灾害监测应急虚拟卫星星座及应用服务研究

刘三超 高懋芳

(1 交通运输部规划研究院，北京 100028) (2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

我国是世界上自然灾害最为严重的国家之一[1]，在全球气候变化背景下，随着经济快速发展和人口资源环境压力加剧，自然灾害损失呈现日益加重趋势。近年来，一些历史罕见的重特大自然灾害频繁发生，1998年长江和嫩江松花江流域性大洪水、2008年汶川特大地震[2]、2010年青海玉树地震[3]、2010年舟曲特大山洪泥石流灾害、2013年四川芦山地震[4]、2014年云南鲁甸地震均造成巨大人员伤亡和财产损失。当前，自然灾害时空分布规律更复杂，灾害风险防范、灾害监测和灾情评估迫切需要新技术、新手段、新方法支撑[5]。

卫星遥感以其全球性、全天时、全天候、高动态、连续性的数据获取、传输与服务能力，已成为自然灾害监测评估业务体系不可或缺的手段[6-7]。国际上，来自欧洲、亚洲、非洲的不同国家的8个组织，协调运行灾害监测星座(DMC)[8]，该星座是国际合作的虚拟卫星星座，目前由光学小卫星组成，由于不同灾害监测需求差别巨大，特别是地震、洪涝、滑坡泥石流等破坏性灾害往往伴随着云雾雨雪天气，DMC光学卫星数据的分辨率、时效性往往很难满足灾害实时监测与应急需要。20世纪90年代以来，中国开始论证环境与灾害监测预报小卫星星座。目前，第一阶段“2+1”星座已建成，有关部门建设了环境减灾小卫星星座运行管理与应用系统[1]，在国内外重大灾害事件应对中发挥了很好的作用[5]。汶川地震发生后，国家国防科技工业局和国家减灾委员会等提出建设自然灾害空间信息基础设施[9]，此后，国家发展改革委员会、国家国防科技工业局联合中国航天科技集团有限公司和有关部委进一步开展国家民用空间基础设施论证。2015年，我国正式发布《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015年-2025年)》(以下简称“规划”)[10]，为我国卫星遥感发展提供了重大机遇。

本文分析了我国当前卫星系统建设存在的问题，根据灾害系统特点和灾害遥感指标需求构建了灾害监测应急虚拟卫星星座，提出了卫星应用服务功能及模式，可为相关领域的卫星及应用服务提供参考。

1 问题与需求

卫星系统是一项综合、复杂的系统工程，由于项目批复过程、建设进度等原因，我国卫星应用系统建设往往比较滞后，在一定程度上限制了卫星整体效益发挥。当前，我国防灾减灾、自然资源、环境保护、交通运输、农业水利等与经济社会发展密切相关的行业部门，都对卫星遥感提出了更加急迫、更为深入的需求，作为空间基础设施应用的主要领域，相关应用系统建设迫切需要提前部署建设。同时，随着我国进一步深化党和国家机构改革，行业管理涉及部门更多、领域更广，其应用系统的综合性、协同性离实际业务还有很大差距，迫切需要利用云计算、大数据、人工智能等现代信息技术，提高应用系统设计的科学性、实用性，以更好满足跨部门、跨层级、跨地域的卫星数据共享、业务协同和产品服务需要。

地球是由大气圈、水圈、生物圈、岩石圈等圈层组成的复杂开放巨系统，根据灾害系统理论[11]，灾害系统是由孕灾环境、致灾因子和承灾体共同组成的异变系统，孕灾环境-致灾因子-承灾体之间不断循环、反馈及作用形成灾害，灾情是孕灾环境稳定性、致灾因子危险性、承灾体脆弱性相互作用的结果和表现(见图1)。

灾害具有连续性、稳定性、链式效应特点，因此，灾害管理是一项连续不断的且相互关联的活动和系统性工作。灾害管理又具有周期性，可分为备灾、救灾、恢复重建、减灾4个阶段[11]。由于灾害成因机理复杂，各阶段工作侧重点又有所区别，对卫星的功能需求也不相同，要完成灾害管理各环节的工作任务，需要多观测平台和多类型传感器对灾害系统进行全方位、全天时、全天候、多要素、高密度的立体监测(见图2)。

图1 灾害系统各要素之间的关系Fig.1 Relationship among the every factors of disaster system

图2 灾害管理四阶段监测要素需求Fig.2 Monitoring factors needs of disaster management four steps

不同灾害要素对遥感数据的空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率和辐射分辨率需求不同。一般而言，灾害观测要素主要有人口、房屋、基础设施/生命线、农作物等，各种灾害观测要素对卫星监测的技术指标需求差异很大(见图3)。房屋需要较高空间分辨率数据，正常房屋监测遥感数据空间分辨率一般要优于10 m，而灾害发生后房屋倒损评估的遥感数据需要达到亚米级甚至厘米级分辨率。基础设施/生命线监测一般呈规则分布，遥感数据空间分辨率一般需优于10 m。农作物分布范围广，对遥感数据覆盖能力要求相对较高，百米量级分辨率数据一般可满足大尺度农作物监测要求，而中小尺度农业遥感数据要优于30 m。人口一般通过提取居民地、道路、土地利用等要素间接获取其空间分布信息，因此，人口评估的遥感数据一般要优于20 m。

图3 灾害要素对卫星监测指标需求Fig.3 Index needs of disaster monitoring factors

不同灾害类型、灾害不同阶段对卫星平台载荷的需求也不同。我国主要自然灾害有台风、洪涝、干旱、地震、滑坡/泥石流、森林/草原火灾、雪灾等，对遥感数据需求体现在应急观测能力、高分辨率观测能力和综合观测能力三方面：应急观测能力方面，时间分辨率即所需要的重访时间从数小时到数月不等，在应急和救灾阶段大多数灾害监测指标需要多次重复观测，如洪涝、地震、滑坡、泥石流等，要满足灾害快速响应、动态持续监测需要；高分辨率观测能力方面，除了少数灾种大范围监测需要中低分辨率的信息外，大多数灾害监测预警都需要中高空间分辨率遥感数据，特别是灾害损失房屋倒损等实物量评估，空间分辨率需要优于1 m甚至更高空间分辨率的遥感数据才能进行精细评估；综合观测能力方面，光学遥感数据需要覆盖可见光、短波红外至热红外，要求多个谱段并具有较窄的带宽，同时需要有高信噪比的全色波段；此外，为满足云、雾、雨、雪天气下灾害全天时、全天候观测需要，需要大量利用不同频段、主被动结合的微波遥感数据。文献[9]对主要自然灾害的卫星数据性能需求进行了分析，主要指标见表1。

表1 主要自然灾害对遥感卫星指标需求

2 卫星星座构想

2.1 卫星组成

当前，我国空间基础设施已经进入到从实验验证到业务应用发展转变的关键阶段，并成为国家重要战略资源和重大基础设施。“规划”按照“服务应用、统筹发展，创新驱动、自主发展，天地协调、同步发展，政府引导、开放发展”的原则，构建了由七个星座及三类专题卫星组成的遥感卫星系统[10]，提出“对以国家投资为主的遥感卫星，由国家发展改革委员会、国家国防科技工业局会同有关部门研究建立以主用户为代表的用户管理委员会负责制”。

自然灾害涉及自然系统和社会系统各方面，是对地观测技术综合性和先进性的集中体现，单靠一类或少数几颗卫星很难满足防灾减灾对分辨率、时效性和精度等的需求。《2011年中国的航天》、《国家综合防灾减灾规划(2011—2015)》先后提出建设和完善环境与灾害监测小卫星星座[5]，国家自然灾害空间信息基础设施专项考虑各类灾害，建设灾害监测卫星系统[9]。防灾减灾作为国家民用空间基础设施的重大应用领域，按照一星多用、多星组网、多网协同的发展思路，根据国家综合防灾减灾业务需求和技术特征，结合交通运输、资源环境、农业水利、气象海洋等领域和公众服务等需求，提出建设灾害监测应急虚拟卫星星座构想(见图4)。

星座由主体业务卫星和其它卫星资源组成。主体业务卫星属于国家民用空间基础设施规划的陆地观测卫星系列，由“4+4+6”卫星组成：4颗灾害光学卫星由2颗宽幅光学卫星、1颗高光谱卫星和1颗红外多光谱卫星组成；4颗灾害雷达卫星由2颗S频段SAR卫星、2颗L频段SAR卫星组成；6颗灾害综合观测卫星由1颗敏捷光学卫星、1颗X频段敏捷SAR卫星、1颗高轨光学卫星、1颗高轨SAR卫星、1颗大气污染卫星和1颗水资源卫星组成。在综合防灾减灾业务基础上，结合交通、农业、水利、国土、环保、测绘、气象、海洋等行业业务，以及公众服务、产业发展等需求，通过数据资源共享，实现与气象卫星、海洋卫星和其它陆地卫星等综合利用，形成“4+4+6+X”灾害应急监测虚拟卫星星座。

2.2 系统能力

“4+4+6+X”灾害监测应急虚拟卫星星座采用用户管理委员会机制，最终实现国家民用空间基础设施规划的卫星资源管理、调度和共享。整个系统具有以下4方面的能力。

1)高低轨与敏捷组网，实现多星统筹协同应用

低轨卫星可获取较高空间分辨率、全球覆盖遥感数据，高轨卫星可获取高时间分辨率、区域凝视遥感数据，结合通过敏捷卫星灵活机动、变化(工作模式、观测方向等)成像，实现甚高空间分辨率、高时效兼顾。灾害监测卫星星座通过不同轨道、不同平台卫星组网，可大大提高星座应急响应和协同应用能力。

2)光学与雷达卫星协同，实现全天时全天候应用

多光谱卫星可大范围、高重访获取灾害系统遥感数据，高光谱卫星获取灾害环境、目标的精细光谱数据，S/L频段SAR卫星组合，可显著提高多云、多雨、多雾地区全天时、全天候数据获取能力。同时，每颗卫星还对大气、海洋、陆地要素进行观测，同一平台搭载多种有效载荷，进一步提升星座中“一星多用”的功能。

3)高、中、低分辨率互补，实现系统化全方位应用

自然灾害系统成因复杂、过程多变、要素多样，在卫星和载荷成像能力一定的条件下，卫星数据空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率和辐射分辨率指标参数间往往不能兼顾。灾害监测卫星星座综合考虑了灾害目标多层次观测需求，实现了高中低分辨率数据优势互补，提升了星座系统化全方位观测和多星共用能力。

4)不同卫星系列融合，实现跨领域综合化应用

综合国家民用空间基础设施所有卫星资源，通过气象、海洋和陆地跨系列卫星的融合应用，组成灾害监测应急观测虚拟卫星星座，既能提高自然灾害监测评估业务应用水平，又能满足交通、农业、水利、国土、环保、测绘、气象、海洋等行业领域综合应用需求。

3 应用服务模式

应用服务是国家民用空间基础设施建设的出发点和落脚点，是发挥空间基础设施效益的关键。应用服务作为卫星系统的重要组成部分，按照“规划”提出的适度超前部署应用系统要求，围绕国家自然灾害管理各阶段的任务，开展综合防灾减灾应用服务系统建设，充分发挥空间信息基础设施的灾害监测、预报、预警和应急能力，为国家自然灾害管理能力建设提供坚实的应用服务支撑。

3.1 应用功能组成

“规划”将防灾减灾与应急反应综合应用列为重大工程。在“规划”框架下，防灾减灾综合应用服务系统主要面向综合防灾减灾实际业务，基于云服务理念建设，包括基础平台、业务平台和扩展平台三部分(见图5)。

图5 防灾减灾应用功能组成Fig.5 Functional component of disaster prevention and disaster reduction application

(1)基础平台重点解决卫星运行管理、业务应用流程任务管理、云存储与云计算、数据智能管理、灾害现场信息采集等功能，包括运行管理系统、云服务系统、分布式数据管理系统、移动信息采集系统等，可实现卫星资源、业务应用与灾害现场综合协调管理。

(2)业务平台是防灾减灾综合应用系统业务核心，重点解决多源卫星数据处理、灾害监测预警评估、产品制作与质量验证等功能需求，包括数据处理系统、灾害监测系统、灾害预警系统、灾情评估系统、灾害恢复重建监测评估系统、数据质量分析与真实性验证系统、产品制作系统等，可形成天地一体化自然灾害立体数据获取、处理、分析与应用能力。

(3)扩展平台包括区域中心、备灾中心，负责将卫星资源、应用服务链条向区域、地方和基层延伸，进一步提升国家-地方-现场多级协同的卫星减灾应用能力。

3.2 系统服务模式

近年来，随着应用领域需求日益广泛和应用规模不断扩大，以卫星遥感为主的空间信息服务范围越来越大、服务模式更加契合业务需求。因此，灾害监测应急虚拟卫星系统的应用服务应该是开放的、共享的，包括支撑层、业务层、服务层、用户层(见图6)。

支撑层包括以空间基础设施为主体，主要提供卫星遥感数据，同时还涉及不同部门站网数据、灾害现场数据、统计核查数据和社会经济数据，此外，相关法规政策、标准规范、知识产权也是必不可少的软环境支撑。

业务层主要源于图5的防灾减灾应用系统，通过利用数据处理、信息提取、智能分析等技术，进一步集成转化空间数据处理和应用成果，实现卫星遥感在灾害管理不同阶段的业务应用。

服务层包括信息发布与产品服务、研判会商与指挥调度两部分，通过利用云计算、大数据、智能决策等技术，实现综合防灾减灾相关的数据和产品的发布共享、不同部门的业务协同与会商调度。

用户层主要利用互联网、国家电子政务外网、国家电子政务内网等，为国家减灾委员会成员单位、地方灾害管理部门、企业和公众个人提供多样化、定制化的信息资源的访问、搜索和管理等服务。

图6 防灾减灾信息服务模式Fig.6 Service pattern of disaster prevention and disaster reduction

不同用户的服务模式如下：

(1)国家减灾委员会成员单位。基于国家电子政务内外网，实现国家减灾委员会成员单位间卫星遥感等空间数据、站网数据、灾害现场等数据共享，为成员单位专题应用产品提供上传、定制和服务渠道。

(2)地方政府。基于国家电子政务外网，为地方灾害管理部门提供空间数据、减灾应用专题产品和技术支持服务，利用灾害信息采集与发布终端，提升基层灾害信息员灾情信息报送能力，同时按需求定向推送专题产品。

(3)企业。企业是卫星数据和专题产品服务对象，同时是遥感标准数据、增值产品的重要提供者。基于互联网，利用市场机制，通过政府购买服务方式，提升数据生产、加工和增值服务的水平。

(4)高校、科研院所。基于互联网，系统向高校、科研院所提供科学研究的数据服务，同时，高校、科研院所可重点开展国产遥感卫星理论和模型开发，解决灾害遥感的理论研究和技术突破等问题。

(5)公众个人。公众是信息消费的主体，可按需定制数据和专题产品，同时也可作为信息汇集、灾情评估的重要资源。基于互联网，建立“产-学-研-用”的商业化运行模式，推动灾害监测卫星系统规模化应用，带动卫星及其应用产业化发展。

4 结束语

卫星遥感是我国综合防灾减灾能力建设的重要支撑，是灾害立体监测体系的重要组成。本文剖析了我国卫星遥感存在问题，分析了灾害遥感业务需求，在此基础上，研究提出了采用用户管理委员会模式，通过高低轨与敏捷组网、光学与雷达星协同、高中低分辨率互补、不同卫星系列融合，构建我国“4+4+6+X”的灾害监测应急虚拟卫星星座构想，最后指出了应用系统功能组成，并从支撑层、业务层、服务层和用户层提出了相关服务模式。

在“规划”实施过程中，可以充分发挥国家减灾委员会的综合协调作用，按照国家规划总体框架和有关要求，及时开展卫星及应用服务系统的立项、建设，适度超前部署防灾减灾综合应用系统，重点建设好防灾减灾与应急反应综合应用重大工程。此外，要加强卫星遥感应用基础研究，通过突破灾害监测、预警、评估、救助处置关键技术，揭示巨灾发生机理、规律，构建跨部门遥感数据、专题产品共享和协调联动机制，提高各级政府特别是基层灾害管理人员业务应用能力；要注重卫星遥感市场化、产业化发展，鼓励企业、高校、科研院所、公众个人参与卫星及应用，加快标准规范制定，推动数据信息资源共享、部门业务协同，通过规模化应用引领带动技术进步、产业发展和服务推广。

当前，中国特色社会主义建设进入到了新时代，行业管理也出现了综合化、标准化的新要求，随着卫星遥感技术及应用服务不断深入，交通运输、自然资源、环境保护、农业农村等遥感主要应用领域的业务出现了跨部门、跨层级协同的趋势，卫星资源的统筹、协调、共享不断加强，遥感应用服务的范围、深度、广度不断提高，本文的研究可为上述管理部门高效利用卫星资源、加强遥感应用服务等提供一定研究借鉴。