首都科学讲堂第641期《遥感:防灾减灾的“天空之眼”》

信息来源:北京科学中心      发布时间:2020-05-14

  2020年5月12日,受新冠肺炎疫情影响,首都科学讲堂线上开讲,本次首都科学讲堂邀请了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李京,为大家带来主题为《遥感:防灾减灾的“天空之眼”》的精彩讲座。

  

  应对疫情防控,首都科学讲堂线上开讲。为坚决贯彻落实习近平总书记对新型冠状病毒感染的肺炎疫情作出的重要指示精神,北京科学中心坚持“疫情不解除,科普不掉线”,积极开展疫情防控和应急科普,切实做好知识普及和引导科学防控等工作。本期首都科学讲堂使用科学加APP、腾讯新闻客户端、新浪科技客户端、一直播APP等平台开展直播,采用“直播+录播”双管齐下的新颖方式,让公众足不出户,也能获得最权威、最前沿的科普内容和资讯。首都科学讲堂在疫情防控期间将灵活运用各类载体形成宣传阵地,利用网络手段为公众带来更多丰富主题的线上活动,进一步发挥科普在疫情防控中的重要作用。

遥感:防灾减灾的“天空之眼”

  今年5月12日是我国第12个全国防灾减灾日,5月9日至15日为防灾减灾宣传周。特殊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、灾害发生频度高、灾害损失严重。我国自20世纪90年代以来,年受灾人口越来越多,所造成的经济损失更是不断增长。当灾害从天而降,我们到底有何应对之法?

第一讲 中国的灾害与应急管理

  首先,我们介绍中国灾害与应急管理的特点。灾害广义上讲是指一切对自然生态环境、人类社会的物质和精神文明,尤其是人们的生命财产造成危害的天然事件和社会事件。而狭义上讲,就是专指自然灾害。相应地把人为事故造成的灾害称为事故灾难,也称作人为灾害。国外也有叫作技术灾难。今天讲的重点内容,主要讲的是自然灾害的防治。

  前面讲的广义灾害,我们经常面对的是突发公共事件。它的特点是发生非常突然,而且造成或者说可能造成重大的人员伤亡、财产损失、生态环境破坏、社会危害,危急整个公共安全的应急事件。

  为了应对这样的事件,国家建立了突发公共事件的应急体系。分了四大部分,自然灾害、事故灾难、公共卫生、社会安全。更详细点的就是这样,自然灾害指的就是我们经常遇到的由自然因素引起的灾害,水旱、地震等等。事故灾难就是各种人为的事故,包括交通事故、工业事故等。公共卫生事件包括急性传染病,像现在正在应对的新冠病毒。社会安全事件涉及到反恐,经济安全,比如说经济危机等这些事件。我们把所有的应急事件分四大类,今天重点谈的是自然灾害部分。

  自然灾害大概的分类,目前分了几类,第一类地震与地质灾害,以前统一叫地质灾害。由于地震频繁,而且危害比较大,所以单独分出来叫地震与地质灾害。第二是气象与水文灾害,包括台风、暴雨、干旱等。第三类是海洋灾害,重点在海上,主要是风暴潮,赤潮。第四个是生物灾害,一般是各种病虫害。第五类是生态环境灾害,包括水土流失等。我们经常说的林火、草原着火等,现在都划分到生态环境灾害。

  由于我们国家特定的地质构造条件和自然地理环境,我们国家是自然灾害最严重的国家之一,在全世界居前列。重大自然灾害频发,分布广,损失很大。我们看到两张图就是2008年的重要自然灾害,一是2月的雪灾,输电线上结冰。当时很多的输电线就是这么断掉的。这边是汶川地震,可以看到我们国家自然灾害最严重的一年的图片。多严重?地震,20世纪,我们国家地震死亡大约是59万人,占全球地震死亡的一半。1991年-2005年自然灾害造成的直接经济损失,前10个国家排名中,中国是前3名。自然灾害造成的经济损失在全球排前列。损失非常重,是第一个特点。第二个特点,这种损失总趋势在增加。灾难经常是不同地区同时频发。

  2010年为了向中央汇报紧急做出的半个月灾情,当时每半个月一次。可以看到,全国到处都在发灾,而且有旱灾、水灾同时发生,滑坡和地震都有同时发生。这是一张我们国家的水灾频次分布图,我们可以看到水灾的分布不仅在东部经常受台风暴雨影响,包括西部干旱区都有很多水灾。这个原因就是水灾成因有所不同,西部比如说在这边黄河流域的上游,这里有冰凌洪水,在冬季河道的冰峰造成的。在新疆干旱地区,这里有雪山,有融雪性洪水,就是冬季降雨很多很厚,到了春天温度增加的时候突然融化。可以看到往往一个灾的特点在全国到处都分布,这也是我们国家灾害比较严重,发生频次比较高的重要原因之一。

  另外,灾害经常带来的问题,一个主要的灾害会带来很多的次生灾害。比如说台风会带来暴雨,而暴雨造成洪水等等。而且自然灾害还会由于这些重大灾害引起生产安全事故,造成事故灾难。风暴潮的影响,可能造成了跨堤,海水污染机械事故。在陆地上也一样,即使在下暴雨的情况下,大风也可能带来火灾,带来结构破坏。这都使得灾害非常复杂,而且造成损失很重。这张是地震的灾害链,地震会引起一系列的次生灾害,我们称之为灾害链。举个例子,一个灾害可能不是很大,但会造成很大的影响。冰岛的火山,这是全世界所有自然灾害中唯一中国没有的灾害。中国所有自然灾害都有,只有活火山没有。2010年,冰岛火山喷发,冰岛地广人稀,火山本身冰岛本身其实造成的影响不大。但是,冰岛所处的位置,使得欧洲一带大量的航线受到了影响,造成了超过六万航班取消,直接损失至少达到了8亿欧元。也就是说一个小的灾害,有可能由于引起次生灾害,造成很大的危害。

  日本的3·11大地震引起了海啸。大地震本身造成的伤亡没多少,倒塌房屋不多。大部分的死亡人数是引起的海啸,而它引起的海啸进一步造成了核泄露事故,十多年过去了都处理不完。

  我国自然灾害趋势的总风险在增加。但同时,我国也下了很大的力量,提高了设防能力,灾害的设防能力也在提高。全球都有一个趋势,巨灾风险加大,全球气候变化引起的极端气侯事件非常高,巨灾发生的频率剧增,损失加重。近十年的统计发现,全球的灾害发生的次数没有增加,反而有所减少。但带来的伤亡和损失迅速增加,也就是说,自然灾害的平均强度增大了。

  灾害是制约我国的经济和社会发展的重要因素。它发生频率很高,损失非常严重,灾害损失明显上升。从区划情况看,我国3/4的省会城市和2/3地级以上的城市,位于地震烈度7度以上的危险区。70%以上的大城市,半数以上的人口,3/4以上的工业产值分布在洪水、地震等灾害严重的地区。我国灾害分布广泛,我们必须学会应对灾害,和灾难共同生活。

  我国目前已经建立起比较完整的应急管理体系。这个体系建设制定了一系列的应对预案和国家的预警体系。同时,我们建设了基础能力建设,也发布了国家级的减灾规划。建立起完整的技术系统,包括支撑体系。建立了各种灾害的地面监测,气象海洋,卫星系列,建立了减灾小卫星系列,对自然灾害的预报、预警、评估信息服务的天地一体化监测体系建设。

第二讲 抗击灾害的“天眼”如何工作?

  遥感本身的英文含义是遥远的感知,如果说更具体的定义,分广义、狭义。X射线、地震波、重力探测都属于广义遥感,广义遥感指的不接触物体获取物体信息,比如说人的视觉——我们没有接触物体只是看到了,但我们也获得了信息。

  狭义遥感是我们平常更熟知的电磁波遥感,紫外线、可见光、红外、微波波段工作的遥感。遥感技术最重要的是传感器,把传感器放在卫星上就形成了卫星遥感技术。传感器按照波段分,基本上就是紫外遥感,可见光遥感,微波遥感。微波遥感可以全天候工作,应对随时可能发生的灾害。

  当我们用遥感监测时,挑选用什么样的卫星一个重要的标准,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叫空间分辨率。

  国产的风云2号卫星的分辨率是1.25公里,在这样的分辨率下,全球灾害性天气的现象,气旋和台风很清楚,但地表清晰度不够。而高分四号卫星作为中国第一颗这种高分辨率的同步轨道卫星,也是世界上分辨率目前同步轨道分辨率最高的对地观测卫星,能从3.6万公里外看见大油轮。它的主要用户是救灾的主体民政、气象、地震。现在民政和地震都划归到了应急部,现在主要是为应急部服务。

  另外一个分辨率概念是时间分辨率,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半小时就可以得到,陆地卫星对一个地区监测1次需要16天才能回到这个地区再次监测一次。我们专门为减灾研制的环境减灾星是4天一次,我们有了4颗星可以实现每天一次。这个时间分辨率对灾害的动态监测非常重要。灾害监测天气预报常需以小时为单位,植被长势和作物的分辨一般10天或者1天为单位,城市扩展、河道变迁这些以年为单位,我们需要的时间分辨率差异很大。

  卫星也是分成了两大类,一类是极轨卫星,这类的卫星高度比较低,一般是500-1000公里,它的空间分辨率很高,符合要求,但时间分辨率低。为了提高时间分辨率,卫星采取了很多办法,一种是侧摆:卫星转一个角度对这个地方进行监测。还有一种方式:既然一颗星不行,多发几颗星。

  国产的减灾卫星的星座设计就是,第一步发2颗光学小卫星,还有一粒雷达星,2+1计划。第二步是发2颗光学星,3颗合成孔径雷达星,4+4计划,最后就是8颗星。这样时间分辨率就提高。

第三讲 卫星遥感:救灾“主力军”

  遥感减灾的主要特点是,可以观测到任何受灾区。灾区一旦发灾,人很难到达。特别遇到大灾害的时候,即使地面布置很多监测系统和通信系统,也常被破坏,使得无法获得准确信息,而这时,卫星遥感就发挥了重要的作用。

    国家减灾委建立了一套完整的信息监测系统,24小时不间断工作。其中包括各种地面调查信息,也包括卫星监测。我们根据信息就做出了一系列的产品,比如灾情专报,每次发生灾情以后,紧急报中央,有时一天报很多次。这里会把卫星遥感监测到的数据分析结果放在里面一起报上去。减灾委经常会开协调会,工作的技术小组会把各种影像资料和数据通通放在屏幕上,各部委的代表一起协商,分析讨论数据看怎样处理。

    5·12大地震时,在赶赴灾区的飞机上就可以看到卫星拍回 的现场影像。雅安地震时,李克强总理去到现场视察,24小时内返回到北京,召开了国务院的抗灾会议。背后就是遥感影像资料作为参考和支持。

    我国的国家减灾规划明确指出,充分利用现代技术,推动实用科学技术和卫星、遥感、地理信息系统、全球定位系统等高新技术在减灾领域的广泛应用。我国的国家卫星减灾体系的规划,包含了航天平台有各种遥感卫星,通讯平台也是卫星通行和卫星导航。航空平台和地面的各种监测的车辆和仪器,形成一个完整的应急网络。

  早期我国为了能够建立这样的一个减灾的天空地一体化的系统,设计了环境和灾害的监测预报小卫星,这是专门的灾害卫星。原计划是到2020年推动到4+4,共8颗星。但实际上,我国的卫星发展速度远比当时规划的时候快,现在大批的卫星在天上运转,已经不再需要单独的减灾卫星,而是需要一系列的卫星综合的使用。利用卫星遥感的数据分析以后,现在得到了包括监测产品,评估产品,风险产品和决策产品在内,更多的应用产品。

  汶川地震是我们国家近年最大的一次地震灾害,也是灾害卫星起非常大作用的一次。当时根据雷达影像拍照,多期雷达影像做到汶川地震灾区地面形变的图。这是地震的两盘,上盘与下盘,上盘的变化很大,说明是逆冲断层,上盘往上抬了。当时我们国家分辨率最高的卫星影像CBERS-2B发射了没多久。它的分辨率是2.36m,在2008年是国产分辨率最高的。而现在我们有零点几米的,这是对北川拍照的,可以看到到处都是地震以后的滑坡。这个滑坡把这条河流截断了,这边就是唐家山了,最大的地方在唐家山堰塞湖形成,它的位置和程度在卫星影像上都可以看的清清楚楚。

  防灾减灾领域,我国并未“独善其身”,而是也“兼济天下”,为国际上做出很多服务。

  巴基斯坦2010年发生大洪水,联合国教科文组织紧急的打电话与中国联系,他们直接打到了首都师范大学,因为教科文组织在那与首都师范大学合作建立了水文信息教席。当时教席主任是首师大的前任校长宫辉力教授,第一时间领着工作小组获取分析影像。

  这张图像的蓝色是正常水体,是没有发洪水之前的;这张图像红色的是洪水,是灾害发生后,叠合到一起得到了洪水的分布图,沿河两岸的分析图。影像迅速通过教科文组织发给了巴基斯坦,供他们做出了正确的决策。

  今年震动全球的澳大利亚大火,其实基本年年都有发生。有一年大火的时候,我们的减灾卫星刚发上去,他们马上通过各种途径与我们联系,希望我们能够提供一些影像。澳大利亚虽然是发达国家,但它没有自己的卫星。于是,我们迅速地调整了卫星的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。

    再比还有风险评估和预警产品——灾害发生之前的提示,目前预警最成熟的就是台风预警。利用卫星影像,原来看到的静止卫星影像不断地拍摄,可以清楚看到台风怎样移动,从而预报什么时候,会到达什么地区。利用中国风云2号卫星做出来的移动,可以根据台风过去的移动路径和分析未来路径,能够就比较准确地预报出台风大概什么时候登陆,登陆时有多强。

    发生灾害后,恢复重建效果的评价,利用卫星影像也能有很好的效果。1987年大兴安岭火灾,四年以后的影像还看到很多的地方是秃的,十年以后基本上恢复了,十二年以后到1998年,基本看不出来痕迹了,大火烧过后已经恢复过来了。除了能看到恢复重建的房屋和基础设施以外,我们经常评价也包括灾后生态恢复了没有。我们用9年的卫星影像来判断分析,汶川地震发灾以后,造成损失以后的生态是不是恢复了。之前的是实际观测出来的,后面的则是根据观测的结果,利用各种生态模型最后推算出来的,有的地方超过50年才可以恢复,有的地方根本就恢复不了,必须得人为干预才能恢复。根据这样的图,我们可以倒推下一步防灾减灾的重点。没有恢复能力的地方和恢复的要大于50年的地区就是未来的防灾减灾的重点关注,根据这个可以看到在什么样的地区,面积多大,占受损面积的多少,这个图上可以一一做出来。

第四讲 航空遥感:应急“精锐部队”

  航空遥感主要是飞机、气球类的传感器进行遥感。航空遥感,因为它的高度比卫星低多了,所以拍卫星分辨率非常高,可以看到非常多的细节,对精准救灾起到重要作用。

  特别值得一提的比如一般用于航空的激光遥感。

  这是我们当时利用激光遥感做的马来西亚首都吉隆坡的三维地面模型,这种地面模型不是地形,而是把建筑高度也都测出来,用于城市的三维显示。发生灾害的时候,可以利用这个模型做了洪水的模拟:发洪水的时候淹没了什么地方。根据地形推算,根据历史上的洪水进行模拟,对可能发生洪水大概会淹没什么地方做出事先的模拟和预警。

  自汶川地震以后,真正有人机的航空遥感,在应急中就很少使用了。一方面是卫星遥感发展迅速,大量卫星对有人机的航空遥感数据需求量没那么大。另一方面是无人机的崛起,开始大量应用到救灾领域,弥补了卫星遥感时间分辨率不够的缺陷。当有灾情发生时,常常一两个小时之内要报数据,这时卫星不能保证,就得出动无人机解决。应急期间,常有云雾覆盖光学系统无法工作情况,雷达系统识别能力不够,无人机效果就特别好。

  当然,除了我们说的自然灾害,我们其他的应急工作,无人机也会发挥很大的作用。生产安全领域,2015年福建化工厂发生爆炸,应急着火。省长和省委书记到现场指挥,立刻派出无人机进行监测,可以低空进入到危险场所拍照取样。天津新港地区大爆炸以后,也是无人机迅速拍摄了当时现场实景。有些专门停放汽车的区,迅速地确认了受灾破坏的汽车数据。

  公共卫生应急方面,比较早的是2016年国际组织在卢旺达的第一个全球无人机配送服务,把急需的血液样品,供应运送到难以到达地区的医院。我们在2009年也提出来,无人机目前主要当做侦察机,其实也可以当做运输机往灾区直接运送紧急需要的物资。比如血样,紧急需要的药品,还有卫星通讯装置。雅安地震时,直升飞机由于天气的原因降不下来,最后采用了空投的卫星通讯设备。我们当时也提要把无人机当运输机使用,利用无人机进行小型的通信设备的空投,也可以解决这些问题。

  医疗和无人运货看起来是一种运输,和遥感有什么关系?其实大家可以看到,这样的运输机上肯定要装遥感的摄像装置,因为我们这样的物资都要精确地投送,血样和药品要投送到人的手上,一定要先搜索这个人在哪或者说设备,或者说在地震灾区的帐篷指挥部在哪里,要清楚地找到人以后才能把物资投送,它们都需要与遥感结合起来。

    未来,无人机在游戏和运动,医学,搜索救援,警察和防务(社会安全),物流六个行业都将大有所为,其中,四个行业都与我们的防灾减灾应急密切联系。特别是防灾减灾领域,救灾时非常需要应急物流,无人机在这个领域的应用远远未到达到顶峰,发展前景可期。

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