高分遙感助力海洋減災(zāi)

● 文|天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司 張拯寧 陳浩國(guó)家海洋局海洋減災(zāi)中心 文仁強(qiáng)航天恒星科技有限公司 劉紹波

高分遙感助力海洋減災(zāi)

● 文|天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司 張拯寧 陳浩國(guó)家海洋局海洋減災(zāi)中心 文仁強(qiáng)航天恒星科技有限公司 劉紹波

一、引言

我國(guó)是世界上海洋災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，影響我國(guó)的主要海洋災(zāi)害主要包括：風(fēng)暴潮、海浪、海岸侵蝕、海岸線變化、海冰以及海水污染等[1]。海洋災(zāi)害客觀上難以避免，但建立完善的災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)則能有效為減災(zāi)工作提供數(shù)據(jù)支撐，減輕災(zāi)害損失。

目前我國(guó)的災(zāi)情監(jiān)測(cè)手段主要采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、衛(wèi)星遙感等手段[2]。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查精細(xì)程度高，調(diào)查準(zhǔn)確，但受天氣條件、交通狀況、人員安全條件的影響，難以實(shí)現(xiàn)大面積、快速的災(zāi)情信息獲取；衛(wèi)星遙感則能進(jìn)行大范圍災(zāi)情監(jiān)測(cè)，同時(shí)可供選擇的衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源較多，但受天氣條件、衛(wèi)星重訪周期的影響，在實(shí)效性和精細(xì)性方面難以保證，不利于突發(fā)海洋災(zāi)害的監(jiān)測(cè)評(píng)估工作。

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)因起降靈活，受天氣狀況、地面交通條件影響小，同時(shí)能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高分辨率監(jiān)測(cè)，在災(zāi)后監(jiān)測(cè)評(píng)估工作中能發(fā)揮快速、高效、精細(xì)的監(jiān)測(cè)作用。作為傳統(tǒng)災(zāi)情監(jiān)測(cè)手段的重要補(bǔ)充，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)展示出在災(zāi)情監(jiān)測(cè)中的突出優(yōu)勢(shì)[3]。

利用無(wú)人機(jī)迅速獲取災(zāi)后受災(zāi)區(qū)域的大面積、高分辨率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合災(zāi)前受災(zāi)區(qū)域的高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，能對(duì)受災(zāi)區(qū)域進(jìn)行精確的變化監(jiān)測(cè)以及定量化災(zāi)情評(píng)估。本文以2013年第11號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“尤特”為案例，利用臺(tái)風(fēng)登陸后第三天即獲取的廣東鎮(zhèn)海灣近海養(yǎng)殖區(qū)無(wú)人機(jī)高分辨率（0.1m）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合受災(zāi)區(qū)域近期的高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，進(jìn)行了變化提取，為災(zāi)情評(píng)估提供了定量化的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為災(zāi)害評(píng)估與減災(zāi)工作提供了重要的信息支撐。

二、 我國(guó)海洋災(zāi)害情況介紹

我國(guó)是一個(gè)海洋大國(guó)，擁有海洋國(guó)土面積300萬(wàn)平方千米，包括內(nèi)水、領(lǐng)海及專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)和大陸架；我國(guó)的大陸海岸線長(zhǎng)1.8萬(wàn)千米，海島約為5000個(gè)、島嶼海岸線1.4萬(wàn)千米。新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，全國(guó)主要海洋產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值，1985年僅為180億元，2000年達(dá)到4133億元，2012年海洋生產(chǎn)總值超過(guò)5萬(wàn)億元。從2000年到2012年增長(zhǎng)了10余倍，大大高于全國(guó)和沿海經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度，是現(xiàn)今和今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)全國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最重要的增長(zhǎng)點(diǎn)[3]。

因?yàn)l臨的太平洋是世界上最不平靜的海洋，我國(guó)也是世界上海洋災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。僅2012年，我國(guó)共發(fā)生138次風(fēng)暴潮、海浪和赤潮過(guò)程，各類海洋災(zāi)害（含海冰、綠潮等）造成直接經(jīng)濟(jì)損失155.25億元，死亡（含失蹤）68人[4]。從2003年到2012年，我國(guó)受海洋災(zāi)害影響造成的損失在不斷減小，死亡人數(shù)也在不斷減少，但2012年的海洋災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失仍高于平均值。

三、高分衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)在“尤特”臺(tái)風(fēng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1．高分辨率衛(wèi)星遙感資源

隨著我國(guó)衛(wèi)星遙感科技水平的不斷提高，以及國(guó)際商業(yè)高分辨率衛(wèi)星業(yè)務(wù)的拓展，國(guó)內(nèi)可用遙感數(shù)據(jù)波譜信息越來(lái)越豐富，時(shí)間分辨率、空間分辨率越來(lái)越高，可應(yīng)用于海洋減災(zāi)工作的光學(xué)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)選擇越來(lái)越多。目前國(guó)內(nèi)外主要光學(xué)高分辨率衛(wèi)星資源如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外部分高分辨率遙感衛(wèi)星

受天氣條件影響（海洋風(fēng)暴潮后一般為陰雨天氣，對(duì)光學(xué)衛(wèi)星成像影響較大）以及衛(wèi)星重訪周期的限制，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)手段在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取的靈活性與時(shí)效性上存在較大的不足，不利于災(zāi)害應(yīng)急評(píng)估工作的開展，實(shí)際應(yīng)用中也難以使用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取災(zāi)后實(shí)時(shí)、近實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[5]。

但是目前國(guó)內(nèi)可獲取的衛(wèi)星數(shù)據(jù)種類較多，覆蓋我國(guó)國(guó)土與海洋的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)較為全面，受災(zāi)區(qū)域?yàn)?zāi)前的歷史影像資源一般較為豐富，因此可用作災(zāi)害評(píng)估工作中的災(zāi)前基礎(chǔ)資料。

2.無(wú)人機(jī)系統(tǒng)資源

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)作為一種新型的高分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取、以及災(zāi)害實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)手段，可用于快速獲取受災(zāi)區(qū)域高精度監(jiān)測(cè)信息[6]，對(duì)海洋突發(fā)災(zāi)害事件進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)，可及時(shí)制定減災(zāi)措施，減少災(zāi)害損失。

與傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感和有人機(jī)航空遙感等手段相比，無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)具有諸多優(yōu)勢(shì)，比如對(duì)場(chǎng)地要求低，作業(yè)方式靈活快捷，移動(dòng)迅速，能快速響應(yīng)完成監(jiān)視監(jiān)測(cè)任務(wù)；在有云的天氣下也可以獲取高清晰的光學(xué)影像，這對(duì)于災(zāi)后多陰雨天氣的災(zāi)害監(jiān)測(cè)尤為重要。

目前我國(guó)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)研究與應(yīng)用均在快速發(fā)展。在無(wú)人機(jī)技術(shù)方面，高可靠性、大載荷能力、長(zhǎng)航時(shí)、抗風(fēng)強(qiáng)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)不斷進(jìn)入市場(chǎng)；在無(wú)人機(jī)應(yīng)用方面，國(guó)家海洋局已在全國(guó)11個(gè)沿海省市建設(shè)無(wú)人機(jī)海洋監(jiān)測(cè)基地，第一批遼寧、江蘇、海南3個(gè)無(wú)人機(jī)基地已開展了建設(shè)工作。同時(shí)國(guó)內(nèi)一些專業(yè)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)服務(wù)商可提供無(wú)人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)服務(wù)，例如民政部國(guó)家減災(zāi)中心聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家在無(wú)人機(jī)研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嵙π酆竦膯挝还餐⒘恕爸卮笞匀粸?zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)合作機(jī)制”。

在海洋災(zāi)害監(jiān)測(cè)中可用的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)資源越來(lái)越豐富，為災(zāi)后評(píng)估工作提供了重要的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)支撐。

3.衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)在“尤特”臺(tái)風(fēng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的綜合應(yīng)用

2013年第11號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“尤特”于8月14日15∶50在廣東省陽(yáng)江市陽(yáng)西縣附近登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力14級(jí)，中央氣象臺(tái)發(fā)布了2013年首個(gè)臺(tái)風(fēng)紅色預(yù)警。臺(tái)風(fēng)登陸后第三天有關(guān)部門即組織開展了無(wú)人機(jī)對(duì)受災(zāi)區(qū)域?yàn)?zāi)情監(jiān)測(cè)工作，利用小型固定翼無(wú)人機(jī)搭載可見光相機(jī)，對(duì)災(zāi)情嚴(yán)重的鎮(zhèn)海灣兩片共約50km2近海養(yǎng)殖區(qū)域開展了0.1m高分辨率可見光影像監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)區(qū)域如圖1所示。

>>>圖1 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)區(qū)域示意圖

同時(shí)利用該區(qū)域最近時(shí)間的高分辨率衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)信息，衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為法國(guó)Pleiades衛(wèi)星0.5m/2m的全色和多光譜數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為2013年5月13日；將災(zāi)前災(zāi)后數(shù)據(jù)進(jìn)行了變化監(jiān)測(cè)，分析了此次鎮(zhèn)海灣養(yǎng)殖區(qū)受災(zāi)定量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

本次災(zāi)害評(píng)估所用Pleiades衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)無(wú)控制點(diǎn)條件下的絕對(duì)定位精度達(dá)到3m，同一景影像內(nèi)的目標(biāo)相對(duì)位置精度優(yōu)于1m。由于災(zāi)害監(jiān)測(cè)主要是對(duì)災(zāi)害類型與受災(zāi)面積進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)絕對(duì)位置要求相對(duì)較低；為進(jìn)行快速災(zāi)害評(píng)估，本次直接以衛(wèi)星影像為基礎(chǔ)影像，將無(wú)人機(jī)全景圖糾正至該影像，進(jìn)行變化監(jiān)測(cè)分析（圖2）。對(duì)無(wú)人機(jī)全景影像糾正后，利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行了地物類型分析與災(zāi)害監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)區(qū)域一，總面積為1305.59公頃，土地利用類型主要為旱地、養(yǎng)殖區(qū)、水塘、水域、植被、居民區(qū)等，其中水域面積為464.21公頃，養(yǎng)殖區(qū)面積為250.898公頃。監(jiān)測(cè)區(qū)域二，呈西北東南向分布，總面積為3867.56公頃，土地利用類型主要為旱地、水塘、養(yǎng)殖區(qū)、水域和植被等，其中養(yǎng)殖區(qū)面積為514.17公頃，水塘面積為1833.66公頃（圖3）。

>>> 圖3 無(wú)人機(jī)全景影像分類圖

同時(shí)利用衛(wèi)星影像與無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行了變化監(jiān)測(cè)分析。監(jiān)測(cè)區(qū)域一變化面積為32.79公頃，占2.51%；變化類型主要為農(nóng)田淹沒(méi)與植被季節(jié)性增加，其中臺(tái)風(fēng)引起的農(nóng)田淹沒(méi)占區(qū)域總面積的1.31%，占總變化面積的52.2%（圖4）。

監(jiān)測(cè)區(qū)域二變化面積為44.94公頃，占1.16%；變化類型主要為植被季節(jié)性增加、農(nóng)田淹沒(méi)和淤泥堆積，其中臺(tái)風(fēng)引起的農(nóng)田淹沒(méi)和淤泥堆積占監(jiān)測(cè)區(qū)域總面積的0.6%，占變化總面積的51.7%（圖5）。

>>> 圖4 監(jiān)測(cè)區(qū)域一變化面積分析

>>> 圖5 監(jiān)測(cè)區(qū)域二變化面積分析

四、結(jié)論

衛(wèi)星數(shù)據(jù)具備數(shù)據(jù)源多、監(jiān)測(cè)范圍大、光譜分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，適用于災(zāi)前基礎(chǔ)信息獲取，但受天氣和衛(wèi)星重訪周期影響，難以用于災(zāi)后實(shí)時(shí)災(zāi)情監(jiān)測(cè)評(píng)估；無(wú)人機(jī)受天氣影響較小、起降靈活、便于運(yùn)輸，在海洋災(zāi)害監(jiān)測(cè)中能快啟動(dòng)、快調(diào)查、快監(jiān)測(cè)，但受監(jiān)測(cè)范圍與監(jiān)測(cè)成本影響，在災(zāi)前基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取方面存在一定不足。

在實(shí)際應(yīng)用中綜合利用兩種監(jiān)測(cè)手段在數(shù)據(jù)資源、覆蓋范圍，靈活性、高分辨率方面的優(yōu)勢(shì)，能有效提高海洋減災(zāi)中災(zāi)情實(shí)時(shí)跟蹤、災(zāi)害評(píng)估的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，為減災(zāi)工作提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。應(yīng)用上述綜合監(jiān)測(cè)方法，獲得了較好的災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估效果，該監(jiān)測(cè)方法在海洋減災(zāi)應(yīng)用中具有較好的應(yīng)用價(jià)值，此外在其他陸地災(zāi)害中也能加以推廣應(yīng)用。

[1] 左書華，李蓓﹒近20年中國(guó)海洋災(zāi)害特征、危害及防治對(duì)策[J]﹒氣象與減災(zāi)研究，2008（4）﹒

[2] 楊保華﹒構(gòu)建中國(guó)海洋衛(wèi)星體系 提升海洋環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)能力[J]﹒中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2011（5）﹒

[3] 李云，徐偉，吳瑋﹒災(zāi)害監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用與研究[J]﹒災(zāi)害學(xué)，2011（1）﹒

[4] 國(guó)家海洋局﹒2012年中國(guó)海洋災(zāi)害公報(bào)[EB/OL]﹒[2013-03-11]﹒http://www﹒coi﹒gov﹒cn/gongbao/zaihai/201303/t20130311_26237﹒html﹒

[5] 盛新蒲﹒無(wú)人機(jī)在減災(zāi)中的應(yīng)用[J]﹒中國(guó)減災(zāi)，2009（11）﹒

[6] 陸博迪，孟迪文，陸鳴，等﹒無(wú)人機(jī)在重大自然災(zāi)害中的應(yīng)用與探討[J]﹒ 災(zāi)害學(xué)，2011（4）﹒