面向应急管理的天基系统需求与构建设想

董勇

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

防灾减灾救灾工作是我国社会建设的一项重要内容，如何在信息化条件下提高防灾减灾救灾工作的效率和效果，是构建新时期应急减灾系统的关键环节[1]。在信息化时代，天基遥感系统在应急减灾中具有反应迅速、覆盖面广、不受地形限制等优势，能快速地提供灾情和灾区地形信息，为制定救灾方案提供有效的第一手信息[2]。例如，在我国云南鲁甸地震、景谷地震，四川康定、九寨沟地震，西藏日喀则地震等应急救灾中，卫星遥感都发挥了巨大的作用[3-4]。民政部减灾委“十三五”组织编制完成的《国家自然灾害空间信息基础设施规划》，提出了“4+4+6”遥感卫星星座，重点补充高轨光学/雷达卫星、高光谱卫星和高分辨率敏捷卫星，旨在提高自然灾害观测卫星的高时间、高空间、高光谱的应急观测能力和多尺度、多星资源综合观测能力，实现我国乃至全球的自然灾害致灾因子风险性、孕灾环境稳定性、承灾体脆弱性和灾害损失高精度监测评估，为减轻灾害风险、降低灾害损失和提高灾害管理水平提供技术支撑[5]。

卫星减灾工作大体分为应用需求、数据提供和技术服务3个方面，相关主体分别是减灾用户、卫星运营方和技术提供方[6]。自1999年全球第3次外太空大会倡导加强全球卫星减灾合作以来，卫星减灾合作机制不断探索与完善。不同合作机制其合作宗旨、合作资源和运行模式均不尽相同。从合作资源来说，有些机制侧重数据合作，有些则侧重技术合作。从运行模式来看，以政府主导的合作机制，运行管理相对严密一些。本文从应急减灾需求出发，在调研国外应急救灾管理机制的基础上，结合目前应急救灾的主要手段，天基系统支持应急救灾的满足程度，从天地一体化角度分析天基系统构建需求，提出我国天基系统支撑应急救灾的体系构建设想。

1 面向应急管理的天基系统需求

应急管理服务是一项大的系统工程，需要快速、准确的制定方案，协调系统资源，有效整合各方力量完成应急任务需求。不同于一般的管理方式，现代应急管理需要借助信息化、智能化、大尺度、精细化的多种态势感知、资源调度、任务协同手段来支撑任务的完成。

1.1 亟需增强现场灾情信息获取及传递保障能力

重大灾害、事故或事件发生后，各级应急管理机构都想以最快速度、最大准确度、最全视角了解现场情况，及时掌握灾害发生在哪里、涉及多大范围、未来发展趋势、会带来哪些影响后果等信息，因此，“第一时间获得灾害现场图像”是最迫切的需求。这引申出两个方面问题：一是如何在“第一时间”观测到现场，涉及国内外遥感卫星、无人机、现场拍摄设施等规划调度问题；二是在获得现场灾情图像后如何在“第一时间”将图像或视频数据传送到应急管理决策机构面前。

我国在轨遥感卫星多运行在极轨，过境时间[7]多集中在10：30，极轨侦察卫星、民用遥感卫星、商业遥感卫星共30余颗，通过协同观测应用，对我国及周边区域的高空间分辨率观测时效性优于1天重访，2 m分辨率数据可实现国土范围每天重访。高轨卫星观测时效性高，但受限于测控体制，从观测任务下达到数据获取链条较长，以高分四号卫星为例，从下达应急观测指令到获得图像数据，一般需要1～2 h。

我国地域广大、地形地貌和气候条件非常复杂，自然灾害与重大事件发生时天气条件往往很恶劣，云、雨、雪、雾等天气将极大地降低光学卫星观测效能，仅依靠光学载荷往往不能满足恶劣天气条件下灾害事件应急响应需要，特别是洪涝、台风和雨雪灾害与海上溢油、水华等发生时，这一问题尤为突出。2008年初低温雨雪冰冻灾害、汶川大地震，以及长岛海上溢油事件等，由于目标区域出现持续阴雨天气，国内外针对目标区域获得的第一手观测数据均来自雷达卫星，而雷达成像数据需要的处理时间较长，也是一个需要权衡的问题。

发生灾害后，特别是地震、台风、海啸、森林火灾[8]等，地面的通信网络往往受到损坏或超出服务范围，即使现场通过手机、相机、无人机获得了第一手图像资料，因地面通信链路暂时阻断会延迟信息传递时间。在这种情况下，卫星通信往往成为重要选择，有时也是唯一的选择。我国现阶段卫星通信资源还不是太丰富，主要以C,Ku频段为主，地面应用需要甚小口径天线终端(VSAT)小站，或救援人员需要背负10 kg以上的通信器材到达现场，现场建立卫星通信链路需要几十分钟左右，包括协调波束资源、架设天线、对准卫星等。器材太重，给救援人员带来很大负担，因此卫星通信设备质量能减小到2～3 kg比较好。另外，现场建立链路程序比较复杂，需要建立链路时间缩短到几分钟，最好能做到“即开即用”，以200 kbit/s以上速率快速传递声音和图像。

综上所述，多手段的灾情应急勘察和灾情勘察信息传输是当前应急救助中的重要前提和关键环节。由于灾区地理环境、设备设施等限制，当前的信息获取和传输手段无法满足快速应急信息分发的需求，需要通过天基等手段提高现场灾情信息传递保障能力。

1.2 尽快完善天空地一体化应急观测体系

现有应急观测体系，包括天、空、地多种手段，地面主要有瞭望哨，配置望远镜、相机、摄像机、手机等设备，获取的图像数据直观生动、现势性强、容易操作与处理，但图像视野较窄，获取大范围灾情数据需要多人/站协同，花费几天甚至数月的时间才能完成。卫星观测的优势是不受国界限制、不受空域限制，站得高，看得远，一次成像可以对几十、数百甚至数千千米区域观测，有可见光、红外、高光谱、合成孔径雷达(SAR)、激光等多种技术手段可供选择或融合应用，但缺点是周期长、极轨卫星一次过境时间短(约10 min)、降交点地方时集中等。无人机遥感，因近几年技术和产品进步很大，也越来越受到重视，配上不同载荷，既可以进行遥感监测，也可以进行通信中继，放飞场地灵活，观测高度可以达到几百米至几千米，但缺点是航行时间短、放飞时对天气要求苛刻(晴天无风最理想)，搭载载荷质量受限。

综合考虑天、空、地各种资源的优势和劣势，采用“取长补短、协同观测”的思路，建设天空地一体化应急观测体系，是解决“第一时间获得现场图像”问题的可行途径。我国目前在轨的遥感卫星资源初具规模，涵盖了红外、多光谱、高光谱、SAR，但全天时、全天候的SAR卫星、红外卫星数量少，需要重点补充。

1.3 天基系统需求分析

1.3.1 先进感知使能

根据对灾害的快速应急响应需求，我国正在着力构建天空地一体化的灾害立体监测体系，规划建设防灾减灾卫星星座，形成对灾害的全天候、全天时、全球化的综合观测能力；同步建设防灾减灾卫星星座减灾应用系统，不断推动军民卫星资源的深度融合应用，提高灾害的全过程、全要素综合监测与风险分析能力，实现灾害风险与损失评估的自动化、智能化与定量化水平；大力推动遥感卫星、通信卫星、导航卫星和广播卫星的综合运用，建立卫星减灾应用信息综合服务平台，实现产品定制与全球化的防灾减灾救灾服务[9]。

当前，灾害遥感监测业务已经建立起军、民、商和国际等多种机制相结合的卫星遥感资源获取渠道。环境减灾卫星、“高分”卫星等自主国产卫星已成为灾害遥感日常监测业务的主要数据源。遥感系列卫星与北京二号等商用卫星及“空间和重大灾害国际宪章”(International Charter Space and Major Disasters，CHARTER)机制下可调度的卫星，成为洪涝、地震等重特大灾害应急阶段获取的重要数据源。围绕灾害管理全过程的业务需求，已建立常规和应急两种业务模式。常规业务模式下，利用稳定获取的环境减灾卫星、“高分”系列卫星及其他开源卫星数据，开展灾害要素、灾害风险、灾区恢复重建等监测工作，定期发布监测产品。在重大灾害发生后，进入应急业务模式，在24 h内获取灾区的多源卫星影像、动态，及时开展灾区背景信息、灾害范围监测、毁损情况监测、次生灾害监测及救灾帐篷监测等工作，并提供产品服务。

1.3.2 通信使能

应急减灾系统具备应急调度业务传输保障能力，网络由中心站统一实现信道建立和资源调配，各远端站具备音视频、数据等综合业务的采集、处理能力。网内节点固定站、便携式卫星站、数据小站或“动中通”卫星通信车可通过中心站统一管理，实现各站点之间星状、网状或树状组网的双向通信，并可通过地面网络将卫星站点的音视频信号通过数据中心转发至各行业指挥中心，实现常态化管理应用。

卫星通信运营服务平台为应急各行业信息化提供业务支持和服务支撑。通过卫星通信网络与地面网络的有机结合，为应急安全生产、气象、水利、地震、地质灾害、生态环境、交通、公安、消防、林业、农业、畜牧、卫生防疫等行业提供实时信息数据传输，如指挥调度决策通信保障、多媒体视频会议等多种业务。

1.3.3 导航定位使能

到2020年，我国的北斗三号将具备全球定位和授时能力，地面定位精度达到5 m，应急救灾管理系统开展各类终端开发及应用，充分发挥“北斗”短报文发送、“北斗”畅聊即时通讯、“北斗”定位、“北斗”导航、海拔高度、方向度、卫星无线电导航业务(RNSS)对星显示等位置信息和行动轨迹服务能力[10]。

1.3.4 智能使能

应急减灾系统具备人工智能接收各类传感器感知信息的能力，自动处理、应急响应灾情，并自动通过通信、导航卫星分发相关灾情信息的能力。

(1)智能应急定位。当前灾害环境下空间定位的计算和服务模型都是用户驱动的模式，随着移动互联网等技术的发展，灾害环境下的空间定位逐渐向服务驱动模式的位置感知智能服务发展，即基于自适应切换定位、自适应应急组网定位，能智能感知并主动向用户提供与该用户相关的位置信息。

(2)智能融合处理。传统的数据融合方法主要解决多个异构数据集数据的共享和融合问题，建立在规模较小、较为集中的系统上。智能融合处理依照空间位置与时间基准对灾情数据自动语义匹配和转换、灾情数据活化，形成对综合减灾服务目标的一致性完备描述和表达，提供多视角、全方位、高精度的数据。

(3)智能建模与可视化。随着各种监测预警体系日益完善，各种承灾体、孕灾环境数据日益丰富，灾害场景构建也正在由被动接受、静态建模向主动感知、智能建模方面发展，即建模智能能实现灾害场景快速感知、自适应自动构建及灾害场景增强表达，为用户提供一个可展示、可分析及可探索的场景。

(4)智能决策服务。决策服务利用灾情态势感知信息接入与可视化、减灾模型推演智能、应急预案智能匹配及在线协商、知识个性化推送、社交媒体灾害信息主题服务等智能信息化技术，从海量数据中分析出有用的信息，帮助决策者作出科学决策。

2 天基应急管理支援体系

CHARTER是空间减灾领域运行最为成功的合作机制，具有目前世界上种类和数量最多和最先进的卫星资源，仅在轨卫星就多达34颗，包括雷达和光学两大类。其中，光学卫星分辨率最高达0.31 m，为全球灾害应急监测提供重要保障。目前，已经为全球125个国家的各类重大灾害提供数百次卫星应急制图服务，灾害种类涉及洪涝、热带风暴、强降雨导致的滑坡及雪灾、地震、火山等。

我国也是CHARTER的成员国之一，国家民政部国家减灾中心通过CHARTER与加拿大航天局(CSA)、德国航空航天中心(DLR)、俄罗斯联邦航天局(Roskosmos)、美国地质勘探局(USGS)、美国NASA等建立了较好的应急救灾响应机制。目前，我国自然灾害监测预警体系基本形成，但是针对各类自然灾害的监测站网和预警预报系统尚未完善，还无法满足自然灾害的监测需求，天基遥感、导航、通信手段尚未有效发挥，因此，亟需建立面向应急管理的天基系统，即天基应急管理支援体系，实现“国家-省-市-县-乡镇-村”6级应急指挥调度。

在天基应急管理支援体系中，应急对地观测体系是地面观测部分(此外还有通信和导航定位)，天地一体化应急管理云平台是信息管理和处理部分。

2.1 应急对地观测体系

“天-地-现场”一体化的国家减灾救灾体系包括：卫星、飞艇、有人机和无人机等现场组成的高、中、低结合的立体观测和信息采集体系；卫星和地面、固定和机动、公众网与专用网相结合的应急通信保障体系；统一指挥和协调有序的应急通信指挥体系。采用“天地一体化”的思路构建我国天基应急管理支援体系中的应急对地观测体系，充分利用遥感、导航、通信等空间技术的宏观、快速、动态、综合优势在防灾减灾中发挥重要作用。图1为应急对地观测体系架构。

图1 应急对地观测体系架构

在空间基础设施规划卫星建设的基础上，发射中轨观测系统、高分光学强机动星座，增加地面机动测控数传站，以加强和完善灾害应急遥感观测能力，与空间基础设施在轨卫星、商业遥感卫星及无人机观测系统、平流层飞艇观测系统等一起构成我国应急对地观测体系。图2为卫星观测加强系统。

图2 卫星观测加强系统

2.1.1 中轨观测系统

突出时敏性、时效性、高重访性，以覆盖我国国土和“一带一路”沿线国家为目标，逐步形成满足“时敏性、时效性”需求的全球应急观测能力，可针对突发灾害、事故事件快速、连续、多次成像，在第一时间提供观测和探测信息。通过长期累积观测，也有助于掌握灾害、事故、资源、环境等大尺度、多时相状态变化。光学卫星配置高分辨率光学相机，在5000 km轨道高度实现可见光全色3 m、多光谱12 m分辨率、红外20 m分辨率。X频段SAR卫星采用机电联合的成像体制，大型反射面天线联合整星姿态机动，实现高分辨率宽幅成像。中轨系统利用光学载荷拼幅成像模式，实现大范围、高分辨、高更新率成像，能够一次过境实现对60个重点目标的成像观测，满足森林防火、草原防火的监测需要。利用卫星姿态机动能力，一次过境实现对东西向主要河流的全域观测，满足洪涝、泥石流等灾害监测需求。

2.1.2 高分光学强机动星座

面对我国应急侦察的紧迫需求，设计强机动星座进一步提升重访频率，缩短应急时间，在应急时通过轨道强机动，在最短1 h、最长4 h内对全球任意目标实现观测。以最小代价提高时间分辨率，执行应急快速响应、高分辨率敏捷成像等任务，有效支撑应急灾害监测的业务化应用。采用具有敏捷能力的高分辨率光学成像体制，通过可见光与红外共光路设计，实现全天候成像能力，每天可对灾区重访一次。卫星平时运行在500 km轨道，实现全色0.5 m、多光谱2 m、中波红外4 m的分辨率，幅宽12 km，通过多条带拼接实现40～120 km范围监视；应急时通过强机动变轨实现57～80 km(5条带拼接)的局部范围内全色0.57 m、多光谱2.28 m、中波红外4.55 m分辨率的观测。

2.1.3 地面机动测控数传站

在测控运行方面，机动测控数传站接受应急管理部指挥大厅的远程控制，根据指挥大厅下达的测控任务自动实现设备状态配置，实施航天器跟踪，接收航天器遥测数据并自动转发至指挥大厅；同时，接收指挥大厅发送的指令和上行注入数据，按照时序自动向航天器发送；在跟踪期间自动实施测距、测角、测速任务，并将原始测量数据自动发送至测控中心。地面机动测控数传站同时利用地面网络与北京总部大数据中心直接互联，保障天基情报的及时传递。

机动接收处理系统从功能上划分，包括站控管理分系统、数据接收分系统、数据处理分系统、存储管理分系统和支持保障分系统，采用模块化设计，保证系统的灵活性、可扩展性。其中：数据接收分系统的天伺馈设备安装在天线车上；数据接收分系统其他设备、数据处理分系统、存储管理分系统、站控管理分系统均安装在方舱车内。方舱车具备通过光纤或卫通天线的方式获取已经部署在用户单位内的任务调度与规划部门(系统)下发的数据接收计划和轨道根数。

2.2 天地一体化应急管理云平台

2.2.1 系统需求

天基信息的处理和分发应满足以下需求。

(1)数据存储。遥感影像数据具有空间和时间两维分布，一般采用栅格数据，是典型的非结构数据，需要以适当的存储格式进行有效的存储。随着遥感卫星数量的增加，数据库中所存储的影像数据的规模将会以指数级增长，要求数据库的容量能适应海量数据存储的需要。数据库中还要存储地理信息、天基资源数据、情报信息等，包括矢量、图像、文本等多种格式，因此需要解决多种类型数据的存储问题，并能高效地进行增、删、改、查等数据库操作。此外，数据库未来还可能会集成应急管理部门等信息资源，需要考虑数据库存储容量和数据格式的扩展需求。

(2)数据处理。由于遥感影像数据包含像素数量大，处理的计算量巨大，而且往往具有多种类型用户，图像处理和融合的需求多样，因此需要高效率和高精度的算法进行数据处理和融合。

(3)数据分发。大数据、大系统、大用户将是未来应急系统不可避免的特征与趋势，如何保证灾害态势信息以最稳健的形式进行存储，是决定能否占据信息优势进行应急响应的重要前提。实现天基信息资源和指挥决策信息的分发，使有用信息及时、准确地到达信息的需求者，并反馈使用者的进一步需求，是天基信息有效利用的一项关键问题。

根据上述需求，天基数据存储平台应具有多格式、大容量、可扩展、快速智能处理、精确定向分发等性能。

2.2.2 系统架构

天地一体化应急管理采用云平台架构，如图3所示。

(1)数据层。它主要由参与数据共享的各应急管理业务系统的数据源构成，这些数据库中所包含的数据是共享的对象。由于开发过程中各应急管理业务系统彼此独立，因此这些数据库的类型多样，有Oracle数据库、MySQL数据库、Access数据库、DB2数据库和XML数据库等，而且空间上处于分布的状态，数据库结构和数据格式更是千差万别，各类应急业务的特点决定了各系统的数据之间可能存在部分的交叉重叠。数据源的这些特点也正是数据共享所要破解的难点。

(2)服务层。它的服务内容主要有元数据服务和数据源服务2项。应急管理所涉及到的数据类型很多，若仅使用一种元数据对所有数据源进行描述，则元数据的属性项目数量会非常庞大，而这些属性值又大部分为空值，这样就会导致生成的元数据甚至比数据源本身还复杂。因此，应按照数据源的作用和属性特点对其分类，属性相近的划为一类。由一种元数据对该类数据源进行描述，并为每种类型制定元数据标准。元数据服务的流程为：数据源首先经过分类器进行分类，然后由各类元数据标准模型对其标准化，生成与之对应的元数据，同类元数据可以组成一个元数据集，各元数据集构成元数据库，完成数据源到元数据之间的映射。数据源服务主要是指与数据源访问相关的服务。数据共享不是简单的远程读写数据，它的意义在于提高数据的利用价值，使用户从共享到的数据中获取到准确、正确、尽可能多的信息。

(3)应用层。它主要由与数据操作、数据管理及元数据管理功能相关的程序模块构成，例如数据浏览、数据查询、数据订制、数据下载、数据维护、数据分发及元数据管理等。用户通过应用层接口同共享平台交互，使用共享数据。管理人员也通过应用层对数据源和元数据库进行管理和维护。

图3 天地一体化应急管理云平台架构

3 发展建议

提高时效性和有效性是天基应急监测真正发挥决策支撑作用的核心与关键。通过加强天基应急合作机制之间的协同，能进一步提高应急监测效率。为了构建天基应急管理支援体系，推动我国应急管理水平的提高，应重点开展以下3个方面的工作。

(1)发展多谱段、多层次的遥感卫星体系，构建高、中、低轨相结合，具备可见光、高光谱、红外、SAR等多种观测手段的卫星系统，提供大尺度、多手段的感知能力，提高自然灾害的大范围、全天候、全天时、多要素、高密度、集成化的立体监测能力和业务化运行水平，解决灾区地形勘察和现场监控等问题。

(2)发展高通量、高带宽的宽带移动、全境覆盖的通信卫星体系，构建宽窄带兼备、军民商结合的移动、宽带卫星系统，结合天地一体化建设，实现与地面通信网络融合发展，提供广域、高速的通信能力。这样能解决灾区通信设施损毁所导致的通信中断问题，为灾区的应急救助、应急指挥和灾后重建提供通信保障，支持远程视频通话和应急救援。

(3)基于全球的导航卫星体系，完成北斗三号组网任务。在前期建设的卫星在轨支持系统基础上，建成基准统一、覆盖无缝、安全可信、高效便捷的国家综合定位导航授时体系，解决灾区人员、物资、设备的高精度、高可用的授时定位需求。借助先进的导航定位技术和室内外导航定位终端，为灾区应急救援提供准确的目标定位、路径规划和行进导航支持。