卫星监测地震，预知地球“动静”—— 专访中国地震局地震预测研究所申旭辉研究员

卫星监测地震，预知地球“动静”
—— 专访中国地震局地震预测研究所申旭辉研究员

申旭辉，中国地震卫星计划实施专家组负责人，国家对地观测领域国际合作专家组成员，主持高分辨率对地观测系统重大专项“遥感地震监测与应急应用示范工程”等多个重点项目。

2013年年底，我国高分辨率对地观测系统重大专项首星高分一号卫星正式投入使用，遥感卫星应用进入新阶段，国产高分辨率遥感数据在国土资源调查、环境与灾害监测、气候变化监测等多个领域将发挥重要作用。高分一号在轨测试阶段，已经投入实际应用。2013年9月，巴基斯坦、秘鲁相继发生7级以上地震。根据空间和重大灾害国际宪章机制，我国启动了一级应急响应，地震当天即安排高分一号卫星及其他国产遥感卫星连续对灾区成像，获取卫星全色/多光谱数据，提供给受灾国。高分一号卫星在综合减灾救援中都能发挥哪些作用，遥感技术在我国地震灾害防御、监测预报和应急救援等防震减灾工作中的应用情况如何，带着这些问题，本刊记者采访了中国地震局地震预测研究所申旭辉研究员。

未来通过高分专项的建设，结合其他国产遥感卫星协同工作，时间分辨率、空间分辨率都将大幅提高，可大幅减少生命和财产损失。

中国地震局正在实施“喜马拉雅计划”，也将充分利用高分卫星数据进行针对全国地震构造的调查。

记者：2012年4月20日四川雅安地震，4月26日高分一号卫星升空。中国航天科技集团公司高分一号工程总指挥兼卫星系统总设计师白照广说：“要是高分一号卫星能早点发射，现在已经可以用于雅安地震灾情监测了。”稳定运行并开展工作的高分一号卫星，在第一时间加入雅安地震减灾救灾的航天临时星座编队之列，及时、清晰、准确地传回雅安地震灾区影像，为减灾救灾提供第一手资料。 请问高分数据的加入，对发挥卫星遥感数据在减灾救灾方面有哪些优势？

申旭辉：防震减灾分为三个工作阶段，一是震灾防御，主要面向未来50～100年左右区域经济社会发展规划和工程抗震需要，提供区域地震危险性趋势分析和抗震设防基准服务；二是监测预报，是在区域地震危险区趋势判断基础上，采用先进的技术手段开展有针对性的地震监测，并根据监测资料分析结果对未来一定时间段地震活动趋势进行预测并在可能的情况下发布地震预测预警意见；三是应急救援，是在破坏性地震发生后，迅速组织政府、社会和专业救援队伍，开展灾害应急决策、现场救援以及后续的救助和重建活动。

从应急救援角度，可以充分应用航天技术优势，通过运用大量高分辨率卫星遥感数据对救援提供十分重要的数据信息支撑。通过对灾区震前、震后遥感图像变化检测，来判断地震灾害的严重程度。

在四川雅安地震中，正如白总所说，如果高分一号卫星在地震时已经在轨的话，一定能发挥重大作用。高分一号卫星为2m分辨率，能清晰反映建筑物的轮廓情况，并能通过建筑物阴影计算出建筑物的高度，能对受灾情况精确评估。2013年7月甘肃天水岷县地区发生地震，高分一号卫星很好地开展了工作。高分一号卫星数据，判断出岷县地震灾害情况并非十分严重，因此采取了与灾情程度相符的应急救援措施。可见，通过高分辨率遥感卫星数据，我们可以判断震区灾害的严重程度，如果灾情严重，则全力组织救援，提高救援效果；如果灾害并不严重，可以避免过度救援，避免不必要的浪费。对地震来说，最重要的是黄金72小时，但实际情况中，由于卫星资源较少，72小时很难保证，未来通过高分专项的建设，结合其他国产遥感卫星协同工作，时间分辨率、空间分辨率都将大幅提高，可大幅减少生命和财产损失。

记者：在2013年9月秘鲁和巴基斯坦发生的地震中，我国紧急调动高分一号卫星成像，为受灾国提供了重要的数据支撑，高分一号卫星在轨测试阶段即完成了重要成像任务。请您谈一下高分一号卫星在接下来的实际应用阶段，在地震构造调查中能发挥哪些作用。

申旭辉：防震减灾三大业务体系中，震灾防御的开展首先是要对全国或重点地区进行地质构造及其活动性普查，在地震专业领域称为地震构造调查。与国土资源普查不同，地震构造调查是在全国地质普查基础上筛选那些敏感的、可能发生地震的危险地区。地震构造相对于一般的地质构造来说，是线性和局部剧烈变化并且现今仍然在继续活动的地区。利用高分辨率卫星识别地震构造大有可为。国家地震局早在1978年就开始运用遥感手段编制全国地震构造图，早期是利用美国陆地卫星MSS数据、TM 30m分辨率卫星数据、法国SPOT卫星5～10m分辨率卫星数据等，每年需要花费大量资金购买数据。现在我们可以运用高分一号2m分辨率卫星数据以及环境卫星、资源一号02C星、资源三号卫星等国产卫星数据来完成相关工作。目前，配合“高分”地震遥感监测与应急应用开展示范项目，项目开展，我们选择张家口——大同地区、云南—四川地区以及陕甘宁交界地区作为示范区，利用高分一号高分辨率卫星数据，结合野外工作，定量地将地震构造的强度、量级计算出来，在此基础上将能够进一步预测该地区未来地震发生趋势。中国地震局正在实施“喜马拉雅计划”，也将充分利用高分卫星数据进行针对全国地震构造的调查。

与应急遥感和地质遥感不同，地震遥感监测是对卫星采集到的地球物理场、地球化学场信息及其动态进行提取和加工分析。

记者：作为高分辨率对地观测系统重大专项“遥感地震监测与应急应用示范工程”负责人，请您介绍一下该示范工程的情况和进展。

申旭辉：“遥感地震监测与应急应用示范工程”是高分辨率对地观测系统重大专项对我国防震减灾工作的巨大支持。按照高分专项的统筹安排和统一部署，第一阶段为先期攻关；第二阶段为搭建应用示范系统平台，同时开展相关应用示范研究；第三阶段为应用系统的推广，以及算法、模型的升级改造。

目前“遥感地震监测与应急应用示范工程”进展顺利。经过将近3年的努力，我们开展了高分可见光、红外、雷达以及高光谱数据在防震减灾领域的应用关键技术攻关工作，突破了遥感地震业务应用的多项关键技术，尤其是基于可见光遥感信息的地震构造定量分析技术和基于多分辨率红外遥感信息的地震监测分析技术等，成功研制了基于光学遥感对地震构造分析和地震应急原型系统。目前，正在搭建高分遥感地震监测与应急应用示范系统，并筹建地震遥感应用中心，预计在2015年按计划完成高分遥感地震监测与应急应用示范系统建设任务并投入示范运行。

记者：我国是地震活动强烈的国家之一，请您谈一下遥感技术在我国地震灾害防御、监测预报和应急救援等防震减灾工作中的应用情况。

申旭辉：高分辨率卫星数据应用覆盖防震减灾工作三大业务体系。尤其在地震构造遥感中，我们做了大量的工作。与地质遥感不同，地震构造不能通过遥感图像直观地判断，需要开发自动分析处理工具，实现线性形迹提取以及变异微小地貌识别和定量测量功能。目前，在线性形迹提取方面，已有所突破，能够实现地震构造中山体、河流等地貌通过某些特征进行自动识别。在变异微小地貌的识别和测量方面，由于地震构造需要识别米级的变化，利用环境减灾卫星、资源系列卫星是达不到的，现在可以利用分辨率更高的1～2m高分卫星数据，并在此基础上进行特征检测，将与地震有关的变异的微地貌、微地形特征进行系统分析并制作特征库，以此为基础，开发定量的分析和提取变异地形工作。除了光学遥感卫星，还利用立体测图卫星、雷达卫星，获得地物三维信息，可以更直观地认识地物情况。

遥感数据如何运用到地震监测预报是大家更关注的问题。与应急遥感和地质遥感不同，地震遥感监测是对卫星采集到的地球物理场、地球化学场信息及其动态进行提取和加工分析。现有遥感系统不直接获取地球物理场、地球化学场信息，但可以通过反演获取相关数据。例如，利用卫星红外遥感技术，可以获得温度场的变化信息，以及基于InSAR卫星、电磁卫星、重力卫星技术，可以获得多种地球物理场及其动态变化。目前正在研制的电磁监测试验卫星，将直接测量地球电磁场及其变化，并提供全球地磁场和电离层模型，从而为地震监测和地震预测科学探索提供宝贵的数据支持。

高分辨率卫星数据在地震灾害的应急判断和评估中可以发挥重大作用。在地震黄金72小时中，第一时间的决策和响应至关重要。例如在汶川地震中，救援队伍想用最快的速度抵达震中汶川，但当时没有任何信息告诉我们：破坏最严重的地区并不在汶川而在北川，而且通往汶川的道路在短时间内难以打通，因此浪费了宝贵的救援时间。这里我想应该特别强调应急救灾，在地震遥感应急中，应急救灾最核心的目标是第一时间支撑国务院抗震救灾指挥部和国家紧急救援队快速决策，利用高时间分辨率、中高空间分辨率遥感数据为第一时间决策提供支持。在高分专项的支持下，我们正在研制快速数据处理技术，将高分数据分析与国务院抗震救灾指挥决策机构、国家紧急救援队的派遣业务流程相关联，实现数据自动触发、直接推送，以提高地震应急救援效率。目前，我们在震后4～5个小时能获取相关地区的遥感数据，数据处理完成后大概共需要12个小时左右。通过高分专项建设，数据推送的时间将大大缩短。

地震立体观测体系建设将充分依靠国家规划的各种卫星和卫星应用资源，重点建设地震遥感监测系统和应急救援系统。

记者：国家防震减灾规划提出了“天地一体化地震立体监测网络”建设的任务，请您介绍一下我国地震立体监测体系的发展思路和进展。

申旭辉：20世纪末到21世纪初，国际上关于地震能否预报的科学大讨论十分激烈。我个人认为，地震监测是自然科学问题，是可以预报的，只是现在还没有找到规律。目前来说，地震预报存在两方面的困难：一是破坏性地震是小概率事件，科学家们还不足以积累足够的震例来进一步检验和发展地震科学理论；二是地震发生在地下几十千米的深度，很难直接去探测，而且现有的地震观测手段有很大局限性，需要依赖新技术和新方法的突破，因此提出了发展“地震立体监测体系”计划。

利用空间技术手段进行地震监测有其自身优势。首先，地震是个小概率事件，需要尽可能多的观测到地震，积累数据。对我国大陆来说，地震发生的概率基本上7级地震每3年两次，6级地震每年4次；而全球7级地震每年十七八次，6级地震每年150多次。按照这样的发生概率，如果利用卫星来观测地震的话，地震事件经验的积累可以比只在国内地表观测提高二三十倍。其次，利用空间技术手段，可以观测地球板块之间的相互作用。我国位于环太平洋和欧亚地震带之间，受到地球板块之间的相互作用，但板块边界都在国境之外，利用卫星可以进行板块监测，提高板块动力学研究能力，突破地震预报技术。基于这样的研究思路，国家防震减灾事业发展规划明确了“天地一体化地震立体监测网络”建设任务。

地震立体观测体系建设将充分依靠国家规划的各种卫星和卫星应用资源，重点建设地震遥感监测系统和应急救援系统。地震遥感监测系统包括三个分系统；一是地球电磁、红外观测体系，包括天上的卫星和地面的观测台网建设，通过地基对天、天基对地和地面的三个层次的网络构成立体的不同层次、不同高度的地球物理场变化信息的观测识别，研究其变化过程与地震的相关性。二是地壳形变观测体系，包括GPS、北斗、InSAR及重力卫星等多种空间大地测量技术，进行大区域长时间的地壳形变的动态分析。三是地球化学观测体系。利用高光谱技术和地面的地球化学观测系统，通过系统的反演，研究地面、地下的气体化学变化及其与地震的关系。应急救援系统重点建设高轨道、中高分辨率的光学和雷达卫星，实时监测国内大部分地区，提高数据分析和科学决策能力。地震立体观测体系建成后，对地震监测预报、应急救援将有非常大的支撑。

记者：地震立体观测体系空间段的发展重点是发展专用的地震监测卫星系列，您作为中国地震卫星计划实施专家组负责人，经过近十年的不懈努力，立体地震监测网络的第一个天基平台——卫星电磁观测技术与电磁监测试验卫星成功立项。请您介绍一下我国电磁卫星工程进展情况。

申旭辉：电磁监测试验卫星定位为在地震监测预测和相关领域有重要应用前景的试验卫星。其主要目标是：获取全球低频电磁场和电离层等离子体及高能粒子观测数据，研究与地震相关的电离层变化现象，总结地震电离层前兆特征，探索地震电离层耦合机理和地震预测方法，为空间科学、电波科学以及地球物理研究等提供数据信息服务。

电磁监测试验卫星基于CAST小卫星平台，太阳同步圆轨道，轨道高度约500km。星上搭载高精度磁强计、感应式磁力仪、三分量电场仪、LANGMUIR探针、等离子体分析仪、GNSS掩星接收机、三频信标发射机和高能粒子探测器共8种有效载荷，目前电磁卫星工程进展顺利。作为我国地球物理遥感卫星的第一颗，电磁监测试验卫星计划2016年发射。卫星在轨期间，可以提供全球地震观测能力，能使地震资料积累提高二三十倍，建成我国立体观测体系中第一个电磁立体观测系统。同时可以利用该卫星资料制作我国第一张自主的全球地磁图；可以构建我国第一个自主的全球电离层模型，对通信、导航、空间天气预警、地球物理勘探等战略应用具有重要作用。

作为我国地球物理遥感卫星的第一颗，电磁监测试验卫星计划2016年发射。卫星在轨期间，可以提供全球地震观测能力，能使地震资料积累提高二三十倍，建成我国立体观测体系中第一个电磁立体观测系统。

记者：国际上各国在地震电磁观测技术领域的发展概况是怎样的？

申旭辉：国际上遥感卫星的发展与我国有点不同，苏联、美国、欧洲、加拿大等国家和地区都是先研制地球物理遥感卫星，然后才发展成像遥感卫星的。苏联1957年发射的全球第一颗卫星就是一颗微重力卫星，随后发射了研究地球磁层和电离层的系列电磁类卫星；美国和加拿大研制的第一颗卫星也是电磁卫星。1979年美国发射的MAGSAT地磁卫星数据至今我国的地磁学家还在使用。阿根廷发射了SAC-C、SAC-B卫星，欧洲航天局也发射了很多这类卫星。这类卫星发射目标起初并不是针对地震预报科学探索，只是出于对基本地球物理场的观测目的。后来，苏联的科学家发现在地球电磁观测中，有一些电磁扰动与地震密切相关。此后，多个国家相继发射了专门用于地震预测的卫星。2000年，俄罗斯发射首颗专门设计用于预报地震的卫星“先驱者-E”卫星，但由于火箭问题而失败；2003年，美国和乌克兰分别发射了QuickSat-1和预警一号地震卫星，其中QuickSat-1卫星在轨一年多，获取了一些有效数据； 2004年法国发射的DEMETER电磁卫星成功在轨运行了6年半，为积累地震电离层数据，探索地震预测方法提供了巨大支持；2013年欧洲航天局发射了3颗Swarm卫星星座，对地球磁场进行勘察。我国的电磁卫星发射之后，可以与国外的卫星合作，组成星座编队飞行，提高时间分辨率，尽可能捕捉到地震短临前兆。

记者：目前我国空间技术在防震减灾中还存在哪些问题，您还有哪些建议。

申旭辉：从遥感卫星发展来看，现在光学遥感卫星分辨率越来越高；但从电磁卫星用户的角度出发，希望地球物理遥感卫星能得到更多的重视，地球遥感物理还有很多未知的领域需要我们去不断探索。

· 本刊记者|靳颖 贠敏