极简科学课 | 遥感:防灾减灾的“天空之眼”

来源:中央纪委国家监委网站发布时间:2020-05-19 13:30
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中央纪委国家监委网站 王小宁 北京科技报社 吉菁菁 

主讲嘉宾

李京,北京师范大学风险治理创新研究中心首席科学家,国家防灾减灾与可持续发展国际合作基地主任,国家减灾委员会专家委员会委员

 

5月9日至15日为全国防灾减灾宣传周。特殊的地理位置决定了我国是世界上受自然灾害影响最为严重的国家之一:灾害种类多、发生频度高、破坏严重,造成的直接经济损失呈上升趋势。当灾害从天而降,我们到底有何应对之法?

遥感技术被称为地球的“守护神”,通过“天空之眼”的全程监测,可以在灾害发生前进行预警,还能准确获取灾区实时影像数据,提供准确灾情信息,为防灾减灾提供强有力的支持,指导救援工作。目前,遥感技术已被广泛应用于各种重大灾害的减灾救灾工作中。

抗击灾害的“天眼”如何工作?

“遥感”的英文含义是遥远的感知,区分以广义和狭义。广义遥感指的是不接触物体获取物体信息,比如说人的视觉——没有接触物体只是看到了,但我们也获得了信息。X射线、地震波、重力探测都属于广义遥感。

狭义遥感是我们平常更熟知的电磁波,包括紫外线、可见光、红外、微波波段的遥感。微波遥感可以全天候工作,应对随时可能发生的灾害。遥感技术中最重要的是传感器,把传感器放在卫星上就形成了卫星遥感技术。

当我们用遥感监测时,挑选卫星的一个重要标准是空间分辨率。以相机像素举例,每一个像素实际对应的地面大小,就是空间分辨率。例如,国产“风云2号”卫星的分辨率是1.25公里,在这样的分辨率下,虽然能看清全球灾害性天气现象,比如气旋和台风,但地表清晰度远远不够。而中国第一颗高分辨率的同步轨道卫星,也是目前世界上同步轨道分辨率最高的对地观测卫星——“高分四号”卫星,能从3.6万公里外看见海上的大油轮。它的主要用户是民政部、气象局、地震局等救灾部门。

“高分四号”卫星获取的首批影像图之一(图片来源:国家国防科技工业局)

另外一个挑选标准是时间分辨率,即对同一个地方进行遥感观测的时间间隔。比如说静止卫星成像一次需要半个小时,而陆地卫星对一个地区监测一次后,需要16天才能回到该地区进行再监测。我国专为减灾研制的环境减灾卫星是4天一次监测,使用4颗卫星后,就可以实现每天一次。时间分辨率对灾害的动态监测非常重要。灾害监测天气预报以小时为单位,植被长势和作物的分辨一般以天为单位,城市扩展、河道变迁则以年为单位,所需的时间分辨率差异很大。

目前主要使用两种方式来提高卫星的时间分辨率:一种是侧摆,把卫星转一个角度对某一地区进行多次监测。另一种是多发几颗星,采用多颗卫星组成星座。例如国产减灾卫星HJ-1卫星“星座计划”是:第一步,发射2颗光学小卫星和1颗合成孔径雷达小卫星(“2+1”);第二步,发射2颗光学小卫星和3颗合成孔径雷达小卫星(“4+4”),最后总数8颗星,时间分辨率大大提高。

卫星遥感:救灾“主力军”

遥感减灾的优势在于可以观测到任何受灾区。在一些偏远地区,一旦突发灾害,人无法及时到达。特别遇到重大灾害,地面的监测系统和通信系统易遭受破坏,无法获取准确信息,这时,卫星遥感就发挥了重要的作用。

2008年汶川地震时,在赶赴灾区的飞机上,就可以看到卫星拍回的现场影像。2013年雅安地震时,救灾部门也是以遥感影像资料作为参考和支持。如今,遥感卫星、通信卫星、导航卫星,加上航空平台和地面的各种监测车辆和仪器,构成了我国完整的“天地空”一体化应急监测网络。

同时,我国也高度重视加强国际间的减灾合作,为很多国家提供了卫星遥感服务。

2010年巴基斯坦发生特大洪水灾害,联合国教科文组织(UNESCO)紧急与中国取得联系。当时UNESCO与首都师范大学合作建立了水信息与生态水文教席,相关团队第一时间获取、分析了沿河两岸洪水分布的卫星影像,发给了巴基斯坦,供他们做出了正确的救灾决策。

2020年惊动全球的澳大利亚丛林大火,其实几乎年年发生。前几年有一次灾情发生时,恰逢我国的减灾卫星刚发射,澳方相关部门马上与我国联系,希望能获取相关影像。因为澳大利亚虽然是发达国家,但它没有自己的卫星。我们迅速调整了卫星轨道对相关地点进行拍照,及时提供了火灾的分布情况,对助力扑灭山火起到了关键性作用。

发生灾害后,我们也需要持续关注评估灾区恢复重建的效果。卫星遥感除了监测恢复重建的房屋和基础设施,也被用来判断灾后生态的恢复。1987年的大兴安岭火灾,四年后的影像很多地方还是荒芜一片,十年后,就能看到植被基本上恢复了,十二年后,基本看不出火灾痕迹,大兴安岭又恢复了往日的生机盎然。 

汶川地震发生后,我们也使用时长9年的卫星影像来评估当地生态“恢复力”。 

 

第一张图是根据观测结果,利用各种生态模型推算得出,第二张图则是进一步分析确定的防灾减灾重点地区。综合两张图可看出,部分地方超过50年才可以恢复,而部分地区无恢复力,必须要通过人为干预。

根据图像提供的信息,我们就可以明确下一步防灾减灾的目标:没有恢复能力的地方和恢复大于50年的地区,就是未来防灾减灾的重点。

航空遥感:应急“精锐部队”

航空遥感主要是利用各种飞机、气球等作为传感器运载工具在空中进行的遥感技术。航空遥感高度比卫星低很多,分辨率非常高,可以“看到”大量细节,在精准救灾中扮演了重要角色。  

自汶川地震后,“有人机”的航空遥感,在应急中就很少使用了。无人机快速崛起,并大量应用到救灾领域。灾情发生时,常常一两个小时之内就需要数据。这时,对起降环境要求低、可以全天候工作的无人机,被用来弥补卫星遥感时间分辨率不够的缺陷。应急期间,还常有云雾覆盖光学系统,导致雷达系统识别能力不够的情况,而无人机在小雨雪天气或6级风等情况下,可低空飞行,获取高分辨率(分米级)可见光影像。

除了自然灾害,在安全生产领域等应急工作中,无人机也发挥了巨大作用。2015年天津新港地区大爆炸,救灾部门第一时间出动了无人机拍摄现场灾情。

公共卫生应急方面,航空遥感应用较早的是国际组织。2016年,全球第一个无人机配送项目在卢旺达启动:通过无人机,把拯救生命的血液制品,快速送达指定地点。雅安地震时,急需卫星通信设备,而直升机却由于天气原因降不下来,这时就可以利用无人机,向灾区直接运送血样、药品和卫星通信装置等紧缺物资。

未来,无人机在游戏和运动、医学、搜索救援、警务和防务(社会安全)、物流六个行业都将大有所为,其中,四个行业都与防灾减灾和应急密切联系。特别在防灾减灾领域,救灾时非常需要应急物流,无人机在这个领域的应用,目前还远远未达顶峰,发展前景可期。

(本文内容整理自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的第641期首都科学讲堂|本专栏与“科学加”客户端合作建设)