遥感数据在自然灾害救助中的应用

刘三超 范一大 高懋芳

（1 民政部国家减灾中心，民政部减灾和应急工程重点实验室，北京 100124）

（2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

1 引言

我国是世界上自然灾害最严重的国家之一，灾害种类多、分布地域广、发生频率高、造成损失大，是我国自然灾害的主要特点，近年来，自然灾害每年造成的经济损失平均约2000亿元。在全球变化和地壳活动增强的背景下，我国自然灾害风险不断增加，重、特大自然灾害频繁发生，2008年初低温雨雪冰冻灾害、汶川地震，2010年玉树地震、舟曲特大山洪泥石流灾害等都严重影响了社会经济可持续发展和民生改善。

灾害救助是国家灾害管理和综合防灾减灾的重要内容，同时也是保持灾区稳定和保障灾民生活的重要工作。在严峻灾害形势下，国家对灾害救助高度重视，日益完善灾害救助制度成为受灾地区人心和社会稳定的重要保证。《国家自然灾害救助应急预案》把水旱灾害、台风、冰雹、雪、沙尘暴、火山、地震、山体崩塌、滑坡、泥石流、风暴潮、海啸、森林草原火灾和重大生物灾害等自然灾害，以及其他突发公共事件纳入到预案中。2010年7月8日国务院577号令公布《自然灾害救助条例》（以下简称《条例》）［1］，并于当年9月1日正式实施，《条例》发布对于保障受灾地区人民群众生命安全和基本生活具有重要意义，标志着我国灾害救助工作进入到规范化、程序化、制度化、法制化阶段。

近年来，随着空间技术的快速发展，遥感技术逐步应用于自然灾害监测评估工作［2-5］，为政府及时制订科学合理的防灾减灾措施提供了决策支持。但是，遥感技术特别是高分辨率遥感技术在灾害救助领域研究与应用还比较欠缺，不能满足自然灾害救助工作中有效减轻灾害对人类生命、财产造成损失等方面的迫切需求。本文根据我国自然灾害救助业务，对卫星遥感和航空遥感的应用分别作了分析，并以汶川地震、玉树地震为例进行应用示范研究。

2 遥感技术在自然灾害救助中的应用分析

2．1 卫星遥感

卫星遥感技术具有宏观、动态、持续和周期性观测的特点和优势，可连续和定期观测灾区情况，而且观测不受国界和地理条件限制，能取得其他手段难以获取的灾害信息。利用多种卫星遥感数据资源，结合数据处理、信息提取和综合分析技术，可以对灾害预警、灾害监测、灾情评估、恢复重建监测评估等灾害管理过程进行有效响应。根据电磁波波长及成像模式，卫星遥感主要包括卫星光学遥感和卫星雷达遥感。

（1）卫星光学遥感方面，根据载荷波长和分辨率等指标，包括全色、多光谱、红外、高光谱等多种成像方式，是目前应用最全面、发展最完善、技术最成熟的遥感手段，其优势在于：全色数据空间分辨率和信噪比等指标高，可以有效提取灾害目标的几何信息；多光谱数据拥有较高空间分辨率、较高光谱分辨率和较高信噪比，是地震、洪涝、滑坡泥石流、雪灾、干旱灾害中使用最多的遥感数据；红外遥感白天晚上均可成像，对于灾害目标辐射特性探测具有优势，在干旱、雪灾、森林草原火灾、沙尘暴灾害中应用广泛［5］；高光谱遥感具有很高光谱分辨率，但幅宽、空间分辨率较低，适合精细评估灾害对作物、环境的影响。因此，综合运用多种卫星光学遥感数据，可以有效应用于台风、洪涝、干旱、森林草原火灾等灾害的灾前风险分析与预警，地震、滑坡、泥石流、洪涝、干旱、雪灾、森林草原火灾等灾害的灾后应急监测和灾情评估，各种自然灾害灾后恢复重建进度监测。但是，由于观测能力限制，卫星光学遥感受云雨等天气条件影响较大。

（2）卫星雷达遥感方面，由于穿透力较强，具有全天时、全天候观测能力，因此，卫星雷达数据可有效应用于灾后应急响应和恢复重建工作［2-3］。随着卫星合成孔径雷达（SAR）数据从单极化到多极化、全极化，从单一扫描成像模式向条带、聚束等多种成像模式发展，空间分辨率也不断得到提高［6］，卫星雷达遥感的应急观测能力和高分辨观测能力不断增强，越来越广泛应用于洪涝淹没范围、滑坡泥石流范围监测，地震、滑坡泥石流、洪涝等导致的房屋、交通线等损毁情况评估，房屋、基础设施恢复重建监测。由于光学和雷达遥感各具优势，因此，卫星光学数据和雷达数据的融合和协同使用已成为当前应用的重要趋势［7］。

2．2 航空遥感

航空遥感技术具有分辨率高、灵活性强、调查周期短、地面条件限制小、资料回收方便等特点［8］，因此，在地震、滑坡、泥石流、火灾、洪涝等突发性自然灾害的应急响应工作中可以发挥应急能力强、更高分辨率、机动灵活、成本低的优势，特别是可以及时获取灾害发生时，人难以到达区域的数据，从而迅速监测地震、滑坡、泥石流、火灾、洪涝等灾害的受灾范围，评估灾害造成房屋、道路、重要基础设施的损毁情况。无人机作为航空遥感的一类，任务执行更加机动灵活、经济成本更低、快速反应能力更强，因此越来越受到灾害等行业领域应用的重视。随着平台机动、应急能力以及搭载载荷种类和分辨率等指标不断提升，航空及无人机遥感将为灾害救助工作提供更快更好的信息支持。

3 汶川地震、玉树地震案例分析

2008年“5·12”汶川特大地震给我国造成重大人员伤亡和财产损失［2］，据统计，地震造成四川、甘肃、陕西三省极重灾区和重灾区有51个县（市、区），因灾死亡失踪共8万余人，直接经济损失达8500多亿元人民币。地震发生后，民政部国家减灾中心综合利用国内外空间数据共享机制获取的1000多景遥感数据［3］，进行了灾区遥感监测以及受灾范围快速评估工作，重点对重灾区的房屋倒损、道路和重要基础设施损毁、农田损毁、滑坡泥石流和堰塞湖等次生地质灾害进行监测评估。2010年“4·14”青海玉树7．1级强烈地震共造成了2698人遇难，给人民群众生命财产和当地经济发展带来了重大损失。玉树地震发生后，国家减灾中心综合紧急启动“国际减灾合作宪章”（CHARTER）机制，以及国内卫星数据减灾应用协调机制，共获取国内外卫星和航空遥感等数据1000余景［4］，制作的相关产品及信息为地震灾害范围评估和直接经济损失评估提供了重要依据。灾害救助监测评估是2次地震评估工作的重要组成部分，本节根据遥感技术宏观、动态、连续观测优势，以高分辨率遥感数据为主，对灾害救助相关工作进行了案例研究。

3．1 灾民安置点规划

图1为玉树地震重灾区灾民安置点规划结果。根据灾民安置点选址要综合考虑安全、方便等方面需求，选择结古镇西部郊区空旷平地区，以及市区体育馆、大型广场、公园、主要道路两侧等地，利用2．5m分辨率快鸟（Quickbird）卫星多光谱数据、结合数字高程模型（DEM）等基础地理数据，规划出可安置帐篷的地块，统计每个地块面积Di。根据民政救灾规格为3．7m×3．2m 的12m2标准帐篷，按照帐篷排列行距5m、列距1．5m，连空地每个帐篷需要占用面积约45m2，可计算每个地块的可安置帐篷数Ki＝Di／45。如果考虑安置点帐篷摆放不要过于密集，预留应急通道和相关配套设施，按每个帐篷占用面积约100m2计算，可得出每个地块的适宜安置帐篷数Si＝Di／100。按照相邻区域累计方法，可分别计算出灾区及周边区域可安置帐篷数和适宜安置帐篷数。结果表明，图1范围内，跑马场周边、若娘德来、新村，玉树州体育馆、前进村附近公园、格萨尔广场、第二民族中学、三完小学、县政府等地，共可安置约5万顶帐篷，适宜安置帐篷约2．1万顶。

图1 结古镇及周边地区灾民安置区规划Fig．1 Planning for settlement of disaster victims in and around Jiegu town

3．2 房屋倒损评估

灾情是民政部门灾害应急响应期间救灾工作的核心，当灾害管理部门启动自然灾害应急响应后，需及时了解灾区受灾人口、房屋、道路、基础设施的损毁情况，并根据相关灾情及时采取人员疏散、物资调度与配送、资金拨付、灾民安置等应对措施。汶川地震发生时间为2008年5月12日，但由于灾区天气条件一直不好，地震发生后很难获取有效的光学遥感数据，卫星雷达数据成为灾后一段时间内的主要数据源。图2为利用5月13日19时获取的3m 分辨率“地中海盆地观测小卫星”（COSMO-Skymed）星座合成孔径雷达数据，评估的汶川地震重灾区房屋倒损情况，结果表明汶川县白花乡和漩口镇的房屋倒塌率都超过了40%，相关产品为了解当地灾情、制定合理的救灾措施提供了重要支撑。

图2 汶川县地震重灾区白花乡和漩口镇房屋倒损评估Fig．2 Collapsed house rate assessment in Baihua village and Xuankou town of Wenchuan

3．3 灾民安置帐篷监测

帐篷是政府临时安置灾民的主要设施，也是过渡期内灾民生活的主要场所。图3为青海玉树地震发生后3天时间内，连续利用2010年4月14日、4月15日、4月16日的高分辨率航空遥感影像，对地震重灾区结古镇城区内主要安置点之一的玉树州体育场帐篷安置变化情况进行动态监测。结果表明，玉树州体育场及周边地区帐篷安置数量增加很快，地震发生的当天（4月14日），当地政府动用储备在玉树州体育场就安置了40顶12m2民政救灾标准帐篷（图3中蓝色部分），4月15日12m2民政救灾标准帐篷快速增加到90顶，同时还有医疗帐篷、简易帐篷等少量其他帐篷（图3中灰色部分），4月16日该区域安置的民政救灾标准帐篷数量进一步增加到110顶。

图3 玉树州体育场帐篷安置动态监测图Fig．3 Dynamic monitoring of tent settlement around Yushu gymnasium

3．4 灾民安置区监测

受灾人员安置是灾后救助工作的重点，包括就地安置与异地安置、政府安置与自行安置等方式。图4为利用2008年5月17日、5月28日0．7m 高分辨率的以色列地球资源观测卫星（EROS-B）数据，对汶川地震重灾区之一的青川县城及周边地区灾民安置区进行的动态监测。结果表明，地震后第5天的5月17日，当地灾民主要被安置在道路两则的空旷区域，灾后第16天的28日，当地政府不断采取救灾措施，根据灾情基本稳定的情况，在青川县城周围安全区域已经建设了大量临时过渡性住房，灾民安置能力和安全保障得到了较大提升。

图4 青川县城灾民安置区动态监测图Fig．4 Disaster resettlement area monitoring in Qingchuan

3．5 房屋恢复重建监测

房屋等重要设施的恢复重建对于保障灾民生产生活、保持灾区社会稳定和经济发展具有重要意义。汶川地震后，民政部国家减灾中心利用无人飞机，对甘肃、陕西等地震重灾区的房屋恢复重建进度进行了监测与评估。

图5为2009年1月甘肃省武都区马街镇感恩村灾民集中安置点房屋恢复重建进度的监测结果，从无人机数据结合地面调查可以准确地分析感恩村等集中重建区的重建房屋的空间分布、面积、户数和重建进度等信息，为评估灾害救助效益、分析灾民需求、监督政府工作提供了重要的信息。

根据以上案例可以看出：卫星遥感具有周期性获取数据优势，广泛用于灾前、灾中和灾后等灾害不同管理阶段，其中卫星光学遥感可以监测灾区环境，反映灾害目标的几何、纹理、光谱等特征，能用于灾害救助规划、灾害范围监测以及灾情评估等方面，但是受天气条件影响大，同时卫星平台机动能力有限，数据时效性往往不足；卫星雷达遥感可全天时、全天候工作，在一定程度上能弥补卫星光学数据时效性的问题，但由于其成像机理限制，较难满足房屋倒损等精细评估需求。航空遥感机动灵活、空间分辨率更高，但是覆盖范围和搭载载荷有限，一般只在任务明确条件下获取灾区数据，主要用于灾后房屋倒损精细评估和救助监测等应用。因此，根据卫星遥感和航空遥感的数据特点和技术区别，综合发挥多种遥感手段的优势互补作用，才能更好满足灾害救助需求。

图5 武都区马街镇感恩村房屋恢复重建监测Fig．5 House reconstruction monitoring around Gan’en village of Majie town in Wudu district

4 结束语

灾害救助是“以人为本、为民解困”救灾理念的具体体现。我国《自然灾害救助条例》的颁布实施，标志着灾害救助进入依法行政的新阶段，同时也对政府灾害救助工作提出了更高更科学的要求。

本文分析了卫星光学遥感、卫星雷达遥感以及航空遥感的特点，提出综合利用多种遥感手段是满足灾害应用需求的重要途径，以汶川地震、玉树地震为案例，利用高分辨率Quickbird、EROS-B 卫星光学数据和Cosmo-Skymed 卫星雷达数据以及航空与无人机数据，开展救助准备阶段的灾民安置点规划，应急救助阶段的房屋倒损评估、帐篷动态监测、灾民安置及环境监测，灾后救助阶段的房屋恢复重建进度等方面应用，较好地满足了不同阶段灾害救助业务需要，相关工作对防灾减灾决策起到一定支撑作用。

当前，以遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）与全球定位系统（GPS）为代表的“3S”技术在减灾救灾领域的应用日益深入［9-10］。今后，需要进一步推进“3S”技术集成以及与卫星通信和射频识别（RFID）技术的综合应用，加强激光雷达（LiDAR）［11］、倾斜摄影等新型载荷和新遥感手段的应用，建立高分辨率卫星及航空遥感、地面监测网、现场调查等“天-空-地-现场”一体化的灾害立体监测体系，进一步突破多源遥感数据融合技术、灾害目标快速识别技术、灾害信息智能提取技术以及灾情精确评估技术，推动遥感在城市及农村避难场所选址和适宜性评价、灾民安置点规划、灾害风险分析、灾情评估、人员疏散和灾民紧急转移安置、救灾物资动态监测和调度、安置区环境监测及效果评估、恢复重建监测评估等灾害救助领域的应用。

（References）

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