“高分四号”卫星在地震行业中的应用潜力分析

<p>　　引言</p><p>　　遥感技术应用于地震科学研究最早开始于20 世纪70 年代，主要是利用航空遥感数据和中低分辨率的卫星数据并配合野外调查工作对地震活动构造开展调查和研究工作。近十余年来，我国陆续开展了利用航拍影像和中高分辨率遥感数据开展震害判读与快速评估和利用卫星红外数据进行地震热红外监测的研究工作。目前，遥感技术已经应用于我国防震减灾地震监测预报、地震灾害防御和地震紧急救援三大工作体系中，并发挥着越来越重要的作用。然而，过去所使用的遥感数据以国外卫星数据为主，特别是一些高分辨率遥感数据的获取渠道还主要依赖于购买国外卫星数据，成本高且获取周期长，这在一定程度上制约了相关业务工作的开展，地震行业对国内高分辨率遥感数据的需求变得日益迫切。</p><p>　　“高分四号”卫星是我国首颗高轨高分辨率光学成像遥感卫星，搭载了国际首台地球静止轨道高分辨率光学遥感相机，相机配备了大规模面阵CMOS 探测器和大规模面阵红外探测器，可实现大面阵区域成像。卫星具有凝视、区域和机动巡查三种成像模式，能在几分钟之内完成任务机动响应，并实现对不同行业用户指定的区域进行高频重复观测以及对固定区域的动态监测。此外，还能够实现对中国及周边7 000km×7 000km 范围进行大区域成像，满足不同行业用户的业务需求。“高分四号”卫星星下点可见光近红外通道的像元分辨率为50m，中红外通道的像元分辨率能够达到400m，单幅成像幅宽超过400km，它是我国首个在轨设计设计寿命达8 年的遥感卫星。对地震行业用户来说，应充分挖掘“高分四号”卫星数据在地震行业中的应用潜能，最大化发挥卫星数据的地震应用潜力，进一步推进国产高分辨率卫星数据的地震业务化应用。</p><p>　　1 地震行业应用潜力分析</p><p>　　1.1 地震热异常监测</p><p>　　自 19 世纪80 年代前苏联科学家意外发现地震前存在热异常以来，各国学者开展了大量研究。当前，地震热异常现象已被认为是一种有效的地震前兆信息，卫星红外遥感以其覆盖范围广并能实现连续观测而成为开展地震热异常监测的有效手段。“高分四号”卫星的高时间分辨率能够满足地震监测的需求，而其百米级的空间分辨率也比目前地震部门广泛使用的NOAA/AVHRR、EOS/MODIS 等红外数据有了较大程度的提高。千米级空间分辨率的数据在开展大区域地震红外异常监测方面具有优势，而几十米空间分辨率的红外数据在对构造带局部红外辐射变化识别上则能发挥一定作用。利用“高分四号”卫星并配合目前已有的中低空间分辨率的红外遥感数据，将能够实现在地震监测中先圈定地震危险区，再对区内局部重点区域进行连续观测，可为地震危险性判定提供参考。</p><p>　　地震红外异常观测，并不需要分钟级连续的观测，考虑到卫星红外异常出现的时空特点，主要需要卫星对重点监视区域进行区域模式的连续观测。在观测区域的选择上，考虑到卫星的寿命和工作性能以及其他行业部门的观测需求，可选择我国地震多发区川滇地区作为重点观测地区。在观测时间上，由于地震红外异常观测要尽量减少太阳辐射和人类活动等带来的影响，需选用夜间成像数据，同时考虑卫星相机的阳光规避问题，可选择凌晨3~4 点作为卫星观测时间。</p><p>　　考虑到目前地震行业开展地震监测所用的卫星红外数据主要以远红外和长波辐射数据为主，近年来地震预报部门进行日常会商所使用的数据也主要以上述两种数据为主，而对中红外数据的应用较少。因此，为了使“高分四号”卫星中红外数据早日进入地震监测业务，在获得数据初期应以辅助和配合其他卫星远红外、长波辐射数据使用为主，并逐渐在工作中总结中波红外异常时空强变化与地震活动的关系。此外，根据目前行业开展地震红外异常监测的经验，异常信息的提取需要在对研究区域红外背景场特征充分认识的基础上进行，而背景场的建立则需要长时间尺度数据计算获得。“高分四号”卫星数据目前积累时间短，难以获得准确的参考背景场信息，而其他卫星数据建立的背景场由于卫星平台、轨道高度、载荷性能等的差异并不能作为“高分四号”卫星中红外数据的背景数据使用。因此，卫星运行初期，主要以观测区红外变化趋势分析和对其他卫星观测获得的异常信息进行辅助分析为主，随着数据的积累逐步开展相关地震红外监测产品的生产。在未来的业务应用中，还需结合其他卫星观测的远红外和长波红外数据进行对比和综合分析，最终获得监测结果。</p><p>　　1.2 区域地震构造研究</p><p>　　地震构造调查是地震部门开展震害防御工作的重要内容，而区域构造研究是地震构造调查的重要工作之一。区域地震构造研究需要定期获取覆盖全国及周边地区的光学遥感图像，从板块和次一级块体的角度分析构造的活动模式及其动力学机制。现有的极轨卫星具备获取全国范围数据的能力，但获取周期长，且受天气等原因的影响，部分数据无法使用。而且极轨卫星成像幅宽小，获取全国范围的图像有时需要几百景数据进行拼接，工作量大，且由于成像时间不同的原因，图像间色调相差大。“高分四号”卫星利用其区域成像模式能够在1~3 天完成对我国国土的全境覆盖，在区域构造调查和分析中具有很好的应用前景。</p><p>　　“高分四号”卫星50m 像元分辨率的光学遥感数据可作为活动构造中小比例尺（1∶25 万、1∶50 万、1∶100 万）区域底图，通过利用大范围（板块、亚板块尺度）整体构造活动性遥感综合解译方法和构造地貌学研究方法对活动构造控制的大型夷平面、冲洪积扇、河流阶地、构造盆地等面状地貌单元进行解译，建立典型地震构造线性和面状目标要素的特征数据库。同时，针对典型地震构造地貌单元，可利用多时相“高分四号”卫星光学数据，分析断裂带两侧地貌单元的含水量变化及地表植被差异，开展隐伏构造信息提取方法研究。这些可为开展大范围构造带几何学、运动学遥感综合研究奠定基础。</p><p>　　1.3 极震区破坏宏观识别</p><p>　　地震灾情信息及时准确获取是开展有效地震应急救援，最大限度减轻地震灾害的重要保障。地震后第一时间确定极重灾区位置和范围是开展地震应急指挥和救援的关键，也是各类信息获取的关注点。“高分四号”卫星的凝视模式能够实现对某一区域连续快速成像，这一特点使得“高分四号”卫星能在第一时间获取地震灾区遥感影像序列。但是由于“高分四号”卫星50m 的像元分辨率不能刻画出建筑物破坏信息，只能在宏观上圈定极震区的大致范围，在地震应急工作中应主要发挥其高时间分辨率的优势。</p><p>　　实际应用中，首先需对震前和震后“高分四号”卫星影像及其它高分参考影像进行投影变换、波段匹配、自动配准等一系列数据的一致性转换，转换中需根据“高分四号”卫星宽覆盖的特点对目前极轨卫星常用的数据转化方法进行改进。其次，基于利用其它高分辨率卫星数据，模拟类似“高分四号”卫星像元分辨率开展的历史大震极震区震害信息的灰度特征、纹理特征、光谱特征等的相关结果，并利用面向对象的影像分割和分类技术，对植被、水体等非居民地进行背景提取和剔除，再结合居民点等矢量数据，采用变化检测等技术实现对居民地的提取；最后，通过与地震基本要素等空间辅助信息的结合，进行基于“高分四号”卫星影像的极灾区宏观震害判识与确定，形成极重灾区快速定位与范围提取，并对极灾区灾情进行综合分析与评估，形成极震区宏观灾情分析报告，为震后第一时间应急指挥和救援提供信息支持。</p><p>　　此外，大震后还可利用“高分四号”卫星高时间分辨率的特点，对地震影响区域内发生的大型崩塌、滑坡、泥石流和堰塞湖等地震次生灾害的发展动态进行监测，并开展相关的灾情评估工作。</p><p>　　2 应用实例</p><p>　　2014 年8 月3 日，我国云南鲁甸发生Ms6.5 级地震，地震造成多处地震地质灾害，我们利用2016年5 月11 日成像的“高分四号”卫星影像对部分灾害信息进行了识别，结果如图1 所示。可以看到在震后近两年的时间，仍可以识别出沿牛栏江河谷的多处地震地质灾害，尤其典型的是位于红石岩村的巨型滑坡体。滑坡体在影像上色调呈高亮白色，是牛栏江东西岸的对冲型崩塌滑坡体导致河谷堰塞（图1 中编号2）。该处堰塞体位于红石岩水电站的水坝和电站机组中间，在震后造成巨型堰塞湖，堰塞湖水面没过水坝坝顶，现在的坝址库区未再蓄水。此外，位于坝址附近的另一处滑坡体在“高分四号”卫星影像上也清晰可见（图1 中编号1）。位于龙头山镇附近的3~6 处滑坡体，均规模巨大，需要指出的是图中编号3、5、6 处的滑坡体直接导致通往龙头山镇及红石岩水库的公路中断，地震发生2 年后仍能看到滑坡体的前缘与公路交汇处的高亮色调。牛栏江下游的崩塌体（图1 中编号7）也呈高亮的线条。</p><p align="center"> </p><p>　　图1 “高分四号”卫星影像对2014 年8 月3 日鲁甸Ms6.5 级地震震后大型滑坡体的显示</p><p>　　此外，通过分析鲁甸地震中破坏最严重的龙头山镇在“高分四号”影像上的表现特征，发现该区域在影像上呈高亮色调，这主要是由于龙头山镇位于牛栏江右岸支流的深切峡谷中，受地震损毁严重，开展的震后房屋重建及河床、河谷修复等工程施工改变了原有地物类型，造成了该区域与周边地物在影像上的明显差异。尽管龙头山镇的色调异常叠加了震后重建因素，但是可以推断，通过对比震后第一时间获取的“高分四号”影像与震前影像，可以快速识别重灾区城镇居民点的破坏情况。</p><p>　　从“高分四号”卫星影像对发生在川滇高山峡谷区的中强地震震区的显示来看，利用成像品质良好的“高分四号”卫星震后影像，可以从空间上识别大型地震地质灾害的空间分布位置，结合生命线工程（大型水电站、干线公路）与灾害在空间上的分布关系，能够为震后的应急指挥决策提供及时有效的信息。</p><p>　　3 结束语</p><p>　　“高分四号”卫星是我国首颗高轨高分辨率光学成像遥感卫星，它在地震行业的三大主体业务中均能够发挥重要作用，特别是其高时间分辨率的特点使大震后第一时间获取极灾区范围成为可能，这对受灾情况和救援路线的判定具有重要意义。由于“高分四号”卫星目前刚结束在轨测试工作，本文仅对未来其在地震行业应用的潜力进行了初步探讨，相信随着“高分四号”卫星数据的不断积累，其在地震行业应用中将能够发挥更大的作用。 </p><br />