卫星遥感应急管理应用框架

文 | 李素菊 刘明 和海霞 刘明博应急管理部国家减灾中心

一、引言

灾害及其风险是人类面临的共同挑战，空间维度分布范围广、类型多、影响复杂，时间维度具有孕育发生发展演变规律和不同频次出现的特点。卫星遥感的宏观、动态、综合、长时间序列地球观测优势与灾害的时空演变特点高度契合，自1972年世界上第一颗地球观测卫星发射运行以来，应急管理一直是重要应用领域之一。近年来随着遥感卫星数量迅猛增加和卫星遥感技术不断发展，卫星遥感已经成为世界各国防灾减灾和应急管理的重要支撑。《减轻灾害风险仙台框架2015-2030》明确提出充分利用卫星遥感数据和技术加强理解灾害风险，2000年以来全球和区域层面出现多个卫星减灾合作机制，如联合国灾害管理与应急反应天基信息平台、空间与重大灾害国际宪章、全球地球观测组织仙台减灾框架优先发展领域、欧盟哥白尼应急管理服务，美国、俄罗斯、日本等国家均依托其本国卫星资源并结合其他开放卫星资源建立卫星应急管理信息服务平台。随着卫星遥感与信息化技术的融合创新发展，卫星应急管理应用日趋科学、精准并呈现全球化监测、全过程覆盖和智能化服务趋势。

我国是世界上自然灾害最为严重的国家之一，同时也是航天大国，目前在轨遥感卫星数量位居世界第二，一贯高度重视卫星应用支撑应急管理工作。20世纪90年代以来，伴随着我国应急管理能力的不断提升和卫星遥感技术的持续发展，卫星遥感在应急管理领域的应用也经历了从科学研究到形成业务支撑能力并不断完善发展的过程。特别是2018年应急管理部组建，整合了11个部门的13项职责，业务涉及防灾减灾救灾、安全生产和应急救援等领域，正在大力推进国家应急管理体系和能力现代化，极大推动了卫星遥感在该领域的应用与发展。

二、卫星减灾应用发展历程

我国的卫星应急管理应用是与国家空间技术和大灾应急实践相伴发展的，记录了汶川地震等重特大灾害发生发展的历史，也见证了国家灾害管理工作从救灾到应急管理的巨大转变（图1）。国家应急管理需求是卫星应用发展牵引，自“ 十一五”起，国家综合防灾减灾规划就将卫星减灾应用作为重要内容，先后提出卫星减灾建设工程、环境减灾卫星星座建设工程和民用空间基础设施减灾应用系统工程等重大项目，统筹推进防灾减灾卫星与应用系统建设。国产卫星资源是应急管理应用发展驱动，自1988年我国发射第一颗国产气象卫星风云一号以来，经过30多年发展，目前已经形成气象、海洋、资源、环境减灾、高分等多个系列民用卫星，为应急管理应用提供了丰富的卫星遥感数据资源，特别是2008年环境与灾害监测预报小卫星星座A、B（简称环境减灾一号A、B, HJ-1A/B）和2011年环境减灾一号C卫星的相继发射与减灾应用系统的建设运行，开启了卫星减灾业务化建设历程。针对重大灾害应急高时效需求，应急管理部国家减灾中心还建立民用、商业和国际等卫星数据获取机制，可协调获取数十颗卫星的数据资源，实现重大灾害的动态观测能力[1-2]。

图1 卫星减灾应用发展历程示意图

我国的卫星应急管理应用根据卫星资源和支撑能力可以分为四个阶段：第一阶段环境减灾卫星发射之前，以国际卫星资源为主，应用以大灾遥感监测科研为主，尚未形成稳定业务支撑能力；第二阶段依托环境减灾卫星及其应用系统建设，初步形成减灾应用体系，并初步搭建业务体系，形成重大灾害监测评估产品业务服务能力，应急观测时效平均2～3天；第三阶段依托高分卫星和高分灾害监测与服务示范系统一期项目，形成高分灾害监测服务能力，减灾应用产品体系、业务模式、标准规范和技术体系更加完善，卫星应急观测时效平均1天一次；第四阶段，应急管理部成立以来，着力强化风险监测和应急救援应用，进一步创新完善卫星数据资源获取机制、产品体系和技术流程，初步形成应急管理全过程监测产品体系，针对重大灾害事故实现中分辨率小时级应急监测和高分辨率平均每天2次动态监测能力[3]。

重大灾害应对需要卫星遥感信息支撑，也推动了卫星应用能力提升，经历了卫星资源从依靠国际卫星到国产卫星为主，服务业务从灾后评估为主到应急管理全过程的转化。2008年汶川地震应急期间，国家减灾中心协调了来自12个国家24颗卫星的1000多幅影像，开展了100余期的灾害监测与损失评估产品服务，创造了针对一次大灾全球卫星应急监测数据量的纪录[4]；2010年玉树地震和舟曲泥石流灾害应对期间，利用环境减灾卫星和国际高分辨率卫星数据，通过空天地协同开展灾害范围和房屋等实物量损毁精细监测评估；2014年鲁甸地震期间，利用环境减灾卫星和高分一号卫星，一周之内完成灾区滑坡、堰塞湖等次生灾害监测评估工作；2018年10-11月利用国产卫星对雅鲁藏布江和金沙江的滑坡灾害每天平均2次针对灾区开展堰塞体、上游堰塞湖范围、救援场景和下游受灾情况等开展动态变化监测，实现优于1天的高分辨应急监测能力；2019年山西沁源森林火灾和2020年四川木里火灾利用国产多源卫星针对全灾区开展平均2～3小时的热异常区域、火点、火线、过火面积等的动态监测，实现最快从数据申请到产品服务优于2小时的应急服务能力。

三、卫星遥感应急管理应用框架

1. 应急管理应用需求

应急管理业务覆盖范围广、涉及领域多、时效要求高、信息要求精，与卫星遥感的宏观、综合、动态和精准观测特点相契合。应急管理空间范围不但覆盖我国全境，还承担国际救援职责，需要掌握全球国际灾害事件信息，需要利用卫星遥感进行大范围和全球化观测。应急业务涉及森林草原火灾、洪涝、干旱、地震、地质等自然灾害防治，危化品、煤矿、非煤矿山、尾矿库等安全生产重点领域监管，应急力量、资源指挥调度与组织保障等，需要利用多源卫星遥感对各领域要素进行识别与监测。针对灾害事故的应急处置，时效是第一要求，特别是在人员和地面通信难以到达的区域，第一时间获取灾区卫星遥感信息，快速判断灾害情况是科学应急响应的基础，应急救援过程中也需要对灾区态势进行全景动态监测，要求多星协同动态对灾区进行全天候、全天时监测。精准应急管理要求信息的高精度和准确性，特别是对重大风险和隐患的识别与预测，需要对变化的敏感监测和发展趋势的定量判定，要求长时间序列和新型遥感手段的精细感知应用。

2. 应用体系框架

卫星遥感应用是应急管理信息化发展的组成部分，是一项系统工程。从框架总体来看，需要功能包含信息化全流程，内容覆盖应急管理全领域，建设运行需要卫星资源、软硬件设施与软环境保障。从流程角度包含数据获取到产品服务全链路各环节，数据环节包括数据获取、处理、管理等数据治理内容，为应用提供有效数据支撑；信息环节包括提取、分析和综合研判等过程，是应用的核心内容；产品环节包括产品生产、服务与用户管理等内容，是应用的成果体现。从业务内容角度覆盖要素监测、风险监测、应急监测和恢复重建监测全过程，分别直接支撑风险调查、风险评估、应急处置和救助保障等应急管理业务，服务于国家应急管理能力建设和全球减灾框架。运行保障方面，应急专用卫星或共享资源数据源是应用的输入和基础，软硬件设施是应用的承载与支撑，相应的技术体系、产品体系、标准规范和机制保障是业务运行的软环境保障。卫星遥感应急管理应用框架见图2。

图2 卫星遥感应急管理应用框架

3、卫星遥感应急管理应用与服务

卫星遥感可为防灾减灾救灾、安全生产和应急救援管理提供全过程监测信息支撑。常态条件下，利用应急管理卫星、高分、资源等卫星数据和开放卫星数据定期开展要素监测、风险监测和恢复重建监测；应急条件下，利用应急管理卫星数据和其他协调获取的数据资源，开展动态灾害应急监测，为国家应急管理提供支撑的同时也服务于国际减灾合作。

1）防灾减灾救灾应用。一是支持开展全国灾害风险调查，可提供统一时点的全国陆域亚米级卫星影像作为调查底图，结合特征解译及人工智能技术进行典型要素识别提取，作为地面调查的补充与校核；二是基于多源信息汇聚综合、同化耦合和时空趋势分析技术方法开展多灾种灾害链风险综合监测、重点区域特定风险持续监测和应急过程风险趋势动态监测；三是针对各类自然灾害的发生位置、影响范围、影响要素和发展态势开展动态监测；四是针对重大灾害受灾区域可定期开展长时间序列恢复重建和生态、社会恢复情况监测。

2）安全生产应用。卫星遥感可为安全生产隐患排查、风险防控、安全监管及事故灾难应急提供信息支持。一是针对危化品生产安全，可利用高分辨率光学卫星监测全国危化企业及典型设施空间格局，化工企业、油储库周边及输油管线两侧安全距离范围内的重点目标类型、位置、分布、数量等；二是针对矿山安全生产监管，可通过矿山动态监测，识别人为活动信息，对企业开工情况进行监管，利用差分干涉合成孔径雷达（SAR）技术监测矿山地表形变情况，利用红外探测煤矿自燃等；三是针对事故灾难，通过爆炸事故前后影像对比，确定爆炸范围、影响设施及动态变化情况，还可针对尾矿库溢出或溃坝位置、影响范围及动态变化情况进行监测。

3）应急救援应用。应急救援需要多星协同、多方联动，在最短时间内获得全场景全过程信息，为应急救援实施提供信息保障。在具体应用上，一是结合三维数字地球模型和多源多时相卫星数据，进行救援场景构建和实景动态信息更新，为应急救援指挥决策提供直观信息支撑；二是针对人员尚未到达现场或远程通信终端的极端情况，基于灾后灾区遥感监测信息，初步判定重灾区和救援重点区域；三是救援过程中可开展灾区及周边救援装备与物资分布及动态变化情况监测，为物资调配提供信息服务；四是针对应急救援过程，可利用动态遥感监测信息开展宏观态势分析与研判。

4）全球监测服务。卫星遥感具有全球化监测能力，为全球灾害监测服务奠定了基础。国家减灾中心是全球卫星应急机制的组成部分，已经为全球30多个国家的50多次重大灾害提供卫星应急监测服务，其中应急管理部组建以来已为13个国家的13场重大灾害开展监测服务。随着国产卫星资源增加，应进一步加强国际服务能力：一是在全球卫星影像积累基础上，针对特定国家或区域及时更新高分辨率国产卫星影像，可作为合作资源之一；二是基于人工智能等技术，针对灾害风险典型要素和应急管理典型目标进行提取分析与监测，为应急管理国际救援提供信息支持；三是针对全球重大灾害，积极通过多双边合作机制开展全球服务，在发挥国产卫星效益的同时，积极支持全球卫星减灾框架，服务于“一带一路”倡议。

四、卫星遥感应急管理应用实践

1. 多灾种综合风险监测

针对我国自然灾害分布广、种类多和经常存在多灾并发连发的特点，汇聚相关部门发布的森林火灾、山洪、暴雨等灾害预警信息可以发现灾害多发并发区域，利用美国国家航空航天局（NASA）火灾信息管理系统发布的热异常信息和火险区域进行叠加分析，可确定森林火灾重点观测区域；利用高分四号卫星数据对森林火险区的热异常点进行监测，可进一步核实确认火情信息，并对发展趋势进行研判。考虑不同季节，针对海冰、冰凌、地质灾害隐患点、典型水体、重要基础设施等风险重点关注区，利用高分卫星开展定期监测，可及时识别变化，发现异常，为风险预警防范提供有效信息。全国综合灾害风险监测图见图3。

图3 全国综合灾害风险监测图（2019年2月11日）

2. 灾害事故应急监测

利用多源卫星数据可针对自然灾害和安全生产事故及救援过程开展动态监测。如森林火灾方面可对森林资源状态、火点识别、火情态势、过火范围、发展趋势及恢复情况的全过程进行监测，图4是针对2020年5月四川凉山州森林火灾开展的全过程遥感监测。针对防汛抗旱应用，洪涝灾害可利用卫星遥感监测洪涝范围、受影响建筑物和基础设施、洪涝范围变化与恢复情况，图5是利用灾前的高分一号卫星数据和灾后哨兵一号、高分三号卫星数据对2019年7月江西抚州洪涝范围变化进行监测。针对旱灾可开展土壤墒情、典型水源地水体范围变化、植被长势、旱灾范围等监测，图6是针对2018年上半年的阿富汗旱灾，利用高分一号、四号卫星开展典型水体范围变化和植被指数变化监测。图7是针对地震地质应用，可开展地震灾害影响范围、毁损基础设施、倒塌建筑物及滑坡、堰塞湖等次生灾害监测。图8是针对地质灾害，可利用高分辨率卫星遥感对灾害位置、影响范围、毁损基础设施等信息进行监测。图9是对作业现场进行监测。

图4 2020年5月四川凉山森林火灾遥感监测图

图5 2019年7月江西省抚州市临川东乡一带洪涝淹没范围遥感监测图

图6 2018年6月阿富汗旱灾监测图

图7 2017年8月四川九寨沟地震过程监测图

图8 甘肃省舟曲县东山镇下庄村滑坡遥感监测图（2019年7月25日）

图9 金沙江白格11.3堰塞湖救援作业区遥感监测图（2018年11月9日）

危化品爆炸和尾矿库溃坝是容易出现的安全生产事故。化工厂爆炸事故不但对周围建筑物和设施造成严重毁损而且还会产生有毒物质溢出扩散, 人员第一时间难以进入现场。图10是2019年7月19日河南三门峡义马气化厂“7·19”重大爆炸发生后，利用卫星遥感手段，通过对比分析初步确定爆炸影响的范围和设施。尾矿库尾矿砂泄漏或溃坝也是容易出现的生产事故，会对下游造成冲毁威胁和严重污染，图11是利用高分一号卫星对黑龙江省伊春鹿鸣矿业尾矿库泄漏造成下游河流污染情况进行监测,污染河流清晰可见。

图10 河南三门峡义马气化厂爆炸事故遥感监测图

图11 黑龙江伊春鹿鸣矿业钼矿尾矿库溢流遥感监测图

3.灾区恢复重建监测

灾害事故对建筑物和基础设施造成的严重毁坏需要重建,造成的社会服务中断和生态破坏需要恢复,重特大灾害特别是地震造成的严重破坏和影响甚至需要数年才能完成重建和恢复，及时掌握恢复重建情况，有助于合理安排转移安置、人员救助和部署灾区生产生活恢复。陆地卫星具有近50年的应用历史，保存的全球陆表数据记录了许多大灾发生的历史，也为定期开展灾区重建和恢复情况的监测提供了数据积累。图12是2008年汶川地震4天后的卫星影像，可见震中映秀镇的建筑物几乎全部毁坏、道路中断、山河破碎，2015年的卫星影像则可见重建的城镇建筑和学校、道路等设施，山川被葱郁植被覆盖，生态得到恢复。

图12 2008年汶川地震灾区映秀镇灾后4天和7年重建恢复对比

4. 国际灾害事故监测

世界各国均面临灾害事故的风险挑战，但遥感卫星资源却集中在少数具有航天能力的国家，所以针对国际重大灾害开展卫星数据共享和监测服务是遥感应用合作最为活跃的领域之一，在全球和区域层面出现了一些专门合作机制，推动重大灾害卫星应急国际服务[5]。随着我国国产卫星资源逐渐丰富，国家减灾中心将国际灾害纳入日常监测，并通过多双边合作机制开展服务，也为国家应急管理提供信息借鉴。2019年9月，老挝南部因台风造成洪涝灾害，图13是国家减灾中心利用高分三号卫星多时相数据对洪涝范围及变化进行监测。图14是针对2019年3月伊朗北部的严重洪涝灾害，利用高分二号卫星对洪涝影响的城镇进行监测。

图14 伊朗北部洪涝灾害遥感监测图（2019年3月29日）

五、卫星遥感应急管理应用趋势

卫星遥感应急管理应用是卫星发展、管理需求和技术创新综合作用的结果，经过20多年的发展已经成为我国防灾减灾救灾工作的重要支撑。当前我国正值国产卫星迅速发展、应急管理现代化建设和信息化技术创新的交汇发展关键期，也是全球减灾框架实施第一个五年周期即将完成之际，卫星遥感应急管理应用的发展面临重大机遇。在此背景下，应急管理应用将依托国家民用空间基础设施建设，以应急管理现代化建设需求为牵引，强化新一代信息化技术融合创新驱动，推动新型卫星应用、海量数据治理、风险监测预警和全球化服务发展，这将是卫星遥感应急管理应用的发展趋势。

1）新型卫星应用方面。我国民用空间基础设施正在加快实施且逐渐形成全谱段、高分辨、全天候、全天时、体系化和通导遥融合发展特征，卫星观测模式走向协同，观测时效趋于实时，新型载荷和多型组合载荷不断出现，观测精细化能力增强。需加强与新型卫星相匹配的星地协同处理、新体制SAR、微光、高光谱、红外及多型载荷的综合处理与分析应用，发挥多星协同综合应用效益。

2） 海量数据治理方面。随着卫星数据量呈现指数式增长，全国年度新增数据量达PB级，全球数据总量已达EP级，利用云计算和大数据的理念与技术，构建卫星遥感大数据治理体系成为全球风险治理的重要保障，强化数据处理水平提高数据质量，在实现接入、处理、存储与服务功能的同时开展分析就绪数据服务，提高数据利用率。

3）风险监测预警方面。精准风险监测预警是科学风险防范的基础。将灾害风险机理、演化规律与理论模型与遥感技术融合，发挥卫星遥感长时间序列、宏观和精细化监测数据优势，支持开展灾害机理和发展规律的研究，进一步融合遥感与信息化技术，在风险监测水平基础上开展灾害模拟和风险预测，提高预警水平。

4）全球化服务方面。卫星遥感的全球化观测能力使其成为推动全球减灾框架实现的重要支撑，成为本已活跃发展的国际卫星减灾合作领域的一致目标，也成为相关国际机制或组织的优先发展领域，并呈现依托合作机制建立服务平台，在全球、区域、国家和地方等层面开展咨询、数据、产品、技术和能力建设等内容的多维体系化全球服务趋势。