面向自然灾害应急的卫星协同观测策略研究

和海霞 武斌 李儒 韩杏子



面向自然灾害应急的卫星协同观测策略研究

和海霞1武斌2李儒3韩杏子2

（1 国家减灾中心，北京 100124）（2 航天东方红卫星有限公司，北京 100094）（3 中国科学院遥感与数字地球研究所，北京 100094）

对地观测卫星因其宏观、快速、动态、准确的优点在防灾、减灾、救灾领域发挥着重要作用，是自然灾害应急不可替代的全球观测手段。现有的卫星协同观测存在灾后有效数据不能完全覆盖灾区、亚米级空间分辨率数据匮乏等问题，不能满足日益丰富的自然灾害应急管理需求。为充分发挥在轨卫星效益，提高灾区灾后有效数据覆盖率，文章深入分析自然灾害观测环境复杂、时效性强、观测要素多、观测范围大、观测密集度高等特点，围绕空间分辨率和观测频次等关键指标，梳理典型自然灾害应急观测需求。之后，结合灾害目标特点及其时空变化规律，综合考虑星地资源状况和约束条件，提出一种自然灾害事件驱动的基于目标优先级排序和时空约束的多星协同观测策略，对解决自然灾害应急观测期间“灾后数据多，有用数据少”问题具有借鉴意义。

自然灾害应急 协同观测 观测策略 航天遥感应用

0 引言

历经半个多世纪的蓬勃发展，对地观测卫星已形成强大的技术能力，在轨卫星数量和种类不断增加。目前，美国、俄罗斯、日本、欧洲等国家和组织的相关航天机构已陆续发射装备先进载荷的对地观测卫星；拉丁美洲、非洲和亚洲的部分国家也开始相应的航天计划[1-2]；我国已初步建成和正在建设气象、海洋、资源、环境减灾等卫星系列，以高分卫星系列为代表的新一代新型遥感卫星也正高速发展，卫星观测能力不断提升。对地观测卫星在国民经济建设、人类社会可持续发展和国防建设中发挥着越来越突出的作用[3]。

自然灾害具有大尺度、长周期时空演变、不确定性强等特点，是一个复杂的系统。如何准确、快速地获取多时空尺度信息是自然灾害应急观测亟需解决的关键问题。传统的灾害应急观测常采用站点、实地调查等方式，需投入的人力多、耗时长。卫星对地观测具有宏观、快速、动态、准确等特点，不仅可实现千米尺度的全球宏观观测和米级尺度的重点区域高分辨率观测，而且具有高时间分辨率的连续观测能力和针对特定目标的机动观测能力[4]，在防灾减灾领域发挥了重要的作用。对地观测卫星数据可用于高时效高频次监测损毁房屋、损毁道路、损毁农田、安置帐篷、次生灾害等要素，已成为防灾、减灾、救灾领域不可或缺的重要手段[5]。

目前，我国面向自然灾害应急的卫星观测技术正处于转型发展关键期，观测对象从国内灾害目标向全球灾害目标转变，观测数据从国外数据为主向国产自主数据为主转变，观测模式从服务研究型向服务业务型转变，观测手段从单星独立观测向多星组网协同观测转变。总的来说，自然灾害卫星观测已进入体系化发展和全球化服务的新阶段，但卫星数据获取能力和防灾、减灾、救灾需求不匹配等瓶颈性制约问题仍然存在，还不能满足全天候、全天时、全要素、全球化服务的灾害监测要求。

1 自然灾害应急卫星观测现状

自然灾害给人民生命财产安全及社会经济正常发展带来巨大威胁和造成严重损失。据全球紧急事件数据库统计，1996~2015年20年间，全球135万人因灾致死。21世纪以来，我国平均每年因各类自然灾害造成约4亿人（次）受灾，倒塌房屋约220万间，紧急转移安置超过1 000万人，直接经济损失3 400余亿元[6]。自然灾害应急已引起了全球的高度关注，人道主义组织和灾害管理者利用对地观测卫星在该领域开展了大量工作。

1973年美国密西西比河的洪水泛滥监测拉开了自然灾害卫星应急观测的序幕[7]。之后，在全球和区域范围内，在业务和科学研究层面，相关组织和机构开展了大量卓有成效的工作。其中，“空间与重大灾害国际宪章”（International Charter Space & Major Disaster）、“哥白尼应急管理制图服务”（Copernicus Emergency Management Service-Mapping）、“亚洲哨兵”（Sentinel Asia）等表现突出。截止到2017年12月31日，“空间与重大灾害国际宪章”启动了574次卫星应急观测与制图服务，“哥白尼应急管理制图服务”启动了279次卫星应急观测与制图服务，“亚洲哨兵”启动了263次卫星应急观测与制图服务。在国家层面，美国、德国、法国、英国、俄罗斯、日本、韩国等国家对地观测卫星数据协同获取与处理能力较强，已具备面向全球提供灾害监测服务的能力。其中，美国地质调查局（United States Geological Survey，USGS）建立的灾害数据分布系统（Hazards Data Distribution System, HDDS）面向全球自然灾害事件开展卫星观测数据和产品服务；德国卫星危机信息中心（The Center for Satellite Based Crisis Information，ZKI）和法国空间技术局（Centre National d′ Etudes Spatiales，CNES）领导下的遥感图像处理与服务区域中心（Service régional de traitement d′image et de télédétection，SERTIT），均面向全球自然灾害应急提供全天时遥感数据获取与处理服务。

由此可见，自然灾害应急观测在全球范围内已实现了业务化应用，但普遍存在数据保障不及时、有效数据覆盖率不高等问题。我国更是如此。根据2016年3月10日国务院办公厅印发的《国家自然灾害救助应急预案》，重特大自然灾害发生时，国务院及相关部门会启动应急响应机制，国家减灾委员会办公室、国家减灾中心开展相应灾害监测工作。自2008年汶川地震开始，先后针对玉树地震、舟曲特大山洪泥石流灾害等多次重大自然灾害开展应急监测工作，并应联合国外空司、受灾国、我国驻外使馆、外交部、财政部等倡议、请求和要求，通过国内外数据获取机制，组织开展澳大利亚大火、非洲之角干旱、缅甸洪涝、尼泊尔地震、孟加拉国洪涝、巴基斯坦洪涝等重大自然灾害事件应急服务，获得了各方广泛的好评。下面以国内重特大自然灾害为例，分析自然灾害应急观测现状和存在问题，具体内容见表1所示。

表1 典型灾害事件卫星应急观测现状及存在问题

Tab.1 The status and existing problems of satellite emergency observation in typical disasters

综上可知，随着我国一系列卫星的发射，面向自然灾害应急观测的卫星遥感数据获取能力在不断地提升，但还存在以下不足：

1）用于防灾减灾业务的卫星数量少，未能针对部分小型自然灾害开展全覆盖观测。现有卫星数量还不能满足全部破坏性自然灾害的观测需求，更不能满足全球观测的需要。

2）卫星运行管理和计划编制缺乏统一规划，未能针对灾前、灾中、灾后等自然灾害全过程开展持续观测；同时，在多灾并发时，出现卫星资源分配不均的现象，未能实现多灾种综合观测。

3）卫星载荷参数不高，未能针对致灾因子、承灾体、孕灾环境、灾情等灾害全要素开展定量观测。具体表现为用于农田受灾、道路损毁、次生灾害等信息提取的灾后中低空间分辨率影像有效覆盖率高，用于房屋倒损、灾民安置点监测的灾后亚米级高空间分辨率卫星影像有效覆盖率低，远远不能满足应用需求。

4）卫星观测策略缺乏，未能针对重要目标，开展精细观测。具体表现为重特大自然灾害应急观测期间，虽然可调度的卫星种类和数量很多，灾后卫星数据获取能力很强，但存在重灾区卫星观测数据大量冗余、其他地区有效数据严重缺乏的状况，不能满足应急需求。

造成现有问题的原因如下：

1）自然灾害成因机制复杂。自然灾害的形成原因不仅包括自然的“致灾”要素，人为的“受灾”要素，还包括环境的“成灾”要素，造成自然灾害发生地点随机和表现特征复杂，既有缓发型，也有突发型[10]。缓发型的自然灾害发生时，卫星有充足的时间调整观测计划；而突发型的自然灾害发生时，需要卫星及时调整观测计划，观测难度加大。

2）自然灾害造成的损失和影响复杂。自然灾害造成的损失和影响是致灾因子、承灾体、孕灾环境等各自然和社会要素之间的相互作用叠加，随着时间和空间不断发生变化，相应的卫星观测需求需要不断进行调整。在灾害发生初期，灾区信息不完备，随着信息的增多，重灾区或者重点关注区会发生变化，需要增加卫星观测任务或调整观测任务。

3）自然灾害破坏性强、影响范围大，需要建立空天地观测手段之间的协同机制，不仅需要航天观测、航空观测、地面观测等观测手段之间的协同，还需要多卫星之间的协同。

由此可见，如何针对自然灾害应急观测对象的特点，大幅提高灾区灾后数据的有效覆盖率，是一个亟待解决的问题。数量和种类日益增多的在轨卫星，为该问题的解决提供了可能。开展深入的应急观测需求分析是解决该问题的重要前提，制定科学的协同观测策略是解决该问题的关键。

2 自然灾害应急卫星观测需求分析

卫星常规观测通常采用提前预设观测计划模式，与自然灾害应急观测存在较大差异。自然灾害应急观测需要无条件抢占现有卫星资源，扰乱卫星的常规观测计划[11]，具有如下特点：

1）观测环境复杂。自然灾害灾区观测环境复杂多变。一是，自然灾害发生时，天气多变，气象条件不利于观测，光学卫星观测的难度大；二是，灾区地理环境复杂，难以在短时间内快速确定观测对象；三是，灾区通讯可能中断，常出现信息盲区，灾害初期难以获得准确的观测任务，观测存在一定的盲目性，后续需要调整观测任务的可能性比较大。

2）时效性强。自然灾害应急救援和救助任务紧急，卫星应急观测的时效性要求高，往往需要在特定的时间窗口内完成，有时甚至需要在重特大自然灾害发生后几小时甚至几十分钟内快速获取灾后有效数据，可供观测的窗口期时间较短。

3）观测要素多。自然灾害应急观测要素涉及灾害系统的最重要组成部分，可划分为三类：致灾因子要素，包括：洪水、台风、崩塌、滑坡、泥石流、积雪、冰凌、火点、海冰等；承灾体要素，包括：居民地、建筑物、构筑物、农作物、交通基础设施、水利基础设施、其他重要基础设施等；灾害救援和救助要素，包括：救灾帐篷、灾民安置区、救援物资堆放地等。

4）观测范围大。自然灾害尤其是重特大自然灾害影响范围大，卫星观测的空间范围需求大。例如：2008年汶川地震造成四川、陕西和甘肃3省152个县（市、区）受灾较重；2013年黑龙江流域性洪涝造成101个县（市、区）受灾；2013年四川芦山地震造成19个市（州）117个县（市、区）受灾。重特大灾害应急救援救助和损失评估工作要面向整个灾害影响区，卫星观测也需要在较短的时间窗口内尽可能覆盖整个灾害影响区。

5）观测密集度高。自然灾害要素时空变化快，需要卫星密集观测。一方面，自然灾害范围和灾情演进快，需要卫星开展多时相观测，例如：每天开展洪涝范围变化观测。另一方面，在不同的减灾救灾阶段，需要根据灾情信息的更新不断调整观测需求，适时增加观测目标，例如：应急初期重点观测房屋倒损和次生灾害分布情况；应急中期增加观测帐篷安置和救援力量及物资分布情况；应急后期重点关注恢复重建情况；整个应急期不间断观测道路和基础设施损毁与抢修情况。

根据典型自然灾害及应急观测特点，围绕空间分辨率和观测频次等关键指标，梳理典型自然灾害应急观测需求，如表2所示。

表2 典型自然灾害应急观测需求

Tab.2 Emergency observation requirements for typical natural disasters

3 卫星观测策略及模拟场景分析

自然灾害尤其是重特大自然灾害发生时，应急观测目标多、观测任务重、观测时间紧，可供协同调度的卫星数量多，如何制定一个基于目标优先级排序和时空约束的多星协同观测策略尤为重要。传统的应急观测策略，通常根据地理位置确定，未充分考虑重特大自然灾害的特点和灾区气象及地形条件的复杂性，缺乏科学的调度和合理的任务规划，可能造成部分地区大量的数据冗余，部分灾区有效数据严重匮乏的情况，影响卫星数据的有效覆盖率，造成卫星数据不能完全覆盖灾区。

自然灾害事件驱动的基于目标优先级排序和时空约束的多星协同观测策略是在有限时间和空间范围内，综合考虑自然灾害类型及等级、灾害要素时空分布、用户需求、空间分辨率、重访周期、成像模式、过境时间、轨道覆盖、卫星最长连续工作时间、星上存储容量、时间窗口和观测摆角、星地资源状况、气象条件、已获取数据状况等，根据观测任务的重要性和任务完成期限，合理安排多个卫星资源和时间窗口，对一系列待观测任务进行选取、排序及确定观测时间，实现时空最大化观测目标。基本流程如图1所示。

图1 基于目标优先级排序和时空约束的多星协同观测策略流程

1）观测目标确定。在自然灾害类型、等级和灾害要素时空分布分析的基础上，结合用户需求，确定观测目标。按照星载遥感器瞬时视场与灾区观测目标之间的相对大小关系，将灾区目标划分为点目标和区域目标[12]。点目标是指遥感器进行一次观测成像能完全覆盖的目标，例如：小型居民地、中小型水体、机场、小型次生灾害点、重要基础设施等。区域目标是指观测相对星载遥感器的幅宽较大，一次观测成像无法完全覆盖的目标[13-14]，例如：大型居民地、多个连片的小型居民地、大型次生灾害点、长度较大的道路、整个灾区等。

2）观测目标优先级排序。重特大自然灾害灾区点目标和区域目标数量多，空间范围大，卫星数据幅宽有限，每颗卫星的观测任务都只能覆盖有限个点目标或区域目标的局部[15]。因此，将范围较大、观测任务复杂的区域目标沿星下线方向进行分割，划分为固定宽度的带有观测时间信息的平行条带；将多个距离近的小目标进行合并，生成带有编号的场景。并依据人口密度、灾情严重程度、受关注度等对灾区观测场景划分优先级并分别编号。最后，参考卫星轨道参数、飞行径向、遥感器幅宽、最大侧摆角和最大俯仰角，在多个可见时间窗口内对带编号的场景进行观测。

无论从语言转换还是跨文化交际上看，译者的主体性都在其中发挥着至关重要的作用。查明建等（2003：22）对译者的主体性做出如下界定：译者主体性是指作为翻译主体的译者在尊重翻译对象的前提下，为实现翻译目的而在翻译活动中表现出的主观能动性。

3）观测策略制定。卫星观测策略制定要在目标优先级排序的基础上，遵循“多星共用，一星多用”的原则，充分考虑卫星特点和时空约束特征，制定相应的多星协同观测策略。例如：中低空间分辨率卫星幅宽较大，覆盖能力强，采用普查模式；高空间分辨率幅宽较小，覆盖能力低，采用详查模式。

具体来说，针对不同的灾害类型、灾害目标和灾害阶段，需要选择不同空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率的卫星影像。例如：洪涝、雪灾、旱灾、火灾、大型地质灾害、海冰、冰凌等范围比较大的灾害，在灾害发生最初期，亟需利用宽幅中分辨率数据实现灾区范围的初步预判；在灾害发生中、后期，亟需高空间分辨率数据覆盖全灾区，识别损毁目标及其变化。针对小型地质灾害、破坏性较小的地震等灾害范围比较小的灾害，高空间分辨率数据能直接覆盖灾区，在灾害全过程开展监测。

同时，不同的传感器类型，在不同类型灾害监测领域也各具优势。例如：雷达数据在洪涝、地质灾害等领域优势明显，热红外数据在森林草原火灾监测、干旱监测领域作用突出，高光谱数据在旱灾、病虫害灾害等灾害监测领域发挥着重要作用，可见光、近红外、短波红外数据在洪涝、雪灾、旱灾、森林草原火灾、海冰、冰凌等灾害的灾害范围监测和损毁评估发挥支撑性作用。表3将以“高分”系列卫星为例，具体阐述不同卫星能力和特点，在不同灾害类型和目标监测领域的具体作用。

表3 “高分”系列卫星在不同类型自然灾害应急中的主要作用分析

Tab.3 Major role of the different Gaofen satellites in the different disaster emergency response

卫星协同观测主要有四种模式：1）单卫星单时相观测多目标模式，即单颗卫星同一时间观测多个目标，例如：小型滑坡灾害，因为灾害范围小，“高分二号”卫星一次可完成滑坡体、损毁房屋、损毁道路等多个目标的同时观测。2）单卫星多时相观测多目标，即单颗卫星在不同时间重复观测多个目标，例如：小型洪涝灾害，“高分一号”卫星宽幅相机和高分相机可以在多个时间分别完成洪涝范围、损毁道路、损毁农作物等多目标观测，揭示洪涝灾害范围和损失的变化。3）多卫星单时相观测多目标，即多颗卫星在同一时间对多个目标进行协同观测，例如：大型滑坡灾害，“高分一号”、“高分二号”、“高分六号”等多个卫星协同，在同一天可完成滑坡体、损毁房屋、损毁道路等多个目标的同时观测。4）多卫星多时相观测多目标，即：多颗卫星在不同时间重复观测多个目标。例如：破坏性严重的地震灾害，需要不同空间分辨率、不同光谱分辨率和不同时间分辨率的卫星在不同时间协同观测损毁房屋、损毁道路、次生灾害、帐篷安置等多个目标。具体观测方式见图2所示。

卫星协同观测模式需根据卫星观测策略进行调整和优化，以具体实例进行说明。假设某地发生地震灾害，建立模拟受灾场景，按照图1流程制定观测策略。首先，确定模拟场景中观测目标，包括：重灾区和轻灾区、道路、人口密集点，如图3所示，蓝色区域为重灾区和轻灾区，绿色点为人口密集点，黄色线为道路目标。然后，对观测目标划分优先级，原则如下：

1）包含重灾区的场景直接设置为高优先级；

3）包含一个人口密集点区域、道路、轻灾区的场景设置为中优先级；

4）其他场景设置为低优先级。

图3 观测目标及优先级示意

按照以上原则，对每个区域的优先级进行划分，并确定观测策略结果如表4所示。

表4 区域划分与观测策略

Tab.4 Regional division and observation strategies

从表4可以看出，地震灾害发生后，不同空间分辨率的卫星观测区域各有侧重，能最大限度减轻目前业务中多个卫星集中观测重灾区造成的数据冗余现象，解决轻灾区由于缺乏卫星观测导致的数据匮乏问题。

4 结束语

本文充分借鉴全球卫星应急观测业务和科学研究相关工作，结合我国防灾、减灾、救灾业务实践，系统梳理了现有卫星观测不满足自然灾害应急期全天候、全天时、全要素、全过程、全球化的需求现状及其产生原因。在此基础上，根据自然灾害观测环境复杂、时效性强、观测要素多、观测范围大、观测密集度高等特点，围绕空间分辨率和观测频次等关键指标，开展了典型自然灾害应急观测需求分析，提出一种自然灾害事件驱动的基于目标优先级排序和时空约束的多星协同观测策略。

本文提出的多星协同观测策略贴近自然灾害应急观测需求，优化了现有的卫星观测策略，提高了卫星观测的针对性，减少了卫星观测的盲目性，有利于在给定的时间范围内尽可能多地覆盖目标区域，对提升灾后有效数据获取能力具有重要的意义，为现有卫星效益的发挥和将来卫星星座论证提供了技术支撑。由于灾害系统和卫星观测系统本身的复杂性，所提协同观测策略还不够全面、完善，还需要在具体的业务实践中进一步细化和验证。

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Research on Requirements and Strategies of Satellite Cooperative Observation for Natural Disaster Emergency Response

HE Haixia1WU Bin2LI Ru3HAN Xingzi2

（1 National Disaster Center of China, Beijing 100124, China）（2 DFH Satellite Co., Ltd, Beijing 100094, China）（3 Institute of Remote Sensing and Digital Earth, CAS, Beijing 100094, China）

Earth Observation satellites are irreplaceable in global observation because of their rapid, dynamic, and accurate advantages. They play an important role in disaster prevention, reduction, disaster relief and rescue cycles. The existed collaborative earth observation methods can not meet the increasing demand for natural disaster emergency management because the valid post-disaster data can not cover the whole disaster area and sub-meter high spatial resolution data are lack. At first, the characteristics such as natural disasters' complex observation environment, strong timeliness, multiple observational factors, large observation extent, and high observation density were analyzed. Then, key indicators such as spatial resolution and observation frequency were chosen to analyze the typical natural disaster emergency observation requirements. Afterwards, a multi-satellite collaborative observation strategy based on natural disaster event-driven and space-time constraints was proposed according to the characteristics of disaster targets and their temporal and spatial changes. This strategy is based on the resources and constraints of the ground and satellites, which can provide solution to increase the effective coverage area of post-disaster data and the usage of the on-orbit satellite.

natural disaster emergency response; collaborative observations; observation strategies; space remote sensing application

X43

A

1009-8518(2018)06-0091-11

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.06.011

2018-05-29

国家重点研发计划“静止轨道高精度高光谱探测体制研究”（2016YFB0500502）；国家自然科学基金“冬小麦旱灾致灾因子危险性高光谱遥感定量诊断研究”（41401605）共同资助

和海霞，女，1980年生，2009年毕业于中国科学院遥感与数字地球研究所，副研究员。主要研究方向为空间技术减灾应用。E-mail：hehaixia@ndrcc.gov.cn。

（编辑：庞冰）