環境減災二號A/B衛星應急管理應用系統設計

劉明 李素菊 劉龍飛 陳璐

(應急管理部國家減災中心，北京 100124)

我國是世界上自然災害最為嚴重的國家之一，具有災害種類多，分布地域廣，發生頻率高，造成損失重等特點。按照“兩個堅持、三個轉變”重要指導思想，需充分發揮遙感衛星多模態、多要素、長時序動態監測優勢，提升災害綜合風險監測與應急快速動態監測能力，為減輕災害綜合風險及損失發揮更大作用[1-2]。環境減災二號A/B衛星于2020年9月27日在太原衛星發射中心成功發射，已接替在軌超期服役的環境減災一號A/B衛星。雙星技術狀態一致，均搭載多光譜、紅外、高光譜、大氣校正儀4個載荷[3]，具備成像范圍大、重訪周期短、觀測信息豐富等特點，可為防災減災救災和應急救援提供重要基礎數據。

近年來，隨著國家空間基礎設施不斷完善，綜合監測體系逐步形成[4]，各類衛星結合應用需求建立了適合自身的應用系統[5-8]。本文從防災減災救災業務應用需求出發，對環境減災二號A/B衛星應用系統架構、功能模式、業務模式進行設計，為應用系統研發提供參考依據。

1 需求分析

1.1 災害綜合風險監測

在災害特征參數與目標持續定期提取與識別基礎上，將時空特征分析、異常信息提取等傳統手段與大數據分析、人工智能等新技術方法相結合，實現面向多種災害類型的風險監測產品的定期生產，及時發現災害風險與隱患。

單災種風險監測。針對干旱、洪澇、臺風、滑坡/泥石流、雪災、森林草原火災等不同災害類型特點，利用定期動態提取的積雪、植被長勢、水體范圍、熱異常點分布信息，開展不同時相、不同區域特征參數時空變化特征分析，基于異常信息技術，結合地形地貌、地表覆蓋、承災體分布等相關數據，構建面向不同災害類型的風險監測模型，實現災害風險定期監測與隱患排查。

災害綜合風險監測。針對單一地區多災風險并發、主災誘發次生災害(災害鏈)等情況，充分發揮多源衛星遙感數據優勢，分析不同區域、不同災害鏈特點，提取或識別相關災害參數、目標，開展多災害特征參數綜合分析，開展災害綜合風險分析。

1.2 災害應急監測

針對國內外重特大災害事故應急救援及災后重建工作需求，充分發揮衛星遙感數據優勢，結合不同災害類型特點，了解災害范圍及動態變化[9]，并提取房屋、橋梁、道路等承災體，及時開展災害損失評估，為災害應急決策提供信息支撐，主要包括災害范圍監測、災害損失監測、應急救援監測、恢復重建監測等功能。

災害范圍監測。針對干旱、臺風、洪澇、地質、森林草原火災、雪災等重特大災害，基于多源衛星遙感數據，利用變化檢測技術，提取光譜、紋理、極化、干涉特征及各類特征指數與歷史同期或災前影像對比，明確災害發生位置和影響區域。

災害損失監測。針對房屋、農作物、森林、交通基礎設施、水利基礎設施等承災體，分別利用災前/災后相應空間分辨率衛星遙感影像開展對比分析，將特征參數分析等傳統手段與大數據、人工智能等新方法相結合，提取各類承災體毀損數量及程度。

應急救援監測。利用高空間分辨率光學、SAR衛星遙感影像，對應急搶險(如滑坡體治理、道路搶通等)與救助過程(如臨時安置點位置與數量)開展全過程監測，及時了解救援與救助工作進展。

1.3 環境減災二號A/B衛星主要應用需求

在災害綜合風險監測方面，與高分一號、高分六號衛星相協同，實現16 m空間分辨率光學衛星遙感數據每天獲取一次能力，實現針對植被、水體、積雪、冰凌、熱異常點等災害系統要素的定期獲取，提升對干旱、洪澇、低溫冷凍災害風險的監測支撐能力。在災害應急監測方面，憑借其快速重訪與800 km大幅寬監測能力，可為洪澇、森林草原火災、大型地質災害開展應急監測數據服務。

2 系統架構設計

2.1 設計原則

環境減災二號A/B衛星按照“五統一分”的設計原則。其中包括：統一的交換引擎，支持網絡附屬存儲(NAS)、應用程序編程接口(API)、WebService等多種異構數據源進行一體化設計；統一的存儲管理，針對不同的數據類型，提供數據庫、分布式文件存儲等多種存儲方式；統一的讀取引擎，提供結構化數據、非結構化數據的統一讀取解析；統一的監控系統，實現對系統資源狀態、任務調度狀態、算法執行狀態等的統一監控；統一的應用服務系統，提供多終端使用；建設分布式計算框架，面向空間地理數據處理、進程控制及消息通訊等多種場景，構建并行調度計算環境，實現對結構化數據、非結構化數據的分布式處理。

2.2 總體架構

系統總體架構面向應用軟件的集成和整合，從整體上劃分為用戶層、應用層、基礎組件層、數據層和基礎設施層五個層次(圖1)。

1)基礎設施層

基礎設施層包括兩個部分，為本系統提供各類軟、硬件的基礎設施支撐。其一是基礎平臺，即硬件支撐平臺，為數據存儲、系統運行提供硬件支撐，包括計算機、存儲設備、網絡設備和安全系統等；其二是各類支撐軟件，為各應用系統提供開發、測試與運行的軟件支撐。

2)軟件支撐層

應用支撐層是將應用層中的各個分系統中與業務邏輯無關的通用支撐功能分離出來，構成可以被不同系統進行調用的構件集、服務集，實現對功能的重用。基礎組件層主要包括：地理信息組件、遙感處理組件、數據管理組件、集群管理組件、系統管理組件、運行監控組件等，主要為整個系統提供基礎的功能支撐。

圖1 系統總體架構圖Fig.1 System architecture

3)數據資源層

數據層主要實現對遙感數據、用戶信息、元數據以及其他數據的統一存儲管理，是為不同用戶提供共享服務的各類信息的集合，包括應急減災原始影像庫、正射影像庫、要素遙感監測產品庫、應急風險監測產品庫、報告發布產品庫、基礎地理信息庫、元數據庫和運行管理數據庫。

4)應用層

應用層直接面向各類用戶提供應用服務，包括遙感數據處理分系統、衛星影像綜合接入管理分系統、任務管理調度分系統等，提供內外部訪問接口。

5)用戶層

用戶層提供統一信息服務的窗口，用戶層主要面向相關行業部門、科研機構等用戶，通過統一入口，為各類用戶提供數據查詢檢索、數據瀏覽、數據下載、數據處理等服務。

6)標準規范與安全保障體系

系統各層都緊密地架構在統一的安全保障系統上，其業務流程和技術實現等都遵循應急管理部相關技術規范和技術標準，按照信息系統等級保護三級標準建設，采用符合國家安全的技術與管理手段，保障本系統建設的標準統一以及信息的安全保密傳輸。

2.3 系統組成與功能

環境減災二號A/B衛星應用系統由衛星影像綜合接入管理分系統、遙感數據處理分系統、要素目標遙感監測分系統、災害綜合風險監測分系統、災害應急監測分系統、衛星監測產品服務分系統等組成(圖2、3)。

圖2 環境減災二號A/B衛星應用系統組成圖Fig.2 The composition of satellite application system for HJ-2A/B satellites

圖3 系統邏輯架構圖Fig.3 Logical architecture of application system

1)衛星影像綜合接入管理分系統。基于B/S架構和區位地理編碼，對接入的環境減災二號A/B衛星數據，開發統一的數據管理、自動接入、手動入庫及時空數據統計分析和數據產品提取。

2)遙感數據處理分系統。針對環境減災二號A/B衛星多光譜數據、紅外數據、高光譜數據，開發上述衛星遙感數據的自動化處理系統包括幾何批處理、輻射校正、幾何精校正、正射校正、圖像拼接勻色、圖像融合等數據處理功能，并實現基于多尺度參考影像和服務的異源圖像幾何配準。

3)要素目標遙感監測分系統。針對2顆環境減災二號A/B衛星多光譜、紅外和高光譜載荷不同數據特點，開發水體指數、雪蓋指數、植被指數、熱異常等典型遙感參數反演功能，充分利用人工智能、深度學習手段，開展城鄉居民地等典型承災體的提取功能[10]，并形成水體范圍、積雪范圍、海冰范圍、火點等致災因子提取工具。

4)災害綜合風險監測分系統。依托環境減災二號A/B衛星等數據源和其它業務部門災害相關的產品，完善森林草原火災風險、海冰冰凌災害、積雪災害、旱災、臺風災害、暴雨/洪澇/地災、綜合災害風險等信息的自動化集成，開發多源信息的匯聚更新和空間統計等功能。

5)災害應急監測分系統。以環境減災二號A/B衛星數據為主，兼顧其他衛星數據，利用多時相遙感影像，開發洪澇災害、地質災害、森林草原火災、災難事故等災區背景影像、災害范圍、災害損失、恢復重建等災害應急監測功能。

6)衛星監測產品服務分系統。建設一套衛星監測產品制圖與產品服務瀏覽器/服務器(B/S)架構，實現災害要素目標監測、災害綜合風險監測、災害應急監測產品的標準化、一體化服務。

3 業務模式設計

3.1 數據驅動模式

對于自主接收的多源衛星數據，采取數據驅動方式按計劃進行全自動處理模式，實現數據接入、云檢測、正射校正、融合鑲嵌、產品質檢等自動化業務流程。根據接入數據類型，啟動相應影像產品生產線，按數據的先后順序進行數據的處理生產，并進行生產日志的記錄，對處理的產品需要進行質檢入庫管理。

其中，針對環境減災二號A/B衛星多光譜數據，在開展數據處理基礎上，完成單景數據云判、植被指數提取、水體范圍提取等信息提取；針對紅外數據，在開展輻射定標、幾何校正基礎上，完成云判、積雪、陸表溫度識別和提取，并及時發布提取的熱異常信息；針對高光譜數據，重點完成數據處理任務，并開展植被指數信息提取。

3.2 任務驅動模式

針對特定需求開展對重點區域(局部區域)的多源數據自動化、流程化處理、存儲、發布等，側重于災害監測中的應急處理業務，采取任務驅動按需自動化處理模式。包括任務建立、數據獲取、產品生產、產品質檢、產品入庫等流程。

任務驅動模式在業務工作中主要針對災害綜合風險、災害應急監測兩種工作模式，實現針對某一應急事件數據及信息的集中管理，同時提升數據處理、信息提取等任務的優先級。

3.3 人機交互模式

隨著人工智能技術發展，災害目標要素提取的精度逐漸升高，但是針對災害范圍及損失精細監測等應用場景，需要開展人機交互研判。

4 結束語

環境減災二號A/B衛星憑借其多要素、大幅寬、高重訪觀測特點，為防災減災救災、應急救援以及其他應用領域提供中分辨率光學遙感數據，為及時了解災害系統異常信息、迅速開展災害應急監測提供了重要支撐。環境減災二號A/B衛星應用系統建設緊密圍繞新時代應急管理新任務、新要求，結合衛星特點設計研發，充分運用了深度學習等新興手段，重點強化了災害系統各類要素的定期監測與災害綜合風險監測能力。但是，我國災害多樣，災害形勢復雜嚴峻，單憑一顆或一類衛星難以解決所有問題，應用系統的建設更需要在用好環境減災二號A/B衛星基礎上，強化與其他光學衛星、SAR衛星的協同監測應用，提升衛星監測效率。