高分六号卫星应急管理应用

文 | 李素菊 刘明博 武斌

1．应急管理部国家减灾中心 2．航天东方红卫星有限公司

一、前言

卫星遥感对地球的宏观、动态、综合和全球化观测优势与灾害事故的覆盖范围广、发生频次高、造成影响大和援助国际化的特点高度契合，伴随着近年来卫星遥感技术的迅猛发展，其已成为各国防灾减灾与应急管理的重要支撑。国内外各类卫星均将防灾减灾和应急管理作为主要应用领域之一，针对不同卫星特点通过一星多用和多星共用策略，可为多灾种自然灾害风险监测提供精准信息支持，为各类重大灾害应急监测提供及时信息保障。2018年6月2日高分六号（GF-6）卫星的成功发射为我国应急管理应用增加了重要中高分辨率遥感数据源，且通过与高分一号（GF-1）卫星、环境减灾二号（又称应急减灾二号）卫星组网，中分辨率数据获取的时间分辨率达到1天，其大范围动态综合的观测特点在灾害风险和应急监测中具有独特的优势。

为系统研究GF-6 卫星在防灾减灾与应急管理领域的应用能力，本文根据GF-6 卫星特点，以空间分辨率、谱段设置、幅宽和重访周期等为主要指标，对比分析国内外具有相似特点卫星并在借鉴已开展应用成果基础上，针对我国应急管理新任务新需求，系统开展应用分析，结合国家减灾中心已经形成的卫星遥感灾害全过程监测产品体系框架基础，构建基于GF-6 卫星的防灾减灾与应急管理应用产品体系，并在洪涝、森林火灾、地震和地质灾害中开展应用实践验证，最后结合应用需求提出进一步深化应用研究的方向与建议。

二、高分六号卫星特点与应急管理应用能力分析

GF-6 卫星配置2m 全色/8m 多光谱高分辨率相机和16m 多光谱中分辨率宽幅相机，2m 全色/8m 多光谱相机观测幅宽95km，16m 多光谱相机观测幅宽860km，具有高分辨率、宽覆盖、高质量成像等特点，设计寿命8年。GF-6 宽幅多光谱相机首次实现8 谱段CMOS 探测器的国产化研制，具有从海岸蓝到近红外（0.40-0.9μm）的连续谱段，量化倍数达12bit，重访周期4 天。

GF-6 卫星与2013年发射目前仍在轨运行的GF-1 卫星相比，轨道设计一致，载荷配置相似，技术指标进行了优化提升，其中宽幅相机由GF-1卫星的四台拼接优化为一台CMOS 相机，幅宽与四台相机拼接后宽度一致，2m 全色/8m 多光谱相机幅宽提升至95km，量化比特提升至12bit。目前GF-6 与GF-1 卫星实现双星组网。结合GF-6 卫星的多载荷特点，从空间分辨率、谱段特点及时间分辨率角度，分析GF-6 卫星在应急管理领域的应用能力，可见GF-6 卫星对于应急管理的多要素风险调查、典型目标趋势监测和洪涝、林火、旱灾等大范围灾害监测具有优势。

从空间分辨率特点分析。GF-6 卫星可获得地球表面2m 全色数据和基于2m 全色8m 多光谱融合的2m 多光谱数据，具有识别单体建筑物和机场、码头、桥梁、水库、学校操场、水库坝体、露天矿山、尾矿库、化工厂、交通道路等典型基础设施的空间位置及分布的能力，可用于重点区域相关典型承灾体的快速遥感调查。基于2m 多光谱数据和深度学习方法的典型承载体目标智能提取技术发展迅速。利用GF-6的16m 多光谱数据可识别城市、城镇、大型水库等人工地物目标，并可以用于土地覆盖分类，适用于全国和全球尺度的信息识别提取。遥感提取进一步与地面调查信息融合，在开展精度验证基础上通过空间协同可提升风险调查的精度和效率。

从时间分辨率与覆盖特点分析。GF-6 卫星与GF-1 卫星组网运行，使16m 多光谱相机的重访周期达1 天，2m/8m 相机的重访能力提升至2 天，大大提高了卫星的应急能力。每天观测一次的16m 多光谱相机特别适合于开展汛期之前针对水库、湖泊等典型水体范围变化趋势监测，还可对森林火险高风险区的热异常点进行巡查及对森林火灾造成的过火面积进行估算。

三、高分六号卫星应急管理应用实践

1. 高分六号卫星应急应用框架

2008年环境减灾一号A、B 卫星的发射开启了卫星减灾业务应用的历程，并初步构建了应用体系，2013年到2019年底高分系列卫星的陆续发射与应用，使卫星遥感技术在防灾减灾领域的应用进一步提升和完善，并实现了以国产化卫星数据为主要数据源。2018年4月应急管理部组建，也对卫星遥感在应急管理领域的应用提出更高的要求。在国产遥感卫星发展驱动和应急管理应用需求的牵引下，应急管理部国家减灾中心初步构建了卫星遥感应急管理应用框架，形成覆盖灾害全过程的卫星遥感监测产品服务体系。GF-6 卫星的发射、测试过程正是应急管理部边组建边应急的时期，所以卫星在轨测试期间即开始服务于应急实战，目前已经成为管理业务监测的重要数据源，在应急管理各阶段监测业务中得到应用。GF-6 卫星应急管理应用服务框架如图1 所示。

图1 GF-6 卫星应急管理应用服务框架

卫星影像数据是专题应用的基础。GF-6 卫星的多谱段、大幅宽和高辐射分辨率特点，经过几何、辐射、融合、增强处理，可生产全国、省级和重点区域的高质量2m、8m 和16m 多光谱的影像数据产品。16m 多光谱影像数据可以开展“一带一路”和全球影像产品生产与服务。通过与GF-1 卫星数据协同，可以实现多尺度全国数据的季度更新。进一步再与环境减灾A、B 卫星组网，16m 多光谱全球数据可实现年度更新。在常态条件下为大范围风险普查、风险监测、应急监测和恢复重建监测提供背景影像数据。在应急条件下，为获得最新的影像数据可以只进行快速几何处理，在一个小时内实现灾区影像产品的快速生产，为应急监测提供数据支撑。此外，多时相影像产品还可以与三维数字地球模型和多源专题数据信息融合，辅助应急指挥和态势研判。

GF-6 卫星的多谱段多空间分辨率影像为应急要素定量反演和重要信息提取提供宝贵数据源。基于8 谱段的宽覆盖相机数据，可以进行植被指数、水体指数等大范围长时间序列参数反演，也可以用于土地覆盖分类和大型水体、机场、建成区、露天矿山、化工园区等地物目标的识别。基于2m 全色和8m 多光谱数据融合后的2m 多光谱影像，则具有对房屋、操场、道路、工厂等小目标承灾体和尾矿库、储油罐、危化品工厂等安全隐患目标的识别提取能力。近年来人工智能技术在基于高分辨率遥感影像目标提取中的应用发展迅速，GF-6 卫星的高辐射分辨率也有利于提高应急目标要素识别提取的精度，全球化覆盖能力也为全球目标的智能提取与监测奠定了基础。

GF-6 宽幅相机的2 天重访和2m/8m 相机的4天重访能力，可对典型应急管理要素进行定期监测，并进一步基于时空变化分析趋势和异常信息识别，为单灾种和多灾种风险监测提供参考。如汛期之前，针对洪涝易发区的湖泊、河流、水库等典型水体范围及其变化，利用宽幅相机可以每周开展1 ～2 次的定期监测，及时发现水面急速变化区域，同时结合降水预报和承灾体情况可进一步分析识别洪涝灾害风险区域。宽幅相机设置的2 个红边谱段可使GF-6 卫星对于森林和农作物类型、分布及长势进行定期监测，通过旬、月和年际的长时间序列趋势分析，并结合物候等地面信息可以对旱灾风险进行预测。此外，针对高风险区域或重点区域的尾矿库、地质灾害隐患点等重点目标定期监测空间特性变化，可以作为隐患排查的一种手段，适合于人员难以到达区域的风险监测。

基于GF-6 的宽覆盖和2 天的高重访能力可以在应急监测中发挥重要作用。通过与其他卫星的多维协同，可以针对森林火灾、洪涝、旱灾、大型滑坡和地震等灾害过程进行有效监测。卫星应急协同可分为时间协同、空间协同和观测目标协同等不同的维度，多星时间协同可以缩短应急监测时间间隔和提升应急监测时效，少云白天可以与GF-1 卫星协同，洪涝等灾害则多与合成孔径雷达（SAR）卫星协同；多星多载荷空间协同可以实现对灾区全覆盖和重点区域的多次覆盖，如利用宽幅相机的一幅图像可以开展省域监测，而针对其中的重灾区则可以用2m/8m 相机或更高分辨率卫星开展精细化监测；大的灾害范围中涉及空间分散分布和尺度不一的多关注目标应急观测时，则需要针对多目标监测特点开展多星多载荷多模式协同，实现最快多目标观测。

2.高分六号卫星应急应用实践

（1）森林火灾监测

森林火灾突发性强、破坏性大，一旦迅速蔓延，针对森林火灾的不同时空尺度的全过程监测就非常重要，GF-6 卫星在常态森林覆盖、灾后火烧范围评估和生态恢复等阶段监测方面可以发挥针对森林的高分辨多谱段识别作用，应急期间则辅助高轨高时效卫星开展协同监测。常态条件下利用GF-6 的宽幅相机可对全国的森林覆盖区范围、主要森林种类及其中的国家自然保护区进行及时更新，针对中俄、中缅、中哈等边境地区的森林覆盖情况也需要及时更新。火点的发现一般需要利用静止轨道卫星携带的红外载荷对林区高风险区进行热异常点识别，一旦发现热异常点则一方面利用高分四号（GF-4）卫星进行凝视观测确认，同时协调GF-6 等更高分辨率卫星对烟点、火线、过火范围及蔓延趋势做更精细动态监测，救援过程中还可以基于2m/8m 影像对火场周围一定范围内的居住区和化工厂等重点关注目标进行监测，火灾结束后可以结合灾前高分辨率森林类型及分布等数据和灾后GF-6 等卫星的中高分辨率数据，在精确估算过火范围基础上进一步开展损失评估。针对遭受森林火灾的林区可以利用GF-6 卫星的宽覆盖红边谱段开展月度、季度和年度的生态恢复情况监测。针对2020年3月31日云南怒江兰坪县的森林火灾，GF-6 卫星的8m 多光谱影像可以清晰识别灾区地形地貌、燃烧区域、烟雾及蔓延方向等信息。2018年6月初大兴安岭发生森林火灾，GF-6 卫星正值在轨测试，利用宽幅相机假彩色影像可以清晰识别和估算过火面积（图2）。

图2 GF-6 卫星森林火灾监测图

（2）大范围洪涝灾害监测

GF-6 卫星的大幅宽覆盖能力和高重访特点对流域性大范围洪涝灾害全过程监测具有明显优势。汛前针对典型大型水体范围可以开展每周、每旬的定期监测，通过与GF-1 卫星协同，可以对洪涝灾害易发区内的典型水体范围及变化进行每天监测。洪涝灾害期间多云多雨情况居多，洪涝应急监测多以雷达卫星为主，GF-6 卫星可以用于偶尔天气允许条件下的洪涝灾区大范围监测，补充提升监测频次和覆盖范围，同时也可基于灾害前最新的灾区2m 融合多光谱影像开展洪涝范围内受影响房屋、基础设施、道路、圩堤等评估。洪涝退水期间，则可以开展退水及灾区恢复。2020年6-9月，长江、淮河等流域发生严重洪涝灾害，国家减灾中心协调利用国内外各类遥感卫星对洪涝灾区范围和重点目标进行每天动态监测。7月13日GF-6 卫星获得江西全省16m 宽覆盖影像，西北局部小范围被云覆盖，通过利用7月14日的高分三号（GF-3）卫星进行空间协同观测，2 天内获得了全省洪涝范围，有利于全面了解全省洪涝态势。2020年7月中旬，安徽长江流域和淮河流域洪涝灾害严重，8月初灾情稳定后则需要针对不同受灾程度区县灾情进行现场核查，以准确掌握灾害情况。利用8月3日GF-6 卫星宽幅相机获取安徽全境影像，直观呈现全省洪涝区域和重灾区域，为核查提供了综合信息参考（图3）。

图3 GF-6 卫星洪涝灾害监测图

（3）地震地质灾害监测应用

GF-6 卫星的高辐射分辨率和米级空间分辨率使其图像清晰、层次感强、信息丰富，可以用于人工地物、自然地物等多类型地物目标的识别与提取，已经在地震和大型地质灾害监测中得到应用。地质灾害往往发生在山地丘陵地区，需要对滑坡体或泥石流的位置、范围、堵塞河道或毁损道路、形成堰塞湖、对上游或下游造成影响的范围和毁损情况进行监测。2018年11月3日， 金沙江白格段发生滑坡，滑坡体堵塞金沙江主河道，造成上游形成堰塞湖，11月8日GF-6的8m 多光谱相机对滑坡体周边及上游堰塞湖情况进行监测，可以清晰监测到滑坡体及上游沿河70km 范围内河道水面明显变宽区域，沿河两岸数十个村庄受到水面上涨而面临被淹的危险。2018年11月12日通过在堰塞体上人工开挖泄流槽，堰塞湖开始过流，11月16日应急处置结束，险情解除。2018年12月16日的GF-6 卫星8m 多光谱图像仍清晰监测到滑坡位置和上游逐渐恢复的水面宽度。重大地震灾害往往造成建成区破坏严重，集中被毁损区域纹理变化明显，2018年9月28日印尼中苏拉威西省发生7.4 级地震并引发海啸，造成2000 多人死亡上万人受伤，强震后引起土壤液化，大量村庄和建筑物沉没。GF-6 卫星于10月6日对重灾区进行监测，并与灾前的高分辨率影像进行对比，可见触目惊心的土壤液化区域和粗略估计被毁的上千栋房屋（图4）。

图4 GF-6 卫星地质和地震灾害监测图

四、结论与展望

GF-6 卫星作为继GF-1 卫星之后的第二颗中高分辨率高分系列光学卫星，已经成为应急管理业务监测的稳定数据源，已经纳入监测业务体系并在各阶段得到应用。通过对GF-6 卫星的各项指标分析，进一步与GF-1 卫星和两颗国际常用卫星（美国的Landsat-8 卫星、欧洲的Sentinel-2 卫星）指标比较，综合考虑GF-6 卫星的空间分辨率及在可见光到近红外谱段范围内的指标配置与国际同类卫星相当，覆盖范围和重访观测能力方面优势明显。GF-6 的多分辨率多谱段设置与宽覆盖能力使其在应急管理的常态影像生产、要素监测、风险监测、应急监测与恢复重建监测方面均得到应用，针对森林火灾、流域洪涝等可以在全过程监测中发挥有效作用。特别是GF-6 卫星的发射测试时期正是应急管理部边组建边实战的关键时期，其在测试期间已经通过多星协同针对大型地质灾害、森林火灾及国际灾害开展监测应用，在2020年的防汛救灾中更是发挥大范围省级覆盖监测的优势，充分证明了GF-6 卫星对应急管理监测业务工作的有效支撑。

进一步可在不同应急场景下，研究GF-6 卫星与其他多源卫星在风险监测与应急监测中的协同策略，使得在空间协同覆盖、时间协同应急和要素协同识别方面更加科学有效，提升多星在应急管理领域的综合应用成效。特别是2020年9月27日发射的环境减灾二号A、B 卫星目前仍在轨道测试，具备与GF-6、GF-1 的组网能力，实现国内每天16m重访和全球快速覆盖的能力，4 颗卫星组网后对应急管理监测业务的模式、内容与效率方面的拓展优化有待进一步分析挖掘和固化，同时应大力加强对“一带一路”沿线国家和地区的防灾减灾应用、仙台减轻灾害风险框架指标监测及应急监测服务方面的应用研究。