高分四号卫星在防灾减灾中的应用实践

一、引言

卫星遥感技术是防灾、减灾、救灾工作的重要技术支撑手段，具备观测范围广、信息采集丰富、重复观测能力强等优势，可通过定期获取各类数据，及时发现风险隐患，并为灾害应急救援提供及时有效监测数据。近十年，随着卫星遥感技术的不断进步，数据获取时效性和服务能力逐年提升和加强，灾害遥感监测业务体系逐渐形成。

高分四号卫星作为遥感卫星中的独特一员，在灾害遥感监测领域发挥重要作用。高分四号卫星于2015年12月29日在西昌卫星发射中心成功发射，作为世界首颗地球静止轨道中高空间分辨率光学遥感卫星，兼具地球同步观测、中高空间分辨率成像优势，具有全色、蓝、绿、红、近红外、中波红外6个波段，星下点空间分辨率达50m（可见光近红外波段）、400 m（中波红外波段），可提供快速、高频次、中空间分辨率、大幅宽对地观测光学遥感数据[1]，在支撑日常条件数据获取基础上，凭借其快速响应能力强的优势，在应急数据获取中发挥作用。

卫星发射三年来，通过国内外数次重特大自然灾害应用实践，构建了针对高分四号卫星的防灾减灾救灾应用体系，形成了与业务需求紧密结合的独特成像特点，本文将在分析高分四号卫星特点基础上，介绍针对这一独特卫星的技术研发与应用实践情况，并围绕应急管理新需求、新要求，提出未来高分四号卫星的应用方向和发展建议。

二、面向灾害监测的高分四号卫星特点分析

1.观测模式多

高分四号卫星包括普查、凝视、区域、机动巡查4种主要观测模式[2]，具备面向不同观测范围和频次需求的差异化数据获取能力。普查模式下，卫星按照既定观测顺序，通过调整卫星观测指向，针对卫星成像能力全范围进行遍历观测，获取大范围观测数据。凝视模式下，卫星固定在某个观测角度，对特定地区（不超过1个单景观测范围400km×400km）开展持续拍摄。区域模式下，卫星可以针对2个以上（含2个）连续观测范围，通过调整观测指向开展区域观测。机动巡查模式下，卫星可以针对2个以上（含2个）离散观测范围进行交替观测，具备短时间内针对数个目标快速接续观测能力。

高分四号卫星的不同观测模式在防灾减灾救灾领域具备不同的应用方向和目的。普查模式重点应用于灾害日常监测，可实现灾害本底数据的有效获取，定期提取灾害系统要素的各项参数、指标，为灾害风险评估提供数据支撑。区域模式相比于普查模式数据获取的周期更短，可用于针对特定较大区域的数据采集，对于影响范围较广灾害（例如流域性洪涝灾害、雪灾、旱灾等）灾害范围监测发挥重要作用。凝视模式重点面向影响范围较小且变化速度较快的突发灾害（例如溃坝性洪涝灾害、森林草原火灾、大型滑坡泥石流、堰塞湖等），通过开展定点高频观测，准确获取灾害范围及动态变化，是开展灾害应急监测的重要手段。我国灾害种类多、分布广，多灾并发情况突出，机动巡查模式则重点针对多灾并发情景，可同时针对2个以上（含2个）离散重大灾害事件开展交替式监测，同时满足多个任务需求，提升多灾应对能力。

2.响应速度快

高分四号卫星依托其地球静止轨道优势，可随时接收地面指令开机拍摄并下传数据，具备突发灾害当天申请观测、当天开机拍摄、当天获取数据、当天完成监测产品（天气条件允许）能力，有效支撑突发重特大灾害监测需求。

卫星数据从需求提出到数据获取需要经历任务安排、指令上注、开机拍摄、数据下传、数据处理等诸多环节。在高分四号卫星在轨测试期间，开展了数据获取时效性测试，分别选择了凝视、区域、机动巡查三种工作模式，详细记录各阶段所需时间。由于数据分发系统、数据传输链路等多因素影响，在数据下传、处理阶段存在较大不确定性，从数据需求提出到观测数据获取的时间最短为 1 h 10 min，最长需要 5 h 33 min完成（卫星开机拍摄工作时间在19～30 min）[2]，但仍可满足当天任务需求提出并获取数据的要求。

溃坝性洪涝灾害、重特大山体滑坡等灾害具有一定的突发性，洪涝、森林火灾等灾害演进速度快，高分四号卫星凭借其响应速度快的优势，可迅速获取灾区影像。在投入业务应用后，高分四号卫星参加了江西洪涝、大兴安岭森林火灾等突发重特大灾害应急监测工作，实现了数据的快速获取，为灾害应急救援提供了重要数据支撑。

3.观测频率高

高分四号卫星观测频率高主要体现在两个方面：一是其地球静止轨道降低了数据获取间隔；二是其面阵探测器具备单波段连续成像能力。

对地观测遥感卫星大多运行在太阳同步轨道，根据幅宽、轨道高度等参数不同，重访周期在数天至数十天，数据获取时间间隔较长。高分四号卫星作为地球静止轨道卫星，可以在白天任意时刻获取可见光近红外影像，并且在夜间获取中波红外数据，数据获取时间间隔明显缩短。

高分四号卫星相机采用面阵CMOS探测器和面阵红外探测器，可对同一目标进行重复观测，获得秒级高时间分辨率遥感影像。高分四号卫星重复观测主要分为两种模式：一种是单谱段成像模式，其中，中波红外重复观测时间为1s，可见光近红外单谱段重复观测时间为 5s；一种是全谱段成像模式，即顺序完成各个谱段成像，每个谱段的成像时间为5s，相邻谱段的切换时间为10s，可见光近红外全谱段成像需要约75s。灵活的成像模式为高分四号卫星应用提供了诸多选择[3]。

高分四号卫星高频率观测为灾害应急监测提供了重要支撑，主要表现在以下两个方面：一是增加了有效数据获取的可能性。突发重特大灾害往往伴随恶劣气象条件，云层覆盖降低了数据获取的有效性，高分四号卫星凭借其轨道特性，增强了数据获取能力，通过高频次观测，可在云层散去后快速获取有效数据，从而为灾害应急工作提供第一手数据。二是提升了灾害变化跟踪能力。突发重特大灾害变化趋势快，通过高分四号卫星可实现对灾区的准实时跟踪，及时了解灾区动态变化，提升了遥感影像服务时效性。

4.影像幅宽大

高分四号卫星数据有效幅宽达到了400 km，与现有同等分辨率极轨卫星影像相比，具有明显优势，主要表现在以下两个方面：一是提升了数据获取的完整性。极轨卫星受轨道、幅宽等因素影响，存在灾区无法观测完整的情况，大幅宽数据可以在单景影像中获取重灾区甚至全灾区完整数据；二是降低了数据处理复杂度。数据预处理工作是开展信息提取的前提，大幅宽数据可以降低数据预处理工作的数量，提升了数据处理时效，更好地为应急工作提供及时、有效的数据支撑。

三、高分四号卫星减灾应用实践

1.产品体系构建

在原有灾害遥感监测业务产品体系基础上，通过与高分四号卫星能力和特点相结合，形成了针对高分四号卫星数据的产品体系（见图1）。

图1 高分四号卫星灾害监测产品体系

高分四号卫星产品体系仍按灾害遥感监测业务流程分为本底影像产品、灾害要素与特征参数产品、灾害范围与损失监测产品与恢复重建监测产品。本底影像产品是指全国、重点区域基础本底数据，主要为灾害应急提供快速灾前影像产品服务。根据高分四号卫星成像能力，灾害要素与特征参数产品选择灾害系统目标，定期了解其分布及状态，为灾害风险评估提供数据支撑。灾害范围与损失产品是在应急期间开展灾害范围监测与损失评估形成的业务产品，按照适用的灾种及承灾体类型细化。恢复重建监测产品包括针对重要承灾体及生态环境的恢复重建监测产品。

2.业务应用实践

（1）本底影像产品

本底影像产品是指经过数据预处理后根据年份、季节、区域分类存储的影像产品，是开展基础信息参数提取、灾害应急影像对比的重要基础数据。高分四号卫星普查模式可有效实现全国甚至周边一带一路沿线国家大范围观测影像，在开展遥感数据精校正基础上，开展图像拼接镶嵌、匀光匀色等工作，定期形成全国及部分重点区域高分四号卫星影像图。

（2）灾害要素与特征参数产品

在日常条件下，利用高分四号卫星数据在开展相关特征参数提取基础上，对致灾因子、承灾体、孕灾环境等灾害系统主要组成要素开展定期、持续、动态监测。

根据高分四号卫星数据特性，重点开展洪涝、雪灾、干旱等灾害监测与损失评估工作，地表反照率、植被指数、植被覆盖度、水体指数等为高分四号卫星减灾救灾应用的重要基础数据（见图2）。

图2 高分四号卫星特征参数反演图

针对干旱、洪涝、雪灾等自然灾害，结合高分四号卫星数据特性，开展水体、积雪、冰凌等灾害系统要素监测工作，并定期获取其动态变化过程（见图3a）。农田、居民地分布情况等承灾体信息是开展灾害损失评估的重要基础数据，高分四号卫星具有高时间频次观测特性，从而为地类识别提供了特有技术和方法（见图3b）。

图3 高分四号卫星灾害系统目标分布监测图

（3）灾害范围与损失监测产品

高分四号卫星以其响应速度快、观测频率高、覆盖范围广的优势，在洪涝、干旱、森林草原火灾等灾害监测中发挥了重要作用。

溃坝性洪涝灾害具有突发性强、变化快等特点。针对溃坝性洪涝灾害，高分四号卫星充分发挥其观测优势，基于可见光近红外谱段数据，快速、准确识别洪涝灾害区域，为应急救援工作提供支撑（见图4）。2016年6月20日晚7时，江西省上饶市鄱阳县滨田水库泄洪道河堤（滨田河）出现堤身溃口。受光照条件所限，当晚未能开展有效观测，但于21日早8时快速获取高分四号观测数据，准确提取洪涝淹没范围，并在随后持续跟踪灾害范围变化。2018年8月，山东省潍坊市寿光县弥河出现决堤，当天紧急申请并获取高分四号卫星观测数据，迅速开展灾害范围监测工作。

图4 高分四号卫星溃坝性洪涝灾害监测图

针对流域性洪涝灾害影响范围广的特点，高分四号卫星充分发挥其幅宽大的优势，减少数据处理量，为灾害应急工作提供了强时效性观测数据。2016年7月，湖北省汉江流域发生严重洪涝灾害，高分四号卫星数据仅利用 2 景数据完成了灾区全覆盖，有效提取了洪涝灾害动态范围（见图5）。

图5 高分四号卫星流域性洪涝灾害监测图（湖北，2016-07）

在干旱灾害应对期间，基于高分四号卫星可见光近红外波段数据，提取植被指数及典型水体面积，并通过与往年同类数据对比，开展植被长势监测及重点水库蓄水情况，间接反映干旱灾害状况及趋势。2016年，受持续高温少雨天气影响，内蒙古中东部地区发生重特大干旱灾害，高分四号卫星发挥其载荷及幅宽优势，成功应用至大范围植被长势与水体面积变化监测之中（见图6）。

图6 高分四号卫星干旱灾害监测图（内蒙古，2016-08）

森林草原火灾具有突发性强、变化速度快等特点，高分四号卫星以其快速响应及高频观测的优势，在森林草原火灾监测中发挥作用。高分四号卫星搭载的可见光近红外相机和中波红外相机均较为适合森林草原火灾监测。森林草原火灾伴随局地高温，中波红外波段对高温地物较为敏感，此外可见光近红外波段则可用于浓烟及火烧迹地的识别，两者相互配合形成针对森林草原火灾的全链条监测。2018年6月初，大兴安岭发生 2 起严重森林草原火灾，在前期充分发挥中波红外优势，准确识别火势变化，在火灾扑灭之后，采用可见光近红外数据准确识别火烧迹地，服务于损失评估工作（见图7）。

图7 高分四号卫星森林火灾监测图（内蒙古，2018-06）

（4）恢复重建监测

恢复重建监测是灾害管理的重要组成部分，高分四号卫星凭借其高频观测优势，提高了数据监测密度，准确识别灾害恢复状况。受制于其50 m空间分辨率，高分四号卫星较为适用于针对重大洪涝灾害退水及植被恢复状况监测工作。2016年，高分四号卫星成功应用至湖北重大洪涝灾害恢复状态监测中（见图8）。

图8 高分四号卫星洪涝灾害灾后恢复监测图（湖北，2016-07）

（5）国际重特大灾害监测

高分四号卫星位于地球静止轨道，对我国周边一带一路部分国家具备良好监测能力，在满足国内突发重特大灾害应急监测的同时，高分四号卫星积极参与国外重特大灾害应急监测工作，为周边国家灾害应急救援提供帮助。2017年5月，孟加拉东北部发生了严重洪涝灾害，西北部6个区受灾严重。基于2017年5月4日高分四号卫星数据，开展水体面积提取，并与2015、2016年同期水体面积开展对比，准确识别洪涝灾害范围（见图9）。

图9 高分四号卫星孟加拉2015-2017年水体范围监测图

四、未来应用建议

高分四号卫星自发射以来以其独特的轨道和成像优势，为灾害监测提供了重要数据支撑，面向灾害监测的产品体系逐步完善，理论技术体系逐步形成，在数次国内外重特大灾害应急监测中发挥了重要作用。但是，对照新时代应急管理的新任务、新要求，数据获取时效性、产品精度等方面仍需进一步加强，因此，对高分四号卫星应用提出如下展望：

进一步优化运管机制。高分四号卫星具有较强的快速响应和高频次观测能力，但由于高分四号卫星从观测需求提出到数据推送至用户需要经历多个环节，数据时效性服务能力与数据成像能力尚不匹配。建议进一步优化观测计划申请与数据传输机制，研究各项任务特点，在各个环节设立应急机制，确保观测计划优先安排、数据优先下传、处理及推送，提升数据的时效性。同时，由于受制于天气情况，数据获取有效性存在较大不确定性，建议构建数据有效性处理机制，根据实际成像情况，及时添加后续观测任务。

进一步加强定量应用。目前，高分四号卫星的定量化仍处于科研阶段，相关技术的业务应用程度仍存在明显不足，部分业务产品仍处于定性分析阶段，一定程度上影响了产品的服务能力。今后，建议针对高分四号卫星特点，加强数据辐射定标工作与关键参数反演验证工作，并与实际业务紧密结合，从目标精度要求反推各级产品精度，构建高分四号卫星定量化应用精度指标体系，提升产品准确度。

进一步挖掘数据潜力。现阶段，高分四号卫星仍处于“单打独斗”的局面，尚未构建与传统极轨卫星系统化、体系化协同应用的模式和技术体系，高分四号卫星数据应用技术和方法也多建立在原有极轨卫星应用技术方法的改进和升级上，尚未凸显高分四号高频次观测特性，对高频次观测数据蕴含的丰富信息挖掘不够。今后，加强高分四号卫星与极轨卫星数据在任务观测、数据融合、信息挖掘等方面的协同应用，充分发挥其快速、灵活、高频观测优势，依托大数据、人工智能等分析手段，构建基于高频次海量观测数据的信息挖掘技术。