航天遥感技术与重大自然灾害管理

周一鸣 郭世亮 梁巍

周一鸣，北京空间科技信息研究所情报室主任，清华大学自动化专业博士毕业，曾任中国空间技术研究院研究发展部、总体设计部系统研发主管工程师，主要从事航天领域的科技情报研究、空间基础设施发展论证、应用与产业化发展等方面的工作。发表各类论文40余篇，科研成果获国家国防科技进步三等奖1项，省部级科技奖2项。

当前，重大自然灾害已经成为影响和威胁人类经济社会可持续发展的关键因素。为有效应对重大自然灾害，国际上已经形成自然灾害管理的概念，而且逐步认识到并证明，航天遥感在自然灾害管理中有不可替代的优势和作用。因此，重大自然灾害管理是航天遥感技术面临的重要命题，本文拟从重大自然灾害管理的角度，对一些科学问题和航天遥感所面临的技术挑战进行分析，提出一些思考和建议。

重大自然灾害管理是航天遥感技术应用的重要领域

（一）重大自然灾害与自然灾害管理

所谓重大自然灾害，应该是对人类生存和发展、经济社会发展、国家和地区安全、生态环境、乃至人类的生活、生产方式产生重大影响或严重危害的自然灾害。现代人类文明的发展进步使得人口和财富更加集中，虽然科技水平和防灾救灾能力不断提高，但在重大自然灾害面前也更易产生重大损失、次生灾害，甚至链式效应。例如，2011年3月11日的日本地震海啸灾害，造成损失超过1800亿美元，死亡达14704人，并导致了核电站泄露等严重的次生生态灾害，影响超过了1986年的苏联切尔诺贝利核电站事故。可见，现代化的建设使得自然灾害作用于人类的破坏性在日益增大，全球范围内的重大自然灾害形势日趋严峻。

据联合国国际减灾署（UNISDR）在2018年10月10日最新发布的报告显示，最近20年（1998—2017）自然灾害给全球造成的经济损失达29080亿美元，相比上一个20年增加2.2倍。欧盟和世界银行在2011年发布了名为《利用高分辨率遥感卫星数据评估城市自然灾害危险》的研究报告，预测了自然灾害对人类社会的影响趋势，指出全球快速城市化将导致受灾人口成倍增大，灾害损失日益增多。

表1 欧盟和世界银行在报告中的预测

虽然自然灾害不可避免，但是却可以通过合理的科学技术和组织管理手段，来认识灾害的产生机理和演变规律，预测灾害的发生，预防、减缓、甚至避免自然灾害造成的损失，实现灾后恢复，即以“灾害管理”的理念建立起一套人类应对自然灾害的科学技术和组织管理体系，这就是国际上公认的自然灾害管理的概念。

由于自然灾害是一个宇宙系统和地球系统相互作用并受到人类活动和文明发展影响的一个复杂的、巨系统的问题，因此自然灾害管理可以说是一个与几乎所有自然科学、人文社会科学以及所有技术领域相关的，极为复杂的科学技术与组织管理体系，是一个凝聚全人类智慧和力量，适应自然、改造自然，以实现与自然界和谐共处为最高目标的过程。

图1 美国EOS系统组成示意图

（二）航天遥感技术在自然灾害管理中的作用与优势

航天遥感技术在自然灾害管理中具有不可替代的优势和重大潜力，通过航天遥感技术的广泛应用，能够提供全球范围内的长期观测和感知手段，为灾害机理研究、灾害预报和防灾救灾提供技术支持，极大地丰富人类认识自然灾害的手段；能够为灾时救援和灾后恢复重建提供地理勘察、重建规划等遥感服务支持，显著提高人类应对自然灾害的能力。当前，世界各航天大国都将自然灾害管理列为航天活动的重要领域，高度重视长期持续的、多手段的航天综合遥感能力建设，已建成以EOS（美国）、Copernicus（欧洲，原GMES）为代表的应对自然灾害的综合性天基系统，并在应对重大自然灾害的过程中发挥了重要作用。

1. 典型的综合性遥感卫星系统

（1）地球观测系统（EOS）

地球观测系统是美国宇航局（NASA）制订的一项大型地球观测计划，是一项全球性的国际合作项目，致力于将地球作为一个整体，利用不同轨道的众多卫星搭载多种遥感载荷进行观测，提供有关地球大气、海洋和陆地的综合数据，供多个学科开展自然灾害监测和灾害机理等方面的综合研究（图1）。目前，EOS已完成任务47项，在轨工作任务29项，即将实施的已规划项目26项。

（2）哥白尼计划（Copernicus，原GMES）

哥白尼计划是欧盟继“伽利略”计划之后又一项重大航天发展计划，该计划意在整合欧洲的遥感卫星资源，以实现并高效开展全球性的环境和安全监测（图2）。哥白尼计划将提供有关环境与安全的高质量数据和信息，以实现欧洲长期可持续发展战略目标。

（3）灾害监测星座（DMC）

该星座计划提出了一个国际合作性对地观测星座的发展概念，目前参加该计划的有英国、中国、西班牙、土耳其等国家。该星座由多颗多光谱卫星组成，每颗卫星都由某个成员国单独负责运行，而每颗卫星每天数据量的5%将被共享用于自然灾害监测。其中，我国以“北京一号”加入了该组织，配合DMC星座，每天提供全球灾害监测用图像。

2.航天遥感技术在重大自然灾害中的应用举例

（1）航天遥感技术在美国飓风监测中的应用

2011年5月22日，美国遭受一场破坏性极强的飓风袭击。在这次灾害中，美国和欧洲的多颗光学和SAR遥感卫星对飓风进行了全程实时监测（图3），美国宇航局戈达德空间飞行中心还利用卫星采集的飓风到来之前、之中、之后的连续图像数据进行影像模拟，推演出飓风行进过程，并发出了飓风路径预警。随后，针对飓风强度预测能力不足等教训，美国开始尝试利用搭载微波辐射计的在轨卫星，开展了监测热带风暴结构的发生机理、动态变化及预测其强度突变的系统研究，并已经取得初步研究成果。

（2）航天遥感技术在澳大利亚山火监测中的应用

2009年2月，澳大利亚东南部爆发大面积森林火灾，造成重大损失。由于澳大利亚东南部森林面积大，当地政府在监控森林着火点和制订灭火方案方面面临严重困难，因此澳大利亚政府向包括中国的多个具备航天遥感能力的国家发出了援助请求。接到澳方请求后，中国国家减灾中心迅速调整环境-1（HJ-1）星座的卫星姿态，昼夜收集数据，以最快的速度向澳方连续提供火场地区大量高清晰度的卫星图像数据（图4），并分析推理出潜在可能的火点，为澳方灭火救灾给予了重要的支持，得到了澳大利亚政府的高度赞扬，同时也展示了我国在国际事务中的大国地位与国际责任，获得了世界范围内的广泛好评。

图2 哥白尼计划中的遥感卫星示意图

图3 航天技术监测美国飓风

图4 中国航天技术监测澳大利亚山火

重大自然灾害管理对航天遥感技术的挑战

重大自然灾害管理涉及复杂的科学问题，迫切需要航天遥感提供助力支撑，但也对航天遥感技术提出了诸多挑战。

（一）与航天遥感相关的科学问题

1.地球系统运行演变与自然灾害的关系

在人类发展的漫长年代里，地球系统一直在按照一定的规律演化和发展着。在这种演化和发展过程中，地壳运动和大气运动起着至关重要的作用，从而导致地震、火山喷发、滑坡、暴雨、洪水等地球系统内部的自然灾害频频发生（图5）。从某种角度说，要想理解这些自然灾害的产生原因和运行规律，首先要分析地球系统演化和发展的动力、机制与方式。

2.地外天体和宇宙演变与自然灾害的关系

地球是一颗宇宙天体，环境变异甚至是灾变乃是宇宙演变中的寻常事件。而地球本身又绝非是孤立的，时刻同四周的宇宙存在着物质或能量的交换。因此，自然灾害也与宇宙演变、地外天体存在着密切的关系，NASA已将地球科学和行星科学划归在同一个科学主题下开展研究，基于天文学和地球动力学的天文地球动力学研究领域就是在这种认识背景下诞生的，其主要研究内容之一就是宇宙演变与自然灾害的关系。此外，非合作性的地外天体威胁也是人类生存与发展所面临的重大现实威胁，比如通古斯小行星撞击事件、太阳风暴爆发等。

图5 地球系统运行演变引发的自然灾害

3.自然灾害的机理及其演变规律

人类对自然灾害的认识是逐步深入的，由于自然灾害往往是与很多问题耦合在一起的，因此短期内的灾害机理研究往往被限于局部，在一定程度上是近似的。因此，要想最大程度地避免、减缓自然灾害所带来的威胁和损失，必须具备动态修正、不断深入的思维，基于宇宙和地球的整体大空间尺度的研究视角，重视科学理论研究和工程技术验证两方面的相互牵引和循环支撑的研究方法，螺旋上升式地理解自然灾害的机理与演变规律，以实现自然灾害管理的终极目标。

4.各类自然灾害之间的联系与相互作用机理

越来越多的自然灾害实例说明，各种自然灾害的发生并非彼此孤立而是存在着地下、地表、地上的灾害链效应。研究地球各圈层之间的相互关系，特别是研究陆圈与气圈之间的交互作用和耦合机制，是研究自然灾害预测预报的重要生长点，也是地球物理科学的新的重要领域。近些年，关于旱震关系、地温与降水关系、日地关系、日蚀与旱涝关系、引潮力与地气关系、天地运动与天灾关系，都揭示出自然灾害具有明显的非线性、开放性、群发性、并发性等特性。

5.人类活动对自然灾害的关系与相互影响

自然灾害系统在发生和发展过程中对人类社会造成一定的影响，但人类社会的经济和社会活动,也反馈于自然灾害系统，共同促进自然环境变异，而自然环境变异对人类的生存和活动，自然灾害的形成和发展，又起着反馈作用。它们之间是相互作用、相互联系、相互影响而形成了一个具有一定结构、功能、环境和特征的整体。从系统论的观点来说,这一整体就是自然灾害系统。比如，巴西政府在1970年做出了开发亚马孙地区的决策，多年的滥砍乱伐和夺林造田导致被誉为“地球之肺”的亚马孙丛林面积减少一半以上，并直接导致了欧洲乃至全球范围内的环境恶化。目前，欧洲已经将该问题上升为影响国家和人类生存的安全问题；并有专家预测，如果亚马孙的森林被砍伐殆尽，地球上维持人类生存的氧气将减少 1/3。

（二）重大自然灾害管理对航天技术提出的挑战

综合以上科学问题不难看出，重大自然灾害机理研究与预测的前提必须建立在全面、广泛、深入、细致、持久的认识自然的基础上，对地球系统运行演变规律与致灾机理、自然灾害的征兆与发生过程、各类自然灾害之间的联系与相互作用等主要问题有足够深入、完整的认识。这些问题对航天提出了一些新的挑战和迫切需求，分解来看，尤其是以下8个方面需要引起高度重视。

1.温室气体监测

发展有效的高分辨率与超高分辨率光谱仪、激光遥感仪器等遥感卫星技术，监测二氧化碳向氧化亚氮、甲烷等其他温室气体的扩展过程，提供全球范围内的高精度、高时空分辨率以及适当尺度的温室气体及其循环过程监测数据。

2.太阳辐射收支测量

发展有效的照度监测仪、偏振测量仪等遥感卫星技术，测量地球对太阳辐射的吸收量以及地球以辐射形式释放的能量，获得气候变化的基本参数，支持对地球气候变化最主要的驱动力和主导因素的研究。

3.降水测量监测

发展有效的专用降水测量微波雷达、气象监测等遥感卫星技术，测量并描绘云特征以及与其相关的降水过程，加强对降雨的数量以及区域分布格局方面的详细分析，促进气候变化研究取得突破性进展。

4.土壤湿度与海洋盐度测量

发展有效的L波段综合孔径微波辐射计、主被动联合探测盐度计、海洋监测、陆地监测等遥感卫星技术，监测全球土壤湿度，绘制海表盐度，进而深入了解全球水循环，更好地进行远期天气预报与季节预报，预测干旱、大范围冰雪等极端气象灾害。

5.地质灾害监测

发展有效的干涉雷达、激光雷达、重力场测量等遥感卫星技术，对地表形变进行测量。将地表的变化、形变作为地震、火山爆发和山体滑坡等地质灾害预报的重要指标。

6.地震监测

发展有效的电离层探测、红外探测、地磁场测量、重力场测量等遥感卫星技术，获取和监测地震发生前后的电离层异常、红外辐射异常、地壳形变等现象和数据，为地震预测提供研究支撑。

7.环境污染监测

发展有效的多光谱/高光谱遥感器、微波遥感器、掩星探测、气象监测、静止轨道污染事件监测等遥感卫星技术，对地球大气、水体、土壤等环境污染现象进行测量。监测气溶胶、臭氧层、海洋漏油、水体污染、赤潮、土壤污染等数据。

8.火险监测

发展有效的红外遥感器、激光雷达、成像光谱仪、气象监测等遥感卫星技术，对森林、草原等重点区域提供火灾预警信息，对处于火灾危险的居民区内燃烧物（植被和建筑物）进行制图，为火灾风险评估和火灾发生模型的输入提供高精度的数据。

思考和建议

重大自然灾害管理是一项涵盖了科学理论研究和工程技术验证的复杂的系统工程，航天技术不可能解决所有的问题。但是，航天遥感作为重要手段之一，与其他各类技术手段有机结合，将显著地增强我国对重大自然灾害机理和发生规律的认知能力。特别是在长期持续监测、全球大尺度测量、综合环境感知等方面，航天遥感技术具有其独特和不可替代的优势。据此，建议除进一步拓展航天遥感技术在减灾救灾中的应用外，应同步努力提升、完善发展航天技术在自然灾害监测、预测中的应用能力，并努力将航天技术融入自然灾害产生机理和演变规律的科学研究中去，以探索应对重大自然灾害的最优解决方法。