卫星技术在我国灾害管理中的应用

· 文|北京师范大学减灾与应急管理研究院 陈曦 李京

卫星技术在我国灾害管理中的应用

· 文|北京师范大学减灾与应急管理研究院 陈曦 李京

我国幅员辽阔，地形地貌与气候条件复杂，自然灾害种类繁多且发生频繁，除现代火山活动导致的灾害外，几乎所有的自然灾害都有发生，其分布广、随机性强，是世界上自然灾害最多、损失最严重的国家之一。从灾害区划看，全国有74％的省会城市以及62％的地级以上城市位于地震烈度VII度以上危险地区，70％以上的大城市、半数以上的人口、75％以上的工农业产值，分布在气象、海洋、洪水、地震等灾害严重的地区。随着国民经济持续高速发展、生产规模扩大和社会财富的积累，灾害损失呈现日益加重的趋势。20世纪90年代以来，中国进入新的灾害多发期，新的重大灾害事件不断出现，灾害带来的损失和危害程度呈明显上升趋势，呈现出频次增加、损失加剧、多灾并发、次生衍生灾害不断等特点；尽管国家在防灾减灾领域投入了大量的人力物力，使自然灾害造成的人员伤亡逐渐减少，但直接和间接的经济损失却不断增加，自然灾害已成为制约国家和区域经济社会全面发展和影响社会安定的最重要因素之一。

一、空间技术是获取灾害信息的重要手段

为应对严重自然灾害带来的挑战，我国建立了完整的灾害管理和应急体系，以加强自然灾害综合管理能力，提高应急速度，尽可能地降低灾害造成的影响，减少伤亡和经济损失。从中央到地方的各个部门都建立了灾害应急预案，保证在出现灾害时，能在第一时间启动相应的预案，并按照预案开展有序的专业化救灾。信息服务是灾害管理和应急体系建设的重要环节，信息是贯穿灾害管理全过程的核心要素，在整个灾害管理过程中，各项决策都要依据信息来制定，由信息“发动”：应急预案的启动要根据对灾情信息的分析，依据应急预案的启动标准决定；灾害应急工作由信息获取与分析工作开始，后续的一系列工作，包括救灾工作组和救援队伍的派出，救灾设备和物质的调运，生命线的抢通，受灾人员抢救和安置转移，以及灾后恢复重建，都是根据灾情等信息开展的（见图1）。

图1 灾害应急工作流程

由此可见，灾情信息的及时获取对救灾工作至关重要，只有在第一时间掌握可靠准确的信息，救灾指挥部才能制定正确的决策，将有限的救灾资源（人、财、物）准确地投放到最需要的地点上，以提高应急救援速度和救灾效率，最大限度地发挥作用。不能及时获取灾情信息会使整个救灾滞后而错过最佳救援时间，甚至导致救援工作失败。

然而，重大自然灾害发生时，通常发生发展十分迅速，影响范围很大，并将各种地面基础设施（包括信息采集和监测系统、通信系统等）统统破坏，使得灾区无法向外传送信息，而且由于道路被摧毁，救援人员无法在第一时间进入重灾区了解灾情，造成灾害发生后一段时间的“信息真空”，使救灾指挥部因不能及时获取准确可靠的灾情信息而难以做出正确的决策，严重影响应急救援工作的开展。卫星技术的发展有效地解决了这一问题，在地面信息采集和通信系统被灾害摧毁的情况下，以卫星技术为基础的空间信息系统却依然可以正常工作，保证对救援人员的信息支持和救灾工作的顺利展开。这一优点使灾害管理成为最需要也最适合应用卫星技术的领域之一，也被证明是卫星技术应用最为成功的领域之一。在应急救灾中使用的卫星技术主要有：卫星通信，卫星导航和卫星遥感技术，他们都被证明是救灾工作中十分有效的工具，被国内外广泛地应用于重大自然灾害的应急救援工作中。

二、卫星通信技术在灾害管理中的应用

从我国历次救灾工作经验来看，畅通的通信手段与方式是向人民通报灾情、疏散群众、请求支援的关键环节，没有一个健全可靠的通信信息系统作为保障，应急救援工作是无法顺利展开的。我国的通信系统长期以来一直是应急救援中一个薄弱环节，中西部的数十万农村、牧区和山区在实施“村村通”工程之前连电话都不通，使灾情报送工作遇到很大困难。例如，1993年青海玉树索加乡君曲村被大雪围困，由于通信不畅，村干部骑马到乡上求救，4天4夜才赶到乡政府，乡里又用同样的时间将灾情上报到县里，导致灾民在一个多星期后才得到救援，损失惨重。1996年在云南丽江地震中，由于通信中断，使得灾区灾情信息48小时后才报告到北京，极大地延误了救灾工作的进行。如果有完善畅通的灾情通信系统，使救灾部门能够在第一时间内获取灾情信息，并及时开展应急救援工作，将会大大减少灾区的损失。这一局面在卫星通信技术广泛应用后得到彻底改观。卫星通信提供了地面网络所不具备的备份性、广泛覆盖性和灵活性；不受距离和地形的限制，不需要布设通信机站，不依赖地面通信条件等。在没有光纤、没有无线通信条件下；或发生突发事件，地面通信网络遭受破坏时，卫星通信仍可以轻松实现话音、视频和数据通信服务。它可确保在任何情况下及时、快速、可靠、稳定地提供宽带多媒体通信服务，是真正能够做到广域无缝隙覆盖的通信方式。在地面通信网络遭受破坏后，地面应急通信系统会自动地转接到卫星网络上，保证通信的畅通。

目前，我国气象、水利、地震等灾害监测部门普遍使用了固定站卫星通信的方式传送各种监测站（水文、气象、地震等）的数据，保证了在边远地区和灾区的数据及时上报；而移动卫星通信则更多的应用于应急救援中。例如，国家减灾委将移动卫星通信终端列入应急工作组的标准设备配置，在近年来历次应对重大自然灾害中，应急工作组奔赴灾区时都携带卫星电话，保证了与应急指挥部的信息畅通。2006年初，新疆阿勒泰地区遭遇大雪和寒流袭击，造成上万平方千米的牧区受灾严重，新疆联通阿勒泰分公司利用卫星通信技术，成立应急通信小组，出动应急通信车辆，确保所有受灾牧区通信畅通，为雪灾救灾提供了良好的通信保障。2013年4月20日四川雅安地震，重灾区宝兴县交通通信全部中断成为“孤岛”，在用直升机机降方式进入灾区的方案因气象条件恶劣而无法实施的情况下，空投了两部卫星电话，终于在当晚19：10与宝兴县建立了通信联系，使救灾指挥部及时了解了灾情并制定了相应的救援方案，保证了救援工作的快速开展。2008年5月12日四川汶川8.0级地震发生，当时灾区通信设施（包括基站、光缆等）和交通设施被大面积摧毁，通信中断，情况十分紧急，为此救灾部门大规模使用卫星通信技术应对危机，几千台卫星通信终端（各种移动卫星通信车辆、VAST终端站、卫星手机等）源源不断地进入灾区，迅速构建起了灾区卫星通信网络，成为了重灾区唯一的应急通信手段，地震发生的当天应急卫星通信车即已到达重灾区都江堰开始提供应急通信服务；第2天，通过救灾人员艰难跋涉送来的卫星电话，从震中映秀镇打出了地震后的第一个电话，向指挥中心的领导汇报了当地灾情；通过紧急安装的卫星宽带视频系统，将映秀镇现场灾情的视频、语音实时传出，成为映秀镇唯一的实时视频传送平台，为映秀地区前沿指挥中心和后方指挥中心提供了稳定的全方位通信保障。同时，在地震灾区，卫星移动通信不仅用于最基本的语音通信， 传输现场图片和视频资料， 还被用于一些特殊的应用。例如：开通了以卫星通信为基础的远程医疗系统，使在后方的医疗专家可以参加灾区的医疗救治工作；后方通过远程视频系统对灾区现场的救援工作组进行应急指挥；在灾民转移安置点建立帐篷学校，利用卫星远程教育开办“空中课堂”，使灾区学生迅速恢复上课；减灾委救灾工作组在5月15日上午在灾情最重的北川县城使用无人机获取了灾区的第一批无人机遥感影像后，首次采用了无人机与便携式卫星通信终端结合的技术路线，将遥感影像及时传送回在北京的应急指挥部。

三、卫星导航技术在灾害管理中的应用

卫星导航系统在应急救援工作中也发挥了重要作用，特别是国产的北斗卫星导航系统的表现更是十分优异，这与北斗系统的总体设计特点有关。北斗导航系统采用的是与其他卫星导航系统被动导航定位不同的主动导航定位方式，具有一定的通信功能。它可以不依赖其他通信系统而独立完成定位和通信，指挥中心可随时了解救灾车辆和各救灾工作组的位置，实现监控导航；还可以通过短报文进行双向通信，随时了解灾情的发展，做到心中有数，并发出指令指挥各工作组相互配合救灾。与其他卫星通信设备比较，北斗终端轻便灵活，容易使用和携带，成本低，更容易大量部署，在巨灾发生时，位于重灾区的车载北斗终端更容易保全下来，有利于实时报灾。上述优点使得北斗系统很快就应用于灾害管理领域。最初，北斗系统是用于偏远地区固定的水文站点传送水文信息以实现测报，因其具有体积小、功耗低、雨衰弱等优点而迅速推广，目前有超过3000套北斗终端在使用。而使用北斗终端进行导航定位和报灾开始虽然晚一些，但发展更为迅速。2007年8月减灾委应急救灾工作组在福建安溪台风灾区使用北斗终端进行导航定位和报灾取得成功后，即将北斗终端列为了应急救灾工作的标准配置，利用基于北斗卫星导航系统的救灾应急指挥调度系统，在以后的历次救灾中，特别是2008年南方雨雪冰冻灾害和“5·12”汶川地震救灾中发发挥了十分重要的作用。

为保证报灾的及时性，民政部还计划给全国的报灾人员（一直到村级）配备北斗终端，完成为十个省配备30000台北斗终端，这将极大地提高我国在巨灾情况下的应急通信和灾情报送能力。

减灾委应急工作组还根据北斗卫星导航系统的特点发展了称为”天地一体，前后协同”的工作模式：前方应急工作组在运动中不断发现问题和对灾情进行实时快速评估，并通过北斗系统发回后方指挥部；后者则据此确定问题出现的准确位置，调动其他技术手段（包括遥感技术等）对其进行跟踪监视和详细的灾情评估，大大提高了工作效率。例如，“5·12”地震救灾中，应急工作组在赶往陕西受灾最重的宁强县查灾，途径略阳县时，发现远处山体有大面积滑坡，因赶路不能前往观察，遂用北斗终端发短信请后方跟踪监视，后方确定位置后立即分析该地区最新的卫星遥感影像，对灾情进行监测评估。

四、卫星遥感技术在灾害管理中的应用

与卫星通信和卫星导航相比，卫星遥感技术在防灾减灾领域应用的更早也更成熟。早在1960年第一颗试验气象卫星发射成功后，人们就在不断研究使用气象卫星遥感数据监视灾害性天气系统的发生和发展，提高天气预报的准确性，并逐渐走向实用。20世纪70年代陆地卫星和海洋卫星发射成功以后，也很快被应用到灾害监测工作中。人们发现卫星遥感技术在灾害监测、评估中具有其独特优势：其观测范围广（可实现对整个灾区的全覆盖），重复观测频率高（有利于对迅速变化的致灾因子和灾情进行连续监测），信息获取快速客观准确，最重要的是，可全天候全天时稳定工作，不受灾害影响，能帮助我们在任何恶劣气候条件或在难以到达地区直接获取实时的信息，能发挥无可比拟的重要作用，其在减灾防灾领域的应用也一向被认为是卫星遥感最成功的应用领域之一。

我国在这一领域的研究与应用工作开展的也很早，除应用于气象监测预报外，卫星遥感第一次大规模应用于灾害监测是在1987年大兴安岭火灾期间，被用于监测火灾的发展过程。不仅用来分析火点的位置，计算过火面积，还根据遥感影像上烟雾扩散的方向确定当地的风向，预测林火会向哪个方向发展（图2），连续不断地为扑灭大火提供准确可靠的信息。此后，在历次重大自然灾害应急救灾工作中，卫星遥感都发挥了不可替代的重要作用，特别是在1998年长江大洪水（图3）和2008年汶川地震救灾期间，多个系列的遥感卫星（包括国外和国内卫星）数据被大规模应用于灾害监测和灾情评估中，为救灾工作提供了强有力的信息支持。

图2 大兴安岭火灾NOAA卫星影像

图3 1998年8月洞庭湖洪水遥感监测图（由灾前和灾后的Radarsat-1卫星雷达影像合成）

卫星通信和卫星导航技术主要用于应急阶段，而卫星遥感技术则广泛的应用于灾害管理的各个阶段：在灾前的减灾备灾阶段，主要用于对可能受灾的地区和目标（受灾体）进行监测和风险源识别，获取重要参数（如土地利用、土壤类型、作物分布、水体范围、基础设施情况等）建立或更新灾害数据库，用以在本阶段进行灾害风险分析，以及在灾害发生后进行灾情评估；在预警预报阶段，主要用于对致灾因子（如降雨、台风等）和其他可能影响灾害形成的因素（如土壤含水量等）进行动态监测，通过对其与其他来源的数据综合分析，实现对灾害的预警预报；灾害发生后的应急阶段，是卫星遥感用的最多也是最能发挥作用的阶段，主要用于对灾情进行动态监测和评估，监测和评估的内容广泛，包括灾害发生范围、面积、灾害强度、损失程度及其分布、房屋倒塌、农业损失、生态环境破坏等，还包括水库、堤坝、桥梁、铁路、公路、港口、机场等基础设施破坏情况；在灾后恢复重建阶段，用于对恢复重建情况（包括房屋、各种基础设施、减灾工程的建设和生态环境的恢复等）的监测和评估。

随着卫星技术的发展，国际上遥感卫星的数量不断增加，其质量和分辨率也在不断提高。与此同时，我国也发展了一系列的遥感卫星，包括气象、海洋、资源、环境、高分等系列卫星，在灾害应对时可获取的数据十分丰富，获取的时间周期也大大缩短；我国也建立了卫星减灾地面应用系统，可以对接收到的卫星数据进行实时的快速处理，并在灾害数据库的支持下进行分析，形成为救灾决策服务的数据产品，并通过分发系统迅速提供给救灾指挥部门、应急救援人员和公众，保证其了解灾情的最新变化和救灾工作的进展。

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