第五章 卫星遥感技术与防震减灾

卫星遥感技术与防震减灾1.防震减灾工作对卫星遥感技术的需求分析1.1地震灾害的危害地震突发性强，破坏力极大，1949年以来，我国因地震死亡近30万人，伤残近百万人，倒塌房屋1000多万间，直接经济损失数百亿元。目前，随着我国经济持续高速发展、生产规模扩大和社会财富的积累，地震损失呈上升的趋势主要原因是:(1)城市化进程的加快，使灾害对城市的影响更加广泛。(2)城市对生命线系统的高度依赖，生命线系统对地震灾害的高度易损性，使得城市抵御灾害的能力降低。(3)减灾能力建设滞后于经济的快速发展，主要表现在:减灾工程建设不能满足国民经济快速发展的需要；灾害信息共享水平较低；灾害评估技术和手段相对落后；灾害预警能力和应急能力急待提高。1.2减轻地震灾害工作的现状地震预报是尚未攻克的世界性技术难题，地震预报在短期内难以发挥巨大的减灾效益。目前，我国的抗震设防水平较低，国家也不可能在抗震设防上花费太多，因此，在地震发生后，快速获取震情，正确有效地进行救灾决策，是最经济而又最有效地减轻灾害损失的手段。破坏性地震发生后，目前得到较为可靠的灾害损失评估结果一般需要1周时间，这个时间对急需获得救助的灾区来说实在是太长了。1.3防震减灾工作对卫星遥感技术的需求分析以上所述的地震灾害的特点决定了实现高效减灾工作必须做到：(1)随时监测各地发生的地震灾害;(2)在地震灾害发生前，对可能发生的灾害规模、灾害重点地域以及灾情发生、发展的趋势进行预测，运用GIS等技术提出辅助决策方案，为各级政府和地震或灾害管理部门制定防震减灾对策提供依据;(3)一旦发生强烈地震灾害，对震情和损失进行快速评估，并结合其它手段，进行精确评估，为紧急救援、安置和救灾以及重建工作提供符合灾区情况的第一手资料，以便争得时间，最大限度地减轻灾害。快速获取和传递地震灾害信息是减灾工作的一个至关重要的环节。遥感图像具有快速、全面、客观、直观的特点，卫星图象获取手段越来越容易，同一地区图象重复获取周期越来越短，图象质量精度越来越高，费用越来越低。因此，卫星遥感技术能够在防震减灾中发挥重要的作用。2卫星遥感技术应用于防震减灾工作2.1主要卫星情况简介目前，能够获取卫星遥感数据的有陆地资源卫星、海洋卫星、雷达卫星、气象卫星等，这些卫星因其参数及运营方式的差异，并不都适用于防震减灾工作，这里仅作选择介绍。2.1.1陆地资源卫星陆地资源卫星主要是以探测陆地资源为目的的卫星。目前正在运行的陆地卫星有6颗，主要的探测器为多波段扫描辐射计，地面分辨率为5～30m,部分技术参数如表1所示。随着陆地卫星的发展，其分辨率(包括空间、时间、光谱分辨率)和遥感平台的性能不断提高。如印度IRS-1D卫星的地面分辨率为5.8m，其侧视功能可保证获得覆盖周期为5天的5.8m分辨率、70km幅宽的影像;SPOT-4可获取地面目标的立体像对。中国资源1号备用星于2001年发射，资源2号也于2003年发射，其分辨率为5m.在今后3年内陆地卫星的地面分辨率将提高到2.5～5m.2.1.2雷达卫星雷达卫星采用主动微波遥感方式，能够穿透云、雾、雨、雪，具有全天候工作能力，获取与地表物质的几何结构、反射特性等粗糙度有关的特征。利用差分技术可以获得地壳形变信息，利用相关分析来处理地震前后同一地区的雷达图像可确定建筑物破坏情况。雷达卫星系列主要有RADRSAT,ERS-1/2,JERSSAR等。其中以加拿大的RADARSAT最具有代表性。欧空局定于2000年发射ENVISA卫星，加拿大预定于2001年发射RADARSAT-2aRADARSAT-1可以通过选择工作模式和控制成像幅宽为用户提供7天的重复观测。RADARSAT--2的地面分辨率为3m，美国“研究发展实验室”(RDL)已向政府提出发射和运营1m分辨率的商业化雷达遥感卫星。随着高分辨率雷达卫星商业化的发展趋势，包括我国在内的世界各国在本世纪初有望获得高分辨率的雷达卫星遥感图像。2.1.3高分辨率卫星美国于1994年允许其私营公司拥有和经营分辨率为lm的遥感卫星。此后，美国商业卫星公司开始制造高分辨率卫星。美国近期已经发射3颗高分辨率卫星((EarlyBird,QuickBird,Ikonos),但只有Ikcziros卫星于1999年9月24日发射成功。南非的GreenSat-O1卫星(1998年)也发射失败，Ikonos卫星为太阳同步卫星，全色波段分辨率为lm，多光谱为4波段，分辨率均为4m，一般幅宽为13km,可获取立体像对。美国正在韩国建立卫星地面接收站，将负责Ikonos等卫星数据的接收和亚洲地区数据的分发。Ikonos数据的分发速度非常快，最快可在数小时内提供给用户。将要发射的高分辨率卫星包括美国的OrbView-3卫星(1～2m分辨率的全色波段和4m分辨率的多光谱波段)、QuickBird-2卫星(lm分辨率的全色波段和4m分辨率的多光谱波段)、lkonos-2卫星，还有以色列的EROS项目计划的8颗高分辨率卫星(0.82～1.8m分辨率)、日本的ALOS卫星韩国和泰国都将准备发射自己的卫星。我国将发射较高分辨率的减灾卫星群(2003～2004年)，为此，有必要在防震减灾工作中对震后遥感图象获取的时效性和空间分辨率及其它技术所必须满足的要求进行分析。高分辨率卫星幅宽小，通常都具有侧视能力。尽管如此，单颗卫星仍不能满足地震灾情的快速获取要求。因此，从卫星遥感技术的发展趋势来看，采用多颗卫星，利用卫星群效应，未来3～5年内，在几小时～24小时内重复获得灾区遥感图像是可能的。2.2可用于减轻地震灾害的卫星分析目前已在空中运行的可用于减轻地震灾害的卫星已统计在表3中。据调查了解，将要发射的可应用于震害评估的卫星已统计在表4中。综合分析，应用卫星遥感技术于防震减灾领域主要可能包括如下几方面的工作:(1)活动断层及地震破裂带调查:主要调查与分析活动断层的几何特性、构造地貌等，这对图象分辨率要求不高;(2)房屋破坏调查:分析单个房屋和房屋群的破坏情况，要求较高的图像分辨率(6m);(3)生命线工程破坏调查:分析公路、铁路、桥梁、通讯设施等的破坏情况，要求较高的图象分辨率(10m);(4)地壳形变调查:利用差分InSAR技术获取同震形变，分析同震形变的空间变化，初步确定宏观震中位置，这里主要应用雷达卫星;(5)次生灾害调查:确定各种次生灾害，如水灾、火灾等，不同的灾种对图象分辨率及传感器的类型有不同的要求，如火灾要求红外波段。常，房屋破坏严重的地区相关性较差，而未破坏的地区相关性相对较高，因此通过比较房屋区域的相关系数，可以建立房屋破坏的定量指标系统。这里遥感图象的分辨率可以较低，既可以使用陆地卫星，也可以使用雷达卫星。利用雷达卫星地震前后建筑物的相干性及后向散射特性的变异来评估建筑物的损失具有十分精确的结果。目前，几乎没有高分辨率的卫星遥感图象库，但随着高分辨率遥感卫星的不断发射上天，建立高分辨率遥感图象库将逐步成为可能，在条件逐步成熟后，建立全国150个大中城市的高分辨率遥感图象库，对震害评估带来便利。(2)多参量统计分析及其它模式识别方法遥感图象上的房屋建筑具有特殊的几何特性，如由点、线、面构成，交角为直角，有阴影相随，几何结构规则。具有某一方向的轴对称性，建筑物顶的灰度较周围环境大，一旦房屋遭到破坏，这些特性也相应地发生某些变化。可利用一些提取图象特征结构的算法以提取参数，为提高分类的精度，通常需要进行参数组合，不同的参数组谷能够刻划不同类型的建筑物或不同破坏类型的建筑物。其它模式识别方法，如自组织神经树模型、层次分析模型、模糊聚类模型和小波理论都可应用于震害遥感影像的模式识别。通常要建立大量的震害样本图象。(3)波谱分析方法破坏房屋的波谱特性较破坏之前有较大的变化，破坏地区的光谱发射强度较高，因此可通过波谱分析来确定房屋的破坏程度。需要建立不同类型的建筑物波谱特征曲线，通常采用波谱测量方法。高光谱卫星遥感数据将能极大地方便我们获取震区房屋的波谱信息，从而确定目标房屋的破坏程度。2.3.5次生灾害雷达图象可以有效地识别水体，红外波段对火灾信息较为敏感。遥感图象的分辨率可以较低，用于观察次生灾害是十分方便的。3应用于防震减灾工作的未来卫星遥感的需求设计随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，人民对减灾的期望和要求不断提高，减轻地震灾害工作将遇到前所未有的压力和挑战。使用最新的卫星遥感技术是今后发展的必由之路，也只有这样才能最大限度地减轻地震灾害。对于自然灾害，特别是地震灾害的观测，除有空间分辨率的要求以外，还要能在较短的时间内对一个地方进行重复观测，不同的自然灾害具有不同的要求。经初步分析，用于地震灾害的卫星遥感分辨率要求在5m以内，时间分辨率要求尽量高，通常要求每天能重复2次。目前，我国卫星遥感技术水平还比较落后，远远不能满足这些要求，因此，要采取两步走的方案:(1))建立综合减灾卫星系统在最近的几年内，主要利用其它国家的卫星资源，建立综合减灾卫星系统，整个卫星系统包括:1)现已发射在轨的陆地资源卫星、气象卫星;2)雷达卫星;3)高分辨率遥感卫星。通过协调各个可用卫星机构，建立减灾卫星遥感资源获取保障系统，一旦地震发生，即联络最近卫星，以接收震区遥感图象，并通过卫星地面接收站和通讯传输网络将遥感图象快速传输到有关部门:（2）建立专用减灾小卫星系统近来，小卫星在国际上有很大发展，一是由于实现了卫星部件材料的轻型化和元器件的小型化；二是结构组合的改进。小而轻的卫星加上卫星平台，可以做到生产周期短、经济和批童生产快、好、省。