遙感大數據在防災減災中的應用

韓岳麒

(忻州師范學院會計系，山西 忻州 034000)

自然災害通常指可以危害人類生命、破壞財產安全的現象或事件，如雨、雪、冰雹、地震、火災、干旱、臺風、泥石流等。在這類災害面前，人類是渺小的、抵抗能力也是微小的。在災難發生后，國家和社會的救援速度和救援能力是保障人民生命和財產安全的最后保障，也是災民的生命可否延續、財產可否保全的唯一希望。[1]據應急管理部公布的數據，2021年上半年我國各種自然災害共造成2801.9 萬人次受災，29.7 萬人次緊急轉移安置，156 人因災死亡失蹤；房屋1.3萬間倒塌，45.1萬間遭各種程度損壞；農作物2921.7千公頃受災，237.7千公頃絕收；直接經濟損失合408.6 億元。[2]2021 年7 月20 日河南特大暴雨導致該省災情嚴重，截至8 月2 日12 時，全省共有150 個縣（市、區）、1663 個鄉鎮、1453.16 萬人受災。全省組織緊急避險93.38 萬人，轉移安置最高峰值147.08 萬人；倒塌房屋30106 戶、89001 間；農作物成災面積872 萬畝，絕收面積380 萬畝，直接經濟損失1142.69億元。此次特大洪澇災害導致302人喪生，50人下落不明。[3]

近年來，隨著衛星遙感技術的發展，它已成為衡量一個國家科技發展水平和綜合實力的重要標志。目前，國外遙感衛星技術的發展非常迅速，如美國的QuickBird、WorldView 和GeoEye 等多個系列衛星群，其衛星圖像的分辨率大多在0.3～0.5m，且光譜信息豐富，具備業界領先的定位精度。近年來我國遙感衛星系統技術高速發展，目前我國遙感衛星數據總量正以超過10 TB/天的速率不斷獲取與積累，包括不同的成像方式、波段、分辨率、觀測尺度和時間間隔，數據的數量呈現爆炸性的增長，遙感數據已快速步入了大數據時代。[4]

在重大自然災害中，快速、準確地獲得災區的災情信息，是進行救災決策部署的重要基礎。在災情信息收集、災情分析評估等方面，高分辨率遙感等科技手段可以發揮尤為重要的作用。[5]隨著“星載雷達技術”發展迅速，遙感設備可以不受天氣影響，穿透云雨層進行探測，在多種情景下均可發揮作用。[6]目前，遙感領域進入了以高精度、全天候信息獲取和自動化快速處理為特征的新時代，衛星、無人機、地面監測站網站形成的空天地一體化的協同觀測體系，提供了多維度和高頻次的多源異構災害觀測數據。[7-8]近些年發生了特大地質災害，如汶川地震、玉樹地震和舟曲泥石流災害后，都是利用環境減災衛星和航空遙感數據相結合的方式，依托“天—地—現場”一體化業務平臺，成功開展了災后評估工作。[9-11]可見，空間遙感大數據在防災減災方面的應用具有重要的意義。

一、遙感技術與遙感大數據

遙感技術指的是將多種電磁波等傳感設備安裝到各種航空、航天及地面遙感平臺上，通過定期對遠距離目標所輻射或反射的電磁波信息進行收集、處理后成像，依據影像揭示研究對象特征及變化的綜合性探測技術。搭載平臺目前主要可以分為三類：①人造衛星、空間站等地外設備，②飛機、無人機、熱氣球等航空設備，③汽車、塔架、手持等地面設備。據此，遙感技術也可大致分為航空遙感、航天遙感和地面遙感。以下對應用場景最廣的衛星遙感（航空遙感）和無人機遙感（航天遙感）兩個領域進行簡述。

（一）衛星遙感技術 衛星遙感作為獲取地表數據的一種重要方法，具有不受國界限制、覆蓋范圍廣、觀測周期長、數據客觀性強等特點。[12]衛星遙感以其宏觀、快速、動態、經濟等優點，可以在大尺度上全天候、全天時、動態地觀測地表狀況。衛星遙感具有高空間、高時間、高光譜、高輻射“四高”特性，因而在全球范圍內得到了廣泛的關注。美國首次發射的氣象衛星標志著衛星遙感的時代的來臨。在此之后，美國在1972 年和1978 年分別發射了首枚陸地衛星和首枚海洋衛星。我國衛星遙感起步晚于歐美國家，中國首顆遙感衛星于1975 年誕生于中國空間技術研究院，為膠片返回式遙感衛星。“風云一號”是我國首個氣象衛星，于1988 年成功發射。首個數字轉播資源衛星“中巴地球資源衛星01 星”(CBERS-01)，于1999年成功發射。中國遙感衛星歷經四十多年發展，實現了膠片返回式到傳輸型光電遙感、高分辨率遙感的跨越，突破了高分辨率大型可見光、紅外、高光譜、SAR、高精度動態成像、高軌成像等關鍵技術，形成了陸地、氣象、海洋等衛星遙感系統。當前，我國在軌光學衛星的空間分辨率達到0.5 米，雷達衛星的1 米，可以在2—3 天之內對國內任何區域進行有效的觀測，極大地提高了對地觀測能力，并被廣泛用于大尺度的災害防治。

（二）無人機遙感技術 近年來無人飛行器技術不斷進步，使得無人機成為穩定可靠的遙感傳感器搭載平臺，進而衍生出無人機遙感技術。無人機遙感技術能夠靈活地搭載各種傳感器，能夠快速地獲取資源、環境、災害等各類遙感圖像，并通過相應的算法來進行數據的分析和應用，它在云下作業、機動靈活、應急調度、高精度數據獲取等方面有著獨特的優勢，能夠解決衛星遙感受到云層影響較大、數據獲取時效性難以保證、任務定制成本較高等問題，并且兩者相互配合，能夠更有效地實現下墊面多維信息獲取和災害應急監測。我國的輕、小型、尤其是消費級無人機技術水平在國際上處于領先地位，擁有了大疆等知名品牌，在國際上的市場占有率達到了70%。隨著導航、操控、電池、材料等技術的發展，輕型、微型無人駕駛飛機的成本大幅下降，操作更加簡單，攜帶和使用更加方便。目前，航空相機、照相機、紅外相機、多光譜相機、傾斜相機、激光雷達等車載設備正以迅猛的速度向微型化方向發展，并可通過無人機攜帶多種災害信息。[13-15]無人機遙感技術已成為災害應急監測的重要手段。

二、空間遙感大數據在防災減災方面的應用

在防災減災領域，空間遙感大數據能夠充分發揮其數據特性。一方面，從基本特點來看，大數據的規模大、類型多、變化迅速，防災減災對矢量、影像、地面采樣、災情、降水、溫度等數據以及傳感數據、地理數據等的實時、可靠的空間遙感大數據有著迫切的需求。[16-17]另一方面，在技術處理方面，空間遙感大數據與普通的大數據具有相同的要求，比如統計思維（異常分析）、精確氣象預報、災情分析、損失評估分析以及風險評估等。[18]空間遙感大數據既包含地理信息，又包含高維光譜信息和高分辨信息。所以，空間遙感信息具有信息量豐富、覆蓋面大、實時性和現實性強、獲取速度快、周期短、可靠準確性以及省時、省力、成本低等優勢，它十分適合于防災減災領域。

（一）空間遙感大數據在洪澇災害中的應用 我國地處東亞大陸，受東亞季風和南亞季風帶來的大量水汽影響，是世界上洪澇災害最嚴重的國家之一。根據《中國水旱災害防御公報2019》的數據，每年由于洪水造成的直接經濟損失高達1500 億元。[19]洪澇災害發生后，遙感大數據可以對災害發生區域進行大范圍的掃描監測，通過遙感手段可以獲取洪水的范圍、淹沒的面積、水量水深以及承災體的影響評估等。因此，遙感技術可為洪澇災害的監測和評估提供重要的信息。

（二）空間遙感大數據在臺風災害中的應用 我國沿海地區每年都要面對臺風直接登陸的威脅，臺風過境時無論是中心城市還是邊緣地區的高樓民居，以及更外范圍的山區都會遭受重大災害。例如2017 年臺風天鴿登陸珠海，造成24 人死亡和400 多億元的經濟損失，2018 年臺風山竹登陸臺山，造成6人死亡和52 億元經濟損失，可見臺風造成的災害程度不容忽視。遙感技術可以獲得臺風肆虐的區域圖像、自然環境狀況、各種資源分布情況等信息，并將獲得的空間信息進行處理后，建立三維立體模型，并將其應用到各種分析的應用技術中。臺風監測的傳統方法利用該平臺，結合無人駕駛飛機在低空的實時觀測，能夠在區域尺度上對臺風進行精細的預報。

（三）空間遙感大數據在干旱災害中的應用 干旱也是自然災害中不可避免的一種，在我國干旱地區占比不小，而季節性干旱更是每年都有，需要認真對待方可減少損失。[20]衛星遙感所帶來的前所未有的地表特征覆蓋，為區域乃至全球尺度下的地面狀況監測提供了獨特的數據來源，使得基于氣象、通量等數據的局地單個旱情監測向基于多源遙感數據的大范圍空間旱情監測進行轉變。近年來，隨著遙感技術的發展，不同衛星平臺、不同類型的觀測資料（包括光譜掃描儀、微波散射儀、專題成像儀等）、不同時間和空間分辨率的遙感資料在旱情監測中得到了廣泛的應用。

（四）空間遙感大數據在地震災害中的應用 地震災害涉及地球的構造運動，造成的災害嚴重時可永久改變地貌特征。我國有大面積的國土處于地震帶范圍內，近幾年受地震災害影響嚴重。面對此類自然災害，人們首先想到的是如何預報地震區域、級別及時間信息，但截至目前，人類對地震預報的提前量不足，效果接近于零，所以人們關注重心是建防震建筑，減少地震災害帶來的損失。利用空間遙感大數據，在應用生命探測儀的基礎上，在災后救援中可以精確定位，查找生命，及時救助，保證用最短時間救治最多被困者及其生命和財產。

（五）空間遙感大數據在森林草原火災中的應用森林草原火災突發性極強。發生后火情蔓延迅速，若不加以干涉，將造成極大的危害，是世界八大主要自然災害之一。森林草原火災除了破壞林草資源和生態環境外，還會造成環境污染、危害人民生命財產安全，這也是我們國家必須高度重視的一種災害。林火監測是指以衛星為載體，利用敏感探測器探測到林火，并對林火進行實時監控的一種空間遙感技術。利用目標在一定溫度以上時，會持續釋放出紅外線能量的特點，本項目擬利用衛星搭載的高分辨輻射儀，在數百千米的高度，在大氣層內對地表進行高精度的觀測，實現對地表目標的熱能探測。森林火災的熱輻射溫度一般為900 K，而森林植被表面溫度卻只有300 K，兩者之間存在著很大的反差。該波段可被星載遙感器中紅外波段探測，可有效獲取熱區信息，從而實現對林火的遙感監測。

三、遙感大數據在防災減災應用中面臨的挑戰

各類自然災害時有發生，人們在日常生活工作中要有預防意識，時刻學習正確的應對措施，同時不可造謠傳謠。相關的政府部門和工作人員也要有相關的專業知識和警惕意識，災害前要應用現有科學技術科學防護，合理安排，正常規避，災害發生后要綜合利用各類技術手段和物資資源開展救災工作，最大限度搶救人民的生命與財產。本文系統的綜述了遙感大數據在防災減災方面的應用和成果，但依然面臨不少挑戰：

（一）遙感大數據實時處理效率不高 在重大災害發生之后，盡快獲得災區的精確災情信息是當務之急。因此，必須加強遙感大數據實時處理的能力，從而可以第一時間利用遙感大數據提供實時，準確、豐富的災害信息。傳統的遙感圖像處理方法耗時長、效率低，很難適應突發事件的快速監測和應急反應需要。今后，需要利用先進的計算技術，研究遙感圖像處理和多源數據融合的有效算法。隨著深度學習等人工智能技術的迅速發展，它還將促進對遙感數據信息進行深層次挖掘、對自然災害信息進行智能化提取，從而進一步提高數據處理的效率和質量，為防災減災提供及時、準確的技術支持。

（二）遙感大數據專業人才缺失 在全球氣候變化大背景下，自然災害的發生頻率逐年上升。遙感大數據應用是國家戰略新興學科，是國家中長期科技發展規劃綱要的重要方向之一。遙感科學與技術由于其技術的專業性、擴展性和應用的廣泛性，對專業從事防災減災領域的人才有較強的綜合性背景要求和數量需求。因此，迫切需要加強遙感大數據專業人才的培養。

結語

面對全球自然災害頻發的局勢，遙感大數據的應用可以有效為政府在防災減災工作中的決策提供數據基礎。同時，遙感大數據的學科發展和防災減災領域的應用都離不開國家的政策扶持與人才培養。相關政府部門及工作人員也應提高警惕與專業知識學習，多方合力才能更好地助力并實現防災減災工作的科學合理，保障人民的生命安全和財產安全。