“高分四號”衛星在地震行業中的應用潛力分析

荊鳳徐岳仁張小詠申旭輝陳立澤

（1 中國地震局地震預測研究所，北京 100036）

（2 中國地震應急搜救中心，北京 100049）

（3 中國地震局地殼應力研究所，北京 100085）

“高分四號”衛星在地震行業中的應用潛力分析

荊鳳1徐岳仁1張小詠2申旭輝3陳立澤1

（1 中國地震局地震預測研究所，北京 100036）

（2 中國地震應急搜救中心，北京 100049）

（3 中國地震局地殼應力研究所，北京 100085）

遙感技術應用于地震行業涉及的領域包括地震構造調查、震害評估、地震熱異常監測等。隨著中國空間技術的發展，國產衛星數據正逐漸替代國外衛星數據，在地震行業應用中發揮著越來越重要的作用。2015年12月29日，中國首顆靜止軌道高分辨率遙感衛星——“高分四號”衛星成功發射，為衛星地震應用提供了新的數據源。文章從地震熱異常監測、區域地震構造研究、極震區宏觀破壞識別三方面分析了“高分四號”衛星在地震監測預報、地震災害預防和地震緊急救援，地震三大主體業務中的應用潛力。還以2014年魯甸地震為例，利用“高分四號”衛星數據對震后造成的大型滑坡進行了識別，結果表明“高分四號”衛星數據能夠從空間上識別大型地震地質災害的空間分布位置，可為震后應急救援指揮決策提供及時和有效的信息。

地震應急救援 地震熱異常 地震構造 “高分四號”衛星

0 引言

遙感技術應用于地震科學研究最早開始于20世紀70年代，主要是利用航空遙感數據和中低分辨率的衛星數據并配合野外調查工作對地震活動構造開展調查和研究工作。近十余年來，我國陸續開展了利用航拍影像和中高分辨率遙感數據開展震害判讀與快速評估和利用衛星紅外數據進行地震熱紅外監測的研究工作[1]。目前，遙感技術已經應用于我國防震減災地震監測預報、地震災害防御和地震緊急救援三大工作體系中，并發揮著越來越重要的作用[2-7]。然而，過去所使用的遙感數據以國外衛星數據為主，特別是一些高分辨率遙感數據的獲取渠道還主要依賴于購買國外衛星數據，成本高且獲取周期長，這在一定程度上制約了相關業務工作的開展，地震行業對國內高分辨率遙感數據的需求變得日益迫切。

“高分四號”衛星是我國首顆高軌高分辨率光學成像遙感衛星，搭載了國際首臺地球靜止軌道高分辨率光學遙感相機，相機配備了大規模面陣CMOS探測器和大規模面陣紅外探測器[8]，可實現大面陣區域成像。衛星具有凝視、區域和機動巡查三種成像模式，能在幾分鐘之內完成任務機動響應，并實現對不同行業用戶指定的區域進行高頻重復觀測以及對固定區域的動態監測。此外，還能夠實現對中國及周邊7 000km×7 000km范圍進行大區域成像，滿足不同行業用戶的業務需求。“高分四號”衛星星下點可見光近紅外通道的像元分辨率為 50m，中紅外通道的像元分辨率能夠達到 400m，單幅成像幅寬超過400km，它是我國首個在軌設計設計壽命達 8年的遙感衛星[9]。對地震行業用戶來說，應充分挖掘“高分四號”衛星數據在地震行業中的應用潛能，最大化發揮衛星數據的地震應用潛力，進一步推進國產高分辨率衛星數據的地震業務化應用。

1 地震行業應用潛力分析

1.1 地震熱異常監測

自19世紀80年代前蘇聯科學家意外發現地震前存在熱異常以來[10]，各國學者開展了大量研究。當前，地震熱異常現象已被認為是一種有效的地震前兆信息，衛星紅外遙感以其覆蓋范圍廣并能實現連續觀測而成為開展地震熱異常監測的有效手段。“高分四號”衛星的高時間分辨率能夠滿足地震監測的需求，而其百米級的空間分辨率也比目前地震部門廣泛使用的 NOAA/AVHRR、EOS/MODIS等紅外數據有了較大程度的提高。千米級空間分辨率的數據在開展大區域地震紅外異常監測方面具有優勢[11-12]，而幾十米空間分辨率的紅外數據在對構造帶局部紅外輻射變化識別上則能發揮一定作用[13]。利用“高分四號”衛星并配合目前已有的中低空間分辨率的紅外遙感數據，將能夠實現在地震監測中先圈定地震危險區，再對區內局部重點區域進行連續觀測，可為地震危險性判定提供參考。

地震紅外異常觀測，并不需要分鐘級連續的觀測，考慮到衛星紅外異常出現的時空特點，主要需要衛星對重點監視區域進行區域模式的連續觀測。在觀測區域的選擇上，考慮到衛星的壽命和工作性能以及其他行業部門的觀測需求，可選擇我國地震多發區川滇地區作為重點觀測地區。在觀測時間上，由于地震紅外異常觀測要盡量減少太陽輻射和人類活動等帶來的影響，需選用夜間成像數據，同時考慮衛星相機的陽光規避問題，可選擇凌晨3~4點作為衛星觀測時間。

考慮到目前地震行業開展地震監測所用的衛星紅外數據主要以遠紅外和長波輻射數據為主，近年來地震預報部門進行日常會商所使用的數據也主要以上述兩種數據為主，而對中紅外數據的應用較少。因此，為了使“高分四號”衛星中紅外數據早日進入地震監測業務，在獲得數據初期應以輔助和配合其他衛星遠紅外、長波輻射數據使用為主，并逐漸在工作中總結中波紅外異常時空強變化與地震活動的關系。此外，根據目前行業開展地震紅外異常監測的經驗，異常信息的提取需要在對研究區域紅外背景場特征充分認識的基礎上進行[14]，而背景場的建立則需要長時間尺度數據計算獲得[15-16]。“高分四號”衛星數據目前積累時間短，難以獲得準確的參考背景場信息，而其他衛星數據建立的背景場由于衛星平臺、軌道高度、載荷性能等的差異并不能作為“高分四號”衛星中紅外數據的背景數據使用。因此，衛星運行初期，主要以觀測區紅外變化趨勢分析和對其他衛星觀測獲得的異常信息進行輔助分析為主，隨著數據的積累逐步開展相關地震紅外監測產品的生產。在未來的業務應用中，還需結合其他衛星觀測的遠紅外和長波紅外數據進行對比和綜合分析，最終獲得監測結果。

1.2 區域地震構造研究

地震構造調查是地震部門開展震害防御工作的重要內容，而區域構造研究是地震構造調查的重要工作之一。區域地震構造研究需要定期獲取覆蓋全國及周邊地區的光學遙感圖像，從板塊和次一級塊體的角度分析構造的活動模式及其動力學機制。現有的極軌衛星具備獲取全國范圍數據的能力，但獲取周期長，且受天氣等原因的影響，部分數據無法使用。而且極軌衛星成像幅寬小，獲取全國范圍的圖像有時需要幾百景數據進行拼接，工作量大，且由于成像時間不同的原因，圖像間色調相差大。“高分四號”衛星利用其區域成像模式能夠在1~3天完成對我國國土的全境覆蓋，在區域構造調查和分析中具有很好的應用前景。

“高分四號”衛星50m像元分辨率的光學遙感數據可作為活動構造中小比例尺（1∶25萬、1∶50萬、1∶100萬）區域底圖，通過利用大范圍（板塊、亞板塊尺度）整體構造活動性遙感綜合解譯方法和構造地貌學研究方法對活動構造控制的大型夷平面、沖洪積扇、河流階地、構造盆地等面狀地貌單元進行解譯，建立典型地震構造線性和面狀目標要素的特征數據庫。同時，針對典型地震構造地貌單元，可利用多時相“高分四號”衛星光學數據，分析斷裂帶兩側地貌單元的含水量變化及地表植被差異，開展隱伏構造信息提取方法研究。這些可為開展大范圍構造帶幾何學、運動學遙感綜合研究奠定基礎。

1.3 極震區破壞宏觀識別

地震災情信息及時準確獲取是開展有效地震應急救援，最大限度減輕地震災害的重要保障[17]。地震后第一時間確定極重災區位置和范圍是開展地震應急指揮和救援的關鍵，也是各類信息獲取的關注點。“高分四號”衛星的凝視模式能夠實現對某一區域連續快速成像，這一特點使得“高分四號”衛星能在第一時間獲取地震災區遙感影像序列。但是由于“高分四號”衛星50m的像元分辨率不能刻畫出建筑物破壞信息，只能在宏觀上圈定極震區的大致范圍，在地震應急工作中應主要發揮其高時間分辨率的優勢。

實際應用中，首先需對震前和震后“高分四號”衛星影像及其它高分參考影像進行投影變換、波段匹配、自動配準等一系列數據的一致性轉換，轉換中需根據“高分四號”衛星寬覆蓋的特點對目前極軌衛星常用的數據轉化方法進行改進。其次，基于利用其它高分辨率衛星數據，模擬類似“高分四號”衛星像元分辨率開展的歷史大震極震區震害信息的灰度特征、紋理特征、光譜特征等的相關結果，并利用面向對象的影像分割和分類技術，對植被、水體等非居民地進行背景提取和剔除，再結合居民點等矢量數據，采用變化檢測等技術實現對居民地的提取；最后，通過與地震基本要素等空間輔助信息的結合，進行基于“高分四號”衛星影像的極災區宏觀震害判識與確定，形成極重災區快速定位與范圍提取，并對極災區災情進行綜合分析與評估，形成極震區宏觀災情分析報告，為震后第一時間應急指揮和救援提供信息支持。

此外，大震后還可利用“高分四號”衛星高時間分辨率的特點，對地震影響區域內發生的大型崩塌、滑坡、泥石流和堰塞湖等地震次生災害的發展動態進行監測，并開展相關的災情評估工作。

2 應用實例

2014年8月3日，我國云南魯甸發生Ms6.5級地震，地震造成多處地震地質災害，我們利用2016 年5月11日成像的“高分四號”衛星影像對部分災害信息進行了識別，結果如圖1所示。可以看到在震后近兩年的時間，仍可以識別出沿牛欄江河谷的多處地震地質災害，尤其典型的是位于紅石巖村的巨型滑坡體。滑坡體在影像上色調呈高亮白色，是牛欄江東西岸的對沖型崩塌滑坡體導致河谷堰塞（圖1中編號2）。該處堰塞體位于紅石巖水電站的水壩和電站機組中間，在震后造成巨型堰塞湖，堰塞湖水面沒過水壩壩頂，現在的壩址庫區未再蓄水。此外，位于壩址附近的另一處滑坡體在“高分四號”衛星影像上也清晰可見（圖1中編號1）。位于龍頭山鎮附近的3~6處滑坡體，均規模巨大，需要指出的是圖中編號3、5、6處的滑坡體直接導致通往龍頭山鎮及紅石巖水庫的公路中斷，地震發生2年后仍能看到滑坡體的前緣與公路交匯處的高亮色調。牛欄江下游的崩塌體（圖1中編號7）也呈高亮的線條。

圖1 “高分四號”衛星影像對2014年8月3日魯甸Ms6.5級地震震后大型滑坡體的顯示Fig.1 The large landslide of Ludian Ms6.5 earthquake on August 3, 2014 based on GF-4 image

此外，通過分析魯甸地震中破壞最嚴重的龍頭山鎮在“高分四號”影像上的表現特征，發現該區域在影像上呈高亮色調，這主要是由于龍頭山鎮位于牛欄江右岸支流的深切峽谷中，受地震損毀嚴重，開展的震后房屋重建及河床、河谷修復等工程施工改變了原有地物類型，造成了該區域與周邊地物在影像上的明顯差異。盡管龍頭山鎮的色調異常疊加了震后重建因素，但是可以推斷，通過對比震后第一時間獲取的“高分四號”影像與震前影像，可以快速識別重災區城鎮居民點的破壞情況。

從“高分四號”衛星影像對發生在川滇高山峽谷區的中強地震震區的顯示來看，利用成像品質良好的“高分四號”衛星震后影像，可以從空間上識別大型地震地質災害的空間分布位置，結合生命線工程（大型水電站、干線公路）與災害在空間上的分布關系，能夠為震后的應急指揮決策提供及時有效的信息。

3 結束語

“高分四號”衛星是我國首顆高軌高分辨率光學成像遙感衛星，它在地震行業的三大主體業務中均能夠發揮重要作用，特別是其高時間分辨率的特點使大震后第一時間獲取極災區范圍成為可能，這對受災情況和救援路線的判定具有重要意義。由于“高分四號”衛星目前剛結束在軌測試工作，本文僅對未來其在地震行業應用的潛力進行了初步探討，相信隨著“高分四號”衛星數據的不斷積累，其在地震行業應用中將能夠發揮更大的作用。

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Potential Application in Earthquake Research Using Data from GF-4 Satellite

JING Feng1XU Yueren1ZHANG Xiaoyong2SHEN Xuhui3CHEN Lize1

（1 Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China）
（2 National Earthquake Response Support Service，Beijing 100049, China）
（3 Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China）

Earthquake studies using remote sensing technology have developed for scores of years, and the research involves seismotectonic investigation, seismic damage assessment, seismic thermal anomalies monitoring, and so on. With the development of China’s space technology, domestic satellite data gradually replace foreign satellite data and are playing an increasingly important role in earthquake research. The first China's geostationary orbit high resolution remote sensing satellite (GF-4) was successfully launched on December 29, 2015, which provides new data source for earthquake research. In this paper, we analyze potential application by using data from GF-4 satellite, including seismic thermal anomies monitoring, regional seismic tectonic research and macroscopic damage identification in meizoseismal area, related to the three main business of the earthquake department. Then with taking 2014 LuDian earthquake as an example, the seismic large landslide identification capability is analyzed based on GF-4 satellite data. It shows that GF-4 satellite data has the capability of identifying the spatial distribution of large seismic geological disasters, which canprovide timely and effective information for emergency rescue command decision post-earthquake.

earthquake emergency rescue; earthquake thermal anomalies; seismic structure; GF-4 satellite

P315.7

: A

: 1009-8518(2016)04-0110-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.015

荊鳳，女，1979年生，2010年獲中國科學院遙感應用研究所地圖學與地理信息系統專業博士學位，副研究員。研究方向為遙感地震應用研究。E-mail: jennyfer1111@163.com。

（編輯：陳艷霞）

2016-06-12

高分辨率對地觀測系統重大專項（31-Y30B09-9001-13/15）