雷达卫星防灾减灾应用现状与展望

邵芸

邵芸，中国科学院遥感与数字地球研究所雷达遥感应用技术研究室主任，研究员，遥感卫星应用国家工程实验室总工程师。曾任中科院遥感信息科学重点实验室常务副主任、中科院遥感所遥感科学国家重点实验室副主任、中国科学院暨香港中文大学地球信息科学联合实验室主任等职。2001年获中国科学院遥感应用研究所雷达遥感研究方向博士学位，长期从事雷达遥感与灾害应急监测工作。主持国家重点研发计划首期项目“天空地协同遥感监测精准应急服务体系构建与示范”等。撰写专著7部，发表研究论文160余篇，其中SCI论文36篇。获国家科技进步二、三等奖，中科院自然科学一等奖，中科院科技进步一、二等奖等多项，荣获“98”全国科技界抗洪救灾先进个人、科技奥运先进个人、国家机关优秀共产党员、中国科学院“十大女杰”（2012）等荣誉称号，十八大、十九大党代表。

引言

近年来，全球极端天气事件增多、自然灾害频发，严重影响了人民生命财产安全和国民经济发展，因此防灾减灾是全世界各个国家需积极应对的重大问题。我国是世界上自然灾害最为严重的国家之一，灾害种类多，分布地域广，发生频率高，给人民生命财产安全和国民经济发展造成了严重损失。空间对地观测技术在防灾减灾方面具有巨大潜力，雷达遥感具有全天时、全天候对地观测优势，是灾害应急监测和防灾减灾的重要手段。1978年美国成功发射第一颗SAR卫星Seasat-A，开创了星载SAR遥感监测的先河，之后陆续发射了ERS-1/2，ENVISAT，Radarsat-1/2，COSMOSkyMed，TerraSAR-X，ALOS PALSAR，ALOS 2，Sentinel等雷达卫星，我们国家也在一系列重大项目的支持下发射了S波段HJ-1 C小卫星和高分三号雷达卫星。雷达卫星的几何分辨率得到显著提高，极化信息更为丰富。雷达回波对地物目标的介电和几何特性敏感，不同地物目标、不同几何状态目标的雷达散射特征不同，因此利用高分辨率、极化雷达遥感技术可以检测出受灾区域和受灾程度，而利用雷达干涉测量可以对地表形变场进行监测，因此可在一定程度上对灾害进行防范和预警。我们充分利用雷达卫星的优势，开展了地震及次生灾害、地质隐患、海洋溢油、洪涝监测等工作，下面分别结合实例进行介绍。

地震及次生灾害监测

地震是一种破坏性极强的自然灾害，目前还缺乏有效的预测手段。严重破坏性地震的发生会造成大量房屋倒塌和人员伤亡，并且引发滑坡、堰塞湖等次生灾害，若地震发生在近海还会引发海啸，极大地影响人们的生命财产安全。地震发生时通常伴随恶劣的天气条件，而具有全天时、全天候观测能力的高分辨率雷达遥感在损毁靶区快速圈定，建筑物损毁评估，滑坡、堰塞湖等次生灾害的快速监测与评价中可以发挥不可替代的作用。近年来，我们利用多源多时相雷达遥感数据，对国内外重大地震灾害进行了快速监测，对地震造成的房屋损毁情况、滑坡和堰塞湖的分布与规模等进行了快速定量评估，监测成果及报告呈送相关部门和救援队伍，为抢险救灾及灾后重建工作提供了翔实、可靠的科学依据。

图1 汶川震后COSMO-SkyMed与震前IKONOS对比图

（一）损毁区域快速圈定

灾害发生后受灾靶区的快速圈定对于有针对性地开展救援具有重要意义，这一工作可以根据经验信息利用目视解译的方法对SAR图像进行快速判读，并对损毁程度进行大概评估。经过多年的积累，我们建立了典型地物微波特性知识库（简称LAMP），对各类地物目标在不同状态下的遥感图像特征进行了规范化总结与归纳，为利用SAR图像进行快速解译从而初步评估灾害的范围和分布奠定了基础。

一般情况下，可以利用变化检测方法快速锁定受灾害影响的范围，但由于SAR图像特征复杂，受斑点噪声影响严重，在易受影响的城镇、山区等存在较复杂的几何畸变等问题，我们将视觉认知方法与普通变化检测方法相结合，提高受灾影响范围检测的效率和准确度。首先对灾害前后的图像进行预处理，然后综合利用差值和Pearson相关系数生成差异图，再结合显著性检测快速锁定发生变化的区域，提高目视解译的速度和效果，为灾害靶区的确定提供初步判估结果。

汶川地震发生后，中国科学院遥感与数字地球研究所（原遥感所）的团队第一个向国家有关部门报送了都江堰地区的灾情和房屋损毁情况，第一个发现北川的受灾程度远远超过位于震中的汶川，共计提交雷达遥感地震灾害、房屋倒塌、滑坡和堰塞湖监测报告24份，为抗震救灾、受灾人员救援、次生灾害监测提供了有效决策支撑信息。

（二）建筑物损毁解译

图1是汶川地震发生后2008年5月13日的COSMOSkyMed与震前IKONOS的对比图，可以发现红色区域是房屋倒塌比较严重的区域。从雷达图像特征上来看，城区完好的建筑物呈现比较规则的线状排列，彼此之间的空间关系符合楼群特征，由于没有倒塌，可以看到呈直线状的清晰阴影。因为墙体或屋顶二面角反射效应而使得房屋一侧的后向散射强度高而呈现强回波特征，强回波位置仍然符合房屋的排列关系。当房屋发生损毁，房屋排列不再规则，房屋纹理结构特征发生变化，二面角反射效应减弱，而粗糙程度加大，使得回波普遍增强，但是纹理结构特征消失，雷达图像特征表现为一定区域内的高亮目标，看不出房屋排列关系和阴影。

（三）极化SAR建筑物损毁评估制图

极化SAR数据可以测量地物目标的极化散射特性，反映地物目标更为精细的特征和信息。通过分析灾害发生前后不同损毁程度建筑物极化散射特征的时域变化规律，发现Yamaguchi分解得到的二次散射分量、极化方位角，以及Touzi分解得到的分量可以有效反映建筑物的损毁程度，因此可以利用多时相极化SAR数据进行建筑物损毁评估制图。

对于城市区域来讲，灾害发生前，建筑物区域由于建筑物密集，结构完好，所以二次散射分量占主导；但灾害发生后，建筑物倒塌或消失，墙—地二面角结构被破坏，则二次散射分量占比会下降。而且分析表明，建筑物损毁程度越严重，灾害发生后与灾害发生前的二次散射分量占比的比值越低，即越多的二次散射结构消失了，因此，可以利用灾害发生前后二次散射分量占比的变化来定量描述建筑物的损毁程度。

一般相邻区域的建筑物分布方向基本上都是一致的，因此建筑物区域极化方位角会在平均值附近波动；但建筑物一旦发生损毁，建筑物的结构会被破坏，极化方位角的分布将变得杂乱，则极化方位角的波动范围明显增大。分析表明，损毁越严重的区域，极化方位角分布的变化就越明显，因此可以利用灾害前后极化方位角变化的标准差来描述建筑物损毁程度。

Touzi分解是一种非相干极化目标分解方法，Touzi分解得到的 αs1表示主导散射类型的大小，对于纯净的二面角散射机制，α ≈， 对于纯净的表面散射，α ≈0。地震发s1s1生前，建筑物区域的 αs1的值很大部分都在90°左右，但地震发生后，由于建筑物损毁，二面角结构减少，αs1的值明显下降，损毁越严重，角度减小的幅度越大。因此，灾害前后αs1的比值主要反映了建筑物损毁情况，可以作为建筑物损毁评估的有效指标。

图2 新疆阿克陶地震解译

（四）雷达干涉形变场监测

雷达干涉测量可以获取地表形变信息，因此是地震灾害监测和评估的有效手段。地震发生后，可以采用干涉测量技术进行地震同震形变测量与分析，对于评价地震破坏程度，推断断层性质，研究地震形变和地震孕育特征具有重要的参考价值。在多年工作的基础上，建立了快速有效的自动化干涉测量处理系统，该系统对干涉测量处理过程中的图像配准、噪声滤波、相位解缠、大气延迟消除及平地相位去除等问题进行了优化处理，为实现震后2小时内提供灾情初步判定结果提供了重要保障；通过对干涉处理过程中获取的同震干涉图和形变场，并基于地质构造进行地震特性分析，通过形变等值线和跨断层剖面线对形变场进行初步分析。

图3 唐家山滑坡（2008-05-16 TerraSAR-X图像）

开展了基于干涉SAR技术的地震受灾范围快速圈定与分级研究，基于干涉SAR技术，从地震烈度的定义及评定指标出发，确定了以SAR干涉形变方法为主，遥感震害提取和网络爬虫获取烈度信息辅助、验证的基本思路，开展了ShakeMap烈度划分方法的研究，通过将干涉、形变数据与ShakeMap烈度划分方法相结合，能够进一步提高结果精度，更好地开展救灾工作（图2）。

（五）次生灾害监测

地震的发生常常伴随恶劣的天气条件，因此容易引发滑坡、堰塞湖等次生灾害。滑坡是斜坡上的岩体或土体在重力的作用下，沿一定的滑动面整体下滑的现象，大型滑坡通常发生在存在大量山体凌空面的河谷地带，通常会造成植被的大面积破坏。由于SAR对地表粗糙度和介电特性的敏感性以及立体感强的特点，可以利用SAR图像识别滑坡体后壁和前缘等特征。地震引发的山崩、滑坡堵截阻断河道、蓄水而形成的湖泊，即堰塞湖，其一旦受冲刷、侵蚀、溶解等作用产生崩塌，便会形成洪灾，淹没居民地，导致新一轮的生命财产损失，因此堰塞湖的识别与监测是非常重要的。水体雷达回波较弱，在SAR图像上较容易识别。滑坡、堰塞湖的动态监测是地震次生灾害监测的重要内容，利用高分辨率雷达遥感数据可以成功识别地震灾害引发的滑坡、堰塞湖等次生灾害，确定其分布、规模，量算面积、长度等，在地震灾害应急监测与评估中发挥不可替代的作用（图3）。

地质隐患排查

我国西南地区地质灾害严重，基层国土部门人力有限，对于日常巡查已经是疲于应付，新增的地质隐患点根本没有机会发现。采用常规地表位移监测手段（斜坡倾斜仪和水准测量等）通过野外作业进行地灾监测难度较大，难以及时发现局部位移，不能适应大范围全面监测的需要。差分干涉测量方法能够获取大范围的地表形变信息，因此可以用于地质隐患的排查。我们利用干涉测量技术，在西南地区开展了滑坡易发区地质隐患点排查工作。通过优化使用干涉处理关键算法，标准化定制数据收集处理流程，形成了自动化干涉测量系统（AISAR），将差分干涉测量数据处理效率提高了50%以上。目前，AISAR已应用于贵州北部地质隐患点的排查，为我国西南滑坡易发区地质隐患点排查监测提供了新的技术手段，使用该方法能够发现未列入台账的地质灾害隐患点，避免地方群众在完全不知情的情况下遭受严重自然灾害；同时对列入台账的地质灾害隐患点能够进行及时跟踪监测，对加速发展的地质灾害隐患点进行及时预警，大幅提高了对地形复杂地区地质隐患点排查的精度、效率和可靠性。

图4黄圈是我们发现的一个新增的地灾隐患点，中间的照片是老乡家墙壁和地面开裂的情况，这个滑坡体的下缘距离娄山中学只有180米，就像悬在学生们头上的一颗雷，随时威胁着孩子们的安全。通过遥感手段发现这样的新增点，避免学校师生在完全不知情的情况下遭受严重自然灾害伤及生命安全。

图4 威胁桐梓县娄山中学的新增地质灾害隐患点排查

海洋溢油监测

海面油膜会对海水表面波形成阻尼作用，海面溢油的存在阻尼了海水的短表面波（毛细波和短重力波）、减小了海水表面张力、改变了海面粗糙度，而SAR对粗糙度极为敏感，因此可用于执行海面溢油的常规与应急监测任务。近10年来，开展了多次中国近海重特大海洋溢油灾害事故的遥感应急监测工作。例如，2008年广西北部湾海底输油管线泄露溢油污染事故、2010年大连港“7·16”海面溢油污染事故、2011年美国康菲石油公司蓬莱“19-3”钻井平台漏油事故等；累计处理、分析、解译的SAR遥感图像近500景，向国家海洋局发送《海洋溢油污染监测信息快报》百余份，持续为国家海洋局提供7×24小时的中国海域海洋溢油污染雷达遥感业务化监测技术支持服务。

图 5为利用中国GF-3卫星时间序列图像监测2018年1月发生在我国东海海域的一次大规模海洋溢油污染泄露事故。监测结果为国家国防科技工业局、交通运输部等主管部门的科学决策、应急处置提供了有力的技术支撑。

洪涝监测

洪涝灾害是我国主要自然灾害之一，具有范围广、变化快的特点，尤其对于人口密集和经济发达的城区而言，其危害程度更加严重。为了最大限度地减轻洪涝灾害对城区造成的损失，需要及时地对洪涝灾害进行监测和损失评估。洪涝灾害淹没范围的快速提取对于应急响应具有重要意义，快速获取洪水淹没范围是洪涝灾害监测和评估的基础。雷达波到达水体后由于发生镜面反射返回的能量少，因此在SAR图像上通常呈现为较低的散射特征，容易与其他地物区分开来，因此在洪涝监测中得到广泛应用。目前，SAR洪涝灾害监测方法已经比较成熟，主要方法有人工目视解译、阈值法、自动分类方法、图像纹理分析、主动轮廓法和多时相变化检测等。1998年的特大洪水期间，我国就多次利用航空雷达遥感监测和评估洪水灾害，目前雷达遥感已经成为洪涝灾害监测的重要手段。我们利用国际商业卫星和我们国家自己的雷达卫星获取的数据，协同利用其他遥感数据源，开展了多次洪涝灾害的动态监测，为应急响应和抗洪救灾提供了有用信息（图6、图7）。

图5 2018年1月东海海域溢油污染泄露事故监测

图6 2013年8月27日同江八岔段水位雷达卫星监测结果

图 7 2013年东北洪涝灾害监测多日动态监测结果

结束语

自然灾害具有突发性、破坏性和动态性的特征，及时有效地获取灾情动态是有效防灾减灾的前提和基础。雷达遥感数据具有全天时、全天候成像能力，因此具有较好的时效性，能获取可靠的数据源，进而实现对灾害的动态、连续监测，是灾害应急监测不可或缺的重要手段。随着星载SAR卫星性能指标的不断改进，将为灾害应急响应提供更高效的数据源，但同时，我国雷达卫星数量少，数据获取的时间分辨率不够，灾情快速响应能力较弱，难以满足灾情态势快速监测的需求。汶川地震之后，党和国家对自然灾害高度重视，对利用空间信息进行防灾减灾提出了明确要求。《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015—2025）年》批准了四类七颗雷达卫星的立项研制，这将为灾害应急监测提供更稳定的数据源保障，大幅提高我国对各类灾害的快速响应能力。