核应急遥感应用现状及“高分卫星”应用潜力分析

伊丕源，黄树桃，郭里，林秀景，钟霞，刘原麟，武鼎，王树红

（1.核工业北京地质研究院遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室，北京100029；2.国防科工局国家核应急响应技术支持中心，北京100089）

依据中国核能行业协会发布的《中国核能发展报告（2021）》［1］，截至2020 年12 月底，中国大陆地区商运核电机组达到48 台，总装机容量为4 988 万kW，仅次于美国、法国，位列全球第三。“十四五”及中长期，核能在我国清洁能源低碳系统中的定位将更加明确，作用将更加凸显［2-3］。核应急作为核安全纵深防御体系的最后一道防线，是核能事业可持续发展的重要保障［4-5］。如何借助现代科技手段，提高核事故应急处置效率，是我国核应急科技创新发展的重要内容。

对地观测卫星是人类获取地球空间信息的重要手段，在国民经济建设和国防建设中具有不可替代的重要作用［6］。国外卫星遥感技术起步早［7-9］，美国、日本、韩国和欧盟国家在利用遥感技术进行核事故应对和核应急响应演习方面，也已取得重要成效。近年来，我国高分辨率遥感卫星技术取得了迅速发展，尤其是随着“高分辨率对地观测重大专项”（CHEOS）的实施，已初步形成了高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率的天基对地观测能力。充分发挥“高分”卫星遥感技术优势，加强在核应急领域的应用，有利于促进核应急科技创新及响应水平的提升。

1 核应急业务概述

国际原子能机构《核或辐射应急的准备与响应》《中国的核应急》白皮书中对核应急响应定义为，为了控制核事故、缓解核事故、减轻核事故后果而采取的不同于正常秩序和正常工作程序的紧急行为，是政府主导、企业配合、各方协同、统一开展的应急行动［10-13］。核应急具体任务包括核应急准备、核应急响应、恢复重建的三大部分。从国际、国家、地方和营运单位开展核应急工作，均要求在相应职责的空间范围内协调开展核应急准备、核应急响应和恢复重建的具体任务。

核应急准备，是指确保在营运组织内部以及在地方、地区和国家一级、并酌情在国际一级具备在核或辐射应急中作出有效响应的适当能力［14-15］。

核应急响应，是为控制和减轻核事故或辐射事故的后果而采取的紧急行动。应急响应可分为场内响应和场外响应两类，包括事故缓解和控制、辐射监测和后果评价、人员放射性照射防护、去污洗消和医疗救治、出入通道和口岸控制、市场监管和调控、维护社会治安、信息报告和发布、国际通报和援助等九大响应行动。

当核事故已经得到有效控制，放射性物质的释放已经停止或者已经控制到可接受的水平，核设施基本恢复到安全状态，经相应审批程序终止应急状态后，应开展核应急恢复工作。各级人民政府及其有关部门、核设施营运单位等应当按照国务院有关规定和授权，组织开展核事故后的恢复行动、损失评估等工作。

以上定义可以看出，为保障核应急准备、响应和恢复工作的顺利开展，核设施营运单位应当对地质、地震、气象、水文、环境和人口分布等因素进行科学评估与定期监测。国际原子能机构也对核应急工作针对启动核项目对核应急准备和响应需考虑的事宜及核应急响应协调能力等技术指南中［16-17］，分别对所需的空间信息的覆盖范围及其具体空间要素内容进行了指导性说明。将核设施全寿期应急准备所需求信息资源划分为一般基础信息、交通运输网络信息资源、环境条件信息、食品生产信息资源和支持响应条件的基础设施信息资源五大类。

国际上已发生了的美国三里岛（1979 年3月28 日）、前苏联切尔诺贝利（1986 年4 月26日）、日本福岛（2011 年3 月11 日）等核事故，至今仍在环境、社会、经济和政治领域产生巨大影响，也为分布于全球的各类核设施安全敲响了警钟。核应急是保护公众、保护环境的核安全纵深防御体系中五道防线的最后一道屏障，在核设施全寿期的核应急工作，需要有地理、地质、水文、自然灾害、气候、交通、人文经济等信息的全方位支持，卫星遥感数据可以作为以上信息的重要数据源。

2 国际核应急卫星遥感技术应用现状

国外卫星遥感技术起步较早，截至2019 年底，国外共有663 颗对地观测卫星在轨运行，其中军用卫星107 颗，民商卫星556 颗。随着遥感技术的不断发展，其空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率逐渐提高，国际对地观测卫星的空间分辨率最高已达0.1 m、光谱分辨率可达5 nm、时间分辨率则可达到定点准实时观测。

当前，卫星遥感技术已成为国际核应急响应、核安全监管、核安保防控的常规技术手段，其最通常与成熟的应用是提供核设施及场址的高清遥感信息产品，而目前随着遥感技术与信息分析技术的发展，在核应急领域的应用潜能已得到更深层次拓展，包括核应急后果评价、决策支持、保护行动等方面的具体支持。

2.1 北美

北美的核应急以美国和加拿大最有代表性。美国核能管理委员会（NRC）、美国能源部（DOE）、联邦紧急措施署（FEMA）、国家环境保护局（EPA）、国土安全部（DHS）等机构和部门。针对核应急准备、响应和恢复的数据服务与产品发布，制订了较为完整的技术标准规范。具备一套相对完善的数据共享保障机制，其核应急关联数据资源的支持部门主要包括美国地质调查局（USGS）、美国国家宇航局（NASA）、美国国家海洋与大气局（NOAA）等机构及Google、Digital Globe 等商业数据公司。

1979 年3 月三厘岛核事故后，美国核能管理委员会（NRC）于1985 年在核电站部署核应急响应数据系统（ERDS）［18］。该系统有400 多个关键核设施点数据接口，并于2015 年实现与遥感、地理信息系统（GIS）的集成，解决核电站的空间信息管理与应用，进一步提升了核应急响应能力（图1）［19］。

图1 美国核能管理委员会（NRC）的核应急响应数据系统（ERDS）界面Fig.1 Interface of NRC’s ERDS

美国能源部（DOE）为精准确定在役和退役核设施分布及空间形态，于2004 年采用高分辨率“快鸟”（Quick Bird）卫星遥感数据对核设施空间数据库进行了全面的更新，建立了全美遗留军工核设施退役管理信息系统。2005 年，美国能源部进一步启动了基于GIS 的核设施场址自然灾害数据库项目（NPH Database）（图2），其主要目的是应对未来自然变化不确定性，为核设施选址、核安全监管、核应急响应提供支持，定期进行核安全外部危害评定。

图2 美国能源部（DOE）核设施退役空间信息系统界面Fig.2 Interface of DOE’s Legacy Management

20 世 纪90 年 代，美 国EPA 与DOE 的 联 邦辐射监测和评估中心（FRMAC）采用GIS 和RS技术，制订系列的辐射信息产品标准规范，对食品、饮用水、撤离通道等行动指南专题的内容、空间要素表述形式进行了规定。21 世纪初，为加强数据集成与信息共享，DOE 的FRMAC 利用卫星通信、互联网等先进IT 技术，实施eFRMAC、RadResponder 平台项目建设，组建天空地一体化监测数据传输网络，致力于从数据至信息产品应用的高效化，为公众提供辐射监测信息产品服务［20-22］。

在核应急后果评价与决策支持方面，20 世纪70 年代后期，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）开发了国家大气释放决策支持能力系统（NARAC），其后随着技术的不断发展已更新了3 代系统架构。NARAC 的多尺度数据库系统架构，能够实现对气象数据网、在线源项、地形、地理、人口、土地利用以及大量不同尺度遥感影像的链接与集成，并结合GIS 技术为用户提供标准化核应急制图产品，为全球范围内的核事故应急进行技术支持［23-27］。

加拿大为应对国际、国内核应急事件，建立了核应急决策支持系统框架。其核应急响应系统，在设计之初就集成了遥感、GIS 等技术，并面向不同的用户群体和使用环境，设计了多类别的应用系统。加拿大核应急信息管理与决策支持系统由事故报告和指导操作系统（ARGOS）和应急制图系统（EMAP）构成，EMAP 既是ARGOS 所需空间数据的提供者（包括环境监测数据、卫星与航空遥感数据、辐射数据等），同时对ARGOS 计算结果的表述与发布，通过基于Web GIS 的EMAP 系统，直接为核应急指挥、救援队伍、处置行动、数据采集和公众用户提供交互式应用服务［28-29］。

2.2 欧洲与俄罗斯

鉴于切尔诺贝利核事故对欧洲影响巨大，为应对核与辐射安全，欧盟各国在数据、信息、技术等方面，开展了前所未有的高度协作。经合组织/核能机构（OECD/NEA）和国际原子能机构（IAEA）组织实施的国际核应急演习（INEX）项目，自1993 年至今已实施了五期，以检测欧盟各国的核应急能力和技术水平［30］。

欧洲核应急决策支持系统——实时在线决策支持系统（RODOS），自1990 年启动开发。2004 年起开展了为期5 年的欧洲核与辐射应急管理及恢复策略研究项目（EURANOS）。2010年启动核应急响应信息技术平台项目（NERIS—TP），致力于为欧洲地区提供统一的核应急管理策略、数据治理与同化方案、数据分析技术、应急指南、人员培训、软件工具（RODOS）等技术支持。

在欧盟“地平线2020”计划和“哥白尼”计划支持下，卫星遥感已成为各国核应急演习、演练、实战的常规技术手段，主要体现在卫星遥感对核应急后果评价与决策支持系统的应用上。当前欧盟各国主要采用的RODOS 系统（图3），均与遥感等数据紧密结合，并通过GIS空间信息技术支持，应用于事件场景设计、响应决策支持、扩散预测、后果评价、应急通道优选、辐射防护指南、技术产品生产、信息通报发布交换等［31-34］。

图3 欧盟RODOS 系统与GoogleEarth 结合Fig.3 Interface of RODOS system combined with Google Earth

在汲取1986 年切尔诺贝利核事故经验教训的基础上，对于核应急管理，俄罗斯建立了以紧急情况部为核心、其他有关部门协调配合的五级垂直管理系统。俄罗斯国家原子能集团公司内部建立了紧急情况预防和消除系统（EPRS），并设有危机管理中心负责EPRS 的日常管理。应急工作中的信息支撑工作由俄罗斯联邦的信息中心（俄罗斯联邦紧急情况部、俄罗斯灾害应急中心）提供，遥感信息是其中的重要数据之一［35］。

2.3 亚洲

日本、韩国、印度等国家都围绕核应急开展了大量工作。日本核安全委员会在1980 年代初建立的核电厂事故情况下放射性排放实时评价系统的基础上开发了全球范围环境应急剂量信息预测系统（WSPEEDI），可以响应不同地域尺度的放射性释放事故，比如预测周边国家发生的核事故对本国造成的放射性影响。进一步与GIS 系统和遥感技术融合，在福岛核电站事故的应急响应和恢复阶段，发挥了重要作用，包括后果评估、空气辐射剂量及扩散态势分析、多时相恢复治理等［36-37］。

韩国核安全研究院（KINS）开发的核事故应急技术支援系统（AtomCARE），利用基础地理信息、环境监测数据、事故进展和三维气象风场等信息，可较为准确、直观地模拟事故进展，计算放射性释放量，并与遥感、GIS 系统集成展示辐射后果，能够对准确判断事故状况和潜在后果、正确决策起到重要作用［38-39］。

印度原子能管理局（AERB），将遥感与GIS技术列为重点研究方向，卡尔帕卡姆中心研发了核应急管理信息系统（NEMIS），主要应用包括环境评估、温排水监测、海岸带变化监测、多源数据库等［40-41］。

3 我国核应急遥感应用需求分析

我国面临国际、国内复杂核安全形势，“预防为主、纵深防御”是我国核安全的基本原则，核应急作为核安全“纵深防御”的最后一道防线，精准、快速、有效的空间信息支持，是持续加强和改进核应急准备与响应工作，不断提升中国核安全保障水平的必要条件。

3.1 支撑核应急业务的基础地理要素需求

IAEA 将核应急响应的空间范围划分为核设施、场内、场外（包括预防行动区（PAZ）和紧急防护行动计划区（UPZ））、国境，各级核应急组织机构在此空间范围相互协调。同时，对启动核电项目的核应急准备和响应所需数据资源提出了具体要求［42-43］，划分为一般基础信息、交通运输网络信息资源、环境条件信息、食品生产信息资源和支持响应条件的基础设施信息资源5 大类，明确以上数据资源内容是核设施全寿期核应急准备所必备。

我国在核应急计划区中，划分为烟羽应急计划区和食入应急计划区［44］。烟羽应急计划区系以核电厂为中心、半径为7～10 km 的区域，又可分为内、外两区，内区的半径为3～5 km，撤离（包括预防性撤离）准备一般主要在内区进行。食入应急计划区系以核电厂为中心、半径为30～50 km 划定的区域。应急计划区的基础地理要素产品，包括土地利用、地形、交通、人口等，是开展核应急规划和准备工作，以及实施核应急决策等任务的必要支撑。如在核应急培训、演练方面，高分辨率遥感产品结合GIS 技术，可以提供核应急演练场景信息，如场内核应急设施空间分布、场外人口分布、应急通道等，提升核应急训练和演习效果；在核应急响应协调指挥方面，响应行动需有精准的地理基础图作为支撑；在场址恢复与重建方面，恢复计划的制订与重建进行施工设计均需要有基础空间信息专题图的支持。

3.2 核应急遥感专题产品需求

核应急遥感专题图像产品是基于卫星图像的高空间分辨率和光谱分辨率时空分辨率等开展定量反演、以及利用GIS 技术等与其它多源信息叠加融合分析，生成能反映核应急不同阶段业务需求的各类专题图像产品。

在核设施环境监测方面，基于多谱段、多平台的遥感影像可以直接反演、解译诸多环境要素。

在核应急的准备阶段，综合利用前述基础地理信息产品，辅助开展应急物资资源分布、辐射监测站点设置等，以及叠加多类型要素信息，为开展核应急计划编制、演练提供场景规划与模拟支持。

核应急响应阶段，以核应急准备阶段的遥感专题产品为基础，根据事件发生场景、辐射扩散条件和专家知识，叠加影响事件研判的其它信息，形成核应急启动高分遥感应用产品，包括对辐射扩散的后果评价、污染分布、防护行动路线等，从多角度反映核事件场景并辅助决策分析。

核应急恢复阶段，基于多时相遥感数据提供核应急恢复产品序列，分析地物设施、水系、植被等各类空间要素在核应急事件前后的差异变化，评估在核应急事件发生所形成的后果，包括产生影响范围和影响程度及各类设施的经济财产损失，以图形图像的形式直观表述核事件的产生后果，为场外、场内恢复提供指导，并为重建规划提供依据。

3.3 开展国际核应急业务的必要

1986 年4 月26 日，苏联切尔诺贝利核电站发生爆炸事故，但未在第一时间通报国际社会。不过，美国“旋涡”（Vortex）电子侦察卫星在第一时间侦测到苏联通讯信号，随后通过与“锁 眼”（Key Hole）侦察卫星及Landsat 卫星影像结合，即判定了事故的发生（图4）。由此可见，卫星遥感具有不受国界和地理条件限制的优势，能够为监测掌握国际核事故动态提供及时支持［45-46］。

图4 切尔诺贝利核电站冷却水池热红外影像Fig.4 Images showing cooling pond of Chernobyl nuclear complex thermal patterns from TM band 6

鉴于切尔诺贝利核事故的巨大影响，国际原子能机构特别大会于1986 年9 月通过了《及早通报核事故公约》，旨是进一步加强安全发展和利用核能方面的国际合作，通过在缔约国之间尽早提供有关核事故的情报，以使可能超越界的辐射后果减少到最低限度［47-48］。

我国作为《及早通报核事故公约》的缔约国，在《国家核应急响应预案》中关于“国际通报和援助”部分也做出了相应规定，主要内容包括：国家核应急协调委统筹协调核应急国际通报与国际援助工作；按照《及早通报核事故公约》的要求，当核事故造成或可能造成超越国界的辐射影响时，国家核应急协调委通过核应急国家联络点向国际原子能机构通报；向有关国家和地区的通报工作，由外交部按照双边或多边核应急合作协议办理［49-51］。

在国际核应急业务中，一方面按照《及早通报核事故公约》，可以接收获得核事故发生国的及时通报；另一方面，通过卫星遥感可以第一时间及时掌握核事故进展的多方面信息，为应对国际核事故提供重要参考支撑。2011年3 月，日本福岛核事故发生后，多个国家利用卫星遥感技术获取了福岛核电厂卫星影像，对研判反应堆破坏状态及应急措施制定发挥了重要作用。此后，多国学者基于多时相卫星影像对于福岛地区的恢复治理进行了长期监测，还利用高光谱遥感开展了核事故对福岛周边农作物影响的评估研究［52-53］。由此可见，卫星遥感技术已成为应对国际核事故的必不可少的有效手段之一，而随着我国卫星遥感技术的不断发展，未来可以在国际核应急业务中发挥重要作用。

4 我国“高分”卫星应用潜力分析

4.1 “高分”卫星的特点分析

相较于欧美发达国家，我国对地观测技术起步较晚，但近年发展迅速。根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》，国家国防科技工业局于2010 年启动实施高分辨率对地观测系统重大专项（以下简称高分专项）。从2013 年至今，高分专项已研制、发射和投入使用了20 余颗“高分”系列卫星，部分卫星参数如表1 所列。目前高分专项卫星数据已在国土、测绘、农业、环保、林业、气象等多个行业和区域开展业务化应用［54］。

表1 “高分”专项系列卫星参数Table 1 Parameters of the main CHEOS satellites

2015 年以来，多渠道支持的商业遥感卫星发展迅速，“吉林一号”“高景一号”“珠海一号”等遥感卫星在高空间分辨率光学遥感影像、视频影像和数据商业化服务方面取得好成绩［55］。

4.2 “高分”卫星可提供的核应急产品分析

依据《国家高分辨率对地观测系统重大专项标准》，基于“高分”系列卫星遥感数据特点，可以提供39 种高分共性产品，包括几何产品2种（数字正射影像图、数字地表模型）、辐射基础产品6 种、土地覆盖产品2 种（地表覆盖类型、土地利用类型）、能量平衡产品9 种、植被参量产品10 种、水分参量产品10 种。

本文根据核应急预案或计划编制、核应急培训演练、核应急响应与指挥决策、场址恢复与重建等方面的业务需求［56］，梳理了“高分”影像可以提供的多尺度基础地理要素产品［57］，如表2 所列。

表2 部分“高分”共性产品及核应急应用Table 2 Some CHEOS common products and nuclear emergency application

以上基础地理要素信息，可以基于“高分”遥感数据，通过预处理、图像信息分类、信息提取等工作流程获得。通过定期生产并更新以上基础地理信息产品，可以为核设施全寿期内的核应急业务提供支持。

依据核应急业务不同阶段的需求，以及“高分”卫星的参数特征，本文进一步梳理了“高分”卫星可以提供多类型遥感专题产品，如表3 所列。在核设施环境监测方面，包括基于“高分四号”卫星的气象预警、林火监测，基于“高分五号”卫星的遥感地质解译、地表温度反演，基于“高分三号”的地面沉降观测等［58-67］。在核应急准备方面，基于“高分”影像叠加应急资源、辐射监测站点分布等生成专题图。后果评价方面，可以结合应急计划区基础地理要素、实时气象信息等生成后果评价专题图。在场址恢复阶段，通过多时相“高分”卫星影像的时序变化分析，获取事件发生后的各类地物设施灾损程度的空间分布，包括水体污染、土壤污染、建筑物、农作物、工业设施等各类损毁评价专题图，为核应急恢复重建计划与实施提供重要依据。

表3 核应急“高分”遥感专题产品列表Table 3 List of the main CHEOS thematic products for nuclear emergency

5 结 论

核应急作为核安全的最后一道防线，快速、有效的时空信息支持，是核应急准备科学化、核应急响应和恢复精准化的重要保障，卫星遥感具备快、精、准、广的核应急关联时空信息获取优势，其推广应用，对于“纵深防御、预防为主”和控制与消减核事故对公众与环境造成的影响，具有重要意义。通过对国外主要国家核应急遥感应用现状和我国核应急需求和“高分”卫星特点分析，可以得到以下几点结论：

1）卫星遥感技术起步早，经过在各类不同针对性的演习演练和核应急实战中的迭代优化，国外主要国家已把卫星遥感作为核应急领域的必备技术手段之一。

2）随着我国核能行业的不断发展，对核应急业务提出了更高要求。支撑核应急业务的基础地理要素，开展国际核应急业务等对遥感卫星数据产品、尤其是高分辨率卫星数据产品具有现实的要求。

3）我国高分重大专项的实施使我国卫星遥感技术能力得到大幅提升，结合国际核应急领域卫星遥感应用现状以及“高分”卫星参数特点，能够提供基础地理信息、核设施及环境监测专题信息以及决策分析专题图等，从而为不同阶段的核应急业务提供支持。

4）研究如何充分发挥“高分”卫星遥感技术优势，形成行业性统一规范，并加强应用，对于促进核应急科技创新及响应水平的提升具有重要意义。