卫星遥感在我国重大地震灾害应急监测中的应用

李素菊 刘明

李素菊，应急管理部国家减灾中心研究员，空间与重大灾害国际宪章项目经理，卫星应急制图国际工作组成员，曾任联合国灾害管理与应急反应天基信息平台北京办公室高级专家和世界粮食计划署项目官员。2003年获北京大学城市与环境学院理学博士学位，现主要从事防灾减灾卫星论证、应用、科研与国际合作工作。先后主持民用高分专项、国家重点研发计划、自然科学基金等项目或课题5项，目前正在负责国家重点研发计划项目“星机地协同的大地震灾后灾情快速调查关键技术研究”课题研究。作为技术骨干参与民用空间基础设施10 多颗卫星的论证与在轨测试工作。发表论文30 余篇，参与编写出版专著4 部。

我国是世界上地震活动最强烈和地震灾害最为严重的国家之一，重大地震灾害往往造成大量人员伤亡、巨大财产损失和深远社会影响。近十年来，国家启动三级或以上救灾应急响应的重大地震灾害有6次，具体包括2008年四川汶川地震、2010年青海玉树地震、2013年四川芦山地震、2014年云南鲁甸地震、2015年尼泊尔地震波及西藏灾区和2017年四川九寨沟地震。地震之后及时准确掌握人口、房屋、基础设施等受灾信息和滑坡、堰塞湖等次生灾害发生情况是开展应急救援、救助和综合评估的基础和依据。重大地震灾害具有影响面广、破坏力强、灾情复杂等特点，道路中断情况时有发生，单靠地面人员调查往往难以在短时间内全面获取灾情信息。

卫星遥感具有对地震灾区进行大范围、多尺度、动态综合观测且不受地面条件限制等优势，已经成为国内外重大地震灾害应急监测的重要支撑技术手段之一。利用不同时相的卫星影像可对震前和震后几小时到几天甚至几周内的情况进行动态监测，卫星影像的空间分辨率和波段设置不同对灾区范围和要素的识别监测能力也不同。通过多种卫星的协同观测和综合应用可实现对重大地震灾区主要损毁要素、次生灾害和安置帐篷等时空分布信息的动态监测，进一步将遥感监测与地面调查手段相结合，可对地震灾害的态势和损失进行全面分析和综合评估。

自2008年国家减灾中心在四川汶川地震中第一次大规模使用卫星遥感技术开展地震监测评估以来，随着我国卫星遥感技术的迅速发展，卫星数据资源不断丰富，地震应急监测技术和产品体系不断发展完善，目前已经初步形成从卫星数据获取、监测分析到产品服务的卫星遥感地震应急动态监测业务体系。本文在对重大地震灾害遥感监测业务流程、卫星资源、监测过程和产品服务进行介绍的基础上，结合实际应用案例进行了说明，进一步提出后续工作建议，可为新时期地震应急监测工作提供参考与借鉴。

图 1 地震应急监测基本流程

监测基本流程

根据应急监测流程，地震应急监测可分为数据获取、处理分析、制图生产和产品服务四个方面（图1）。数据是监测的基础，卫星数据获取是指从用户提出数据申请到获得卫星影像数据的过程，获取灾后第一幅有效卫星影像数据的时间是卫星观测能力的重要体现，也是决定应急制图效率的重要因素。该过程涉及用户提出申请、卫星方制订任务规划并将任务转化为指令上注到卫星、卫星根据指令进行遥感观测并生成观测数据、卫星数据通过地面接收站传输到地面、经预处理生成初级图像数据传给用户使用等多个环节，也是卫星应急监测流程中最为关键、复杂和耗费时间最长的阶段，其中耗费时间的长短则主要取决于可用卫星数量和卫星的观测周期。处理分析首先是对卫星影像进行几何校正、图像质量提升等基本处理，进而针对地震灾害中关注的目标信息对影像的纹理、光谱、几何形态等多种特征进行分析基础上，识别提取需要的相关信息，进一步通过与地震相关地面信息和基础地理数据进行融合，并通过空间分析生成监测信息的过程。制图生产是根据一定的标准规范将处理分析产生的信息以制图的方式表达的过程。最后是将制作的制图产品通过多种方式和形式分发给地震应急决策者为其服务的过程。

主要卫星资源

可用的卫星资源越多，监测的时效性就越高。目前国家减灾中心已经针对常态和应急两种模式建立了响应的卫星获取渠道和机制。常态条件下以定期获得我国环境减灾卫星、高分系列卫星和国际开放卫星数据为主，在应急条件下，除常态监测卫星外，还通过国内应急监测机制和国际应急合作机制，获取其他民用卫星、商业卫星和国际宪章卫星等资源（图2）。

图2 地震应急监测卫星获取机制

目前我国民用卫星已经形成气象卫星、海洋卫星、资源卫星、环境减灾卫星和高分卫星系列，其中地震监测中使用的卫星资源以空间分辨率较高的资源、环境减灾和高分卫星等地球观测卫星为主，目前我国已经具有近20颗在轨运行的地球观测卫星，初步形成以中高空间分辨率和雷达光学相结合的全天时全天候的综合观测能力。商业卫星普遍具有空间分辨率高和应急获取能力强等特点，是地震应急监测评估的重要数据源，目前我国的商业卫星均是高分辨率光学卫星，已经具有以北京二号卫星、吉林一号卫星和高景卫星为代表的0.5～1米空间分辨率的系列卫星，目前国家减灾中心已经与以上卫星运营商之间签订了合作协议，为大灾应急期间及时获取高分辨率卫星影像提供保障。

地震灾害无国界，卫星遥感亦无国界。重大灾害应急是国际卫星遥感合作应用最为活跃的领域，世界上目前已经形成多个专门针对重大灾害应急监测的卫星国际合作机制，其中空间与重大灾害国际宪章(CHARTER)是迄今为止运行最为成功的应急机制，可在重大灾害时协同共享来自17个成员的40多颗在轨卫星数据，该机制自2000年正式运行以来已经为100多个国家的500多次重大灾害提供应急监测服务。2007年中国加入该机制，国家减灾中心作为授权用户可在我国发生重大灾害时启动和使用该机制的卫星资源。目前该机制已经为我国包括汶川地震在内的7次重大地震灾害提供卫星数据支持，汶川地震期间通过该机制共获取来自国际20多颗卫星的数百幅卫星影像，成为汶川地震卫星应急监测的主要数据源。

动态应急监测

地震灾害应急监测是一个动态过程（图3），根据地震应急管理过程和卫星影像获取情况可划分为四个阶段，第一阶段是准备阶段，主要是卫星数据和专题信息准备。常态条件下主要利用高分辨率光学卫星对地震多发易发区域开展定期监测，生产制作本底影像数据（图4），并进一步识别提取居住区、建筑物和交通道路、学校、医院等重要基础和公共服务设施等专题信息，便于掌握和及时更新承灾体信息，为地震应急监测做好数据准备。第二阶段是快速评估阶段，即对地震影响进行初步评估，目前能够在1个小时内完成。在震后尚未获取灾区有效卫星遥感数据之前，基于灾区背景影像和地震震中和烈度分布等信息，结合基础地理数据、社会经济数据和历史数据，利用空间分析和经济估算等方法对地震造成的影响进行初步评估，主要是对受影响的人口、行政驻地和经济损失等因素进行估算，评估结果可作为是否启动应急响应的参考。第三阶段是应急监测阶段，主要对毁损实物量、次生灾害分布和临时安置情况进行监测，一般持续数天到几周的时间，监测结果可为地震损失综合评估提供支持。利用灾后遥感监测影像，通过与灾前背景影像进行对比，针对不同目标和影像利用变化检测的方法识别并提取地震造成倒塌建筑物、中断的桥梁和道路、滑坡和堰塞湖等次生灾害的分布及临时安置点帐篷的分布等信息（图5），相关分析结果可为地震救援、物资运输和应急救助提供参考。大地震应急期间，灾情复杂且动态变化，需动用多种不同类型卫星进行动态监测，对于重灾区和重点关注区域或目标应加密观测。如遇阴天下雨，则需要利用雷达卫星进行全天候的观测。第四阶段是损失评估阶段，即对地震的整体损失情况进行全面评估，一般持续几周到几个月的时间，评估结果为灾区恢复重建方案提供决策依据。此外，因为卫星遥感具有多年重复观测的优势，可定期监测地震恢复重建情况，特别是特大地震灾害的恢复往往需要数年的时间，利用卫星遥感多年对地球重复观测的优势更为明显（图6）。

图3 地震应急动态监测评估过程

图4 2014年云南鲁甸地震卫星数据覆盖与基于背景影像提取信息产品

图5 2017年8月9日四川九寨沟地震滑坡和道路受损动态监测产品

图6 2015年汶川地震恢复重建监测产品

结语

目前全球处于卫星遥感技术快速发展时期，我国也正处于《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015—2025年）》组织实施阶段，未来一段时期遥感卫星的数量和种类将大幅增长，必将极大促进地震等灾害的应急监测能力提升，突出表现在灾后有效卫星影像获取时间将缩短，对地面信息的遥感识别种类和精细化程度将增强，干涉雷达等新型卫星技术的应用使得可以监测地面的微小沉降，必将促进对地震灾害理解的加深和损失评估效率的提高。在卫星遥感地震应急监测应用方面，应着力于多星协同规划、综合定量评估、地震风险评估、社会影响评估和新型载荷地震应急应用潜力方面强化研究与实践，争取充分发挥卫星在地震应急监测中的应用，为最大程度满足我国新时期应急管理工作的新要求新使命做出努力。