3S+C技术在减灾行业的应用

2014-07-10航天恒星科技有限公司张云杰宋芳妮

卫星应用 2014年10期

关键词：减灾救灾灾害

· 文|航天恒星科技有限公司张云杰宋芳妮

3S+C技术在减灾行业的应用

· 文|航天恒星科技有限公司张云杰宋芳妮

近年来，随着全球气候变化幅度的增大和经济持续高速发展，灾害造成的损失呈现日益加重的趋势。据统计，2013年全球共发生了880多起自然灾害，共造成2万多人死亡，全球全年总计经济损失达1250亿美元。

我国是世界上自然灾害最为严重的国家之一，灾害种类多、分布地域广、发生频率高、灾害损失重、社会影响深和减灾难度大是我国自然灾害的主要特点。近15年来，我国平均每年因各类灾害造成约3亿人受灾，减灾救灾工作正面临着巨大的挑战。

如何利用科学技术，认识这些灾害的发生、发展以及尽可能减小它们所造成的危害，已是国际社会的一个共同主题。在这样的形势背景下，加快通信、遥感、地理信息系统和导航定位等技术在减灾救灾业务中的应用步伐，推进其应用成果的转化，是完善我国重大自然灾害监测、预警、评估和应急救援指挥体系的一个重要手段。

一、3S+C技术与减灾

遥感（RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位技术（GNSS）以及卫星通信技术（Communication），即通常所说的3S+C技术，通过这些技术的综合应用，可实现对多源灾害信息的采集、传递、处理和分析，从而向减灾决策者提供综合减灾空间信息服务，使其科学准确、及时快速地了解灾害情况，制定减灾方案。

1.遥感技术

RS技术的快速发展为我们提供了一种获取实时灾害信息的可靠手段。通过各种机载和星载传感器，可以准确获取灾区的影像数据，这些数据是GIS处理的重要信息来源，可获取大面积地表属性及实现地物要素的提取。

RS技术已被广泛应用于各种重大灾害的救灾工作中。事实证明，无论是印度洋海啸，还是中国的汶川地震，RS技术都在减灾救灾工作中发挥了非常重要的作用。

与常规信息采集方式相比，RS技术在灾区信息的获取上具有明显的优势，主要表现在以下几个方面∶

1）覆盖范围广。RS技术可以对大范围的受灾地区进行观测和数据采集，从宏观上反映受灾地区的情况。例如，一景Landsat-TM遥感器获取的影像可以覆盖185km×185km的地表范围，相当于能够覆盖汶川地震中受灾最严重的北川县全境；我国环境减灾卫星获取的影像幅宽为360km（2台组合700km），能够获取更大的地表范围。大范围的数据获取能力也为全球气候变化及区域地质活动的研究提供了有力条件。

2）获取速度快、手段多。遥感技术可以对灾区进行周期性的观测来获取不同时相的影像。通过受灾前后遥感影像的对比分析，不但能够定位受灾区域、估计影响范围，还能跟踪灾情的动态变化。例如，搭载MODIS光谱仪的上午星Terra和下午星Aqua可以达到一天过境4次；SPOT卫星的高分辨率可见光（HRV）传感器具有倾斜观察能力，能够在不同轨道上用不同的观察角对同一地区进行观测，产生立体像对以获得三维空间数据。这种高时相分辨率以及多观测角度的特点，为实时获取灾情信息提供了可能。

3）信息量大。遥感可利用可见光/反射红外、热红外和微波等波段，探测不同区域地质、水文地质、环境污染、森林火灾和地表形态等信息。不同遥感影像的分辨率在几十厘米至几百千米之间，能够满足不同尺度下减灾救灾的应用需求。

2.卫星导航技术

GNSS为遥感影像处理提供空间位置坐标和时间信息；为GIS提供空间定位信息，可实现诸如定位、测量、移动物体的动态监控与导航等。如减灾用户终端的使用可提供救援路径规划、定位服务；北斗系统的短报文服务，可在任何时间、任何地点实现无缝通信连接，满足减灾应用需求。

3.地理信息技术

GIS为地物的几何数据和属性数据的存储、管理、分析、可视化等应用提供了软件平台，利用其强大的空间数据管理和分析能力，可作为遥感图像解译的强有力的辅助工具，同时，能够为GNSS提供底层技术支持。

GIS技术已在火灾、地震、旱灾、洪涝、地面沉降以及滑坡、泥石流等方面取得了广泛的应用。GIS技术在防灾减灾中的应用主要有以下几方面：

（1）作为多源防灾减灾信息集成的平台，提供信息服务

在建立空间图形库的基础上，GIS支持以下基本图形应用：电子地图的应用；数据的显示、查询功能；统计。

（2）实现以空间分析为基础的防灾减灾信息的综合分析

防灾减灾信息是一个多要素的综合体，各要素间具有时间序列和空间特征。GIS为我们综合分析各种防灾减灾信息提供了现代化的手段。空间量算可分别从一维、二维空间实现对研究对象长度、面积的快速量算。空间叠加分析可提供矢量－栅格一体分析，可对不同要素的图层进行叠加分析。利用叠加分析，可将任意选择的要素进行空间叠加分析，以帮助我们进行专题分析。利用缓冲区分析，可进行点、线、面的缓冲分析。通过在重点灾害源周围建立缓冲区，可对缓冲区内各要素进行统计，如统计缓冲区内社会经济信息、抢险救灾信息(抢险物资、抢险队伍及避险中心)等，不仅为抢险救灾决策提供有力的辅助手段，同时还可为城市规划、保险行业保费估算提供非常重要的依据。通过网络分析实现资源供给网络划分、救灾资源调拨及救灾最佳路径分析。

（3）减灾专题图件的生成及应用

GIS提供了强大的制图功能，可绘制任意比例尺的地图，可对同类图件进行任意的分解和拼接，并且可绘制任意给定区域的单要素专题图或多要素专题图。

结合属性数据库与空间数据库，可对在防灾减灾指挥决策中所需的各类分布图进行绘制。

利用GIS技术与决策支持模型的结合，还可制作抢险实施方案图（包括人力物资调度、人员疏散、交通管制等）、抢险预案图、洪水淹没图等。

4.通信技术

通信技术提供了信息传递的通道，提供遥感图像传输、灾害信息、指挥决策信息及应急通信等的通信链路。

二、3S+C减灾应用系统框架

3S+C技术综合应用于防灾和减灾领域是很常见的，图1是一个这类系统构成的通用架构图。

如图1所示，3S+C技术应用系统一般由4层组成，自下而上分别是数据采集层、数据传输层、处理分析层和应用服务层。

图1 3S+C技术应用系统架构

1.数据采集层

数据采集层是整个系统的数据基础，指利用不同技术手段采集系统所需数据。数据来源包括地面传感器、遥感卫星、有人和无人飞机、飞艇和导航CORS网等，数据种类包括各种形变、位移和温湿度等检测数据、遥感影像以及导航数据等。

地面传感器可以采集地面温度、湿度、地震波等参数。

通过在遥感卫星和飞机上搭载的传感器，可提供不同尺度的地物影像，无人机还可以在紧急状况下获取更高分辨率的灾区影像。CORS系统可全自动、全天候、实时地向大量用户提供高精度、高可靠性、实时的定位信息。此外，CORS系统可用于通信系统和电力系统中高精度的时间同步，并能就地面沉降、地质灾害、地震等提供监测预报服务、研究探讨灾害时空演化过程。

手持/车载/船载定位终端可提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并可进行短报文通信。

海上浮标可以测量风速、风向、气温、气压和温度等气象要素。

2.数据传输层

数据传输层通过多种链接手段将数据传输至处理分析层，包括地面有线网络、地面无线网络、通信卫星、光纤、GPRS等。

3.处理分析层

处理分析层以数据传输层传来的多源数据为基础，在计算机集群设备的支持下，以GIS、RS和计算机技术为核心，为减灾业务提供基础处理分析。如：针对多源遥感图像，提供几何精校正、正射校正、融合、镶嵌、匀色等分析；提供航空影像、卫星影像、现场数据等与基础地理空间信息的叠加分析；提供缓冲区分析功能，支持减灾救灾资源调配；提供面积量算功能，支持洪涝淹没范围监测、大型滑坡体/泥石流范围监测、积雪覆盖范围监测，火场面积及火烧迹地面积、干旱范围、安置区监测等。

4.应用服务层

应用服务层在处理分析层的基础上，结合减灾业务体系，实现减灾业务服务，如信息采集与协同、灾害监测、生命线损毁评估、综合评估和研判会商等。

信息采集与协同业务对来自遥感卫星、通信卫星、导航卫星、航空平台及现场采集的各类灾害相关数据进行同化和协同分析，以便针对某一特定受灾区域开展减灾救灾业务。

灾害监测业务以多源遥感卫星数据、航空数据和灾害现场采集数据为主要数据源，实现孕灾环境监测、灾害指数计算、灾害范围监测等灾害监测方法，实现生成洪涝淹没范围监测、大型滑坡体/泥石流范围监测、积雪覆盖范围监测，火场面积及火烧迹地面积、干旱范围、安置区监测等。

生命线损毁评估业务是在应急模式下，综合利用信息采集与协同以及灾害监测提取的信息，开展受灾人口快速评估、生命线工程快速评估、房屋倒损快速评估、农作物损毁快速评估以及灾情快速综合评估等。

综合评估业务是在灾害过程稳定或结束后，针对不同灾种评估的结果，利用空间技术和综合分析手段建立综合评估模型以及评估流程，从经济损失、灾情等级评估、救助需求分析等方面对受灾情况进行全面评估，辅助人员转移安置和指挥决策预案。

三、3S+C综合减灾应用案例

1.委内瑞拉综合减灾应用系统

针对委内瑞拉国内主要的自然灾害，如洪水、泥石流频发的现状，航天恒星科技有限公司为用户建设了委内瑞拉综合减灾应用系统。目前，该系统已交付委内瑞拉用户。

系统建设在加拉加斯的对地观测中心，通过地面光纤网络，接收来自巴马里地面站的委遥一号（VRSS-1）卫星数据，并综合应用GIS和RS技术，提供灾害信息提取，灾害评估分析等功能。具体业务包括森林火灾信息提取、洪涝灾害信息提取、地质灾害信息提取、海岸线信息提取等，并生产相应的灾害专题信息，为政府减灾提供信息支持。

委内瑞拉综合减灾应用系统组成见图2。

图2 委内瑞拉综合减灾应用系统组成图

（1）产品生产调度分系统

统筹管理用户的业务生产需求，经过汇总、融合和优化后，制定各种数据的生产计划，并对所有任务的执行过程进行监控管理。

（2）数据获取与分析分系统

是系统对外服务的窗口，为用户提供专题图生产服务、专业化的遥感影像处理工具、遥感数据统计与分析工具、报表生成工具；同时负责对遥感影像进行几何较正、正射较正、影像融合与影像分类等遥感影像处理功能，并对影像处理结果进行效能评估。

（3）专题产品生产分系统

根据用户需求，利用已有遥感数据，进行洪涝灾害监测、森林火灾监测、海岸线监测、泥石流灾害监测等专题产品的生产。

（4）数据产品管理分系统

是系统数据汇总及分发中心，统筹规划VRSS-1卫星及其他遥感卫星影像数据，建立数据归一化处理途径，为海量遥感影像数据与遥感辅助数据的接入、归档及分发提供技术支持。

图3为利用委内瑞拉综合减灾应用系统生产的产品示例。

图3 委内瑞拉综合减灾应用系统产品示例

2.减灾信息收集平台与应急减灾特种导航终端技术

减灾信息收集平台如图4所示，该平台主要由指挥中心和应急减灾特种导航终端组成。作业人员可手持该特种终端深入到灾害现场，将灾情信息通过北斗短报文或GSM/GPRS、CDMA2000、WCDMA等通信方式回传到指挥中心，为民政部门收集灾害救援现场的第一手资料，以便救灾指挥决策。

该平台的应急减灾特种导航终端针对我国灾害应急工作中现场信息监测与通信能力存在的不足，开展了基于卫星导航定位监测、嵌入式地理信息系统、遥感图像应用、应急通信等技术的集成研究，并研制开发了基于北斗/GPS系统的特种导航终端系统。该系统有效结合了CDMA、北斗通信、蓝牙等关键通信技术，是我国第一款针对减灾应用的导航通信综合终端系统。

目前，该终端系统已在我国甘肃肃北、重庆巫山、广西平乐等地区完成了多次应急减灾示范应用，并参与了2011年旱灾灾情信息采集工作，为进一步提升我国综合减灾救援能力提供了重要技术支撑。

基于北斗卫星定位数据，结合灾区灾情信息及基础地理数据情况，为灾害应急现场工作人员、车辆开展救灾工作提供重要的导航定位信息，同时为指挥中心及时了解现场人员、车辆的动态提供相关定位信息，为救灾人员、设备、物资的运送路径进行快速规划。为车辆、船舶、飞机等救灾物资运输工具提供自动导航功能，自动为运输工具的行进方向、速度以及灾情注意事项等提供前期预报和建议，并对偏离既定规划路径的交通工具做出预警提醒。

利用北斗导航定位技术实现对灾害及次生灾害发生位置、受灾范围做出精确描述，为灾害范围评估、灾害影响人口评估、灾害损失评估提供重要信息。利用多源对地观测数据，精确提取受灾范围、灾害等级等信息，对灾害造成的损失进行全面评估，并对灾害救助与恢复重建需求及救灾效果进行监测、评估。

图4 减灾信息收集平台组成图

图5 应用示范系统组成图

3.“多源全球遥感数据采集处理和综合信息服务平台”灾害应急监测应用示范

2013年12月，多源全球遥感数据采集处理和综合信息服务平台被列入国家战略性新兴产业支持项目，由航天恒星科技有限公司和国家卫星海洋应用中心承制。

本项目将自主研制的“多源遥感数据接收处理系统”和“遥感服务系统”，在全球布局，建设1个北京运管中心，1个固定国际服务节点和1个“雪龙号”移动服务节点，互联互通，形成一个提供遥感综合服务的国际化服务网络，通过北京运管中心的“综合业务管理系统”管理和运营整个网络，实现数据、产品和服务的国际服务能力。该平台由4部分组成：综合业务管理系统、数据接收处理系统、信息监测系统、应用示范原型系统。

其中，灾害应急监测应用示范系统利用应急指挥车上的设备对卫星遥感数据、导航信息及其他信息进行融合处理，现场为救灾指挥提供支持服务。该示范系统组成及业务流程如图5所示。

北京运管中心调度服务节点获取卫星遥感影像数据，利用通信卫星向现场提供遥感数据产品，救灾人员携带北斗用户机采集灾害数据并实时传回信息，示范小组在指挥车上现场生成灾情及救灾信息产品，提供给救灾指挥部。系统可开展洪水面积监测、洪水深度监测、泥石流路线分析、泥石流灾害评估、救援覆盖面和布局分析等业务分析。