文 | 胡軼之 王鴻燕 歐陽斯達(dá) 劉錕自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心

一、前言

我國是世界上遭受自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，災(zāi)害種類多、發(fā)生頻率高、分布地域廣、造成損失大。2010年12月以來，多個系列國產(chǎn)高分辨率遙感衛(wèi)星的相繼發(fā)射和在軌穩(wěn)定運(yùn)行，為實(shí)現(xiàn)應(yīng)急救災(zāi)快速響應(yīng)以及災(zāi)害區(qū)域的持續(xù)觀測提供了充分的可行性。通過有效整合利用國家衛(wèi)星資源，加強(qiáng)地方和各部門應(yīng)對突發(fā)事件的能力，健全國家測繪應(yīng)急保障工作機(jī)制，提高應(yīng)急測繪保障能力。

二、資源三號衛(wèi)星應(yīng)急保障能力

資源三號衛(wèi)星是我國第一顆自主的民用高分辨率立體測繪衛(wèi)星，具有立體測圖功能，測圖精度高，影像數(shù)據(jù)量大，處理速度快，應(yīng)用范圍廣，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)遙感衛(wèi)星領(lǐng)域的多項(xiàng)第一。通過立體觀測，可為國土資源、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等領(lǐng)域提供服務(wù)，填補(bǔ)了我國立體測圖這一領(lǐng)域的空白。資源三號系列衛(wèi)星以其大視場、高精度、高分辨率等優(yōu)勢，所拍攝的立體影像除了測繪工作上具有奠基性意義外，對于如地震、山崩、滑坡、泥石流、洪水、山火等災(zāi)害的應(yīng)急救災(zāi)指揮決策也具有決定性的意義。

資源三號01、02、03星分別于2012年1月、2016年5月及2020年7月發(fā)射升空，軌道高度為506km，每顆衛(wèi)星回歸周期59天，重訪周期5天，單景有效覆蓋寬度和立體有效覆蓋寬度均大于50km。3顆衛(wèi)星與2019年11月發(fā)射的高分七號組成了我國民用立體測繪衛(wèi)星星座，在緊急情況下可通過32°以內(nèi)的側(cè)擺實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域每天一次的應(yīng)急測繪服務(wù)能力。

快速、高效的應(yīng)急測繪保障能力是資源三號衛(wèi)星及其應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和職能之一，具體體現(xiàn)在：1）影像產(chǎn)品正視全色分辨率2.1m，多光譜分辨率5.8m，平面無控精度10m，高程測量精度優(yōu)于5m，具有高精度高分辨率的特點(diǎn),可為防災(zāi)救災(zāi)中的交通恢復(fù)、物資運(yùn)送、現(xiàn)場救援等提供強(qiáng)有力支持。2）提供常規(guī)和應(yīng)急兩種影像獲取和生產(chǎn)模式，應(yīng)急測繪模式下最快30min之內(nèi)完成應(yīng)急拍攝計(jì)劃，應(yīng)用系統(tǒng)保障30景數(shù)據(jù)處理時間小于24h。3）目前已利用前、正、后視三線陣影像制作并形成全國15m數(shù)字表面模型（DSM）數(shù)據(jù)庫，在自動化生產(chǎn)模式下0.5～1h內(nèi)高效快速地完成DSM及數(shù)字正射影像（DOM）產(chǎn)品生產(chǎn)。通過高效快速地生成應(yīng)急監(jiān)測產(chǎn)品，全面、準(zhǔn)確、及時地掌握災(zāi)害現(xiàn)狀，為受災(zāi)范圍識別、災(zāi)害強(qiáng)度判斷以及災(zāi)后損失評估提供技術(shù)支持，為應(yīng)急救援提供決策支持。

三、應(yīng)急服務(wù)流程

災(zāi)情發(fā)生后，如何在第一時間獲取災(zāi)害發(fā)生地區(qū)的高分辨率遙感影像、國情矢量數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等并開展空間信息分析；如何最大化利用遙感衛(wèi)星資源獲取災(zāi)后數(shù)據(jù)；如何快速生產(chǎn)出應(yīng)急指揮所需的變化分析與災(zāi)情態(tài)勢分析產(chǎn)品是應(yīng)急保障服務(wù)中的關(guān)鍵問題。

在自然資源部門，災(zāi)害或熱點(diǎn)事件發(fā)生后，一般由主管業(yè)務(wù)司局或輿情觸發(fā)應(yīng)急響應(yīng)。衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心立即開展災(zāi)情信息分析，從影像數(shù)據(jù)庫中查詢最新災(zāi)前三線陣立體數(shù)據(jù)并生產(chǎn)正射影像圖和數(shù)字高程模型，制作災(zāi)情態(tài)勢圖。同時根據(jù)軌道預(yù)報分析各顆衛(wèi)星將來一周內(nèi)的過境區(qū)域，制定衛(wèi)星拍攝序列。對于關(guān)注度高、重要性大的應(yīng)急事件，在安排國產(chǎn)公益性衛(wèi)星拍攝的同時，開展國內(nèi)外商業(yè)衛(wèi)星影像獲取統(tǒng)籌。一般獲取災(zāi)后數(shù)據(jù)4h內(nèi)完成災(zāi)情分析產(chǎn)品的生產(chǎn)，并根據(jù)需要推送至前線指揮部門和相關(guān)單位。

資源三號衛(wèi)星自成功發(fā)射以來便積極響應(yīng)衛(wèi)星應(yīng)急保障工作，雙星先后保障200余次應(yīng)急工作，共提供災(zāi)前災(zāi)后影像超過千景。在2012年云南火災(zāi)、蘆山縣地震，2013年東北水災(zāi)、浙江余姚水災(zāi)，2014年云南魯?shù)榈卣鸬葥岆U救災(zāi)和災(zāi)后評估的響應(yīng)工作中提供了高清晰的衛(wèi)星影像，以及DSM立體影像產(chǎn)品。之后，與其他高分衛(wèi)星一道，逐步建立影像統(tǒng)籌快速響應(yīng)、影像圖件快速處理、影像成果快速分發(fā)的應(yīng)急技術(shù)方案和工作流程，可實(shí)現(xiàn)災(zāi)后每日不少于2次的衛(wèi)星觀測和數(shù)據(jù)獲取、衛(wèi)星過境6h內(nèi)接收數(shù)據(jù)、接收完成后1h內(nèi)處理成圖并向相關(guān)單位推送數(shù)據(jù)的應(yīng)急響應(yīng)效率。到2019年，已整合統(tǒng)籌國產(chǎn)公益衛(wèi)星10顆、民用商業(yè)衛(wèi)星8顆等衛(wèi)星資源，統(tǒng)籌安排衛(wèi)星觀測計(jì)劃，充分調(diào)動各類光學(xué)、雷達(dá)等衛(wèi)星資源，聯(lián)合開展“聚焦式”災(zāi)后衛(wèi)星協(xié)同觀測，盡最大可能獲取災(zāi)后衛(wèi)星影像。自然資源部國土衛(wèi)星應(yīng)急遙感服務(wù)工作流程見圖1。

圖1 自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心應(yīng)急遙感服務(wù)工作流程

四、構(gòu)建應(yīng)急保障服務(wù)體系

災(zāi)害發(fā)生時因其突然性，單一衛(wèi)星（星座）甚至單個部門所管理調(diào)度的衛(wèi)星資源往往難以滿足應(yīng)急測繪保障對時效性的需求，應(yīng)開展面向應(yīng)急服務(wù)的公益衛(wèi)星數(shù)據(jù)源統(tǒng)籌，建立應(yīng)急數(shù)據(jù)獲取共享機(jī)制，最大化地利用國內(nèi)已有衛(wèi)星資源。同時，探索建立遙感影像應(yīng)急備災(zāi)綜合庫，在此基礎(chǔ)上利用大數(shù)據(jù)分析提前開展災(zāi)害易發(fā)區(qū)歷史災(zāi)情分析、人員財(cái)物損失分析、影響范圍評估等災(zāi)害預(yù)警工作。面向水災(zāi)、泥石流、滑坡等氣象和地質(zhì)災(zāi)害，建立雷達(dá)衛(wèi)星災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)體系，對光學(xué)衛(wèi)星受云霧影響較大的缺陷形成有力補(bǔ)充。

1.開展數(shù)據(jù)源統(tǒng)籌

（1）強(qiáng)化應(yīng)急數(shù)據(jù)獲取

通過強(qiáng)化應(yīng)急測繪數(shù)據(jù)源建設(shè)，運(yùn)用天、空、地立體化的監(jiān)測手段和數(shù)據(jù)獲取技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多傳感器、多平臺的應(yīng)急監(jiān)測數(shù)據(jù)源統(tǒng)籌。根據(jù)不同災(zāi)害類型和災(zāi)害的緊迫性，考慮當(dāng)前主要航天遙感器的軌道和特性，能夠制定應(yīng)急數(shù)據(jù)多星調(diào)配方案。以國產(chǎn)遙感衛(wèi)星為主，綜合其他遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)源，能夠形成滿足全天時、全天候的應(yīng)急航天數(shù)據(jù)源。有效整合有人機(jī)、無人機(jī)和地面應(yīng)急監(jiān)測車數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)近地表-地表多源數(shù)據(jù)的快速獲取。

（2）聯(lián)合部門共建共享

災(zāi)害發(fā)生時，單一部門的數(shù)據(jù)源調(diào)度能力往往無法滿足應(yīng)急測繪服務(wù)保障的需求，聯(lián)合減災(zāi)、環(huán)保、氣象等部門開展應(yīng)急救災(zāi)工作，豐富應(yīng)急救災(zāi)數(shù)據(jù)，建立多渠道、多途徑快速獲取和共享信息的運(yùn)行機(jī)制，形成多部門聯(lián)動應(yīng)災(zāi)，能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)急多源信息的靈活集成、高效共享以及一體化管理，提高應(yīng)急救災(zāi)綜合信息獲取能力。

（3）加強(qiáng)國內(nèi)外數(shù)據(jù)獲取合作

為彌補(bǔ)國產(chǎn)衛(wèi)星影像獲取能力和傳感器類型的短暫性不足，大力引進(jìn)商業(yè)機(jī)制，通過國產(chǎn)衛(wèi)星與其他國際衛(wèi)星協(xié)同工作，數(shù)據(jù)共享與交換，以及通過購買等手段，獲取滿足應(yīng)急監(jiān)測的全時段全覆蓋影像數(shù)據(jù)。逐步實(shí)現(xiàn)“外星內(nèi)用，內(nèi)星外租”的合作模式。

2.建設(shè)應(yīng)災(zāi)備災(zāi)綜合數(shù)據(jù)庫

為快速提供災(zāi)前信息，科學(xué)、迅速地進(jìn)行災(zāi)情監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)分析，開展災(zāi)情分析預(yù)警，切實(shí)提升應(yīng)急響應(yīng)速度，需要針對相關(guān)部門已掌握的災(zāi)害防范重點(diǎn)區(qū)域、疑似區(qū)域和潛在孕災(zāi)區(qū)域等建立多源、多時態(tài)的應(yīng)災(zāi)備災(zāi)綜合信息數(shù)據(jù)庫。通過對國家災(zāi)害易發(fā)區(qū)、隱患點(diǎn)及應(yīng)急關(guān)注區(qū)域的空間分布的梳理，以遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為主體，收集整合已有的基礎(chǔ)測繪成果、多源多時相遙感數(shù)據(jù)和各種專題數(shù)據(jù)，建立多時態(tài)遙感影像庫、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫、專題信息數(shù)據(jù)庫及災(zāi)害樣本庫等，以實(shí)現(xiàn)多災(zāi)種多災(zāi)情的備災(zāi)綜合信息庫，為災(zāi)害預(yù)測、災(zāi)前預(yù)警提供豐富的數(shù)據(jù)資源和參考，為減災(zāi)救災(zāi)、災(zāi)后評估等提供對比分析的依據(jù)。建設(shè)內(nèi)容包括：

1）重點(diǎn)地區(qū)備災(zāi)影像庫提供災(zāi)害易發(fā)生地區(qū)的多時態(tài)歷史遙感影像及高程模型支持。影像庫以資源三號、高分系列衛(wèi)星影像產(chǎn)品為主，針對不同地區(qū)所發(fā)生的不同災(zāi)種，整理、搜集災(zāi)前災(zāi)后及災(zāi)害發(fā)生過程中的多期歷史遙感影像數(shù)據(jù)，同時支持其他多種航空航天遙感影像的存取管理，為應(yīng)急保障服務(wù)模型建立及應(yīng)急產(chǎn)品生產(chǎn)提供支撐。

2）重點(diǎn)地區(qū)備災(zāi)基礎(chǔ)空間信息庫提供災(zāi)害易發(fā)生地區(qū)的基礎(chǔ)地理信息支持。基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫包括災(zāi)害易發(fā)地區(qū)不同比例尺的地貌、水系、植被等自然地理信息以及居民地、交通、境界、特殊地物、地名等社會地理信息。同時整理、搜集災(zāi)區(qū)災(zāi)害范圍、影像區(qū)域等歷史信息，為快速應(yīng)急響應(yīng)及應(yīng)急產(chǎn)品生產(chǎn)提供基礎(chǔ)矢量數(shù)據(jù)支撐。

3）涉災(zāi)專題數(shù)據(jù)庫提供災(zāi)害易發(fā)生地區(qū)的各類專題信息支持。專題信息數(shù)據(jù)庫包括災(zāi)害易發(fā)地區(qū)的歷史、人文、自然信息，以及當(dāng)前災(zāi)害發(fā)生時的各類相關(guān)音視頻、統(tǒng)計(jì)分析信息、災(zāi)情報告、救災(zāi)信息等，為應(yīng)急保障服務(wù)模型建立、災(zāi)害分析預(yù)警提供支撐。

4）災(zāi)害樣本庫提供災(zāi)害易發(fā)生地區(qū)的歷史災(zāi)害樣本信息支持。災(zāi)害樣本庫包括災(zāi)害易發(fā)地區(qū)不同時相、不同分辨率的歷史災(zāi)害相關(guān)光譜、紋理等特征樣本，為受災(zāi)對象、受災(zāi)范圍的解析判讀、災(zāi)情分析、應(yīng)急產(chǎn)品生產(chǎn)以及災(zāi)害分析預(yù)警等提供支撐。

3.構(gòu)建三維應(yīng)急保障服務(wù)平臺

應(yīng)急遙感服務(wù)中，需要采用空間統(tǒng)計(jì)與空間分析相結(jié)合的手段，以利用快速生產(chǎn)的災(zāi)前災(zāi)后正射影像和數(shù)字高程模型成果等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和災(zāi)情地理信息提取與變化監(jiān)測成果為基礎(chǔ)，結(jié)合災(zāi)區(qū)自然環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)信息，針對不同類型災(zāi)害開展應(yīng)急測繪地理信息統(tǒng)計(jì)分析工作，為政府或公眾用戶及時提供地理信息空間統(tǒng)計(jì)報表、空間分析報告等服務(wù)。

通過數(shù)據(jù)的快速加載，針對應(yīng)急數(shù)據(jù)的多源性（包括影像數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、人文地理統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及其他文本視頻數(shù)據(jù)）、多時態(tài)性以及多尺度性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效管理，并根據(jù)數(shù)據(jù)的不同特征建立起模式化的構(gòu)建策略，提高應(yīng)急指揮平臺的構(gòu)建速度，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急數(shù)據(jù)的快速加載。在此基礎(chǔ)上利用多時態(tài)數(shù)據(jù)的動態(tài)可視化技術(shù)，通過動態(tài)標(biāo)圖標(biāo)注、動態(tài)影像變化、動態(tài)地形變化、動態(tài)矢量變化、動態(tài)統(tǒng)計(jì)圖、多屏對比分析以及屬性數(shù)據(jù)的動態(tài)空間化等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全方位的災(zāi)情信息展示，并為決策服務(wù)提供直觀的信息服務(wù)。應(yīng)急可視化平臺的構(gòu)建見圖2。

圖2 應(yīng)急可視化平臺構(gòu)建

國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心自主研發(fā)了“龍圖”三維應(yīng)急可視化平臺，完善了遙感影像預(yù)處理及整合、建庫工具集，能夠快速整合多源異構(gòu)應(yīng)急影像數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)24h內(nèi)的應(yīng)急保障綜合服務(wù)平臺快速搭建，利用CS或BS的模式提供影像變化演示，地形變化模擬，受災(zāi)情況、救援情況動態(tài)標(biāo)注、新聞、視頻等多媒體信息集成等服務(wù)，相繼搭建完成了玉樹地震應(yīng)急、盈江地震應(yīng)急、汶川地震災(zāi)后重建等服務(wù)平臺，得到了應(yīng)急保障相關(guān)部門的肯定。圖3為云南盈江地震應(yīng)急可視化系統(tǒng)。

圖3 云南盈江地震應(yīng)急可視化系統(tǒng)

4.探索基于新型傳感器的災(zāi)害定量監(jiān)測和預(yù)警技術(shù)體系

雷達(dá)衛(wèi)星的合成孔徑雷達(dá)（SAR）傳感器與光學(xué)遙感衛(wèi)星相比具有全天候、全天時以及能穿透一些地物成像的優(yōu)勢，特別是多極化和干涉技術(shù)的發(fā)展，能夠使得雷達(dá)衛(wèi)星獲取更加豐富的地物信息，測量更加微小的起伏和移位。

雷達(dá)干涉技術(shù)對兩景或多景雷達(dá)影像進(jìn)行相位建模，可提取高精度形變信息。如果影像的基線足夠小，那么在地表隨機(jī)擾動較小、相干性較好的情況下，兩景影像解算的形變精度可達(dá)到厘米級，多景影像（建議多于30景）的形變精度可達(dá)到毫米級。建議利用國外雷達(dá)衛(wèi)星先行開展地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測試點(diǎn)，建立監(jiān)測技術(shù)體系，逐步開展常態(tài)化地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作。

星載激光雷達(dá)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種高精度地球探測技術(shù)，以衛(wèi)星作為平臺，其運(yùn)行軌道高、觀測范圍廣、觀測速度快，受地面背景、天空背景影響小，具有高分辨率、高靈敏度的特點(diǎn)，幾乎可以觸及全球的每一個角落，為三維控制點(diǎn)和數(shù)字高程模型（DEM）的獲取提供了新的途徑。目前資源三號02/03星以及高分七號衛(wèi)星均配備了激光測高傳感器，其中高分七號足印分辨率為3.2m，波形分辨率可達(dá)0.75cm。

五、資源三號衛(wèi)星應(yīng)急服務(wù)應(yīng)用

2012年以來，隨著各高分辨率遙感衛(wèi)星相繼投入使用，在科技部遙感中心、原國家測繪地理信息局、自然資源部等單位的組織協(xié)調(diào)下，應(yīng)對國內(nèi)外突發(fā)自然災(zāi)害、事故災(zāi)難、公共衛(wèi)生事件、社會安全事件等突發(fā)公共事件，高效有序地提供影像數(shù)據(jù)，根據(jù)需要開展衛(wèi)星遙感監(jiān)測、專題影像地圖制作，開展公共地理信息應(yīng)急服務(wù)等，初步形成了應(yīng)急測繪保障體系。

1.云南晉寧森林火災(zāi)應(yīng)急

2012年3月18日至28日，云南省安寧縣與晉寧縣之間發(fā)生山林火災(zāi)，受災(zāi)面積超過1800畝。通過調(diào)整資源三號測繪衛(wèi)星姿態(tài)對受災(zāi)區(qū)域進(jìn)行了加急拍攝成像（圖4）。在接收到衛(wèi)星拍攝的相應(yīng)影像數(shù)據(jù)后，迅速組織工程技術(shù)人員開展正射糾正、配準(zhǔn)、融合、影像判讀解譯等工作，從資源三號影像量算出火災(zāi)過火面積約為12.741km2，并向原云南省測繪局提供了晉寧縣境內(nèi)兩處火災(zāi)區(qū)域的正視多光譜融合影像和有關(guān)解譯信息，為災(zāi)情評估和救災(zāi)指導(dǎo)工作提供了有效的應(yīng)急保障。

圖4 云南山火晉寧受災(zāi)地區(qū)應(yīng)急響應(yīng)融合影像（黑色為受災(zāi)區(qū)域）

2.黑龍江嫩江流域洪災(zāi)遙感監(jiān)測

2013年入汛以來黑龍江省強(qiáng)降雨頻發(fā)、持續(xù)強(qiáng)度大、降雨落區(qū)集中，致使黑龍江嫩江流域發(fā)生嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。2013年8月上旬，位于嫩江流域的齊齊哈爾市昂昂溪區(qū)遭遇1998年以來最大洪澇災(zāi)害，災(zāi)區(qū)大片土地被淹沒，交通、電力及通信等設(shè)施多處受損，對人們的經(jīng)濟(jì)、生活造成嚴(yán)重影響。利用資源三號衛(wèi)星開展了動態(tài)應(yīng)急監(jiān)測，提供災(zāi)情相關(guān)信息服務(wù)。

根據(jù)資源三號衛(wèi)星的拍攝情況，分別收集整理嫩江部分流域?yàn)?zāi)前（7月5日）數(shù)據(jù)和災(zāi)后（8月8日）影像數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，共包括前后兩期影像，涉及河道，農(nóng)田和村莊（圖5）。

圖5 黑龍江省嫩江流域?yàn)?zāi)前（7月5日）/災(zāi)后（8月8日）資源三號衛(wèi)星影像

六、結(jié)語

資源三號衛(wèi)星以其大視場、重復(fù)性觀測優(yōu)勢，可為干旱、洪澇、森林火災(zāi)以及滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的災(zāi)前背景、災(zāi)中發(fā)展態(tài)勢以及災(zāi)后重建、救援方案編制和設(shè)計(jì)提供及時準(zhǔn)確的遙感地理信息技術(shù)支撐。同時，在一些群體性、社會性突發(fā)事件應(yīng)急調(diào)查、管理中也發(fā)揮著不可替代的應(yīng)急保障作用。

根據(jù)近年來應(yīng)急服務(wù)工作的開展，基于衛(wèi)星影像的應(yīng)急測繪保障，在目前的多星聯(lián)合數(shù)據(jù)源統(tǒng)籌能力下，基本能夠?qū)崿F(xiàn)在24～48h內(nèi)獲得災(zāi)前災(zāi)后多期影像數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)迅速開展1:5萬或者1:2.5萬比例尺級別的變化發(fā)現(xiàn)和災(zāi)情解譯。同時，針對火災(zāi)、水災(zāi)等特殊災(zāi)種，相對于航空遙感數(shù)據(jù)，衛(wèi)星影像具有多波段采集和大范圍獲取的優(yōu)勢，可見衛(wèi)星應(yīng)急是測繪應(yīng)急保障的重要一環(huán)。