环境减灾二号A/B卫星应急管理应用系统设计

刘明 李素菊 刘龙飞 陈璐

(应急管理部国家减灾中心，北京 100124)

我国是世界上自然灾害最为严重的国家之一，具有灾害种类多，分布地域广，发生频率高，造成损失重等特点。按照“两个坚持、三个转变”重要指导思想，需充分发挥遥感卫星多模态、多要素、长时序动态监测优势，提升灾害综合风险监测与应急快速动态监测能力，为减轻灾害综合风险及损失发挥更大作用[1-2]。环境减灾二号A/B卫星于2020年9月27日在太原卫星发射中心成功发射，已接替在轨超期服役的环境减灾一号A/B卫星。双星技术状态一致，均搭载多光谱、红外、高光谱、大气校正仪4个载荷[3]，具备成像范围大、重访周期短、观测信息丰富等特点，可为防灾减灾救灾和应急救援提供重要基础数据。

近年来，随着国家空间基础设施不断完善，综合监测体系逐步形成[4]，各类卫星结合应用需求建立了适合自身的应用系统[5-8]。本文从防灾减灾救灾业务应用需求出发，对环境减灾二号A/B卫星应用系统架构、功能模式、业务模式进行设计，为应用系统研发提供参考依据。

1 需求分析

1.1 灾害综合风险监测

在灾害特征参数与目标持续定期提取与识别基础上，将时空特征分析、异常信息提取等传统手段与大数据分析、人工智能等新技术方法相结合，实现面向多种灾害类型的风险监测产品的定期生产，及时发现灾害风险与隐患。

单灾种风险监测。针对干旱、洪涝、台风、滑坡/泥石流、雪灾、森林草原火灾等不同灾害类型特点，利用定期动态提取的积雪、植被长势、水体范围、热异常点分布信息，开展不同时相、不同区域特征参数时空变化特征分析，基于异常信息技术，结合地形地貌、地表覆盖、承灾体分布等相关数据，构建面向不同灾害类型的风险监测模型，实现灾害风险定期监测与隐患排查。

灾害综合风险监测。针对单一地区多灾风险并发、主灾诱发次生灾害(灾害链)等情况，充分发挥多源卫星遥感数据优势，分析不同区域、不同灾害链特点，提取或识别相关灾害参数、目标，开展多灾害特征参数综合分析，开展灾害综合风险分析。

1.2 灾害应急监测

针对国内外重特大灾害事故应急救援及灾后重建工作需求，充分发挥卫星遥感数据优势，结合不同灾害类型特点，了解灾害范围及动态变化[9]，并提取房屋、桥梁、道路等承灾体，及时开展灾害损失评估，为灾害应急决策提供信息支撑，主要包括灾害范围监测、灾害损失监测、应急救援监测、恢复重建监测等功能。

灾害范围监测。针对干旱、台风、洪涝、地质、森林草原火灾、雪灾等重特大灾害，基于多源卫星遥感数据，利用变化检测技术，提取光谱、纹理、极化、干涉特征及各类特征指数与历史同期或灾前影像对比，明确灾害发生位置和影响区域。

灾害损失监测。针对房屋、农作物、森林、交通基础设施、水利基础设施等承灾体，分别利用灾前/灾后相应空间分辨率卫星遥感影像开展对比分析，将特征参数分析等传统手段与大数据、人工智能等新方法相结合，提取各类承灾体毁损数量及程度。

应急救援监测。利用高空间分辨率光学、SAR卫星遥感影像，对应急抢险(如滑坡体治理、道路抢通等)与救助过程(如临时安置点位置与数量)开展全过程监测，及时了解救援与救助工作进展。

1.3 环境减灾二号A/B卫星主要应用需求

在灾害综合风险监测方面，与高分一号、高分六号卫星相协同，实现16 m空间分辨率光学卫星遥感数据每天获取一次能力，实现针对植被、水体、积雪、冰凌、热异常点等灾害系统要素的定期获取，提升对干旱、洪涝、低温冷冻灾害风险的监测支撑能力。在灾害应急监测方面，凭借其快速重访与800 km大幅宽监测能力，可为洪涝、森林草原火灾、大型地质灾害开展应急监测数据服务。

2 系统架构设计

2.1 设计原则

环境减灾二号A/B卫星按照“五统一分”的设计原则。其中包括：统一的交换引擎，支持网络附属存储(NAS)、应用程序编程接口(API)、WebService等多种异构数据源进行一体化设计；统一的存储管理，针对不同的数据类型，提供数据库、分布式文件存储等多种存储方式；统一的读取引擎，提供结构化数据、非结构化数据的统一读取解析；统一的监控系统，实现对系统资源状态、任务调度状态、算法执行状态等的统一监控；统一的应用服务系统，提供多终端使用；建设分布式计算框架，面向空间地理数据处理、进程控制及消息通讯等多种场景，构建并行调度计算环境，实现对结构化数据、非结构化数据的分布式处理。

2.2 总体架构

系统总体架构面向应用软件的集成和整合，从整体上划分为用户层、应用层、基础组件层、数据层和基础设施层五个层次(图1)。

1)基础设施层

基础设施层包括两个部分，为本系统提供各类软、硬件的基础设施支撑。其一是基础平台，即硬件支撑平台，为数据存储、系统运行提供硬件支撑，包括计算机、存储设备、网络设备和安全系统等；其二是各类支撑软件，为各应用系统提供开发、测试与运行的软件支撑。

2)软件支撑层

应用支撑层是将应用层中的各个分系统中与业务逻辑无关的通用支撑功能分离出来，构成可以被不同系统进行调用的构件集、服务集，实现对功能的重用。基础组件层主要包括：地理信息组件、遥感处理组件、数据管理组件、集群管理组件、系统管理组件、运行监控组件等，主要为整个系统提供基础的功能支撑。

图1 系统总体架构图Fig.1 System architecture

3)数据资源层

数据层主要实现对遥感数据、用户信息、元数据以及其他数据的统一存储管理，是为不同用户提供共享服务的各类信息的集合，包括应急减灾原始影像库、正射影像库、要素遥感监测产品库、应急风险监测产品库、报告发布产品库、基础地理信息库、元数据库和运行管理数据库。

4)应用层

应用层直接面向各类用户提供应用服务，包括遥感数据处理分系统、卫星影像综合接入管理分系统、任务管理调度分系统等，提供内外部访问接口。

5)用户层

用户层提供统一信息服务的窗口，用户层主要面向相关行业部门、科研机构等用户，通过统一入口，为各类用户提供数据查询检索、数据浏览、数据下载、数据处理等服务。

6)标准规范与安全保障体系

系统各层都紧密地架构在统一的安全保障系统上，其业务流程和技术实现等都遵循应急管理部相关技术规范和技术标准，按照信息系统等级保护三级标准建设，采用符合国家安全的技术与管理手段，保障本系统建设的标准统一以及信息的安全保密传输。

2.3 系统组成与功能

环境减灾二号A/B卫星应用系统由卫星影像综合接入管理分系统、遥感数据处理分系统、要素目标遥感监测分系统、灾害综合风险监测分系统、灾害应急监测分系统、卫星监测产品服务分系统等组成(图2、3)。

图2 环境减灾二号A/B卫星应用系统组成图Fig.2 The composition of satellite application system for HJ-2A/B satellites

图3 系统逻辑架构图Fig.3 Logical architecture of application system

1)卫星影像综合接入管理分系统。基于B/S架构和区位地理编码，对接入的环境减灾二号A/B卫星数据，开发统一的数据管理、自动接入、手动入库及时空数据统计分析和数据产品提取。

2)遥感数据处理分系统。针对环境减灾二号A/B卫星多光谱数据、红外数据、高光谱数据，开发上述卫星遥感数据的自动化处理系统包括几何批处理、辐射校正、几何精校正、正射校正、图像拼接匀色、图像融合等数据处理功能，并实现基于多尺度参考影像和服务的异源图像几何配准。

3)要素目标遥感监测分系统。针对2颗环境减灾二号A/B卫星多光谱、红外和高光谱载荷不同数据特点，开发水体指数、雪盖指数、植被指数、热异常等典型遥感参数反演功能，充分利用人工智能、深度学习手段，开展城乡居民地等典型承灾体的提取功能[10]，并形成水体范围、积雪范围、海冰范围、火点等致灾因子提取工具。

4)灾害综合风险监测分系统。依托环境减灾二号A/B卫星等数据源和其它业务部门灾害相关的产品，完善森林草原火灾风险、海冰冰凌灾害、积雪灾害、旱灾、台风灾害、暴雨/洪涝/地灾、综合灾害风险等信息的自动化集成，开发多源信息的汇聚更新和空间统计等功能。

5)灾害应急监测分系统。以环境减灾二号A/B卫星数据为主，兼顾其他卫星数据，利用多时相遥感影像，开发洪涝灾害、地质灾害、森林草原火灾、灾难事故等灾区背景影像、灾害范围、灾害损失、恢复重建等灾害应急监测功能。

6)卫星监测产品服务分系统。建设一套卫星监测产品制图与产品服务浏览器/服务器(B/S)架构，实现灾害要素目标监测、灾害综合风险监测、灾害应急监测产品的标准化、一体化服务。

3 业务模式设计

3.1 数据驱动模式

对于自主接收的多源卫星数据，采取数据驱动方式按计划进行全自动处理模式，实现数据接入、云检测、正射校正、融合镶嵌、产品质检等自动化业务流程。根据接入数据类型，启动相应影像产品生产线，按数据的先后顺序进行数据的处理生产，并进行生产日志的记录，对处理的产品需要进行质检入库管理。

其中，针对环境减灾二号A/B卫星多光谱数据，在开展数据处理基础上，完成单景数据云判、植被指数提取、水体范围提取等信息提取；针对红外数据，在开展辐射定标、几何校正基础上，完成云判、积雪、陆表温度识别和提取，并及时发布提取的热异常信息；针对高光谱数据，重点完成数据处理任务，并开展植被指数信息提取。

3.2 任务驱动模式

针对特定需求开展对重点区域(局部区域)的多源数据自动化、流程化处理、存储、发布等，侧重于灾害监测中的应急处理业务，采取任务驱动按需自动化处理模式。包括任务建立、数据获取、产品生产、产品质检、产品入库等流程。

任务驱动模式在业务工作中主要针对灾害综合风险、灾害应急监测两种工作模式，实现针对某一应急事件数据及信息的集中管理，同时提升数据处理、信息提取等任务的优先级。

3.3 人机交互模式

随着人工智能技术发展，灾害目标要素提取的精度逐渐升高，但是针对灾害范围及损失精细监测等应用场景，需要开展人机交互研判。

4 结束语

环境减灾二号A/B卫星凭借其多要素、大幅宽、高重访观测特点，为防灾减灾救灾、应急救援以及其他应用领域提供中分辨率光学遥感数据，为及时了解灾害系统异常信息、迅速开展灾害应急监测提供了重要支撑。环境减灾二号A/B卫星应用系统建设紧密围绕新时代应急管理新任务、新要求，结合卫星特点设计研发，充分运用了深度学习等新兴手段，重点强化了灾害系统各类要素的定期监测与灾害综合风险监测能力。但是，我国灾害多样，灾害形势复杂严峻，单凭一颗或一类卫星难以解决所有问题，应用系统的建设更需要在用好环境减灾二号A/B卫星基础上，强化与其他光学卫星、SAR卫星的协同监测应用，提升卫星监测效率。