国产卫星数据特点与减灾应用分析

吴玮 胡凯龙 苏琮

吴玮，博士，应急管理部国家减灾中心卫星遥感部副主任，副研究员。主要研究领域为灾害遥感监测、空间数据管理与可视化、灾害风险与损失评估等。近年来具体负责和承担了民用空间基础设施防灾减灾救灾规划论证、多源卫星资源协调与获取机制建设、灾害遥感监测评估业务、应用系统建设与关键技术研发等工作。先后多次参与重特大灾害遥感监测评估与现场核查工作。主持或参与10 余项国家和省部级科研项目，发表科技论文20余篇，合著出版专著/图集3部，获得发明专利1项,主持或参与编写防灾减灾救灾领域国家标准、行业标准3项。

引言

习近平总书记指出，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，造成损失重，这是一个基本国情。党的十九大报告中明确提出了“健全公共安全体系，完善安全生产责任制，坚决遏制重特大安全事故，提升防灾减灾救灾能力”的要求。卫星遥感技术凭借其观测范围广、探测手段多样、多尺度动态连续监测能力强等优势，在重特大灾害监测、灾情评估以及灾后恢复重建等过程中发挥了重要作用，是防灾减灾救灾重要的技术支撑手段之一。当前，全球遥感卫星正在加速升级换代，多星组网和全球化观测趋势日益明显，多维、多尺度、多平台的卫星遥感综合观测能力正逐步形成。与此同时，我国的遥感卫星正步入高质量发展的快车道，新平台、新载荷、新成像体制不断出现，遥感业务卫星稳步增长，商业遥感发展迅速，这些都为卫星遥感在应急管理中的应用提供了丰富的遥感数据资源。进入新时代，根据国际国内灾害形势，习近平总书记提出要“坚持以防为主、防抗救相结合，坚持常态减灾和非常态救灾相统一，努力实现从注重灾后救助向注重灾前预防转变，从应对单一灾种向综合减灾转变，从减少灾害损失向减轻灾害风险转变”，这一防灾减灾救灾的新理念、新论述、新要求为我们开展卫星遥感数据在应急管理中的应用指明了方向，提供了根本遵循。随着应急管理部的组建和机构改革的深入推进，遥感卫星数据在应急管理中的应用也正逐步从关注自然灾害向人为事故灾难拓展，从主要面向灾害损失评估向注重灾害风险监测转变，从单一的灾害遥感信息提取向天—空—地、多源多尺度数据的融合应用方向发展。

本文旨在总结近年来我国遥感卫星数据及其应用特点，分析新形势下应急管理对卫星应用的需求以及遥感卫星在防灾减灾救灾中的应用能力，展望未来遥感卫星数据应用的前景，为卫星减灾应用的发展提供借鉴参考。

图1 遥感卫星数据应用需求图

新形势下遥感卫星数据应急管理应用需求分析

卫星遥感是开展致灾因子危险性、孕灾环境稳定性、承灾体脆弱性监测和灾情精细评估的重要支撑手段。针对新形势下防灾减灾、应急救援、安全生产等应急管理工作，遥感卫星数据应用需求主要可归纳为以下4个方面（图1）。

1.遥感卫星数据种类需求。我国灾害种类多样，不同类型灾害、不同灾害监测对象以及灾害管理不同阶段对遥感卫星数据的类型和技术指标要求都不相同。从卫星遥感探测波段角度分析，可见光、近红外、短波红外至热红外谱段对洪涝、干旱、雪灾、火灾、人为事故等各类灾害的监测均有不同程度的应用能力；对农业灾害、地质灾害等精细辨识需要纳米级的高光谱卫星数据；不同频段、极化方式和成像模式的微波遥感卫星是全天候获取灾害信息不可或缺的重要手段；激光雷达、差分干涉SAR卫星数据对于开展地质灾害风险监测、灾害损失评估等有积极作用。从卫星遥感数据空间分辨率角度分析，大尺度干旱、洪涝灾害需要大幅宽、中低分辨率遥感数据，而对于由地震、滑坡、泥石流、人为事故等灾害引起的房屋、基础设施等承灾体损毁，需要米级甚至亚米级的空间辨识能力进行精细化评估。因此，防灾减灾救灾工作对于遥感卫星数据类型的需求应该是高中低多种分辨率相结合，涵盖全色多光谱、红外、高光谱、微波、激光雷达等多种类型有效载荷数据，甚至近年来发展的视频卫星数据、夜光/微光遥感数据在防灾减灾中也有应用潜力。

2.遥感卫星数据获取与服务需求。应急管理工作的特殊性决定了对遥感卫星应急响应时效性和持续动态跟踪监测能力有较高的要求。灾害发生发展受大气、地理环境、地质条件等多因素影响，干旱等缓发性灾害的变化较慢，对卫星重访观测时间要求不高，可以天、旬等为单位进行观测成像；而台风、洪涝、森林草原火灾等灾害发展变化很快，需要遥感卫星能第一时间获取灾害情况，观测时间间隔需达到小时甚至分钟级。在完成遥感卫星成像任务后，还需要尽可能地缩短数据接收、预处理和分发时间，为应急管理应用部门高效获取卫星数据提供保障。在满足时效性要求的同时，遥感卫星数据的应用能力还会受到分发服务的遥感数据质量影响，只有经过辐射定标、几何定位精度高、覆盖灾区噪声小的遥感数据才能满足灾害遥感指数参数反演以及洪涝、火灾、雪灾等灾害监测对定量化应用的需求。

3.遥感卫星数据平台建设需求。围绕防灾减灾救灾决策对遥感卫星数据的应用需求，需要推动遥感数据应用处理关键技术攻关，制定数据处理技术规范，建立面向应急管理全过程的遥感卫星数据多维展示、处理、分析与服务系统，为遥感卫星数据在防灾减灾救灾中的业务化应用提供可靠、稳定的技术支撑平台。

4.遥感卫星数据业务应用需求。灾害管理周期包含减灾、备灾、应急救灾和恢复重建等阶段，各阶段对卫星遥感数据需求和工作内容各不相同。为支撑灾害应急管理全过程业务，需要国产遥感卫星数据有效支撑灾害事故要素监测、风险评估、应急监测、损失评估和灾后恢复重建等工作。其中，灾害事故要素监测是对各类自然灾害和安全事故的遥感特征和指数参数进行定量化反演和识别提取，通过连续、动态监测分析，为灾害事故的隐患排查和早期发现提供信息服务。风险评估业务是利用遥感卫星数据等资料对灾害事故发生的可能性、危险程度及其区域以及可能的损失进行评估，为灾害事故的预报预警提供依据。应急监测业务是在灾害事故发生后，利用中高分辨率遥感数据对洪涝淹没区域、滑坡泥石流范围、火点位置和过火面积、安置帐篷、尾矿库、危化品等进行监测，为灾害应急救援和紧急救助提供及时、精准的信息支持。损失评估业务是利用高分辨率国产遥感卫星数据对灾害范围、毁损实物量和直接经济损失进行评估。灾后恢复重建业务是灾害稳定后，利用遥感卫星数据对灾区的民房、基础设施、公共服务设施以及生态环境恢复重建进展情况进行监测，为政府评估灾后恢复重建效果提供决策支持。

表1 我国主要在轨民用遥感卫星一览表

国产遥感卫星及数据特点分析

经过四十多年的努力，我国在轨对地观测卫星数量已达到100余颗，基本形成了“风云”“海洋”“资源”“环境减灾”“天绘”等系列的遥感卫星，吉林一号、高景等各具特色的商业遥感卫星发展迅猛，初步实现了不同分辨率自主遥感卫星数据的接收、处理和分发服务能力，为陆地、大气、海洋等灾害系统综合观测提供了有效的数据保障。近年来，我国主要在轨民用遥感卫星见表1。

卫星 主要载荷 性能指标 发射时间高分四号（GF-4）凝视相机 静止卫星，分钟级重访。全色多光谱通道：5个谱段，空间分辨率为50m，幅宽400km中波红外通道：1个谱段，空间分辨率为400m，幅宽400km 2015/12/29高分五号（GF-5）可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等共6台可见短波红外高光谱相机：0.4～2.5 μm，空间分辨率为30m，幅宽为60km，330个通道全谱段光谱成像仪：0.45～12.5 μm，12个通道，空间分辨率为20m（0.45～2.35 μm）/40m（3.5～12.5 μm），幅宽为60km 2018/05/09高分六号（GF-6）高分相机、宽幅相机 高分相机:空间分辨率为2m（全色）/8m（多光谱），多光谱为可见光近红外4个波段，幅宽为90km宽幅相机: 空间分辨率为16m，可见光近红外8个波段，幅宽为800km 2018/06/02环境减灾（HJ-1）A星CCD相机、高光谱成像仪CCD相机：可见光红外4个波段，空间分辨率为30m，幅宽360km，4天重访高光谱成像仪：115个波段，0.45～0.95 μm，空间分辨率为100m，幅宽50km，4天重访2008/09/06环境减灾（HJ-1）B星CCD相机、红外多光谱相机CCD相机：可见光红外4个波段，空间分辨率为30m，幅宽360km，4天重访红外多光谱相机：4个波段，幅宽720km，空间分辨率为150m（近红外至中红外）/300（热红外），4天重访2008/09/06环境减灾（HJ-1）C星合成孔径雷达 S波段，空间分辨率为5m（单视）/20m（4视），幅宽为40km（条带）/100km（扫描）2012/11/19资源一号04星（CBERS-04）全色多光谱相机、红外多光谱相机、多光谱相机、宽视场成像仪全色多光谱相机：空间分辨率5m（全色）/10m（多光谱）,可见光近红外3个波段，幅宽为60km，3天重访红外多光谱相机: 空间分辨率40m（近红外短波红外）/80m（热红外），4个波段，幅宽为120km多光谱相机：空间分辨率20m，可见光近红外4个波段，幅宽为120km宽视场成像仪：空间分辨率73m，可见光近红外4个波段，幅宽为866km，3天重访2014/12/07资源一号02C星（ZY-1 02C）全色多光谱相机、全色高分辨率相机全色多光谱相机：空间分辨率5m（全色）/10m（多光谱），可见光近红外3个波段，幅宽为60km，3天重访全色高分辨率相机：空间分辨率2.36m，幅宽27km（单台）2011/12/22资源三号（ZY3）01/02前视相机、后视相机、正视相机、多光谱相机01星：空间分辨率3.5m（前/后视）、2.1m（正视）、6m（多光谱）,幅宽≥51km，前/后/正视相机光谱范围0.5～0.8 μm，多光谱相机含可见光近红外4个谱段，5天重访02星：空间分辨率2.5m（前/后视）、2.1m（正视）、5.8m（多光谱）,幅宽51km，前/后/正视相机光谱范围0.5～0.8 μm，多光谱相机含可见光近红外4个谱段，3～5天重访2012/01/09（01）2016/05/30（02）实践九号（SJ-9）A/B A星全色多光谱相机、B星红外相机A星全色多光谱相机：空间分辨率2.5m（全色）/10m（多光谱）,可见光近红外4个波段，幅宽为30km，4天重访B星红外相机：光谱范围0.8～1.2 μm，1个谱段，空间分辨率73km，幅宽18km，8天重访2012/10/14天绘一号01/02全色相机、多光谱相机、三线阵全色立体相机空间分辨率为2m（全色）/5m（三线阵全色）/10m（多光谱），可见光近红外4个波段，幅宽为60km 2010/08/24（01）2012/05/06（02）北京二号 VHRI-100成像仪 空间分辨率为0.8m（全色）/3.2m（多光谱），多光谱为可见光近红外4个波段，幅宽为24km，3颗卫星1天重访2015/07/11吉林一号 光学A星载荷、视频星载荷光学A星: 空间分辨率为0.72m（全色），2.88m（多光谱）；包含1个全色和3个可见光波段；幅宽为11.6km；重访周期：1天（4星）视频01/02星：空间分辨率为1.13m（彩色），幅宽为4.6km×3.4km视频03星：空间分辨率为0.92m（彩色），幅宽为11km×4.5km视频04/05/06/07/08星：空间分辨率为1m（彩色），幅宽为19km×4.5km。具备凝视、立体、夜光等多种成像模式2015/10/07（光学A星、视频01/02）2017/01/09（视频03）2017/11/21 （视频04/05/06） 2018/01/09（视频07/08）高景一号（SuperView-1）01/02/03/04全色多光谱相机 空间分辨率：0.5m（全色），2m（多光谱）；光谱：1个全色和4个多光谱波段（可见光近红外）；幅宽：12km；重访周期：1天（4星）2016/12/28（01/02）2018/01/09（03/04）

表1主要反映了近年来我国用于防灾减灾救灾工作的科研、业务和商用遥感卫星资源情况。从中不难发现，我国风云气象卫星已经形成了静止和极轨两个序列的卫星。面向灾害性天气过程的监测与预报预警任务，风云卫星配备有可见光红外自旋扫描辐射仪、微波温度计、微波湿度计、光谱成像仪、微波成像仪等多型传感器。针对强对流天气的监测和跟踪，风云卫星能每15分钟对地球圆盘扫描成像一次。同时，由于卫星遥感数据空间分辨率一般为公里级，最高达250m，可为各类突发灾害天气系统的动态监测、短时预报和临近天气预报提供大尺度、高频次的卫星观测资料。针对风暴潮、赤潮、海冰、海浪等海洋灾害事件的预防、监测、预警、评估和指挥决策等应用需求，我国发展了海洋水色环境（海洋一号）、海洋动力环境（海洋二号）等系列卫星，配置有海洋水色扫描仪、海岸带成像仪、微波散射计、雷达高度计和微波辐射计等多种遥感载荷，提供的遥感数据资料具有谱段范围宽、覆盖范围广、中低分辨率为主等特点。

陆地观测卫星主要提供中高分辨率的遥感数据，随着我国航天工业的发展，国产遥感卫星图像质量不断提高（图2）。

其中，以环境减灾卫星、高分一号为代表的对地观测卫星可提供大尺度、大范围、中分辨率的遥感数据，通过多星组网时间分辨率可达1天重访，而静止轨道高分四号卫星甚至能实现分钟级的重访观测成像。以资源、天绘、实践以及商业卫星为代表的对地观测卫星能够提供优于5m的高分辨率遥感数据，谱段配置上以全色和可见光近红外多光谱数据为主，最高可实现0.5m分辨率成像，通过卫星组网，能实现1天重访成像。目前，在轨民用SAR卫星数量总体偏少，高分辨率的红外和高光谱遥感数据仍然不足，尚未形成小时级的高分辨率卫星遥感应急成像能力。同时，视频成像、夜光/微光成像等新型遥感数据不断涌现，为灾害遥感监测评估提供了更丰富的监测手段。

图2 高分一号宽幅相机假彩色影像图

图3 2018年11月3日西藏阿里地区改则县4.5级地震灾区资源三号遥感影像图

国产遥感卫星数据应用能力分析

经过多年的发展，在防灾减灾救灾领域我国已初步建立了一套遥感卫星数据应用的技术体系和产品体系，形成了常态减灾和应急救灾相结合的卫星数据应用模式，灾害遥感数据应用系统初步建立。目前，我国已建立了国产遥感卫星数据获取机制，卫星数据获取渠道还在稳步拓展。利用环境减灾、高分、资源等国产卫星数据，已开展灾害应急制图（图3）、灾情监测评估和恢复重建监测等工作，在四川芦山地震、云南鲁甸地震、长江中下游暴雨洪涝、四川茂县山体滑坡、大兴安岭森林大火等减灾与应急业务中发挥了重要作用。

结合遥感卫星数据的监测对象和应用服务方向（图4），应用能力主要包括：

在灾害事故要素监测方面，利用国产遥感卫星数据，能够反演植被指数、水体指数、雪被指数、陆表温度等遥感指数参数，提取和分析植被、水体、积雪、矿山、尾矿库、危化品等灾害系统重要要素的空间分布及其变化等信息。在灾害风险评估方面，利用国产卫星遥感数据重点针对洪涝、台风、干旱、滑坡等灾害，提供灾害风险要素的分布和状态，在暴雨天气系统监测评估、海洋风场和气旋的监测与风暴潮风险防范、地面沉降分布与地灾风险评估等方面发挥作用。在应急监测方面，针对突发性灾害，利用国产遥感数据，分析灾害在遥感影像上的光谱、结构、纹理等特征，获取洪涝、地质、森林草原火灾等灾害范围及其发展演变情况。在损失评估方面，主要利用高分辨率遥感影像对受灾范围内房屋、道路等毁损实物的数量和程度进行分析和评估。在灾后恢复重建方面，国产遥感影像能对房屋规划重建进度、道路修复进展和生态植被恢复进程等进行时序的定期监测。针对国际灾害，国产遥感卫星数据已应用到阿富汗干旱、缅甸洪涝、老挝溃坝等重大灾害的应急快速制图服务中，为国际援助和应急救援提供了及时遥感信息服务。

图4 遥感卫星数据应用框架图

卫星遥感在应急管理中取得显著成效的同时，受多方面因素的影响，实际应用中还存在诸多问题，突出表现在以下三个方面：

一是缺乏卫星资源统筹调度，遥感数据存在冗余重复现象。由于遥感卫星资源及配套地面系统分布在不同的机构，针对重大灾害应急任务，卫星观测规划的协调机制尚未有效形成，导致卫星成像在时间上不衔接、空间上不统筹，造成灾区遥感卫星数据存在既多又少的问题。一方面在空间上重点关注的区域往往遥感数据集中，存在大量冗余，而其他灾区有效覆盖数据较少，难以有效获取全覆盖的灾区遥感数据；另一方面在时相上卫星连续协同监测还不够，定期获取灾区动态监测遥感数据还存在不足。

二是缺乏业务联动，遥感数据深度融合应用不够。卫星遥感数据作为一种有效的天基资源，能够实现对灾区的广域覆盖监测，但也需要与航空、地面监测、社会舆情、现场调查等各方面的资料进行复合分析，才能最大限度地发挥卫星遥感数据的应用效果。由于还没有形成协同联动工作模式，各类资料没有有效、及时的汇聚、共享和复用，导致卫星遥感数据应用容易出现低水平的重复，信息的时效性和可靠性降低，制约了卫星遥感应用成效的发挥。

三是遥感数据在灾害风险防范中的应用研究不够，缺乏信息共享与服务技术支撑平台。加强灾害隐患的排查与识别、灾害综合风险的防范是新时代防灾减灾救灾工作的迫切要求。长期以来，尽管以风云卫星为代表的遥感卫星在台风灾害的跟踪监测、短临灾害的预报预警等方面发挥重要作用。然而，遥感数据在洪涝、干旱、森林草原火灾、滑坡泥石流等自然灾害和人为灾害风险的应用研究还很薄弱，相应的模型方法储备不足。同时，跨部门、跨层级的应急管理遥感信息共享平台尚未建立，尽管已经建立了多个与防灾减灾救灾相关的技术系统，但在遥感信息共享标准、技术服务接口、信息交换共享协议等方面还存在较大差异，形成了多个封闭的技术系统，信息孤岛、信息壁垒现象不同程度存在，严重制约了遥感数据在应急管理中的支撑保障能力。

结束语

随着《国家综合防灾减灾规划（2016—2020年）》《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015—2025年)》的深入实施，针对新时代应急管理的新任务新要求，建立高中低轨卫星相结合，全谱段、宽覆盖、多分辨率载荷相配套，机动灵活、稳定运行的防灾减灾与应急管理卫星星座，实现对灾害事故的全天候、全天时、全要素、全球化动态综合观测和应急观测能力，将是应急管理领域国产遥感卫星发展的重要方向，必将为遥感卫星在防灾减灾救灾中的深度应用提供更为丰富的遥感数据资源。为强化灾害风险防范，落实《中共中央 国务院关于推进防灾减灾救灾体制机制改革的意见》和中央财经委员会第三次全体会议关于提高自然灾害防治能力的有关要求，在灾害遥感天基平台快速发展的同时，未来还要进一步完善国产遥感卫星数据的共享服务和任务协同联动机制，健全数据应用技术标准、业务规程和产品体系，配套建设相应的业务应用系统，加强天—空—地数据的融合应用，不断提高灾害风险监测与损失评估的智能化、定量化和精细化水平，为带动地方防灾减灾救灾遥感应用能力和推动全球化的灾害遥感国际服务提供更为有力的技术支撑。