国外卫星热点专题应用进展

● 文|中国空间技术研究院 金岩 高峰 张潇 巫晓莉

国外卫星热点专题应用进展

● 文|中国空间技术研究院 金岩 高峰 张潇 巫晓莉

全球气候变暖等问题以及近年来火灾、地震、火山爆发等重特大自然灾害和衍生灾害所带来的影响和危害已成为全球热点话题，各国政府及相关科研机构一直致力于有效预防此类灾害的发生，以及灾害发生前采取何种规避措施和在灾害发生后能够第一时间了解灾区情况从而制定有效的救助措施等问题的研究。由于卫星本身所特有的“天生优势”能力（“站得高”，“看得远”）以及其技术水平在近些年来的不断提高，其在灾害类事件发生时发挥越来越重要的作用。目前，国外具有代表性的卫星热点专题应用主要集中在重（特）大恶劣极端气象监测，特大火灾灾害监测，地震灾害监测，火山情况监测等方面。

一、恶劣气象监测及相关问题研究

（1）恶劣气象监测

随着全球变暖以及人类破坏等因素的影响，近些年来，各类席卷海洋和陆地的飓风灾害爆发的次数越来越多，已成为恶劣气象的重要类型，而其产生的破坏力和造成的损失也越来越大。据统计，仅2011年4月25日至4月28日，美国就遭受了超过180次飓风袭击。其中4月27日袭击南部多州的强风暴天气，造成至少339人遇难、700人受伤，成为近30年来最具破坏力的飓风之一。5月22日，又一场破坏性极强的飓风横扫美国中西部，其中密苏里州乔普林市正面受袭，受灾最为严重，造成至少151人丧生、1500人失踪，数千幢房屋被夷为平地。

为应对和解决飓风灾害问题，美国非常重视各类遥感卫星的应用，并建成了飓风相关的灾害预警、监测、研究体系，获得了一些有价值的研究成果。美国早在1898年就成立了专门的政府级飓风研究和预测机构——国家飓风中心（NHC），专门负责追踪和预测热带气旋的路径和特性，以应对灾害的发生。近些年来，该中心与相关研究机构、大学紧密合作，开展了一系列利用遥感卫星探究飓风运行机理和预测等方面的研究工作。

美国NHC隶属于国家气象局（NWS），而国家气象局是国家海洋与大气管理局（NOAA）的6大下属机构之一，“极轨业务环境卫星”（POES）系统和“地球静止业务环境卫星”（GOES）系统的日常运行和管理均由NOAA负责。除了NHC以外，NOAA还设有国家强风暴实验室（NSSL）和风暴预测中心（SPC），这些机构主要依靠NOAA及其他机构提供的卫星数据，实现24小时实时天气监测与分析，研究恶劣天气的成因，并对飓风、暴风雪以及其他极端气候进行预警。

美国国家航空航天局（NASA）拥有全美最先进的航空航天技术力量，其对飓风灾害预测和研究也发挥了巨大作用。2011年4月29日，其公布了“水”（Aqua）卫星搭载的中等分辨率成像光谱仪（MODIS）于4月28日获取的阿拉巴马州塔斯卡卢萨市图像，从中可以看到三条飓风袭击该市及其周边时的行进轨迹。其中一条轨迹表示出该地区的绿色植被被连根拔起；一条轨迹可以看到其始于塔斯卡卢萨市西南部，穿过灰色的城市，朝着伯明翰市东北部延伸；另外一条飓风轨迹与中间的轨迹平行。随后，NASA又陆续公布了“陆地卫星”（Landsat）拍摄的佐治亚州格里芬镇附近的灾区图片，以及“土”（Terra）卫星搭载的“先进星载热辐射和反射辐射仪”（ASTER）获取的阿拉巴马州灾区图像（图1）。

>>>图1 通过“ASTER”获取的阿拉巴马州灾区图像

地球眼（GeoEye）公司也公布了由“伊克诺斯”（IKONOS）卫星于4月28日11∶35拍摄的阿拉巴马州塔斯卡卢萨市遭飓风袭击后的高分辨率卫星图像。与IKONOS卫星于2006年4月4日拍摄的该市同一地区的图片对比可以看到，飓风所到之处的植被、道路和房屋严重受损，留下满地碎屑。

5月22日17∶30，乔普林飓风再次来袭。NASA戈达德空间飞行中心的丹尼斯·切斯特斯（Dennis Chesters）利用地球同步轨道气象环境卫星GOES-13采集的飓风到来之前、之中、之后的连续图像数据进行影像模拟，显示出了乔普林飓风的风暴行进过程，使观看者可以看到雷暴的运行轨迹以及由其生成的飓风。飓风抵达乔普林市时宽约0.8km，消失前扩展到宽约1.2km，长约10km。

（2）恶劣气象相关问题研究

为解决飓风的预报问题，美国相关研究机构开展了多项研究工作，利用卫星遥感的技术力量，在热带风暴和飓风路径预测方面取得很大进展，目前正致力于突破风暴强度预测的难题。比如，此次乔普林飓风到达之前，尽管当地气象部门已经根据卫星遥感数据信息提前做了路径预报，但飓风的凶猛程度和迅速移动却让人们始料不及，因此造成了重大损失。

为解决这类问题，美国伊利诺伊大学近期利用搭载微波辐射计的在轨卫星，开展了监测热带风暴结构的动态变化并预测其强度突变的系统研究。研究人员对1987—2008年的卫星遥感数据进行了梳理，分析了风暴快速强化之前24小时内的变化情况，并通过一种大型图像方法清晰地揭示出了风暴的动力模式。研究发现，在风暴强化过程开始前的6小时左右，低切变风暴系统都会围绕风暴中心形成一个对称的雷暴环，这个雷暴环可以通过遥感卫星进行监测。当风暴系统强化成为飓风时，雷暴也会加强，此时的雷暴环也将更加清晰。

另一方面，该项研究也分析了不太常见的高切变风暴系统。根据遥感卫星微波辐射计所绘出的图像，这种风暴在加强时表现出的是一种不同的结构：它们在风暴系统中心会形成一个大型、靶心状雷暴区，而不是雷暴环。研究人员表示：“当风暴呈现出这种对流环特征时，就极有可能正在经历快速强化过程，因此可以据此进行飓风强度预警。”

目前，该研究中应用的卫星遥感数据更新周期为3～6小时，气象学家可以利用它们跟踪热带风暴并监测具有指示作用的雷暴环或雷暴区，从而在风暴达到其最大强度前提供30小时的预报时间窗口。这种新方法使美国首次能够以实时的方式进行飓风强度预报，而不再仅仅是依靠模型猜测或统计预测。此外，研究人员还希望能够通过对风暴系统强化过程时内部动力建模进一步增强预测风暴强度的能力，进而分析结构变化的原因，并发现强化过程的驱动因素，这些研究将进一步提升强风暴及飓风的预警能力。

二、火灾监测

（1）对火灾本体情况监测

近年来，各类自然环境和城市环境中的火灾已成为人类的一大危害，据报道，2011年6—8月，美国各地多次发生火灾，尤其是对极其干旱的美国南部，所造成的损失更加巨大。2011年6月，亚利桑那州发生了美国有史以来最大的火灾，应急管理和消防员利用陆地卫星-5提供的不同指示色的火灾图像，快速识别了各类物体，从而快速有效地开展疏散和营救行动，并帮助有关部门制定控制火势的策略。

美国采用多台天基遥感设备对境内林火、野火进行监视。目前，用于监视火灾的天基遥感设备主要包括：国家地质调查局与NASA联合管理的陆地卫星携带的遥感器，NASA的“土”（Terra）和“水”（Aqua）两颗卫星携带的中分辨率成像光谱仪（MODIS），NOAA的POES卫星携带的先进高分辨率辐射计（AVHRR），以及GOES卫星携带的成像仪和探测器。2011年10月，美国NASA和NOAA的联合项目Suomi NPP卫星发射升空，其携带的可见光与红外成像辐射测量仪（VIIRS）和交叉轨迹红外大气探测器（CrIS）进一步提高了美国精确定位火灾位置的能力。

在这些卫星有效载荷中， MODIS是“图谱合一”的遥感器，在波长0.4μm（可见光）到14.4μm范围采用36个光谱波段，最高空间分辨率为250m，扫描幅宽达2330km，可用于确定火灾位置、火灾等级以及暗火，跟踪火灾产生的烟尘，监视火情的发展；AVHRR是5光谱通道扫描辐射仪，地面分辨率1100m，可用于大尺度调查或中小尺度区域调查，可以用来确定火灾位置和辨别火灾范围；GOES的多通道扫描成像仪的分辨率为4～8km，可以提供可见光和红外图像，其携带的另一个有效载荷——垂直探测器是一种多通道辐射计，可以探测地表温度，两种设备均可用于提供关于火灾和烟尘的关键数据，从而满足对火情监视的需要。Suomi NPP卫星的发射，使美国可利用VIIRS提供的数据对火灾位置进行精确定位，VIIRS扩展了MODIS和AVHRR的能力，大大增加了扫描幅宽，空间分辨率为750m，并且可保证幅宽之间没有缝隙，可提供连续的高分辨率图像，使美国进一步增强监视火灾的能力。

（2）火灾所引发烟尘污染情况监测

在火灾遥感信息的接收和分发方面，NOAA下属的国家环境卫星数据和信息服务中心负责对卫星图像进行处理和分析，确认探测到的火灾位置和过火面积；对于监测到火灾烟尘，还利用计算机模型预测烟尘传播速度和范围，判断对国家乃至全球的影响，随后在NOAA网站上公布关于火灾及烟尘的信息。各级政府和消防部门将利用这些信息采取应急措施。

2012年5月，俄罗斯西伯利亚发生大面积森林火灾，约68.3km2的森林着火。据NASA官网2012年6月11日报道，西伯利亚火灾引发的烟尘跨越太平洋，进入美国和加拿大。Suomi NPP卫星获得的图像数据显示，在全球风场的推动下，火灾引发的气溶胶用了6天时间到达美国海岸。在此次监测事件中，主要利用了Suomi NPP卫星上搭载的臭氧成图廓线仪（OMPS），对火灾烟尘与空气混合生成的二次气溶胶进行监测。OMPS由NOAA和美国国防部共同资助，其相关数据可以通过美国国家对地观测网站（http∶//neo.sci.gsfc.nasa.gov）获得。

在美国NASA戈达德空间飞行中心的科学系统和应用有限公司（位于马里兰州格林贝尔特市），大气物理学家克林塞弗特（Colin Seftor）使用OMPS的数据以及数据生成的图像对气溶胶进行了研究。研究显示，地球上某一地区发生的事件很容易影响到数千英里之外的另一个地区，全球风场不仅能将烟尘传播很远的距离，也会携带污染物甚至病毒的孢子。在这次火灾发生时，火焰的高热量引起对流，将烟尘至少抛起至12km的高度，Seftor将该过程的监测图像进行了伪色彩化处理，利用不同的色彩表示烟尘浓度，使得数据结果更直观，见图2。在图像中，蓝色和绿色表示烟雾较少，黄色和粉色表示烟雾较多。数据显示，烟雾最厚的区域出现在蒙古，随后，高浓度的烟雾穿越太平洋，并进入美国阿拉斯加地区。

>>>图2 西伯利亚火灾引发的烟尘跨越太平洋进入美国和加拿大

三、地震监测

目前，通过利用合成孔径雷达卫星和光学卫星收集的图像、全球定位系统（GPS）数据和地震数据，可以研究地震中断层的类型和断裂过程，进而建立一个非常逼真的地震模型，研究地震产生的地面震动，并仿真地震发生时的几何断裂和时间演化过程。

以往的研究认为，如同伤口愈合后遗留在皮肤表面的伤疤，人类可以通过地震形成的地表破裂情况来推断地震断层线，在断层滑动作用下形成的地表交叉破裂纹路通常都要比地表以下的断层结构更复杂。但基于卫星数据的上述研究成果却颠覆了这一论断。在对2010年4月4日发生在墨西哥EI Mayor-Cucapah地震的一项研究中发现，虽然该地震形成的相关断层地表纹路是笔直的，但地表以下的断层区域却是弯曲的，且随深度不同而错综复杂。

研究人员称，这次地震断层的演变和延伸不完全符合以往的表面地质学预计理论，并且说明地表以下的地层断裂可能要强于地表上的破裂。据加州理工学院主任称，该数据可以用来说明边界板块分割太平洋板块和北美板块，并连接加利福尼亚海湾和南加州埃尔西诺（Elsinore）板块的形成过程。

此外，美国NASA喷气推进实验室（JPL）的地球物理学家埃里克·菲尔丁还在研究中利用高分辨率雷达卫星图像发现，在科罗拉多河三角洲下游的地方有一个地图上未标明的断层，该断层在经历了上一次地震之后，已经被河道沉积物覆盖。同时，2010年4月4日的地震令该断层上升了5m。

另据Science Daily网站2012年2月13日报道，地质学家拥有了一个新的研究工具来研究地震怎样改变自然环境，并且让人类可以了解地震断层的变化过程。该信息主要来自《科学》杂志2012年2月10的一篇文章，文章称一个来自美国、墨西哥和中国的科学家研究小组，根据墨西哥2010年4月7.2级地震的数据，对地震带前后的图片进行了全面研究。研究小组成员包括埃里克·菲尔丁。

通过对比地震前后的调查结果，研究组成员能够精确了解地面移动的位置和距离。新的激光雷达调查结果显示，此次地震主要是由主断层周围的7个小断层汇聚变形引起的，并且激光测量可增进对多断层地震发生原因的认知。

四、火山监测

据德国航空航天中心（DLR）网站2012年12月23日报道，英国科学家利用德国“X频段陆地合成孔径雷达”（TerraSAR-X）卫星所获取的遥感图像证实，圣托里尼（Santorini）火山爆发产生的熔岩正在火山底部淤积，这导致整个圣托里尼群岛在上升的同时，面积也在不断扩大。基于TerraSAR-X卫星图像，结合GPS测量数据发现，卡美尼（Kameni）群岛的许多地方已上升了8～14cm。自2011年初圣托里尼火山再次活跃以来，由于熔岩不断涌出导致圣托里尼火山口宽度整体上增加了14cm。

图3是TerraSAR-X卫星拍摄的圣托里尼群岛雷达图像。在处理雷达数据时，红色和黄色阴影表示地面上升最高的地区。锡拉（Thira）岛的主岛未受变形的影响，因此用蓝色表示。

>>>图3 TerraSAR-X卫星拍摄的圣托里尼群岛雷达图像

TerraSAR-X卫星是TerraSAR计划的一部分，于2007年6月15日发射，是德国第一颗采用公私伙伴关系（PPP）的方式建造的卫星。TerraSAR-X卫星主要有效载荷是一部有源相控阵合成孔径雷达，具有高分辨率、多极化、多模式成像能力，最高分辨率优于1m，其数据广泛应用于农业和林业管理、地质调查、海洋监测和制图等领域，且在军事侦察领域具有很大的应用潜力。

卫星专题应用在有效预防重特大自然灾害的发生，以及灾害发生前采取何种规避措施和在灾害发生后能够第一时间了解灾区情况从而制定有效的救助措施等方面发挥了越来越重要的作用。一方面为传统的减灾工作提供了更加科学有效的技术支持和能力保障，同时，也对传统的减灾工作当中存在的错误概念进行了纠正，避免继续按照错误的理解开展工作。这些对于“时间就是生命”的抗灾工作都是至关重要的。