國外衛星熱點專題應用進展

● 文|中國空間技術研究院 金巖 高峰 張瀟 巫曉莉

國外衛星熱點專題應用進展

● 文|中國空間技術研究院 金巖 高峰 張瀟 巫曉莉

全球氣候變暖等問題以及近年來火災、地震、火山爆發等重特大自然災害和衍生災害所帶來的影響和危害已成為全球熱點話題，各國政府及相關科研機構一直致力于有效預防此類災害的發生，以及災害發生前采取何種規避措施和在災害發生后能夠第一時間了解災區情況從而制定有效的救助措施等問題的研究。由于衛星本身所特有的“天生優勢”能力（“站得高”，“看得遠”）以及其技術水平在近些年來的不斷提高，其在災害類事件發生時發揮越來越重要的作用。目前，國外具有代表性的衛星熱點專題應用主要集中在重（特）大惡劣極端氣象監測，特大火災災害監測，地震災害監測，火山情況監測等方面。

一、惡劣氣象監測及相關問題研究

（1）惡劣氣象監測

隨著全球變暖以及人類破壞等因素的影響，近些年來，各類席卷海洋和陸地的颶風災害爆發的次數越來越多，已成為惡劣氣象的重要類型，而其產生的破壞力和造成的損失也越來越大。據統計，僅2011年4月25日至4月28日，美國就遭受了超過180次颶風襲擊。其中4月27日襲擊南部多州的強風暴天氣，造成至少339人遇難、700人受傷，成為近30年來最具破壞力的颶風之一。5月22日，又一場破壞性極強的颶風橫掃美國中西部，其中密蘇里州喬普林市正面受襲，受災最為嚴重，造成至少151人喪生、1500人失蹤，數千幢房屋被夷為平地。

為應對和解決颶風災害問題，美國非常重視各類遙感衛星的應用，并建成了颶風相關的災害預警、監測、研究體系，獲得了一些有價值的研究成果。美國早在1898年就成立了專門的政府級颶風研究和預測機構——國家颶風中心（NHC），專門負責追蹤和預測熱帶氣旋的路徑和特性，以應對災害的發生。近些年來，該中心與相關研究機構、大學緊密合作，開展了一系列利用遙感衛星探究颶風運行機理和預測等方面的研究工作。

美國NHC隸屬于國家氣象局（NWS），而國家氣象局是國家海洋與大氣管理局（NOAA）的6大下屬機構之一，“極軌業務環境衛星”（POES）系統和“地球靜止業務環境衛星”（GOES）系統的日常運行和管理均由NOAA負責。除了NHC以外，NOAA還設有國家強風暴實驗室（NSSL）和風暴預測中心（SPC），這些機構主要依靠NOAA及其他機構提供的衛星數據，實現24小時實時天氣監測與分析，研究惡劣天氣的成因，并對颶風、暴風雪以及其他極端氣候進行預警。

美國國家航空航天局（NASA）擁有全美最先進的航空航天技術力量，其對颶風災害預測和研究也發揮了巨大作用。2011年4月29日，其公布了“水”（Aqua）衛星搭載的中等分辨率成像光譜儀（MODIS）于4月28日獲取的阿拉巴馬州塔斯卡盧薩市圖像，從中可以看到三條颶風襲擊該市及其周邊時的行進軌跡。其中一條軌跡表示出該地區的綠色植被被連根拔起；一條軌跡可以看到其始于塔斯卡盧薩市西南部，穿過灰色的城市，朝著伯明翰市東北部延伸；另外一條颶風軌跡與中間的軌跡平行。隨后，NASA又陸續公布了“陸地衛星”（Landsat）拍攝的佐治亞州格里芬鎮附近的災區圖片，以及“土”（Terra）衛星搭載的“先進星載熱輻射和反射輻射儀”（ASTER）獲取的阿拉巴馬州災區圖像（圖1）。

>>>圖1 通過“ASTER”獲取的阿拉巴馬州災區圖像

地球眼（GeoEye）公司也公布了由“伊克諾斯”（IKONOS）衛星于4月28日11∶35拍攝的阿拉巴馬州塔斯卡盧薩市遭颶風襲擊后的高分辨率衛星圖像。與IKONOS衛星于2006年4月4日拍攝的該市同一地區的圖片對比可以看到，颶風所到之處的植被、道路和房屋嚴重受損，留下滿地碎屑。

5月22日17∶30，喬普林颶風再次來襲。NASA戈達德空間飛行中心的丹尼斯·切斯特斯（Dennis Chesters）利用地球同步軌道氣象環境衛星GOES-13采集的颶風到來之前、之中、之后的連續圖像數據進行影像模擬，顯示出了喬普林颶風的風暴行進過程，使觀看者可以看到雷暴的運行軌跡以及由其生成的颶風。颶風抵達喬普林市時寬約0.8km，消失前擴展到寬約1.2km，長約10km。

（2）惡劣氣象相關問題研究

為解決颶風的預報問題，美國相關研究機構開展了多項研究工作，利用衛星遙感的技術力量，在熱帶風暴和颶風路徑預測方面取得很大進展，目前正致力于突破風暴強度預測的難題。比如，此次喬普林颶風到達之前，盡管當地氣象部門已經根據衛星遙感數據信息提前做了路徑預報，但颶風的兇猛程度和迅速移動卻讓人們始料不及，因此造成了重大損失。

為解決這類問題，美國伊利諾伊大學近期利用搭載微波輻射計的在軌衛星，開展了監測熱帶風暴結構的動態變化并預測其強度突變的系統研究。研究人員對1987—2008年的衛星遙感數據進行了梳理，分析了風暴快速強化之前24小時內的變化情況，并通過一種大型圖像方法清晰地揭示出了風暴的動力模式。研究發現，在風暴強化過程開始前的6小時左右，低切變風暴系統都會圍繞風暴中心形成一個對稱的雷暴環，這個雷暴環可以通過遙感衛星進行監測。當風暴系統強化成為颶風時，雷暴也會加強，此時的雷暴環也將更加清晰。

另一方面，該項研究也分析了不太常見的高切變風暴系統。根據遙感衛星微波輻射計所繪出的圖像，這種風暴在加強時表現出的是一種不同的結構：它們在風暴系統中心會形成一個大型、靶心狀雷暴區，而不是雷暴環。研究人員表示：“當風暴呈現出這種對流環特征時，就極有可能正在經歷快速強化過程，因此可以據此進行颶風強度預警。”

目前，該研究中應用的衛星遙感數據更新周期為3～6小時，氣象學家可以利用它們跟蹤熱帶風暴并監測具有指示作用的雷暴環或雷暴區，從而在風暴達到其最大強度前提供30小時的預報時間窗口。這種新方法使美國首次能夠以實時的方式進行颶風強度預報，而不再僅僅是依靠模型猜測或統計預測。此外，研究人員還希望能夠通過對風暴系統強化過程時內部動力建模進一步增強預測風暴強度的能力，進而分析結構變化的原因，并發現強化過程的驅動因素，這些研究將進一步提升強風暴及颶風的預警能力。

二、火災監測

（1）對火災本體情況監測

近年來，各類自然環境和城市環境中的火災已成為人類的一大危害，據報道，2011年6—8月，美國各地多次發生火災，尤其是對極其干旱的美國南部，所造成的損失更加巨大。2011年6月，亞利桑那州發生了美國有史以來最大的火災，應急管理和消防員利用陸地衛星-5提供的不同指示色的火災圖像，快速識別了各類物體，從而快速有效地開展疏散和營救行動，并幫助有關部門制定控制火勢的策略。

美國采用多臺天基遙感設備對境內林火、野火進行監視。目前，用于監視火災的天基遙感設備主要包括：國家地質調查局與NASA聯合管理的陸地衛星攜帶的遙感器，NASA的“土”（Terra）和“水”（Aqua）兩顆衛星攜帶的中分辨率成像光譜儀（MODIS），NOAA的POES衛星攜帶的先進高分辨率輻射計（AVHRR），以及GOES衛星攜帶的成像儀和探測器。2011年10月，美國NASA和NOAA的聯合項目Suomi NPP衛星發射升空，其攜帶的可見光與紅外成像輻射測量儀（VIIRS）和交叉軌跡紅外大氣探測器（CrIS）進一步提高了美國精確定位火災位置的能力。

在這些衛星有效載荷中， MODIS是“圖譜合一”的遙感器，在波長0.4μm（可見光）到14.4μm范圍采用36個光譜波段，最高空間分辨率為250m，掃描幅寬達2330km，可用于確定火災位置、火災等級以及暗火，跟蹤火災產生的煙塵，監視火情的發展；AVHRR是5光譜通道掃描輻射儀，地面分辨率1100m，可用于大尺度調查或中小尺度區域調查，可以用來確定火災位置和辨別火災范圍；GOES的多通道掃描成像儀的分辨率為4～8km，可以提供可見光和紅外圖像，其攜帶的另一個有效載荷——垂直探測器是一種多通道輻射計，可以探測地表溫度，兩種設備均可用于提供關于火災和煙塵的關鍵數據，從而滿足對火情監視的需要。Suomi NPP衛星的發射，使美國可利用VIIRS提供的數據對火災位置進行精確定位，VIIRS擴展了MODIS和AVHRR的能力，大大增加了掃描幅寬，空間分辨率為750m，并且可保證幅寬之間沒有縫隙，可提供連續的高分辨率圖像，使美國進一步增強監視火災的能力。

（2）火災所引發煙塵污染情況監測

在火災遙感信息的接收和分發方面，NOAA下屬的國家環境衛星數據和信息服務中心負責對衛星圖像進行處理和分析，確認探測到的火災位置和過火面積；對于監測到火災煙塵，還利用計算機模型預測煙塵傳播速度和范圍，判斷對國家乃至全球的影響，隨后在NOAA網站上公布關于火災及煙塵的信息。各級政府和消防部門將利用這些信息采取應急措施。

2012年5月，俄羅斯西伯利亞發生大面積森林火災，約68.3km2的森林著火。據NASA官網2012年6月11日報道，西伯利亞火災引發的煙塵跨越太平洋，進入美國和加拿大。Suomi NPP衛星獲得的圖像數據顯示，在全球風場的推動下，火災引發的氣溶膠用了6天時間到達美國海岸。在此次監測事件中，主要利用了Suomi NPP衛星上搭載的臭氧成圖廓線儀（OMPS），對火災煙塵與空氣混合生成的二次氣溶膠進行監測。OMPS由NOAA和美國國防部共同資助，其相關數據可以通過美國國家對地觀測網站（http∶//neo.sci.gsfc.nasa.gov）獲得。

在美國NASA戈達德空間飛行中心的科學系統和應用有限公司（位于馬里蘭州格林貝爾特市），大氣物理學家克林塞弗特（Colin Seftor）使用OMPS的數據以及數據生成的圖像對氣溶膠進行了研究。研究顯示，地球上某一地區發生的事件很容易影響到數千英里之外的另一個地區，全球風場不僅能將煙塵傳播很遠的距離，也會攜帶污染物甚至病毒的孢子。在這次火災發生時，火焰的高熱量引起對流，將煙塵至少拋起至12km的高度，Seftor將該過程的監測圖像進行了偽色彩化處理，利用不同的色彩表示煙塵濃度，使得數據結果更直觀，見圖2。在圖像中，藍色和綠色表示煙霧較少，黃色和粉色表示煙霧較多。數據顯示，煙霧最厚的區域出現在蒙古，隨后，高濃度的煙霧穿越太平洋，并進入美國阿拉斯加地區。

>>>圖2 西伯利亞火災引發的煙塵跨越太平洋進入美國和加拿大

三、地震監測

目前，通過利用合成孔徑雷達衛星和光學衛星收集的圖像、全球定位系統（GPS）數據和地震數據，可以研究地震中斷層的類型和斷裂過程，進而建立一個非常逼真的地震模型，研究地震產生的地面震動，并仿真地震發生時的幾何斷裂和時間演化過程。

以往的研究認為，如同傷口愈合后遺留在皮膚表面的傷疤，人類可以通過地震形成的地表破裂情況來推斷地震斷層線，在斷層滑動作用下形成的地表交叉破裂紋路通常都要比地表以下的斷層結構更復雜。但基于衛星數據的上述研究成果卻顛覆了這一論斷。在對2010年4月4日發生在墨西哥EI Mayor-Cucapah地震的一項研究中發現，雖然該地震形成的相關斷層地表紋路是筆直的，但地表以下的斷層區域卻是彎曲的，且隨深度不同而錯綜復雜。

研究人員稱，這次地震斷層的演變和延伸不完全符合以往的表面地質學預計理論，并且說明地表以下的地層斷裂可能要強于地表上的破裂。據加州理工學院主任稱，該數據可以用來說明邊界板塊分割太平洋板塊和北美板塊，并連接加利福尼亞海灣和南加州埃爾西諾（Elsinore）板塊的形成過程。

此外，美國NASA噴氣推進實驗室（JPL）的地球物理學家埃里克·菲爾丁還在研究中利用高分辨率雷達衛星圖像發現，在科羅拉多河三角洲下游的地方有一個地圖上未標明的斷層，該斷層在經歷了上一次地震之后，已經被河道沉積物覆蓋。同時，2010年4月4日的地震令該斷層上升了5m。

另據Science Daily網站2012年2月13日報道，地質學家擁有了一個新的研究工具來研究地震怎樣改變自然環境，并且讓人類可以了解地震斷層的變化過程。該信息主要來自《科學》雜志2012年2月10的一篇文章，文章稱一個來自美國、墨西哥和中國的科學家研究小組，根據墨西哥2010年4月7.2級地震的數據，對地震帶前后的圖片進行了全面研究。研究小組成員包括埃里克·菲爾丁。

通過對比地震前后的調查結果，研究組成員能夠精確了解地面移動的位置和距離。新的激光雷達調查結果顯示，此次地震主要是由主斷層周圍的7個小斷層匯聚變形引起的，并且激光測量可增進對多斷層地震發生原因的認知。

四、火山監測

據德國航空航天中心（DLR）網站2012年12月23日報道，英國科學家利用德國“X頻段陸地合成孔徑雷達”（TerraSAR-X）衛星所獲取的遙感圖像證實，圣托里尼（Santorini）火山爆發產生的熔巖正在火山底部淤積，這導致整個圣托里尼群島在上升的同時，面積也在不斷擴大。基于TerraSAR-X衛星圖像，結合GPS測量數據發現，卡美尼（Kameni）群島的許多地方已上升了8～14cm。自2011年初圣托里尼火山再次活躍以來，由于熔巖不斷涌出導致圣托里尼火山口寬度整體上增加了14cm。

圖3是TerraSAR-X衛星拍攝的圣托里尼群島雷達圖像。在處理雷達數據時，紅色和黃色陰影表示地面上升最高的地區。錫拉（Thira）島的主島未受變形的影響，因此用藍色表示。

>>>圖3 TerraSAR-X衛星拍攝的圣托里尼群島雷達圖像

TerraSAR-X衛星是TerraSAR計劃的一部分，于2007年6月15日發射，是德國第一顆采用公私伙伴關系（PPP）的方式建造的衛星。TerraSAR-X衛星主要有效載荷是一部有源相控陣合成孔徑雷達，具有高分辨率、多極化、多模式成像能力，最高分辨率優于1m，其數據廣泛應用于農業和林業管理、地質調查、海洋監測和制圖等領域，且在軍事偵察領域具有很大的應用潛力。

衛星專題應用在有效預防重特大自然災害的發生，以及災害發生前采取何種規避措施和在災害發生后能夠第一時間了解災區情況從而制定有效的救助措施等方面發揮了越來越重要的作用。一方面為傳統的減災工作提供了更加科學有效的技術支持和能力保障，同時，也對傳統的減災工作當中存在的錯誤概念進行了糾正，避免繼續按照錯誤的理解開展工作。這些對于“時間就是生命”的抗災工作都是至關重要的。