Charter機制在氣象災害監測中的應用

高浩　武勝利　趙長海　方翔　劉誠（國家衛星氣象中心，北京 100081）

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Charter機制在氣象災害監測中的應用

高浩武勝利趙長海方翔劉誠
（國家衛星氣象中心，北京 100081）

摘要：近年來在氣象災害和衍生災害的業務監測中，高分辨率衛星遙感影像和雷達衛星數據的作用越來越重要。雖然中國的環境減災衛星和資源衛星已在業務中得到應用，但是仍不能滿足對高分辨率衛星影像和雷達衛星數據的需求。國際減災憲章機制（Charter機制）是目前運行最成功的政府間減災機制之一，通過授權用戶向遭受災害的地區無償提供及時的衛星遙感數據，用于災害的監測和評估。中國氣象局作為中國的授權用戶，已啟動兩次針對氣象災害的Charter 機制，通過獲取各類高分辨光學影像和雷達衛星影像分別對2010年8月7日甘肅舟曲泥石流災害和2013年8月東北洪澇災害的監測顯示，國際減災憲章提供的高分辨率衛星影像是對中國氣象衛星及陸地觀測衛星數據監測氣象災害和衍生災害的有效補充，在業務應用中起到了重要的作用。

關鍵詞：氣象災害，Charter機制，衛星遙感，業務應用

0　引言

中國是世界上自然災害發生頻繁、災害種類多樣的國家之一，其中氣象災害是自然災害中最為頻繁而又嚴重的災害之一[1]。氣象災害及其衍生災害直接或間接對人民生命和財產安全、國民經濟造成極大的損失。而且，隨著中國經濟的高速發展，氣象災害造成的損失也呈現上升的趨勢，直接影響中國社會和經濟的發展。

隨著中國氣象衛星事業的不斷發展，風云氣象衛星在氣象災害的業務監測中發揮了重大作用。風云氣象衛星作為中等空間分辨率的衛星，針對一些重大災害的監測和評估，仍有一定的局限性。例如，氣象衛星和陸地觀測衛星等光學衛星在有云層的遮擋時，對地表的監測能力不足；氣象衛星的空間分辨率在一些局地重大災害的監測和評估中仍顯不足；陸地觀測衛星的分辨率尚無優于1m的民用衛星數據，無法提供更豐富的細節信息。近年來，業務監測中高分辨衛星影像，特別是雷達衛星影像日趨重要，盡管中國的環境減災衛星和資源衛星已在業務中得到不斷應用，但仍不能滿足重大氣象災害業務監測的需求。

作為“空間與重大災害”國際憲章（Charter）成員國的授權用戶，近年來中國氣象局針對重大氣象災害啟動了兩次國際憲章機制（Charter 機制），獲取的高分辨率衛星影像和雷達衛星數據在減災評估中起到了重要的作用。本文針對中國氣象局針對重大氣象災害及其衍生災害監測中啟動的這兩次國際減災憲章機制，對國際減災憲章機制做詳細介紹，重點介紹啟動的兩次Charter機制在氣象災害監測中的應用，分析其在國家衛星氣象中心氣象災害業務監測中的作用。

1　Charter機制簡介

“空間與重大災害”國際憲章（International Charter “space and major disasters”，簡稱Charter），是目前影響最大的國際減災機制之一，旨在通過授權用戶向遭受自然或人為災害的地區提供統一的空間數據獲取和交付系統[2-4]。每個成員機構都承諾提供資源支持憲章條款，并幫助減輕災害對人類生命和財產的影響。國際憲章由歐洲空間局（ESA）和法國國家空間研究中心（CNES）在1999年7月于奧地利維也納UNISPACE Ⅲ大會后發起，加拿大空間局（CSA）于2000年10月20日簽署該憲章。2000年11月1日，該憲章正式宣布實施[2]。截止到2015年，共有15個航天或減災機構加入并提供衛星應急支持。中國國家航天局（CNSA）于2007年5月代表中國作為正式成員加入憲章，國家減災委和中國氣象局為中國的授權用戶[5]。

目前各成員機構為Charter服務的衛星資源數量達到60多顆，包括RADARSAT、SPOT、PLEIADES、Landsat、TerraSAR-X、ENVISAT、QuickBird、GeoEye、DMC Constellation等光學和雷達衛星，其中也包括中國的風云系列衛星、CBERS、SJ-9A和高分一號衛星。截止到2014年3月底，Charter已為世界范圍內遭受洪災、滑坡、泥石流、地震、森林火災、颶風等重大災害的國家或地區提供了500次數據和技術支持，調動了60多顆衛星資源，為110多個國家提供了20多萬景衛星數據，為受災國家和地區的減災救災及災后重建提供了及時有效的人道主義援助。作為Charter中國的授權用戶，當中國遭遇重大氣象災害，比如洪澇、泥石流等災害，且中國氣象局啟動相應災害的二級及以上響應時，就可以申請啟動國際減災憲章，但當災情嚴重時，并不局限于二級響應。截止目前，由中國氣象局針對重大氣象災害啟動的國際憲章有兩次，分別針對2010年8月的甘肅舟曲泥石流災害（Call_321）、2013年8月的東北大范圍洪澇災害（Call_447）。

2　國際憲章數據優勢

近年來中國氣象災害頻發，風云氣象衛星在氣象災害及其衍生害的監測和評估方面發揮了巨大的作用，在業務運行中風云衛星在對暴雨、臺風、雪災、海冰等惡劣天氣的實時預報和監測也為防災減災提供了重要的依據。

風云系列衛星屬于中等空間分辨率的衛星，其最高分辨率為250m，在監測大范圍的自然災害時具有一定的優勢，當發生小范圍的重大自然災害時，其空間分辨率并不能滿足業務需求，并且在有大量云覆蓋的情況下，光學衛星并不能穿透云層。Charter機制成員機構對授權用戶可提供數據服務的衛星資源有45種（表1），不但衛星數量多、傳感器種類豐富、空間分辨率多樣，而且不同衛星也提供了較高的過境頻次，在災害的監測中具有一定的針對性和優勢，特別是雷達衛星能全天時、全天候工作并且能夠穿透云層，能彌補光學衛星的不足。目前中國的民用雷達衛星數量較少，Charter提供的雷達衛星數據彌補了國內雷達衛星數據少、洪澇災害監測中獲取雷達數據不足的缺陷。此外，中國缺乏空間分辨率優于1m的民用衛星數據，而Charter提供的衛星數據分辨率為亞米級，這些衛星數據為泥石流、地震等災害的監測提供了豐富的細節信息，在重大自然災害監測和評估中發揮了關鍵作用。

3　兩次啟動Charter機制獲得的數據及在氣象災害監測中的應用

3.12010年8月甘肅舟曲泥石流監測

泥石流是氣象衍生災害中的常見地質災害，其分布廣，危害大。目前對泥石流的監測采用多種手段相結合，其中遙感影像解譯是業務監測中的重要方法，高分辨率的衛星影像和雷達衛星數據為泥石流的監測提供了重要的影像數據。

2010年8月7日晚至8日凌晨，甘肅省舟曲縣強降雨引發泥石流災害，對當地造成重大損失。中國氣象局緊急啟動國際減災憲章機制（Call_321），先后獲取了日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）提供的ALOS/AVNIR-2光學衛星影像2景、ALOS/PALSAR雷達衛星影像2景、法國國家空間研究中心（CNES）提供的SPOT-5高分辨率光學衛星影像3景，加拿大空間局（CSA）提供的RADARSAT-2高分辨率雷達衛星影像2景，用于此次由于強降雨引發的泥石流災害的監測和評估。由于氣象衛星的空間分辨率不足，不能對泥石流災害的滑坡體進行有效的監測，而環境減災星的空間分辨率（30m）也不足以監測到滑坡體的細節信息，因而通過Charter獲取的10m分辨率的ALOS衛星數據和5m分辨率的SPOT-5衛星數據在對滑坡體的監測和災害發生誘因的分析中起到了關鍵的作用。此外，由于持續的強降雨，災害發生時光學衛星不能穿透云層對下墊面進行監測，通過Charter獲取的3m分辨率的Radarsat-2和12.5m分辨率的ALOS/PALSAR雷達衛星影像彌補了這方面的不足，及時提供了災害發生時的泥石流監測信息，為救災提供了重要的數據支持。

表1　Charter機制提供的衛星數據Table 1　Satellite data from the international charter

利用空間分辨率為10m的日本ALOS衛星2010年8 月10日的AVNIR光學衛星影像（圖1）對甘肅舟曲泥石流災害的監測分析表明，災害發生后舟曲縣城北部三眼裕、羅家裕出現明顯的滑坡體信息。三眼裕的滑坡災害最為嚴重，滑坡體將原來的植被及建筑全部掩埋，一直延伸到白龍江，同時，流經舟曲縣城的白龍江水體信息有明顯增加，并延伸至沿岸的城區內。定量計算顯示，三眼裕滑坡體長2km、寬150m，面積約0.24km2；羅家裕滑坡體面積約0.07km2。

利用空間分辨率5m的法國SPOT-5光學衛星2010年8月15日的影像數據，結合DEM高程數據分析顯示（圖2），舟曲縣城特大泥石流災害的三眼峪和羅家峪泥石流來自于北部三眼峪集水區和羅家峪集水區，集水區地形和植被的共同作用是引發特大泥石流災害的重要因素。三眼裕集水區呈現扇形漏斗狀，山頂最高處海拔約3700m，舟曲縣城海拔約1300m，兩條溝谷的匯合處約2000m，從山頂道匯合處的溝谷有數千米的落差，從山谷匯合處到縣城又有數百米的落差，經計算發現，三眼裕的集水區面積約20.5km2。利用空間分辨率5m的法國SPOT-5衛星2008年7月1日的影像數據分析顯示，舟曲縣北部的山區前期的植被覆蓋較低，沿山脊的溝谷兩側多為裸露的褐色巖石和裸土，這是形成泥石流的重要因素。相比較，羅家峪溝的集水區面積經為14.8km2，集水區面積、海拔落差、山脊植被裸露程度都輕于三眼峪溝。強降雨時，雨水沿多條溝澗直接瀉入山谷中的主溝槽，雨水攜帶沙石和裸土形成泥石流，在多條山谷的狹窄交匯處匯合，直接形成特大泥石流。因此，舟曲縣附近特殊的地形，如扇形集水區、漏斗狀山谷、巨大的海拔落差，以及植被覆蓋狀況和短時間內集中的強降水是共同引起甘肅舟曲縣8月7日特大泥石流災害的致災因子。

圖1　ALOS衛星2010年8月10日甘肅省舟曲縣泥石流監測圖Fig.1　Mud-rock flow monitoring graph of Zhouqu,Gansu Province by ALOS on 10 August 2010

圖2　SPOT衛星2010年8月15日甘肅省舟曲縣3D監測圖Fig.2　Three D monitoring graph of Zhouqu County,Gansu Province by SPOT-5 on 15 August 2010

3.22013年8月東北洪澇災害監測

2013年8月以來，中國東北地區的持續強降水造成嫩江、松花江和黑龍江流域發生自1998年以來的最大洪澇災害。持續陰雨天氣使得利用風云氣象光學衛星難以及時監測該地區的洪澇水體，急需能穿透云層、全天候、全天時工作的雷達衛星影像對東北地區下墊面洪澇水體進行監測服務。因而，8月16日中國氣象局啟動國際憲章（Call_447）申請獲取東北洪澇災區的雷達衛星數據，開展洪澇水體的監測和評估。

通過Charter機制獲取了東北災區嫩江下游、吉林樺甸和黑龍江下游區域的數據，包括美國地質調查局（USGS）提供的Landsat-8災前和災后光學影像、高分辨的WorldView-1、Quickbird遙感影像數據；德國航空航天中心（DLR）提供的嫩江下游、吉林樺甸和黑龍江下游TerraSAR-X災后和災前影像；加拿大空間局提供的嫩江下游、吉林樺甸和黑龍江下游洪澇災區RADARSAT-2災前和災后影像；法國國家空間研究中心提供的洪澇災區災后SPOT-5光學影像；印度空間研究組織（ISRO）提供的洪澇災區RISAT-1災后雷達影像數據、Resourcesat-2 Awifs光學影像；英國災害監測衛星國際圖像公司（DMCii）提供的災區災后光學影像，共計1106景。

國家衛星氣象中心及時對從Charter獲取的各類衛星和雷達影像數據進行了處理分析，對此次東北地區洪澇水體變化范圍進行了監測分析，相關的監測成果圖和分析報告報送至中國氣象局相關決策部門、以及黑龍江當地的相關政府部門，為此次洪澇災害的評估和救災提供了關鍵的數據。此外，針對東北洪澇災害啟動的Charter機制也得到了中國氣象報等相關媒體的陸續報道，同時國家衛星氣象中心工作人員也參加了中國氣象頻道關于東北洪澇災害監測的專題節目，對此次洪澇與1998年的洪澇災害進行了詳細的對比分析。

3.2.1雷達遙感監測水體優勢及方法

東北地區洪澇發生后，持續的降雨云團使得光學和紅外衛星都無法穿透云層對東北地區的水體進行實時監測，而合成孔徑雷達衛星（Synthetic Aperture Radar，SAR）作為一種主動式微波傳感器，具有全天候、全天時成像的特點，可以穿透云層對水體進行監測（圖3）。SAR影像是目前監測洪澇災害最為有效的遙感技術，但是SAR數據并不容易獲取。SAR影像上，水體由于鏡面反射回波強度較小，在圖像上呈現出暗色或者黑色，而陸地的回波強度較大，呈現灰白色或者黑灰色，因而在SAR影像上水陸界限明顯，可以清晰的看到洪水淹沒范圍，利用SAR影像可以迅速有效地監測洪澇災害。

圖3　光學衛星與雷達衛星性能對比（2013年8月17日）,(a)FY-3A；(b)TerraSAR-XFig.3　Comparison of optical and radar satellite capability on 17 August 2013,(a)FY-3A;(b)TerraSAR-X

利用SAR影像對洪澇災害進行監測時，首先對SAR影像進行幾何精校正，多采用多項式校正方法。Charter提供的數據都已進行了地理精校正，在應用中可以忽略此步。其次，利用雷達衛星影像數據的相關參數表，將影像亮度值轉為后向散射系數。第三，對SAR影像進行濾波。由于雷達發射的是純相干波，相干波照射地面產生衍射，地面目標上隨機散射面的散射信號與發射的相干信號之間的干涉作用會使圖像產生相干的斑點噪聲，嚴重影響圖像的質量和使用。在消除斑點噪聲的同時還要保留圖像更多的銳度和細節，并增強水體信息，因而必須根據實際情況，選擇合適的濾波器對雷達影像進行濾波。實際應用中，經常采用基于局域統計特性的空域自適應濾波方法，如Lee濾波、Sigma濾波等[6-8]，或者空域相干斑算法自適應處理，如Kuan濾波、Frost濾波等[9-10]，在本次災害監測中對所獲取的雷達衛星影像數據進行了Lee濾波。最后，利用濾波后的影像選擇合適的后向散射系數閾值提取影像中的水體。準確的后向散射系數閾值是提取水體精度的保證，在本次水體監測應用中，采用基于水體內像元灰度特征值和水陸邊界像元點灰度值確定閾值的方法，這兩種方法也是經過試驗表明最能反映真實水體邊界的方法，其誤差在±1%～±4%[11]，能夠滿足利用SAR影像監測洪澇的需要。

3.2.2SAR影像監測東北洪澇

利用2013年8月19日加拿大RADARSAT-2雷達衛星數據與2013年6月17日的美國Landsat-8陸地衛星數據對嫩江下游流域的水體變化的監測顯示（圖4），嫩江下游和松花江西段的水體范圍與持續強降水前相比，水體范圍顯著增寬。嫩江下游河段水體最寬處達8km，是此次持續強降水前該處河段寬度的數十倍。嫩江下游區域多處出現大范圍新增水體，其中齊齊哈爾市新增水體面積約480km2、肇源縣約560km2、杜爾伯特蒙古族自治縣約1050km2、泰來縣約470km2。

利用2013年8月21日空間分辨率12.5m的加拿大RADARSAT-2雷達衛星數據和2013年7月23日空間分辨率30m的美國Landsat-8陸地衛星數據對黑龍江及松花江下游綏濱縣、同江市水體變化的監測顯示（圖5），8月21日黑龍江在綏濱縣、同江市河段的水體范圍較7 月23日顯著增寬，黑龍江在綏濱、同江沿江地區形成了大范圍的洪澇積水，在俄羅斯境內沿江區域也形成了嚴重的洪澇水體。與7月23日相比，松花江下游綏濱縣段有一處新增洪澇水體，綏濱縣境內泛濫洪水面積約392km2，同江市境內部分地區的泛濫水體面積約200km2。另外，黑龍江該處河段在俄羅斯境內形成的泛濫水體約943km2。

圖4　RADARSAT-2雷達衛星（2013年8月21日）與Landsat-8光學衛星（2013年7月23日）嫩江水體監測圖Fig.4　Water monitoring graph of Nenjiang by RADARSAT-2(21 August 2013)and Landsat-8(23 July 2013)

4　小結

作為中國在國際減災憲章（Charter）的授權用戶，中國氣象局針對氣象災害啟動的兩次Charter機制，通過獲取Charter成員機構的高分辨光學影像和雷達衛星影像分別對2010年8月7日甘肅舟曲泥石流災害和2013年8月東北洪澇災害進行了業務監測服務，應用實踐顯示國際減災憲章提供的高分辨率衛星影像和雷達衛星影像數據種類豐富、空間分辨率多樣、過境頻次高，并且具有特定的性能優勢，彌補了中國民用雷達衛星數據不足，亞米級高分辨率衛星數據不足的缺陷。相關數據與中國衛星互補，對氣象衛星監測氣象災害和衍生災害起到重要的補充作用，并且有效提高了災害監測的頻次和范圍，在業務應用中發揮了關鍵作用，為決策服務部門和相關各級部門的災害評估、防災救災等提供了及時、準確、可靠的信息。

根據Charter機制預案[12]，除洪澇、泥石流等對高分辨率衛星資料需求迫切的自然災害之外，該機制還能夠應用于地震、火災、雪災、海冰等其他各類自然災害。我國是一個自然災害頻發的國家，上述災種在我國均可能會出現，因此，在可預見的未來，Charter機制將是我國防災減災的重要手段之一。

圖5　RADARSAT-2雷達衛星（2013年8月21日）和Landsat-8光學衛星（2013年7月23日）綏濱水體監測圖Fig.5　Water monitoring graph of Suibin by RADARSAT-2(21 August 2013)and Landsat-8(23 July 2013)

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The Application of Charter in Meteorological Disaster Monitoring

Gao Hao,Wu Shengli,Zhao Changhai,Fang Xiang,Liu Cheng
(National Satellite Meteorological Centre,Beijing 100081)

Abstract:The high resolution satellite data and Radar satellite data have become very important in the meteorological disasters and derived disasters monitoring in recent years.Although,the HJ-1A/B and ZY-3 satellite data are used in the operational application,the need for the high resolution optical and SAR satellite data still couldn’t be fulfilled.As one of the successful intergovernmental mechanism of disaster mitigation,Charter aims at providing cost-free satellite data in time to those affected by natural disasters through authorized users for disaster monitoring and evaluation.China Meteorological Administration,as the authorized users of Charter in China,has twice triggered Charter activations for mud-rock flow monitoring in Zhouqu county of Gansu province on Aug 7th 2010,and flood monitoring in the northeast of China on Aug 16th 2013,respectively.It is showed that the high resolution satellite imagery is an effective complement for meteorological disasters and derived disasters monitoring by meteorological satellites and earth observation satellites,and plays an important role in the operational application.

Keywords:meteorological disaster,Charter mechanism,remote sensing,operational application

收稿日期：2014年5月6日；修回日期：2014年8月12日

DOI：10.3969/j.issn.2095-1973.2016.01.021

第一作者：高浩（1982—），Email:gaohao@cma.gov.cn

資助信息：公益性行業（氣象）科研專項（GYHY201306049）