星工程的重要組成，應急管理應用系統建設充分考慮全災種大應急特點，在系統梳理典型應用場景對衛星監測要求基礎上根據兩顆衛星特點構建了監測產品體系，實現產品生產服務的全流程功能，強化多模態遙感數據自動化處理和定量化監測技術研發。應用系統經在軌測試和業務實際驗證，初步具備環境減災二號A/B衛星數據處理管理與針對應急管理典型業務場景的監測服務能力。

環境減災二號A/B衛星雖然已經納入應用管理監測業務，但其多模態、大范圍、定量化、全球化監測優勢尚未充分發揮，實際應用中存在數據利用率低、信息挖掘不充分、趨勢分析程度低、全球監測服務少等問題，針對以上問題需要在技術和模式方面同步提升和完善。具體包括提升大范圍不同尺度紅外和可見光數據規模化處理能力[12]，完善面向不同業務場景的定期監測時空頻次與數據產品生產流程，提升數據利用率；強化典型要素遙感特征研究與同時空多模態遙感信息融合增強方法研究，建立基于環境減災二號A/B衛星的典型應急要素目標的多模態定量遙感監測策略，提升信息挖掘廣度與精度；立足體系化應用理念[13]，根據災害發生發展規律確定災害風險與應急遙感基本變量，開展基于環境減災衛星監測的時空趨勢研究，同時進一步優化衛星觀測模式與業務模式，提升對應急減災決策的支撐效率與服務水平；加大環境減災二號A/B衛星與高分一號、六號衛星的16 m多光譜有效數據產品的全球覆蓋、定期更新與開放服務，著力加強數據的一致性處理并于國際用戶的進一步深化應用，依托聯合國災害管理與應急反應天基信息平臺(UN-SPIDER)、地球觀測組織(GEO)等國際機制加大全球數據服務與應用推廣力度，為國際應急減災提供穩定可持續全球數據產品[14]。

環境減災二號A/B衛星是我國環境減災衛星系列第二代光學衛星，也是“十四五”國家應急體系規劃確定的應急衛星星座與監測預警網絡重要組成，后續將在深化在軌衛星應用水平基礎上，統籌考慮未來我國衛星體系化發展與應急管理領域與其他手段一體化應用特點，面向應急管理精準治理要求，定量確定其具體應用環節與貢獻，推動衛星發揮最大效能基礎上為下一代衛星論證與方案設計提供借鑒。