国外遥感卫星在应急减灾中的应用

国外遥感卫星在应急减灾中的应用

· 文|中国航天系统科学与工程研究院 李云

我国各类报道中常用的“减灾”一词，基本相当于国外 “灾害管理”的涵义。减灾不是短期活动，而是一种常态行为。它包括了“灾前”、“紧急救灾”和“灾后”三个阶段。由于在应对灾区复杂天气情况、灾情信息需求紧迫等方面具有地面勘测、航空遥感等传统观测手段无法比拟的优势，遥感卫星现已广泛应用于减灾防灾活动，且在各个阶段具有不同作用。在灾害发生前，遥感卫星针对各类灾害的致灾因子进行持续监测，并进行风险评估和绘制灾害易发区分布图。在紧急救灾中，对灾情进行跟踪、绘制灾害分布图，支持决策。灾害发生后，则可对已发生的灾害进行评估，为灾后重建提供灾区信息。

一、国外专用减灾遥感卫星技术及其应用现状

专用减灾卫星是指专门面向多种灾害或某一种灾害的预防、监测或评估而建造的遥感卫星系统（或星座）。国外专用减灾卫星主要包括用于地震预测的地震电磁卫星（如俄罗斯COMPASS-2卫星和法国Demeter卫星）和用于多种灾害监测的灾害监测星座（DMC）。

1.地震电磁卫星尚处于地震电离层耦合机理的探索研究阶段

目前的地震电磁卫星主要用于对地震电离层耦合机理、地震前兆信息进行研究，尚不能进行地震短临预报。其中，DEMETER卫星自发射以来已积累了许多观测数据资料，部分资料已在因特网上公布，为地震电磁耦合机理、地震前兆信息研究提供了宝贵的资料。2004年11月28日印尼伊里安查亚省强震和2005年3月29日印尼苏门答腊8.5级强震前，DEMETER卫星观测到震中上方等离子体参数(包括电子密度、电子温度和离子密度、离子温度)出现异常变化，VLF电磁场辐射也出现显著异常变化。2008年“5·12”汶川地震前，DEMETER卫星也观测到了震中附近电离层异常、电子浓度和电子温度发生变化。

2.DMC星座应用于各种减灾过程

英国主导构建的DMC星座已加入国际《空间和重大灾害国际宪章》，可免费为国际救灾行动提供卫星图像。该星座的重访周期短、监测范围大和响应速度快，已广泛用于洪灾、飓风和火灾等的灾害监测和灾害分布图制定等方面。

2007年，孟加拉国的达卡市发生洪灾，UK-DMC卫星对洪灾发生时的达卡市进行了拍摄。图1是UKDMC卫星扫描宽度650km的图像中的一小部分。图中红色代表人眼看不见的近红外波段，用来表示植物。DMC卫星图像用来监测地表水的覆盖范围，该星座每天一次的重访周期还有助于实时更改地图。图2为2005年NigeriaSat-1卫星拍摄的新奥尔良市受到卡特里娜飓风袭击时整个海岸的卫星图像。图中较暗的区域代表了被淹没的新奥尔良市街道。DMC图像经过处理传送到了美国地理调查局。法国SERTIT公司也利用NigeriaSat-1卫星数据制定了3幅紧急救灾图。图3为UK-DMC拍摄的2009年2月13日澳大利亚维多利亚州发生大火的卫星图像。图中黑暗部分代表烧焦部分。DMC星座卫星的近红外波段由于对识别绿色植物非常理想，因此对于监测森林火灾和绘制烧焦范围分布图也非常理想。

图 1 洪灾中的孟加拉国达卡市卫星图像

图 2 卡特里娜飓风中的美国新奥尔良市卫星图像

图 3 森林火灾中的澳大利亚墨尔本市卫星图像

二、国外非专用减灾遥感卫星技术及其减灾应用现状

除了少数专用星，大部分遥感卫星为非减灾专用星，几乎均可应用于减灾活动。这些卫星系统既是民用卫星体系的主要分支，又是防灾减灾应用的中坚力量，其技术发展受到世界各国重视。遥感卫星包括了对陆地、海洋和大气等环境要素进行独立观测或综合观测的各类卫星，按照技术机理大致可分为光学遥感、微波遥感与激光遥感等几种。

1.光学遥感卫星减灾应用相对成熟

选择光学遥感卫星用于减灾应用，除了考虑监测目标所需的波段外，很大程度上还取决于卫星的空间分辨率。其中，高分辨率卫星如Ikonos-2和QuickBird卫星及中高分辨率卫星如Formosat-2卫星适于精确定位以及识别灾害类型、受灾程度；中分辨率卫星（如Terra和Aqua）常用于大范围的灾害探测与评估；低分辨率卫星由于难以提取重要目标信息，在救灾中使用受到了较大限制。

（1）高分辨率卫星用于海啸灾后城市建筑物损害探测与评估

2004年12月26日，里氏9.0级的海底地震袭击印度尼西亚的北苏门答腊岛西海岸，引发巨大海啸，侵吞

图4 海啸前后的卫星图像

了印度洋沿海各国的海岸区域，印度尼西亚、斯里兰卡、印度、马来西亚和泰国等国都受到了海啸的冲击。通过比较斯里兰卡的加勒城市在海啸前后的Ikonos-2卫星图像和Quickbird卫星图像来判断该城市内建筑物的损坏情况（如图4）。

（2）中分辨率卫星Terra/ASTER（Terra/ASTER）用于海啸受灾范围的确定

Terra/ASTER传感器不仅收集可见光波波段和近红外波段数据而且还收集短波红外波段数据，可见光波段和近红外波段分辨率为15m、短波红外波段分辨率为30m。而红外、近红外和短波红外波段被认为是土地覆盖特征的良好指示器。同时，具有中分辨率的ASTER要比高分辨率卫星覆盖范围广，因此利用其卫星图像对快速探测大范围的洪水淹没非常有用。

利用ASTER图像研究泰国攀牙省考拉地区的灾害分布范围（如图5所示，其中上图为2002年11月15日拍摄，下图为2004年12月31日拍摄）。图中，红色部分对应近红外波段反射，绿色部分对应红色波段反射，蓝色部分对应绿色波段反射。在海啸之后，受灾区的近红外波段反射变弱，这意味着，在海啸中，植被可能已经遭到了损坏，陆地覆盖物变成了土壤。这一结果已经通过现场勘测得到验证。

图 5 ASTER在海啸前后分别拍摄的假彩色图像

（3）Terra&Aqua/MODIS（中分辨率卫星）用于火灾动态监测

2005年在俄罗斯和蒙古国边界附近发生火灾。着火点由于发生在俄罗斯和蒙古国边界处，动用航空遥感和地面监测手段会引起两国领空、领土主权的争议。利用卫星对火势进行监测除了及时全面地提供了火灾的动态发展情况，还很好地解决了越境监测的争议。图6是 MODIS拍摄的卫星图像，其中红色部分表示着火点；对比这两幅卫星图像可以看出火势蔓延的方向和范围，对采取正确的火灾控制措施提供了信息支撑。

图 6 MODIS拍摄的蒙古草原火情

（4）Formosat-2卫星用于汶川地震震后搜救和次生灾害监测

与其他商业卫星相比，福卫-2卫星具有每天都可进行重访、成像范围广以及低成本的优点。它从发射以来已在2004年夏天的洪灾和印度洋海啸以及2008年的缅甸南部的纳尔吉斯热带飓风和中国汶川地震等灾害中及时地对灾区进行了遥感成像，对救灾起到了重要作用。这里将详细描述福卫-2卫星在“5·12”汶川大地震中的应用。

1）监测汶川县堰塞湖水面上升可能出现的危险

如图7所示，汶川地震发生前，河水宽度是102m，水面高程大约是677m；震后2天河水宽度增加到了304m，陆地在河流盆地中移动了将近5.6km，水面高程几乎增加了10m；震后6天河流仍然在继续加宽，宽度达到了520m，这几乎是震前宽度的5倍，三维仿真可测得河水的高程也几乎增加了25m；震后10天显示河水在进一步加宽，达到了568m，水面高程也进一步增加到725m。地震形成的堰塞湖对邻近区域形成了双重威胁，堆积的碎石形成的水坝非常不稳定，余震或另一场地震甚至是简单的水压都可能冲破水坝导致水流倾泻。

中巴地球资源卫星04星沈阳市遥感影像图

该图（成像时间2014年12月8日）为沈阳市CBERS-04星PAN相机仿真彩色融合影像（5m分辨率）。沈阳，中国东北地区最大的中心城市，辽宁省省会，别称盛京、奉天。沈阳位于中国东北地区南部，辽宁省中部，以平原为主，山地、丘陵集中在东南部。图像的中下部有一条东西走向的河流浑河（也叫沈河），沈阳城位于沈河以北（山南水北为阳），这是沈阳得名的由来。

国防科工局重大专项工程中心 制作

中国资源卫星应用中心

图 7 河流在震后2天、6天、10天福卫-2卫星图像与震前的三维仿真对比

图 8 福卫-2卫星在2008年5月15日上午11∶46∶35经过汶川县的图像

2）集成GPS和SPOT-5卫星数据用于确定失踪人员位置

台湾台北的香河旅游机构在汶川地震前有一辆旅游车参观汶川县。地震发生后，这辆旅游车被困在了从茂县开往汶川县的途中。这辆旅游车最后一次与旅游机构联系是在5月12日的中午。此后，这辆车连同车上的14个人就失踪了。不过，根据这辆车发出的GPS数据，这辆车的失踪地点被锁定在汶川县西南方向的方圆4km范围。

在这个关键时刻，福卫-2卫星被安排与SPOT-5卫星对地震受灾区拍摄图像。2008年5月15日，福卫-2卫星在上午11∶46∶35经过汶川县。但是由于天空中云层较厚，拍摄到的灾区图像非常模糊（如图8 所示），大部分景象都被云层覆盖。福卫-2卫星到访汶川县后，SPOT-5卫星也拍摄了汶川县的图像（如图9所示）。虽然两颗卫星经过汶川的时间只相差1分17秒，但是正是这个非常短暂的时间差异，该地区上空的云层漂移到了别的地方，从而使SPOT-5卫星拍到了只有一些薄雾的图像。经过增强处理并根据提供的GPS坐标，旅游车失踪的位置在图9上变得清晰可见。由此可以看出遥感卫星之间的互补非常重要。

图 9 SPOT-5卫星在2008年5月15日上午11∶47∶52经过汶川县的图像

2.微波遥感卫星具有独特的减灾优势，但受限于解译困难

微波遥感卫星比光学遥感卫星技术发展起步晚，其减灾应用也比后者晚，但是由于微波遥感具有光学遥感所没有的优点，如可全天时、全天候工作，能够穿透冰雪、植被和地面表层土壤等，因此已成为减灾中重要的遥感工具，不过微波遥感不能记录与颜色相关的信息，其微波图像的解译会比较困难，而且微波图像成本比较高，这些都影响了微波遥感卫星在减灾中的广泛使用。

（1）雷达星-1（Radarsat-1）用于飓风洪水淹没范围评估

2005年8月29日，卡特里娜飓风以233km/h的风速、8.5m高的风浪和大雨着陆。卡特里娜的巨大风浪突破了处于海平面以下的新奥尔良市防洪大堤，这座城市的80%都被淹没。卡特里娜还对该地区的石油和天然气生产和加工能力造成了巨大的破坏。

利用加拿大的雷达卫星Radarsat-1获得的SAR数据来分析卡特里娜带来的洪水对新奥尔良市造成的破坏。为了提高数据精确性和全面性，利用Landsat ETM+数据对其进行了补充。

图10通过合成2005年9月2日Radarsat-1拍摄的C波段SAR图像和Landsat ETM+拍摄的光学图像而成，它显示了卡特里娜飓风造成的洪水淹没分布范围和一些石油泄漏。图11则是2005年9月5日的合成图，它覆盖的范围要比图10大。在这两幅图中，蓝色表示卡特里娜飓风造成的洪水淹没范围、红色表示可能的石油泄漏、黄色表示漂浮的垃圾，紫色表示经石油污染的水被吸入了Pontchartrain湖。尽管SAR对开阔水面上的石油较敏感，这为辨别是否存在石油泄漏提供了机会。

图 10 2005/09/02 Radarsat-1卫星合成图像

图 11 2005/09/05 Radars t-1卫星合成图像

（2）卫星雷达高度计用于飓风增强预报

在2005年8月29日卡特里娜飓风发生前的8月25日、8月26日和8月27日利用GOES-12静止轨道气象卫星拍摄到空中云层和“风眼”在经过美国墨西哥湾沿海地区时被增强了（如图12左侧图像所示）。这种变化过程为预报员提供了风暴轨迹，是一类很常见的气象信息。这里要讲的是卫星雷达高度计在预报热带风暴增强条件和观测海面风暴条件中发挥的作用。

利用TOPEX、Jason-1、ERS-2、Envisat以及GFO（Geosat-Follow-On）等卫星上的雷达高度计对沿每颗卫星星下点轨迹的一系列点（采样点处于卫星交叠区半径2km到5km范围内）测量风速、波高和海面高度在25日、26日和27日三天的波高、风速以及海面高度变化图。由于这些雷达高度计采用Ku波段，可以穿透云雨，因此可全天候获得数据。这些波高、风速和海面高度变化图显示卡特里娜飓风的风速和波高在经过美国墨西哥湾时都增强了（如图12右侧所示）。

图 12 卡特里娜红外图像和高度数据

很多学者曾认为海面水温高是飓风增强的主要原因，但是卡特里娜飓风沿途的海面水温基本都在30°C左右（如图13上图），如果海面水温高可增强飓风成立，那么卡特里娜应该被不断地增强，但是事实并不如此。卡特里娜在经过海底地形高的区域增强最快（如图13下图）。由于海底地形在几周之内的变化非常慢，因此雷达高度计可以较早地预报飓风增强的可能性。

图 13 卡特里娜的位置和强度示意图

3.激光遥感卫星发展受到重视

激光遥感卫星的发展与应用还处在起步阶段，其潜在的优势已日渐被认识到，其技术发展也越来越被重视。天基激光雷达一般包括后向散射激光雷达、激光高度计、多普勒激光雷达和差分吸收激光雷达等4种类型。当前仅美国与法国发展了激光遥感卫星，分别于2003年与2006年发射了“冰卫星”（ICESat）与“卡利普索”（CALIPSO）卫星，采用散射激光雷达和激光高度计技术。

三、结束语

随着遥感卫星进一步朝高空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率，网络化与三维遥感方向发展，以及全球对卫星应用的不断探索与推广，遥感卫星应用于减灾已成为各国减灾防灾工作的常态。多种探测手段（包括光学、红外、微波、重力、电磁等）联合、多星组网或编队以及开展地区或全球合作，作为卫星减灾应用的发展趋势将愈加明显。