环境减灾二号A/B卫星应急管理应用研究

李素菊 魏振宽 王平 胡凯龙 刘明

(应急管理部国家减灾中心, 北京 100124)

遥感卫星是国家灾害事故监测预警网络的重要组成部分[1]，凭借其对地观测的大范围、长时序、多模态的独特优势，已经在事故灾害灾前监测预警、灾中应急救援和灾后调查评估等应急管理业务中发挥重要作用。多源可持续的卫星资源是卫星遥感应急管理业务化应用的基础，遥感卫星的数量、种类与响应机制是应急服务时效与监测能力的决定因素[2]。全球有效运行的卫星监测服务系统均具有稳定并不断发展的卫星数据源[3]。空间与重大灾害国际宪章具有全球17个航天机构的270颗卫星的数据源，自2000年运行以来已经针对131个国家的756次灾害开展应急监测。欧盟哥白尼的应急管理服务项目以“哨兵”(Sentinel)系列卫星作为主要数据源并已经形成全球干旱、林火、洪涝监测预警和灾害应急监测服务能力[4]。

2008年9月6日环境减灾一号A/B卫星的成功发射与减灾应用系统的建设，开启了我国卫星遥感减灾业务应用的篇章，其10余年的不断发展，遥感卫星资源不断丰富，面向国家应急减灾的遥感卫星与卫星遥感体系初步成型[5-6]。环境减灾二号A/B卫星作为环境减灾一号A/B卫星的后续业务卫星，也是国家民用空间基础设施中长期发展规划实施以来首批建设的业务卫星项目之一，在载荷设计、平台配置、多星协同等方面性能均有明显优化与提升[7]。自2020年9月27日成功发射以来，经过在轨测试和实际应用，其多载荷、大幅宽、高重访的观测能力在综合灾害风险监测和大范围应急监测中的优势初步体现。自2015年立项建设到2022年初业务使用，经历了我国防灾减灾救灾能力建设转型与应急管理体系改革的重大阶段，应急管理体系建设也对环境减灾卫星发展与应用提出了更高要求。本文在回顾环境减灾二号A/B卫星工程论证建设与测试应用历程、比较分析同期中分辨光学卫星指标性能及特点基础上，从载荷、单星、多星等不同层面，系统分析了两颗卫星针对九类应急管理典型场景在不同应急管理阶段的应用能力，结合国家应急管理能力现代化建设使命要求，进一步分析了投入业务应用后提升监测预警与应急减灾应用成效的具体建议与措施。

1 卫星项目情况

环境减灾二号A/B卫星项目是《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015-2025年)》实施建设的中分辨率遥感卫星任务之一，主要面向国家应急管理、生态环境等重大应用需求，兼顾自然资源、水利、农业农村、林业草原、地震等行业业务需求，研制发射2颗光学卫星，接替环境减灾一号A/B卫星，满足国家在相关领域的中分辨率光学卫星数据持续供给的需求。卫星工程由卫星系统、运载火箭系统、发射场、测控系统、地面系统、应用系统等六大系统组成，自2015年工程启动到投入业务使用至今历时近7年，在各方的大力协同配合下，卫星工程实施进展顺利，目前卫星运行状态稳定，持续地获取地球陆表多模态光学卫星数据。

根据工程实施情况，总体过程可划分为三个阶段：第一阶段2015-2016年论证期，主要开展工程的论证立项与初步设计工作，2015年卫星工程可行性研究论证工作启动，2016年卫星工程可行性研究报告和初步设计先后得到批复；第二阶段2017年到发射前为工程建设期，各系统组织开展研制、测试与集成工作，其中2020年7月28日和8月17日，运载火箭系统与卫星系统先后通过出厂评审；第三阶段发射到投入使用前为测试期，2020年9月27日两星成功发射，接续开展在轨测试，2021年1月完成与高分一号、高分六号卫星组网调轨，2021年7月卫星工程通过在轨测试总结评审，随后进入实际应用测试阶段，2022年1月卫星工程完成在轨交付转入业务使用阶段。

环境减灾二号A/B卫星工程建设时期也是推进我国防灾减灾救灾转型发展的关键时期，2016年12月《中共中央国务院关于推进防灾减灾救灾体制机制改革的意见》强调“两个坚持、三个转变”的防灾减灾救灾指导思想。2018年4月，应急管理部组建，强化了应急工作的综合管理、全过程管理和力量资源的优化管理，当前正在积极推进应急管理体系和能力现代化，对卫星应用能力提出更高要求。为强化环境减灾二号A/B卫星应用工作，2019年应急管理部支持建设国家减灾中心防灾减灾与应急管理卫星综合应用系统，初步实现卫星研制与应用同步，应用系统本着边建设边应用原则，有力支撑卫星应急应用的在轨测试、专题服务和日常监测，目前针对环境减灾二号A/B卫星数据，已经具备管理处理、信息提取、分析服务等业务化监测能力，形成应急管理应用产品体系，并在2021年河南郑州“7·20”特大暴雨灾害和冬奥会赛区的灾害综合风险监测中发挥有效作用。

图1 环境减灾二号A/B卫星项目历程Fig.1 History of HJ-2A/B satellites project

2 卫星观测特点

面向应急管理的遥感卫星观测能力主要考虑观测要素、观测精度、覆盖宽度、重访周期等因素，其中观测要素和观测精度决定典型要素的识别能力，主要取决于卫星的载荷类型、谱段设置和空间分辨率，覆盖范围和重访周期决定了灾害风险监测频次和应急响应时效，主要取决于轨道设计和组网策略。环境减灾二号A/B卫星在继承环境减灾一号A/B卫星的多载荷、大幅宽、双星组网等特点基础上，全面优化设计，实现双星载荷配置一致，可见光、红外和高光谱载荷的光谱范围、光谱分辨率、空间分辨率、量化位数等指标均有较大提升，并与在轨高分一号、高分六号卫星组网实现16 m相机1天全球覆盖，观测能力大幅提升。与在轨其他国内外常用的同类中分辨率卫星相比，环境减灾二号A/B卫星在多模态、全谱段、大覆盖、高重访观测方面具有明显优势。在轨同类卫星主要指标表见表1。

从单型载荷看，环境减灾二号A/B卫星的可见光多光谱相机可用于大范围地表覆盖与土地利用情况监测，进一步还可以开展水体、植被、冰、雪等自然要素及建成区、大型水库、露天矿山等人工地物目标识别与分布情况监测。覆盖近中长红外谱段的红外相机则在土壤湿度、地表温度反演和热异常点识别方面具有监测优势。高光谱相机则可用于森林、农作物、露天矿物等类型的精准识别。3个载荷协同对同一区域进行同步多模态观测，通过数据处理与信息融合，可实现对同一区域的地表环境、精细地物分类、大型目标位置形态等几何特性、地表温度与土壤湿度等物理特性的多维监测。双星协同则具备全球范围2天一次的重访能力，再加上与高分一号、高分六号等4星协同具备每天1次的重访能力。环境减灾二号A/B卫星的高效多维观测能力，为常态条件下全球、全国、重点区域的地表环境与典型要素的定期监测提供条件，应急条件下，通过与其他卫星协同，可提升洪涝、林火等大范围灾害事故的监测时效与频次。

表1 在轨同类卫星主要指标表Table 1 Main indicators of similar satellites in orbit

3 应急管理应用

卫星遥感应急管理应用主要由4部分组成：①应急管理业务场景，是卫星应用的目标，也是卫星观测规划的依据，主要涉及自然灾害和安全生产领域的常态监测和应急监测两类场景；②遥感卫星资源，是应急管理应用的基础与输入，其类型不同观测能力也不同，应急条件下通常多星协同使用，提升综合观测能力；③应用系统，是卫星应用服务的载体，需具备数据接入管理、信息处理分析、产品生产服务等全链条功能与技术实现；④机制模式，是应急应用的保障，也是卫星遥感在应急管理领域实现高效、规范、业务化应用的关键，通常涉及业务流程、服务规范、协调机制和有关政策等。卫星类型与观测能力不同，其数据的模态、格式、规模不同，处理分析方法和产品服务模式不同，适用应用的业务场景有所区别，如图2所示。

图2 环境减灾二号卫星应急管理应用构成Fig.2 Composition of emergency management application of HJ-2A/B satelltes

3.1 应用场景

卫星应用以要可识别要素为核心，在对其有关属性进行识别提取、变化检测、趋势分析基础上结合实际业务场景开展具体应用。环境减灾二号A/B卫星的中分辨率、光学多模态遥感、大范围覆盖、2天重访和全球观测特点，使其在以水体、植被、冰雪、温度热异常、土壤湿度等要素为核心的洪涝、森林草原火灾、干旱等相关自然灾害风险要素识别、定期监测和灾害范围及变化的动态监测中具有明显优势，同时，还可以用于全球、全国、重点区域的建成区、堰塞湖、大尺度滑坡、大型尾矿库、水库、露天矿山等地物目标的大范围定期更新，应急条件下可用于对灾区相关要素的快速识别与变化检测等方面，同时，其每2天的全球观测能力使其在国际大范围灾害监测方面具有特色。卫星应用还可以与其他卫星数据融合，提升信息识别精度与应急协同时效。

3.2 应用系统

针对环境减灾二号A/B卫星大数据量、模态多样、场景复杂和业务化服务特点，国家减灾中心已经初步建成应用系统并具备业务化服务能力。系统采用私有云计算架构研发，强化了数据自动接入管理、高效处理分析和稳定监测服务等能力。系统总体框架分为四层，其中：①平台层具备PB级存储与高性能计算等系统支撑功能；②数据层实影像数据的自动接入、高级处理与综合管理功能；③业务应用层包括要素目标监测、风险综合监测和灾害应急监测等三类主体业务；④服务层则包括产品制作、可视化表达与多平台接入等能力。针对环境减灾二号A/B卫星数据特点，常态条件下的数据规模化高精度处理、典型要素信息的精准高效提取、风险隐患信息遥感识别等技术是关键，分别支撑多模态高精度影像产品生产、应急管理典型要素监测和综合风险监测业务应用；应急条件下灾区环境减灾卫星数据的快速处理、信息融合分析与产品即时服务等技术是关键。

3.3 服务产品

从产品形式划分，环境减灾二号A/B卫星在应急管理领域的应用产品按照处理分析可以分为数据产品、信息产品和专题产品等三类。数据产品基于不同载荷遥感数据经过正射校正等处理生产，主要产品包括年度全球16 m可见光多光谱影像产品，季度全国、重点区域的16 m多光谱影像和红外影像数据产品，重点区域的年度高光谱影像产品。信息产品基于遥感数据经提取或反演的地物目标或参数指数类信息，包括地表覆盖和典型承灾体地物目标，以及火点、滑坡体、尾矿库等灾害隐患要素类信息，和植被指数、水体指数、土壤湿度、地表温度等参数信息。专题产品包括以环境减灾二号A/B卫星数据为主要数据源的单灾种风险监测、以卫星信息产品为补充数据源的综合风险监测产品和以卫星为协同资源的应急监测产品。

3.4 机制模式

与卫星特点相适应的运行机制与服务模式，是保障卫星应急应用业务化与遥感服务高效精准的关键。针对环境减灾卫星二号A/B卫星与应急管理业务场景，已经建立覆盖业务需求提出、卫星数据申请获取、产品生产服务、定期评估反馈等环节的闭环运行机制，并对其中每个环节的责任主体、工作内容、工作要求予以明确，为卫星监测产品的稳定可持续提供保障。运行模式方面，针对应急管理常态与应急两种场景和环境减灾二号A/B卫星稳定数据获取与大范围动态观测能力，建立了数据驱动的风险定期监测业务模式和事件驱动的卫星应急监测模式。

4 应用案例

环境减灾二号A/B卫星从在轨测试阶段开始即结合应急管理实际开展监测应用，一年多来，已经在黄河冰凌等典型灾害风险要素监测、洪涝等大范围灾害应急监测和冬奥会赛场安全保障监测中作为主要或补充数据源得到应用。

4.1 黄河宁蒙段冰凌动态监测

黄河宁蒙段地处河套平原，受纬度差异、同期上下游温差大、封开河倒序等因素影响，冬春季容易发生凌汛灾害，是黄河防凌的重要河段，及时掌握河道结冰情况可为防凌工作提供直观信息参考[8]。2021年12月22日—2022年3月8日，利用环境减灾二号A/B卫星的可见光多光谱相机的大幅宽影像数据，并结合高分一号和高分六号卫星的宽幅相机影像数据，对黄河宁蒙段的封河和流凌情况进行了8次不定期监测，其中环境减灾二号A/B卫星监测6次，高分一号和六号卫星各监测1次，如图3所示影像上可清晰识别完全封冻、部分封冻河段和遍布其中的流凌河段，监测发现封河初期封冻河段较短而流凌河段较长，封河中期封冻河段较长而流凌较少。由此可见，环境减灾二号A/B卫星作为主要数据源可以对大范围、持续数月、每天动态变化的黄河冰凌情况开展业务化监测。

图3 黄河宁蒙段冰凌动态监测Fig.3 Dynamic monitoring of ice jam of Yellow River

4.2 国内外重大灾害应急协同监测

环境减灾二号A/B卫星的大幅宽、48 h重访、全球化监测、组网观测等使其在国内外洪涝、林火等大范围灾害动态监测中具有优势。2021年7月17—23日，河南省因极端暴雨导致严重城市内涝、河流洪水、山洪滑坡等多灾并发，造成重大人员伤亡和财产损失[9]。国家减灾中心启动多源卫星应急监测机制，利用环境减灾二号A/B、高分一号系列、高分三号、高分六号、哨兵一号等10颗卫星，7月21日—8月1日连续12天，以郑州市及周边和河南中北部区域洪涝灾情为重点开展每日动态监测，其中7月24日和31日环境减灾二号B星和A星分别获取灾区有效数据，主要对河南中北部的洪涝范围进行监测，并分别与2 m分辨率的高分一号C和高分一号B卫星协同，同时对溃堤漫堤、被淹城镇村庄等情况开展精细监测。如图4所示，每日监测产品为河南暴雨洪涝灾害的总体态势及重灾区研判提供参考。

2022年5月18日，巴基斯坦俾路支省莱曼山区发生山火，20日附近山区出现第2个火场，该地区是全球最大的松子产地[10]，火灾烧毁大面积森林并造成3人死亡3人重伤。利用5月18日高分一号、5月20日和24日高分六号和5月23日环境减灾二号B卫星数据，国家减灾中心对第2个火场进行动态监测，可清晰识别火点、火线、烟雾及蔓延方向、火烧迹地面积等信息，并对火灾发生发展进行全过程监测。如图5所示，动态监测产品为国际应急救援决策提供有效信息参考。

图4 河南洪涝灾害范围监测Fig.4 Monitoring of flood disaster scope in Henan province

图5 巴基斯坦火灾动态监测Fig.5 Dynamic monitoring of forest fire in Pakistan

4.3 北京冬奥会赛区安全保障自然灾害综合风险监测

2022年北京冬奥会场馆设在北京市区、延庆和河北张家口的两地三个赛区，自然灾害风险监测预警是冬奥赛区安全保障的任务之一，针对赛区内可能存在的森林草原火灾、低温雨雪冰冻、地震地质、洪涝、干旱等自然灾害风险[11]，自2021年初起，即利用长时序多源卫星数据定期开展自然灾害综合风险遥感监测，其中利用环境减灾二号A/B卫星的多模态遥感特点，基于其红外数据主要开展了赛区的地表温度反演、积雪范围监测和热异常点识别(图6)；基于可见光多光谱数据，结合高分一号和高分六号卫星宽幅相机数据，对密云水库、官厅水库近5年同期的水面面积及变化情况开展定期监测(图7)。业务工作中，卫星任务规划采用定期定点观测模式，产品生产按照数据驱动的基本要素定量提取与定期动态监测服务模式，对环境减灾卫星针对固定区域的多模态遥感、定量化监测及长时序协同精细应用能力进行了初步探索。

图6 北京冬奥会场馆温度反演监测Fig.6 Temperature inversion monitoring of Beijing Winter Olympic venues

图7 北京冬奥会积雪范围遥感监测Fig.7 Remote sensing monitoring of snow cover in Beijing Winter Olympics

5 结束语

环境减灾二号A/B卫星作为我国民用空间基础设施规划的中分辨率光学遥感卫星星座组成，在工程项目的论证建设与应用实施的过程中，充分体现需求牵引、继承发展的理念和一星多用、多星组网的原则，按照系统工程方式开展建设管理，保证了工程建设与应用的顺利实施。卫星工程的建设历经我国应急管理部组建和推进应急管理体系与能力现代化建设过程，对提升卫星应急管理服务水平提出新高要求。作为卫星工程的重要组成，应急管理应用系统建设充分考虑全灾种大应急特点，在系统梳理典型应用场景对卫星监测要求基础上根据两颗卫星特点构建了监测产品体系，实现产品生产服务的全流程功能，强化多模态遥感数据自动化处理和定量化监测技术研发。应用系统经在轨测试和业务实际验证，初步具备环境减灾二号A/B卫星数据处理管理与针对应急管理典型业务场景的监测服务能力。

环境减灾二号A/B卫星虽然已经纳入应用管理监测业务，但其多模态、大范围、定量化、全球化监测优势尚未充分发挥，实际应用中存在数据利用率低、信息挖掘不充分、趋势分析程度低、全球监测服务少等问题，针对以上问题需要在技术和模式方面同步提升和完善。具体包括提升大范围不同尺度红外和可见光数据规模化处理能力[12]，完善面向不同业务场景的定期监测时空频次与数据产品生产流程，提升数据利用率；强化典型要素遥感特征研究与同时空多模态遥感信息融合增强方法研究，建立基于环境减灾二号A/B卫星的典型应急要素目标的多模态定量遥感监测策略，提升信息挖掘广度与精度；立足体系化应用理念[13]，根据灾害发生发展规律确定灾害风险与应急遥感基本变量，开展基于环境减灾卫星监测的时空趋势研究，同时进一步优化卫星观测模式与业务模式，提升对应急减灾决策的支撑效率与服务水平；加大环境减灾二号A/B卫星与高分一号、六号卫星的16 m多光谱有效数据产品的全球覆盖、定期更新与开放服务，着力加强数据的一致性处理并于国际用户的进一步深化应用，依托联合国灾害管理与应急反应天基信息平台(UN-SPIDER)、地球观测组织(GEO)等国际机制加大全球数据服务与应用推广力度，为国际应急减灾提供稳定可持续全球数据产品[14]。

环境减灾二号A/B卫星是我国环境减灾卫星系列第二代光学卫星，也是“十四五”国家应急体系规划确定的应急卫星星座与监测预警网络重要组成，后续将在深化在轨卫星应用水平基础上，统筹考虑未来我国卫星体系化发展与应急管理领域与其他手段一体化应用特点，面向应急管理精准治理要求，定量确定其具体应用环节与贡献，推动卫星发挥最大效能基础上为下一代卫星论证与方案设计提供借鉴。