基于资源三号以及多源数据统筹的应急遥感服务保障

文 | 胡轶之 王鸿燕 欧阳斯达 刘锟自然资源部国土卫星遥感应用中心

一、前言

我国是世界上遭受自然灾害最严重的国家之一，灾害种类多、发生频率高、分布地域广、造成损失大。2010年12月以来，多个系列国产高分辨率遥感卫星的相继发射和在轨稳定运行，为实现应急救灾快速响应以及灾害区域的持续观测提供了充分的可行性。通过有效整合利用国家卫星资源，加强地方和各部门应对突发事件的能力，健全国家测绘应急保障工作机制，提高应急测绘保障能力。

二、资源三号卫星应急保障能力

资源三号卫星是我国第一颗自主的民用高分辨率立体测绘卫星，具有立体测图功能，测图精度高，影像数据量大，处理速度快，应用范围广，实现了国内遥感卫星领域的多项第一。通过立体观测，可为国土资源、农业、林业等领域提供服务，填补了我国立体测图这一领域的空白。资源三号系列卫星以其大视场、高精度、高分辨率等优势，所拍摄的立体影像除了测绘工作上具有奠基性意义外，对于如地震、山崩、滑坡、泥石流、洪水、山火等灾害的应急救灾指挥决策也具有决定性的意义。

资源三号01、02、03星分别于2012年1月、2016年5月及2020年7月发射升空，轨道高度为506km，每颗卫星回归周期59天，重访周期5天，单景有效覆盖宽度和立体有效覆盖宽度均大于50km。3颗卫星与2019年11月发射的高分七号组成了我国民用立体测绘卫星星座，在紧急情况下可通过32°以内的侧摆实现特定区域每天一次的应急测绘服务能力。

快速、高效的应急测绘保障能力是资源三号卫星及其应用系统的设计理念和职能之一，具体体现在：1）影像产品正视全色分辨率2.1m，多光谱分辨率5.8m，平面无控精度10m，高程测量精度优于5m，具有高精度高分辨率的特点,可为防灾救灾中的交通恢复、物资运送、现场救援等提供强有力支持。2）提供常规和应急两种影像获取和生产模式，应急测绘模式下最快30min之内完成应急拍摄计划，应用系统保障30景数据处理时间小于24h。3）目前已利用前、正、后视三线阵影像制作并形成全国15m数字表面模型（DSM）数据库，在自动化生产模式下0.5～1h内高效快速地完成DSM及数字正射影像（DOM）产品生产。通过高效快速地生成应急监测产品，全面、准确、及时地掌握灾害现状，为受灾范围识别、灾害强度判断以及灾后损失评估提供技术支持，为应急救援提供决策支持。

三、应急服务流程

灾情发生后，如何在第一时间获取灾害发生地区的高分辨率遥感影像、国情矢量数据、社会经济数据等并开展空间信息分析；如何最大化利用遥感卫星资源获取灾后数据；如何快速生产出应急指挥所需的变化分析与灾情态势分析产品是应急保障服务中的关键问题。

在自然资源部门，灾害或热点事件发生后，一般由主管业务司局或舆情触发应急响应。卫星遥感应用中心立即开展灾情信息分析，从影像数据库中查询最新灾前三线阵立体数据并生产正射影像图和数字高程模型，制作灾情态势图。同时根据轨道预报分析各颗卫星将来一周内的过境区域，制定卫星拍摄序列。对于关注度高、重要性大的应急事件，在安排国产公益性卫星拍摄的同时，开展国内外商业卫星影像获取统筹。一般获取灾后数据4h内完成灾情分析产品的生产，并根据需要推送至前线指挥部门和相关单位。

资源三号卫星自成功发射以来便积极响应卫星应急保障工作，双星先后保障200余次应急工作，共提供灾前灾后影像超过千景。在2012年云南火灾、芦山县地震，2013年东北水灾、浙江余姚水灾，2014年云南鲁甸地震等抢险救灾和灾后评估的响应工作中提供了高清晰的卫星影像，以及DSM立体影像产品。之后，与其他高分卫星一道，逐步建立影像统筹快速响应、影像图件快速处理、影像成果快速分发的应急技术方案和工作流程，可实现灾后每日不少于2次的卫星观测和数据获取、卫星过境6h内接收数据、接收完成后1h内处理成图并向相关单位推送数据的应急响应效率。到2019年，已整合统筹国产公益卫星10颗、民用商业卫星8颗等卫星资源，统筹安排卫星观测计划，充分调动各类光学、雷达等卫星资源，联合开展“聚焦式”灾后卫星协同观测，尽最大可能获取灾后卫星影像。自然资源部国土卫星应急遥感服务工作流程见图1。

图1 自然资源部国土卫星遥感应用中心应急遥感服务工作流程

四、构建应急保障服务体系

灾害发生时因其突然性，单一卫星（星座）甚至单个部门所管理调度的卫星资源往往难以满足应急测绘保障对时效性的需求，应开展面向应急服务的公益卫星数据源统筹，建立应急数据获取共享机制，最大化地利用国内已有卫星资源。同时，探索建立遥感影像应急备灾综合库，在此基础上利用大数据分析提前开展灾害易发区历史灾情分析、人员财物损失分析、影响范围评估等灾害预警工作。面向水灾、泥石流、滑坡等气象和地质灾害，建立雷达卫星灾害监测技术体系，对光学卫星受云雾影响较大的缺陷形成有力补充。

1.开展数据源统筹

（1）强化应急数据获取

通过强化应急测绘数据源建设，运用天、空、地立体化的监测手段和数据获取技术能够实现多传感器、多平台的应急监测数据源统筹。根据不同灾害类型和灾害的紧迫性，考虑当前主要航天遥感器的轨道和特性，能够制定应急数据多星调配方案。以国产遥感卫星为主，综合其他遥感卫星数据源，能够形成满足全天时、全天候的应急航天数据源。有效整合有人机、无人机和地面应急监测车数据，实现近地表-地表多源数据的快速获取。

（2）联合部门共建共享

灾害发生时，单一部门的数据源调度能力往往无法满足应急测绘服务保障的需求，联合减灾、环保、气象等部门开展应急救灾工作，丰富应急救灾数据，建立多渠道、多途径快速获取和共享信息的运行机制，形成多部门联动应灾，能够实现应急多源信息的灵活集成、高效共享以及一体化管理，提高应急救灾综合信息获取能力。

（3）加强国内外数据获取合作

为弥补国产卫星影像获取能力和传感器类型的短暂性不足，大力引进商业机制，通过国产卫星与其他国际卫星协同工作，数据共享与交换，以及通过购买等手段，获取满足应急监测的全时段全覆盖影像数据。逐步实现“外星内用，内星外租”的合作模式。

2.建设应灾备灾综合数据库

为快速提供灾前信息，科学、迅速地进行灾情监测和统计分析，开展灾情分析预警，切实提升应急响应速度，需要针对相关部门已掌握的灾害防范重点区域、疑似区域和潜在孕灾区域等建立多源、多时态的应灾备灾综合信息数据库。通过对国家灾害易发区、隐患点及应急关注区域的空间分布的梳理，以遥感卫星影像数据为主体，收集整合已有的基础测绘成果、多源多时相遥感数据和各种专题数据，建立多时态遥感影像库、基础地理数据库、专题信息数据库及灾害样本库等，以实现多灾种多灾情的备灾综合信息库，为灾害预测、灾前预警提供丰富的数据资源和参考，为减灾救灾、灾后评估等提供对比分析的依据。建设内容包括：

1）重点地区备灾影像库提供灾害易发生地区的多时态历史遥感影像及高程模型支持。影像库以资源三号、高分系列卫星影像产品为主，针对不同地区所发生的不同灾种，整理、搜集灾前灾后及灾害发生过程中的多期历史遥感影像数据，同时支持其他多种航空航天遥感影像的存取管理，为应急保障服务模型建立及应急产品生产提供支撑。

2）重点地区备灾基础空间信息库提供灾害易发生地区的基础地理信息支持。基础地理数据库包括灾害易发地区不同比例尺的地貌、水系、植被等自然地理信息以及居民地、交通、境界、特殊地物、地名等社会地理信息。同时整理、搜集灾区灾害范围、影像区域等历史信息，为快速应急响应及应急产品生产提供基础矢量数据支撑。

3）涉灾专题数据库提供灾害易发生地区的各类专题信息支持。专题信息数据库包括灾害易发地区的历史、人文、自然信息，以及当前灾害发生时的各类相关音视频、统计分析信息、灾情报告、救灾信息等，为应急保障服务模型建立、灾害分析预警提供支撑。

4）灾害样本库提供灾害易发生地区的历史灾害样本信息支持。灾害样本库包括灾害易发地区不同时相、不同分辨率的历史灾害相关光谱、纹理等特征样本，为受灾对象、受灾范围的解析判读、灾情分析、应急产品生产以及灾害分析预警等提供支撑。

3.构建三维应急保障服务平台

应急遥感服务中，需要采用空间统计与空间分析相结合的手段，以利用快速生产的灾前灾后正射影像和数字高程模型成果等基础数据和灾情地理信息提取与变化监测成果为基础，结合灾区自然环境与社会经济信息，针对不同类型灾害开展应急测绘地理信息统计分析工作，为政府或公众用户及时提供地理信息空间统计报表、空间分析报告等服务。

通过数据的快速加载，针对应急数据的多源性（包括影像数据、矢量数据、人文地理统计数据以及其他文本视频数据）、多时态性以及多尺度性，实现数据的有效管理，并根据数据的不同特征建立起模式化的构建策略，提高应急指挥平台的构建速度，实现应急数据的快速加载。在此基础上利用多时态数据的动态可视化技术，通过动态标图标注、动态影像变化、动态地形变化、动态矢量变化、动态统计图、多屏对比分析以及属性数据的动态空间化等技术，实现全方位的灾情信息展示，并为决策服务提供直观的信息服务。应急可视化平台的构建见图2。

图2 应急可视化平台构建

国土卫星遥感应用中心自主研发了“龍图”三维应急可视化平台，完善了遥感影像预处理及整合、建库工具集，能够快速整合多源异构应急影像数据、矢量数据和专题数据，实现24h内的应急保障综合服务平台快速搭建，利用CS或BS的模式提供影像变化演示，地形变化模拟，受灾情况、救援情况动态标注、新闻、视频等多媒体信息集成等服务，相继搭建完成了玉树地震应急、盈江地震应急、汶川地震灾后重建等服务平台，得到了应急保障相关部门的肯定。图3为云南盈江地震应急可视化系统。

图3 云南盈江地震应急可视化系统

4.探索基于新型传感器的灾害定量监测和预警技术体系

雷达卫星的合成孔径雷达（SAR）传感器与光学遥感卫星相比具有全天候、全天时以及能穿透一些地物成像的优势，特别是多极化和干涉技术的发展，能够使得雷达卫星获取更加丰富的地物信息，测量更加微小的起伏和移位。

雷达干涉技术对两景或多景雷达影像进行相位建模，可提取高精度形变信息。如果影像的基线足够小，那么在地表随机扰动较小、相干性较好的情况下，两景影像解算的形变精度可达到厘米级，多景影像（建议多于30景）的形变精度可达到毫米级。建议利用国外雷达卫星先行开展地质灾害监测试点，建立监测技术体系，逐步开展常态化地质灾害监测预警工作。

星载激光雷达是20世纪60年代发展起来的一种高精度地球探测技术，以卫星作为平台，其运行轨道高、观测范围广、观测速度快，受地面背景、天空背景影响小，具有高分辨率、高灵敏度的特点，几乎可以触及全球的每一个角落，为三维控制点和数字高程模型（DEM）的获取提供了新的途径。目前资源三号02/03星以及高分七号卫星均配备了激光测高传感器，其中高分七号足印分辨率为3.2m，波形分辨率可达0.75cm。

五、资源三号卫星应急服务应用

2012年以来，随着各高分辨率遥感卫星相继投入使用，在科技部遥感中心、原国家测绘地理信息局、自然资源部等单位的组织协调下，应对国内外突发自然灾害、事故灾难、公共卫生事件、社会安全事件等突发公共事件，高效有序地提供影像数据，根据需要开展卫星遥感监测、专题影像地图制作，开展公共地理信息应急服务等，初步形成了应急测绘保障体系。

1.云南晋宁森林火灾应急

2012年3月18日至28日，云南省安宁县与晋宁县之间发生山林火灾，受灾面积超过1800亩。通过调整资源三号测绘卫星姿态对受灾区域进行了加急拍摄成像（图4）。在接收到卫星拍摄的相应影像数据后，迅速组织工程技术人员开展正射纠正、配准、融合、影像判读解译等工作，从资源三号影像量算出火灾过火面积约为12.741km2，并向原云南省测绘局提供了晋宁县境内两处火灾区域的正视多光谱融合影像和有关解译信息，为灾情评估和救灾指导工作提供了有效的应急保障。

图4 云南山火晋宁受灾地区应急响应融合影像（黑色为受灾区域）

2.黑龙江嫩江流域洪灾遥感监测

2013年入汛以来黑龙江省强降雨频发、持续强度大、降雨落区集中，致使黑龙江嫩江流域发生严重的洪涝灾害。2013年8月上旬，位于嫩江流域的齐齐哈尔市昂昂溪区遭遇1998年以来最大洪涝灾害，灾区大片土地被淹没，交通、电力及通信等设施多处受损，对人们的经济、生活造成严重影响。利用资源三号卫星开展了动态应急监测，提供灾情相关信息服务。

根据资源三号卫星的拍摄情况，分别收集整理嫩江部分流域灾前（7月5日）数据和灾后（8月8日）影像数据进行对比分析，共包括前后两期影像，涉及河道，农田和村庄（图5）。

图5 黑龙江省嫩江流域灾前（7月5日）/灾后（8月8日）资源三号卫星影像

六、结语

资源三号卫星以其大视场、重复性观测优势，可为干旱、洪涝、森林火灾以及滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害的灾前背景、灾中发展态势以及灾后重建、救援方案编制和设计提供及时准确的遥感地理信息技术支撑。同时，在一些群体性、社会性突发事件应急调查、管理中也发挥着不可替代的应急保障作用。

根据近年来应急服务工作的开展，基于卫星影像的应急测绘保障，在目前的多星联合数据源统筹能力下，基本能够实现在24～48h内获得灾前灾后多期影像数据，并以此为基础迅速开展1:5万或者1:2.5万比例尺级别的变化发现和灾情解译。同时，针对火灾、水灾等特殊灾种，相对于航空遥感数据，卫星影像具有多波段采集和大范围获取的优势，可见卫星应急是测绘应急保障的重要一环。