高分影像在遼寧防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)中的應(yīng)用

文 | 周斌 王嘉琳 李航 龔強(qiáng)

1.遼寧省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心

2.高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)遼寧數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心

一、前言

我國(guó)是世界上自然災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國(guó)家之一，黨和政府始終高度重視自然災(zāi)害防治。《國(guó)家綜合防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃（2016—2020 年）》明確指出，在重點(diǎn)區(qū)域開(kāi)展“天空地”一體化綜合應(yīng)用示范，帶動(dòng)區(qū)域和省級(jí)衛(wèi)星減災(zāi)應(yīng)用能力發(fā)展。面對(duì)災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展和災(zāi)后恢復(fù)，利用高分衛(wèi)星遙感手段可在早發(fā)現(xiàn)、早處置、支持救災(zāi)決策、災(zāi)后修復(fù)評(píng)估等方面發(fā)揮重要作用。

遼寧省位于東亞季風(fēng)區(qū)，氣象災(zāi)害頻發(fā)，災(zāi)害形勢(shì)嚴(yán)峻，干旱、暴雨、臺(tái)風(fēng)等氣象災(zāi)害及氣象因素誘發(fā)的森林火險(xiǎn)、洪澇和泥石流等災(zāi)害比較頻繁，且近年罕見(jiàn)氣象災(zāi)害趨多趨重。全省僅在2010 年就出現(xiàn)暴雨災(zāi)害10 次，造成罕有持續(xù)性特大洪澇災(zāi)害；2019 年受臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的影響，遼河流域出現(xiàn)一級(jí)暴雨災(zāi)害；2020 年8—9 月連續(xù)出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)3 次，遭遇暴雨，局部大暴雨，有些地方洪澇災(zāi)害嚴(yán)重，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失；春夏連旱、伏旱、夏秋連旱在遼寧省時(shí)有發(fā)生，遼西地區(qū)更是十年九旱。

本文采用高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主、其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)源為輔，結(jié)合行政邊界數(shù)據(jù)、土地利用分類(lèi)數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、氣象要素等輔助數(shù)據(jù)，開(kāi)展多種氣象災(zāi)害的監(jiān)測(cè)分析評(píng)估，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感影像、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)及專(zhuān)題成果的三維快速智能展示，實(shí)現(xiàn)災(zāi)情的高精度可視化顯示與綜合分析。

本文采用的衛(wèi)星影像主要來(lái)源于國(guó)產(chǎn)高分系列衛(wèi)星，數(shù)據(jù)從中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心申請(qǐng)獲取。為充分發(fā)揮高分專(zhuān)項(xiàng)遙感衛(wèi)星在重大自然災(zāi)害、國(guó)家權(quán)益維護(hù)、重大環(huán)境事件以及各類(lèi)突發(fā)公共事件等應(yīng)急決策支撐作用，更好地為高分專(zhuān)項(xiàng)用戶提供及時(shí)高效的空間信息應(yīng)急服務(wù)，國(guó)防科工局重大專(zhuān)項(xiàng)工程中心組織制定了《高分專(zhuān)項(xiàng)遙感衛(wèi)星應(yīng)急數(shù)據(jù)獲取工作機(jī)制和流程》，明確適用范圍、工作職責(zé)和工作流程，規(guī)范應(yīng)急響應(yīng)各環(huán)節(jié)行為。中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心接收用戶提出的應(yīng)急觀測(cè)需求，根據(jù)觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃制定具體衛(wèi)星觀測(cè)計(jì)劃并執(zhí)行實(shí)施，從地面站接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，開(kāi)展數(shù)據(jù)處理和分發(fā)工作，保障用戶在災(zāi)害應(yīng)急時(shí)高分遙感影像獲取的及時(shí)性，提高應(yīng)急響應(yīng)、服務(wù)響應(yīng)速度與服務(wù)效果。省域級(jí)用戶通過(guò)上述渠道進(jìn)行數(shù)據(jù)申請(qǐng)。

二、高分遙感在防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)中的應(yīng)用

遼寧省自然災(zāi)害頻發(fā)，但防災(zāi)減災(zāi)手段單一，開(kāi)展高分衛(wèi)星在遼寧省氣象防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的應(yīng)用研究意義重大。本成果利用多源國(guó)產(chǎn)高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行多種災(zāi)害監(jiān)測(cè)分析評(píng)估，開(kāi)展洪澇、暴雪、龍卷風(fēng)、大霧、森林火險(xiǎn)、海冰等災(zāi)害在常規(guī)狀態(tài)及應(yīng)急狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)分析和災(zāi)后評(píng)估及專(zhuān)題產(chǎn)品制作，為相關(guān)部門(mén)提供災(zāi)前的預(yù)警信息、災(zāi)中的監(jiān)測(cè)信息、災(zāi)后的決策信息，充分發(fā)揮高分衛(wèi)星高空間分辨率、寬覆蓋、多成像模式等優(yōu)勢(shì)，完善防災(zāi)減災(zāi)手段。

1.暴雨洪澇多源高分遙感監(jiān)測(cè)

受2022 年7 月7 日、7 月28 日兩輪強(qiáng)降雨影響，盤(pán)錦市繞陽(yáng)河發(fā)生有水文記錄以來(lái)的最大洪水。8 月1 日，繞陽(yáng)河部分堤段發(fā)生潰口。利用多源高分衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，對(duì)繞陽(yáng)河左岸曙四聯(lián)段水體變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，潰口造成盤(pán)錦市繞陽(yáng)河左岸曙四聯(lián)段大錦線S308 高速公路附近被淹沒(méi)；該區(qū)域土地利用類(lèi)型以耕地（稻田）為主，其次為建筑用地，淹沒(méi)區(qū)面積自西向東擴(kuò)大。8 月3 日淹沒(méi)區(qū)面積達(dá)最大，淹沒(méi)區(qū)水體于遼河的西河沿處流入遼河（圖1）。通過(guò)高分影像開(kāi)展?jié)⒖趨^(qū)持續(xù)監(jiān)測(cè)，及時(shí)提供給相關(guān)決策部門(mén)，為潰口合龍?zhí)峁┝诵畔⒅巍?/p>

圖1 2022 年8 月3 日高分三號(hào)衛(wèi)星盤(pán)錦市繞陽(yáng)河左岸曙四聯(lián)段水體監(jiān)測(cè)圖

2.暴雪高分遙感監(jiān)測(cè)

2020 年2 月14 日8 時(shí) 至2 月16 日16 時(shí)，遼寧全省普降雨雪，最大降水量出現(xiàn)在本溪市桓仁縣，降水量達(dá)到36.2mm，積雪深度28cm，經(jīng)評(píng)估為特大暴雪。利用多時(shí)相高分影像開(kāi)展了桓仁縣暴雪對(duì)道路、設(shè)施農(nóng)業(yè)的影響評(píng)估。結(jié)果表明：2 月18 日，桓仁縣全縣有不同程度積雪覆蓋；低海拔地區(qū)，尤其是山谷以及地勢(shì)平坦地區(qū)積雪覆蓋光譜特征較明顯；全縣境內(nèi)G13、G201、S13、S201 道路積雪已清理，縣城主干道道路積雪大部分已清除，能夠保障正常通行；大部分設(shè)施大棚積雪已清理完畢，未見(jiàn)有明顯垮塌跡象（圖2）。監(jiān)測(cè)結(jié)果為相關(guān)部門(mén)災(zāi)情評(píng)估、掌握除雪進(jìn)度、恢復(fù)道路通行和保障人們正常生活提供了決策參考。

圖2 2020 年2 月18 日桓仁縣山區(qū)及道路高分影像

3.龍卷風(fēng)遙感監(jiān)測(cè)

2023 年6 月1 日14 時(shí)20 分，鐵嶺市開(kāi)原金溝子鎮(zhèn)田家村出現(xiàn)龍卷風(fēng)，由西南向東北方向移動(dòng)，Sentinel-2 遙感影像（獲取于https://dataspace.copernicus.eu/）監(jiān)測(cè)顯示：開(kāi)原西北部的龍卷存在清晰的條帶狀痕跡，龍卷始于北山村東側(cè)李家水庫(kù)，途經(jīng)李家窩棚村河家信子西側(cè)、新安堡村西北部、柴家窩棚村、池家窩棚北部、田家窩棚村北部、京哈高鐵、田家窩棚村東北側(cè)樹(shù)林。龍卷未出現(xiàn)跳躍式接地，移動(dòng)距離約為9km（圖3）。本次監(jiān)測(cè)保障了當(dāng)?shù)卣M快組織力量，落實(shí)應(yīng)急預(yù)案，迅速采取措施，第一時(shí)間組織救援部門(mén)進(jìn)行救援和善后工作，提升救援能力來(lái)減小對(duì)社會(huì)的影響，確保人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

圖3 2023 年6 月2 日鐵嶺市開(kāi)原市金溝子鎮(zhèn)龍卷路徑正射遙感影像圖

4.大霧高分遙感監(jiān)測(cè)

2021 年11 月18 日遼寧出現(xiàn)大霧天氣，利用高分四號(hào)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)影像顯示：大霧主要分布在沈陽(yáng)大部以及大連、鞍山、本溪、丹東等地區(qū)。從波譜特征來(lái)看，在14 個(gè)地市中沈陽(yáng)地區(qū)霧區(qū)范圍較大。為交通部門(mén)提供了及時(shí)、準(zhǔn)確的實(shí)況服務(wù)，并提出了建議措施。

5.森林火險(xiǎn)多源衛(wèi)星監(jiān)測(cè)

2022 年4 月23 日15 時(shí)左右，沈撫示范區(qū)突發(fā)森林火災(zāi)，由于風(fēng)勢(shì)較大，山火迅速蔓延，災(zāi)情緊急，高分遼寧中心迅速行動(dòng)，利用高分一號(hào)、高分四號(hào)、風(fēng)云四號(hào)等多源衛(wèi)星對(duì)此次火情進(jìn)行了高頻次跟蹤監(jiān)測(cè)和評(píng)估（圖4），同時(shí)加強(qiáng)對(duì)天氣形勢(shì)和火險(xiǎn)氣象等級(jí)分析研判，根據(jù)防火形勢(shì)和當(dāng)?shù)貧庀髼l件開(kāi)展氣象保障服務(wù)，提供了過(guò)火區(qū)域范圍和面積、煙霧蔓延形勢(shì)等信息，為現(xiàn)場(chǎng)指揮救援提供了精準(zhǔn)決策支撐。

圖4 2022 年4 月23 日沈撫示范區(qū)森林火災(zāi)過(guò)火區(qū)域高分影像圖

6.海冰高分遙感監(jiān)測(cè)

2023 年春節(jié)假日期間，遼寧省受2023 年第1號(hào)東北冷渦影響，冷空氣活躍，地面受冷高壓影響以北風(fēng)為主。1 月27 日高分四號(hào)遙感影像監(jiān)測(cè)顯示（圖5），遼東灣海域海冰面積較2022 年同期增加了679km2，海冰覆蓋度增加3%，初生冰減少，灰冰和白冰有所增加。海冰遙感監(jiān)測(cè)服務(wù)是海冰冰情精準(zhǔn)、高效調(diào)查的重要技術(shù)手段，可為海冰災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)服務(wù)、港口安全等提供重要保障。

圖5 2023 年1 月27 日高分四號(hào)海冰監(jiān)測(cè)面積專(zhuān)題圖

三、討論與思考

自然災(zāi)害給人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。對(duì)于突發(fā)性重特大自然災(zāi)害，由于地形條件以及災(zāi)害造成的通信中斷、交通設(shè)施毀壞等多方面影響，導(dǎo)致在災(zāi)害發(fā)生時(shí)很難通過(guò)傳統(tǒng)的方法及時(shí)獲取災(zāi)區(qū)的實(shí)時(shí)信息，從而影響救災(zāi)工作的進(jìn)行。遙感技術(shù)利用其宏觀、動(dòng)態(tài)、綜合監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)，具有獲取信息快速、周期短、信息量大、受條件限制少等特點(diǎn)，在救災(zāi)工作中具有傳統(tǒng)手段不可比擬的優(yōu)勢(shì)，成為我國(guó)應(yīng)急管理和防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)工作重要的技術(shù)支撐手段。利用遙感技術(shù)可快速獲取受災(zāi)區(qū)域的遙感影像數(shù)據(jù)，通過(guò)分析處理，可全面地掌握受災(zāi)情況、災(zāi)害發(fā)展變化趨勢(shì)、災(zāi)害損失概況等信息，為行政指揮決策和災(zāi)害損失評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐，是完成減災(zāi)救災(zāi)工作的重要技術(shù)手段。

近年來(lái)，基于高分系列衛(wèi)星影像推進(jìn)遙感數(shù)據(jù)的區(qū)域應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，特別是在防災(zāi)減災(zāi)、鄉(xiāng)村振興、生態(tài)環(huán)保、自然資源、綜合治理、規(guī)劃管控、國(guó)防安全等領(lǐng)域已經(jīng)取得了很多成果和實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了從二維到三維、從平面到立體、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從實(shí)景三維到數(shù)字孿生的升級(jí)，開(kāi)創(chuàng)了“平臺(tái)+數(shù)據(jù)+應(yīng)用”的遼寧高分示范推廣應(yīng)用模式，優(yōu)化數(shù)據(jù)共享與合作，開(kāi)展多種學(xué)術(shù)交流與培訓(xùn)工作，有力促進(jìn)高分?jǐn)?shù)據(jù)在遼寧各行各業(yè)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，服務(wù)于遼寧社會(huì)經(jīng)濟(jì)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與高質(zhì)量發(fā)展。

目前，在實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用中，也存在一些不足。高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源略有不足，無(wú)法滿足在災(zāi)害出現(xiàn)時(shí)高時(shí)間分辨率的數(shù)據(jù)需求。高分?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程中沒(méi)有規(guī)范、多時(shí)相影像的疊加存在定位偏差等因素造成影像數(shù)據(jù)在分析過(guò)程中存在誤差。另外，不同行業(yè)、不同地區(qū)之間在使用國(guó)產(chǎn)高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)過(guò)程中對(duì)遙感影像的災(zāi)害反演技術(shù)缺乏共享機(jī)制以及應(yīng)用推廣相對(duì)不足，一定程度上阻礙了高分影像在防災(zāi)減災(zāi)中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。這些都需要在未來(lái)不斷完善與改進(jìn)，進(jìn)一步促進(jìn)高分遙感數(shù)據(jù)在防災(zāi)減災(zāi)中的應(yīng)用。