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出版日期: 2016-09-25
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DOI: 10.11834/jrs.20166171
2016 | Volumn20 | Number 5





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论文
中国灾害遥感研究进展
expand article info 范一大1,2 , 吴玮1 , 王薇1 , 刘明1 , 温奇1
1. 中华人民共和国民政部 国家减灾中心 卫星减灾应用中心, 北京 100124
2. 中华人民共和国民政部信息中心, 北京 100721
收稿日期: 2016-05-13; 修改日期: 2016-06-13; 优先数字出版日期: 2016-09-25
基金项目: 高分辨率对地观测系统重大专项（编号：30-Y20A04-9003-15/16，30-Y20A02-9003-15/16）
第一作者简介: 范一大(1968-), 男, 研究员, 研究方向为灾害遥感和自然灾害风险管理。E-mail:fanyida@ndrcc.gov.cn
中图分类号: TP701
文献标识码: A
文章编号: 1007-4619(2016)05-1170-15

摘要

随着灾害系统理论的深化和遥感技术的快速发展，中国灾害遥感研究与应用服务取得了丰硕成果。本文以灾害系统理论为基础，从“天-空-地-现场”一体化灾害立体监测体系、灾害要素分类体系、灾害遥感服务体系和标准规范建设等方面，总结了灾害遥感理论研究进展。分析了洪涝、干旱、地震、地质灾害等主要灾害遥感监测评估方法，并对应用研究热点和存在的问题进行了讨论。分3个阶段阐述了中国灾害遥感系统的发展历程，基于业务应用需求介绍了灾害遥感业务系统的体系架构。按照灾害遥感日常监测业务、应急监测业务和特别重大自然灾害损失评估等3个方面介绍了业务应用模式，并从时效性、评估精度和业务流程等方面对业务应用进展水平进行了评述。分析了当前灾害遥感研究与应用工作面临的机遇与挑战，对今后发展提出了加强灾害遥感应用机理研究、加快防灾减灾空间基础设施建设、加强灾害监测评估方法研究、提升综合减灾空间信息服务能力和加强软环境建设等对策建议。

关键词

自然灾害 , 遥感 , 灾害监测 , 灾情评估 , 研究进展

Research progress of disaster remote sensing in China
expand article info FAN Yida1,2 , WU Wei1 , WANG Wei1 , LIU Ming1 , WEN Qi1
1.Satellite Disaster Reduction Applications Center, National Disaster Reduction Center of China,Ministry of Civil Affairs of the People's Republic of China, Beijing 100124, China
2.Information Center of Ministry of Civil Affairs of the People's Republic of China,Beijing 100721

Abstract

The research and application of disaster remote sensing in China has achieved fruitful results given the deepening disaster system theory and the rapid development of remote sensing technology. On the basis of disaster system theory, this study comprehensively summarizes the research progress of disaster remote sensing theory from the aspects of the three-dimensional "space-air-ground" disaster monitoring system, disaster element classification system, disaster remote sensing service system, and standard and specification construction. The methods for the remote sensing monitoring and assessment of disasters are also analyzed. The significant issues in application research and existing problems are discussed. The three stages of the development of China's disaster remote sensing system are then introduced. The system architecture of the operational system of disaster remote sensing is proposed on the basis of application needs. The business application mode is described according to the disaster remote sensing monitoring of daily business, emergency monitoring business, and major natural disaster damage assessment. Moreover, the business application development level is evaluated in terms of timeliness, evaluation accuracy, and business process. Finally, opportunities and challenges faced by the current disaster remote sensing research and applications are analyzed. Some suggestions, such as strengthening the research on disaster remote sensing mechanism, accelerating the space infrastructure construction for disaster prevention, strengthening the research on disaster monitoring and assessment methods, enhancing the comprehensive service capability using disaster spatial information, and strengthening soft environment construction, are suggested for future development.

Key words

natural disaster , remote sensing , disaster monitoring , disaster assessment , research progress

1 引言

中国是世界上自然灾害最为严重的国家之一，灾害种类多、分布地域广、发生频率高、灾害损失重、社会影响面大是中国自然灾害的基本特点。进入21世纪以来，平均每年因各类自然灾害造成约4亿人(次)受灾，倒塌房屋约220万间，紧急转移安置超过1000万人，直接经济损失3400余亿元。在全球气候变化背景下，自然灾害与人类社会生存发展间的矛盾日渐突出，如何破解新形势新常态下所面临的自然灾害风险加剧、灾害损失与影响多元化、防灾减灾救灾工作难度加大等问题是灾害管理亟待解决的难题。2015年3月，在日本仙台召开的第3届世界减灾大会通过了《2015年—2030年仙台减轻灾害风险框架》，为未来15年全球防灾减灾救灾工作明确了7个全球减轻灾害风险目标和4个优先行动事项，提出减少灾害风险是应对气候变化影响的前线防御。遥感信息作为国民经济社会发展的重要战略资源，是国家灾害风险防范和灾情评估工作开展的重要基础信息。近年来通过有效应对一系列重特大自然灾害，表明遥感技术在中国防灾减灾救灾工作中的应用领域广阔、应用潜力巨大，已成为中国防灾减灾现代化建设的基础性支撑技术，能够为灾害监测评估、应急响应和指挥决策提供了强有力的技术支持。中国政府历来重视遥感技术减灾应用研究和实践，将灾害遥感作为提升政府灾害管理和信息服务水平的重要技术手段。《国家综合防灾减灾规划(2016年—2020年)》提出要“加强灾害监测预警与风险管理能力建设，并作为未来5年的主要工作任务之一。

经过多年的发展，中国灾害遥感数据资源日益丰富，在理论研究、技术攻关、系统研发和应用服务等方面都取得了显著进展。目前，全球空间基础设施已进入体系化发展和全球化服务的新阶段，卫星遥感向地球整体观测和多星组网观测发展，逐步形成立体、多维、高中低分辨率结合的全球综合观测能力“《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015年—2025年)》”中国已基本建成“环境与灾害监测预报小卫星星座”、“风云”、“海洋”、“资源”等卫星系列，以高分系列卫星为代表的新一代新型遥感卫星正加速发展，推动着中国灾害遥感从研究应用型向业务服务型转变。自2007年中国正式加入空间与重大灾害国际宪章(CHARTER)以来，该机制已成为历次重特大灾害应急阶段免费获取国际遥感卫星数据资源的重要途径。无人机航空遥感技术发展迅猛，中国已建立“国家重大自然灾害无人机应急响应合作机制”，在重特大灾害监测中的应用日趋成熟，“天-空-地-现场”一体化的灾害立体监测体系正逐步完善。在理论方法研究上，以灾情为核心，以灾害系统理论为基础的灾害遥感理论体系已初步形成。面向洪涝、干旱等单灾种的灾害遥感方法研究正在向面向灾害全过程、全要素、多灾种综合和精细化定量监测评估研究方向发展。近年来，中国加强了灾害遥感基础性标准的制定工作，构建了涵盖数据产品、信息产品和专题产品在内的灾害遥感分类分级产品体系。在应用系统研发与服务方面，现已开发了一批灾害风险预警、灾害遥感评估系统，大大提高了灾害遥感业务化水平。灾害遥感国内外服务取得明显成效，在注重国家层面灾害遥感应用的同时，正在针对地方、基层社区纵向开展高时效、精准化空间信息服务。中国积极推动灾害遥感国际服务，针对非洲之角干旱、东南亚洪涝等灾害开展了一系列卓有成效地灾害监测空间信息服务工作。随着“一带一路”等国家战略的实施，全要素、全过程、全球化视野的灾害遥感国际服务格局正在形成。

2 灾害遥感理论研究

灾害遥感理论是伴随着灾害系统理论的实践和遥感技术的发展而形成的一套理论体系，包含监测要素、监测手段、技术方法、应用服务和标准规范等研究内容(图 1)，其中，监测要素是能客观反映灾害遥感理论研究对象的自然或社会地理实体。灾害遥感理论的发展离不开灾害监测手段研究，灾害系统的复杂性决定了必须采用多种方式，才能实现全方位的灾害监测，包括天基、空基、地基、现场核查和统计等手段。在此基础上，针对不同灾害场景、监测手段和对象，逐渐发展出灾害风险评估、灾情评估、恢复重建规划与评估、空间数据管理、数据处理、灾害应急监测、信息挖掘、灾害模拟与仿真等灾害遥感模型方法，这是形成对灾害系统定性、定量和定位相结合分析的技术途径。


图 1 灾害遥感系统理论框架图(范一大，2013a)
Fig. 1 Theoretical framework of disaster remote sensing system(Fan, 2013a)

灾害遥感服务研究是理论研究的重要内容，紧密围绕灾害不同过程的核心业务应用，根据《国家自然灾害救助应急预案》，不断深化数据服务、信息服务和专题服务的研究内涵，实现灾害遥感服务的针对性、及时性和准确性。标准规范建设是推动灾害遥感从理论研究走向业务实践的基础保障，也是不断固化理论研究成果、促进产业化应用所必须重视的研究范畴。

2.1 灾害要素分类体系研究

灾害是由孕灾环境、致灾因子、承灾体与灾情共同组成的复杂的地球表层异变系统，灾情是孕灾环境、致灾因子和承灾体相互作用的产物(史培军，1991)。因此，灾害遥感监测就是对灾害系统的各组成要素进行监测。其中，致灾因子包括台风、洪涝、崩塌、滑坡、泥石流、雪、冰凌、火、沙尘等对象，而承灾体则是以灾害损失评估业务为核心，总结多年来灾害损失评估业务经验，依据《特别重大自然灾害损失统计制度》中规定的人员受灾、房屋受损、居民家庭财产损失、农业损失、工业损失、服务业损失、基础设施损失、公共服务系统损失、资源与环境损失等灾情统计指标，结合遥感影像解译特点，构建灾害监测要素。通过分析灾害要素分类体系(表 1)，为开展灾害目标识别、信息挖掘等技术方法研究和应用提供指导。

表 1 灾害监测要素主要指标表
Table 1 Main indicators of disaster monitoring elements

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总类 大类 中类 小类 定量指标 程度
致灾因子 气象灾害 台风 面积
洪涝 面积
雪 面积
冰凌 面积
沙尘暴 面积
地质灾害 山体崩塌、滑坡、泥石流 数量(处)、面积
森林草原火灾 面积
房屋 居民住宅 农村、城镇 钢混、砖混、砖木、其他 户、间 倒塌、严重、一般
非住宅 面积
第一、二产业 农业 种植业 农作物 面积 受灾、成灾、绝收
大棚 面积
林业 森林、灌木林和疏林、苗圃良种 面积
工业 厂房、仓库 面积
基础设施 交通 公路 各级公路(路基、路面、桥梁) 长度 受损
铁路 各类铁路(路基、桥梁) 长度
水运 船闸、码头 数量/个
航空 机场 数量/个
通信 通信网 基站 数量/个
能源 电力 变电设备
水利 防洪排灌 大中小型水库、护岸、水闸、塘坝 数量/个
人饮工程 水渠 长度
市政 市政道路 道路、桥梁、轨道交通线路 长度
轨道交通车站、枢纽 数量/个
城市绿地 面积
农村 村内道路 长度
地质灾害防治设施 数量/处
资源 资源与环境 土地资源与矿山 耕地、林地、草地 面积 毁坏
环境损害 地表水

2.2 灾害遥感监测体系研究

经过多年的论证与实践，中国已形成了“天-空-地-现场”一体化的灾害立体监测体系框架，这是实现全天候、全天时、全要素、全球化服务的灾害监测能力的必然要求。针对天基资源，目前中国在轨运行民用遥感卫星已达到20余颗，由2颗光学卫星和1颗雷达卫星组成的环境与灾害监测预报小卫星“2+1”星座已经建立，风云卫星、海洋卫星、资源卫星、高分卫星等民用空间基础设施也为灾害风险与损失评估业务提供了有力的数据保障。在重特大灾害应急阶段，通过启动CHARTER机制，中国可免费获取全球18个航天机构的遥感卫星数据。然而灾害遥感应用所面临的高分辨率卫星少、响应时效性低、全天候观测能力弱、全谱段观测手段少等根本问题还未解决，自然灾害空间基础设施仍不完善。

由于中国灾害种类多样，不同类型灾害、不同灾害监测要素以及灾害管理不同阶段，对遥感空间基础设施的技术性指标和数量要求都不相同。从观测谱段看，可见光、近红外、短波红外至热红外谱段对各类灾害的探测均有一定的应用能力和潜力，对农业灾害、地质灾害等精细辨识还需要发展多颗纳米级的高光谱卫星；而不同波段、极化方式的微波遥感卫星则是灾害全天候监测不可或缺的重要探测手段。从空间分辨率角度看，大尺度干旱、洪涝灾害需要大幅宽、中低分辨率遥感观测能力，而对于由地震、滑坡、泥石流等灾害引起的房屋、道路等承灾体损毁，需要米级甚至亚米级的空间辨识能力进行精细化评估。从观测频次角度看，灾害发生发展受大气、地理环境、地质条件等因素影响，干旱等缓发性灾害的变化较慢，对灾害重访观测时间要求不高，可以天、旬等为单位进行观测；而台风、森林草原火灾等灾害发展变化很快，观测时间间隔需要达到小时甚至分钟级。因此，需要多平台、多载荷、多分辨率相结合，通过高低轨、中高分辨率卫星组网提高灾害综合观测、高分辨率观测和应急观测能力。

图 2反映了不同灾害要素在观测频次的时间尺度和空间分辨率的空间尺度上对遥感平台的监测需求，图中方块是中国目前在轨民用遥感卫星技术指标所处位置。不难发现，中分辨率遥感卫星重访时间一般在1—7 d，高时效的遥感卫星少。早在21世纪初，中国就规划要综合运用可见光、红外、超光谱和雷达等多种观测手段，实现由4颗光学卫星和4颗合成孔径雷达小卫星组成的“4+4”减灾卫星星座方案，形成全球优于12 h的高时效重复观测能力。在此基础上，可进一步发展多颗高轨遥感卫星，将全球化视野的灾害应急响应能力提高到分钟级。尽管中国已发射多颗优于5 m的高分辨率遥感卫星，但亚米级卫星和优于1 d的快速响应型卫星还极度匮乏，可发展多颗机动灵活的高分辨率敏捷成像遥感卫星来弥补不足。


图 2 不同灾害要素监测时空尺度需求图
Fig. 2 The time and space scale demand chart of different disaster elements monitoring

2.3 灾害遥感服务体系研究

灾害遥感服务体系研究对于有效满足防灾减灾救灾需求，显著提高重大自然灾害监测、预警和评估能力，具有十分重要的意义。灾害遥感服务体系包括资源服务、功能服务和应用服务3个层次，资源服务是指利用各种软硬件资源以及虚拟化技术提供对灾害相关的各种遥感数据产品的存储、备份、计算、迁移、交换和共享；功能服务是综合减灾空间信息服务的核心内容，包括运行管理、资源调度、智能数据管理和数据接入，可视化、模拟仿真、空间分析和位置服务，数据处理、数据同化、产品制作和信息服务，以及用户管理、检验验证、虚拟客户端定制和门户网站；应用服务是指在资源服务和功能服务的基础上，按照标准接口对相关服务进行定制与集成，从综合防灾减灾的核心业务—灾害监测、房屋倒损、生命线损毁评估、灾情预评估、信息采集与协同、研判会商和灾情综合评估等方面为减灾业务应用提供应用支撑(范一大，2013b)。

灾害遥感服务对象涵盖灾害管理人员、技术服务人员、科研工作者、灾民和社会公众等多个方面。通过资源服务、功能服务和应用服务，面向不同用户需求，利用无线通讯、智能终端、互联网、专线等多种手段提供高质量、多样化的数据服务、信息服务和专题服务产品。从灾害风险与损失核心业务出发，逐渐形成一套灾害遥感服务模式。

2.4 标准规范体系建设

中国遥感技术标准体系顶层框架可以划分为8个标准类：遥感技术通用基础、遥感数据获取、遥感定标、遥感数据预处理、遥感信息提取、遥感真实性检验、遥感数据管理与服务、遥感应用(李传荣等，2014)。灾害遥感标准体系属于与灾害管理相关的遥感应用类标准体系。目前，中国民政、地震、水利、气象等灾害管理相关部门，结合自身业务已制定了《自然灾害遥感专题图产品制作要求》等国家标准和《地震灾害遥感评估》、《卫星遥感洪涝监测技术导则》、《水土保持遥感监测技术规范》等行业标准。但这些标准数量少，种类分布不均衡，缺乏系统性。

针对灾害系统理论各要素，民政部门结合现有的灾害管理业务流程，借鉴国内外遥感领域和灾害管理领域相关标准，正在开展灾害遥感基本术语、产品分类分级等基础性、全局性的灾害遥感标准制定工作，力图建立灾害遥感统一的顶层设计和体系框架，推动建立全面、协调、系统、开放的标准体系。同时，进一步推动灾害遥感标准的国际化进程，加速同国际相关标准体系的集成与衔接，提高中国在灾害遥感标准领域的国际影响力。

3 灾害遥感应用方法研究进展

围绕灾害形成机制的不同，中国灾害遥感应用研究的重点放在相应模型的研究，主要研究进展如下：

(1)干旱灾害。干旱灾害是一种典型的大范围、缓发性灾害。卫星遥感技术的监测范围广、观测频率高等优势已充分应用到干旱监测与损失评估之中(温奇等，2012；郭铌和王小平，2015)。在干旱灾害遥感监测方面，从水分供需角度出发，分别形成了水分供应性指数、需水性指数、综合性指数3类指数(表 2)，实现了针对不同植被覆盖条件下利用多源遥感数据的干旱监测方法。裸土条件下，利用土壤热惯量方法或者微波探测的方法实现针对表层土壤(0—10 cm)湿度的反演精度在10%左右(刘欢等，2012)。而在植被覆盖较高的区域，通过综合利用植被指数与地表温度信息，实现了针对旱情信息的准确提取。在干旱灾害损失评估方面，主要依托植被指数，通过对比常年平均或正常水分年份的作物长势情况，并结合作物不同物候期水分条件对作物产量的影响差异，构建了一系列干旱灾害损失评估模型(李强子等，2010)。

表 2 部分常用干旱遥感监测指数表
Table 2 Part of the commonly used drought remote sensing index

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类型 指数/方法 适用条件
水分供应性 基于TRMM降水数据干旱监测法(Du等，2013) 较大范围的气象干旱识别
地表热惯量法(ATI)(Price，1985) 裸土或低密度植被覆盖区
微波土壤湿度反演法(李杏朝，1995) 裸土或低密度植被覆盖区
水分需求性 温度状态指数(TCI)(Kogan，1995) 长时间序列大区域相对干旱监测
植被状态指数(VCI)(Kogan，1990) 中低纬度植被生长中后期或常绿植被覆盖区
距平植被指数(AVI)(陈维英等，1994) 中低纬度植被生长中后期或常绿植被覆盖区
归一化差异水分指数(NDWI) 高植被覆盖区域
综合性指数 植被健康指数(VHI)(Kogan，2001) 高植被覆盖区域
植被供水指数(VSWI) 高植被覆盖度地区
温度植被干旱指数(TVDI)(王鹏新，2003) 高植被覆盖区域
VegDRI(黄友昕等，2015) 分时分区构建模型
综合地表干旱指数(ISDI)(Wu等，2013) 分时分区构建模型

干旱的形成机理较为复杂，各个指数的应用存在一定的适用性。因此，需要结合区域、时期特点选择适用的干旱遥感监测模型，同时进一步加强基于时序遥感数据的异常信息提取方法研究来准确识别旱灾，将遥感与地面观测、模型模拟技术相结合，提高旱灾损失评估能力。

(2)洪涝灾害。基于遥感技术开展洪涝灾害监测主要在洪涝范围监测和灾害损失评估两个方面发挥了重要作用。在洪涝范围监测方面，在水体识别基础上重点开展了洪涝淹没范围与历时的提取技术研发。水体识别主要基于水体的光谱特征和空间关系，在排除阴影等干扰信息基础上实现信息提取。现阶段水体识别的方法主要有阈值法(杜云艳和周成虎，1998)、多波段运算法(李景刚等，2010)、谱间关系法(李加林等，2014)、区域生长法(聂娟等，2010)等方法。阈值法主要基于水体在近红外波段、微波的反射特性，基于图像分割算法，实现对水体范围的提取。多波段运算法则基于绿光、近红外波段构建归一化差异水体指数(NDWI)，进一步抑制植被的信息而突出水体信息。谱间分析法则综合考虑了水体与其他地物的波谱曲线差异，通过决策树分类等方法开展水体的精确识别。区域生长法则是通过人工选择纯水体像元为种子，通过相邻像元与种子像元关系来确定水体范围。阈值法、多波段运算法操作简单，但却不容易消除阴影等干扰因素的影响，谱间关系法、区域生长法较为复杂，但对影像数据和模型的要求较高。洪涝灾害损失评估则重点以通过洪涝灾害承灾体脆弱性模型为基础，通过输入淹没范围和历时，并与本底数据进行叠加分析而实现洪涝灾害的损失评估。

随着社会经济的持续发展，洪涝灾害的特征也在不断发生变化，基于遥感技术开展洪涝灾害监测与评估业务还存在一些不足，如对于暴雨性洪涝灾害的监测仍然受到云层等因素的影响，难以在业务应用中发挥作用；对于内涝灾害，欠缺内涝时间的准确提取，进而影响到了洪涝灾害损失评估。针对上述问题，洪涝灾害遥感监测研究要深化光学与微波数据的融合应用，提升农田与城市内涝灾害监测技术研究能力。

(3)地震灾害。地震灾害突发性强、防御难度大，对人民生命财产安全所造成的威胁也最为突出。遥感技术在地震灾害中的应用目标主要集中在地震预测与损失评估方面。

临震热异常和电磁异常是基于卫星遥感技术用于地震预测的重要依据，能够弥补传统观测手段观测范围上的局限，已成为地震信息异常监测的重要手段。透热指数法、均值梯度法是基于热异常开展地震预测的主要方法(吕月琳等，2009)，透热指数法由热传导理论出发，将地下热信号通过不同热扩散率材料传到地表时将产生的时间差，作为提取地下热异常的指标；均值梯度法根据大气和构造活动对地表热辐射影响的不同，利用热辐射梯度突出正在活动的断裂带的空间分布。电磁异常地震预测主要是通过监测电离层的电子、离子浓度和温度等会发生异常扰动，探测电磁场的强度、相位或者谱密度变化，从而对地震作出准确预测(房宗绯等，2000)。

现阶段地震灾害遥感损失评估主要包括房屋倒损评估、基础设施损毁评估、次生灾害监测、紧急转移安置区规划与监测、恢复重建监测等方面(范一大，2015a)。分类、目标识别、变化检测等自动或半自动方法运用到各类承灾体损失评估之中(刘三超等，2012)。房屋倒损评估主要依托高分辨率遥感影像，对居民区开展分类分区，结合地震烈度信息，分区开展房屋倒损判读，并构建不同结构房屋的损毁矩阵，评估房屋倒损率(范一大等，2008a)。基础设施损毁监测则重点针对公路交通基础设施，利用高分辨率遥感影像，采用分类、目标识别等技术，开展交通基础设施损毁路段监测(刘亚岚等，2008)。此外，通过次生地质灾害监测和空间分析，提取毁损路段位置和长度也是常用的基础设施损毁评估方法。次生灾害监测重点针对地震所造成的山体滑坡、堰塞湖等开展监测，以道路、水系为线索，按照滑坡影像特征，结合灾前影像数据，开展滑坡体的识别(潘世兵等，2009)。紧急转移安置区规划与监测则重点依托地形地貌数据，对学校、体育馆的毁损情况评估基础上，分析周边次生灾害风险，开展安置区的选择，并通过对帐篷等救助物资的识别(吴玮等，2015)开展安置点位置、安置人员数量的监测。

遥感技术现已成为地震灾害损失评估中不可或缺的重要手段，统计分析方法日臻成熟，但毁损判读方法实际业务中仍然以人工、半自动化手段为主，多尺度、多分辨率影像综合应用方法仍很欠缺。

(4)地质灾害。基于遥感技术开展地质灾害监测主要有目视解译、自动识别两种方法(谢慧芬，2011)。目视解译是根据滑坡体与周围地区在纹理、色调、植被覆盖情况上的差异以及滑坡面的形状等信息，在对比灾前影像的基础上，开展地质灾害体的监测。传统目视解译方法需要较高的先验知识和经验，费时费力，但却能保持较高的准确度。自动识别方法则主要依托决策树分析、面向对象信息提取及空间分析等方法开展地质灾害体的识别(王福涛等，2016)。自动识别方法提取速度快、自动化程度高，但在准确性上有所欠缺。

综上，尽管中国在各主要灾害的遥感应用中已取得了显著进展，但面向减灾应用的规模化遥感综合处理能力弱、灾害链和综合灾害遥感模型研究少、灾害要素全过程遥感监测方法研究不足、定量化的灾害风险与损失评估深度不够、自动化遥感解译水平低等问题仍亟待解决。

4 灾害遥感业务系统建设

结合灾害管理相关部门多年的遥感应用实践，灾害遥感业务系统的发展可大致分为3个阶段：

第1阶段，使用遥感和地理信息系统商业软件开展遥感数据处理、分析和产品制作，如ARCGIS、Erdas、ENVI，SuperMap，GeoStar等。这个阶段业务系统的特点是软件复杂，专业性要求高，单人单机作业，业务流程不紧凑，难于和专业分析模型结合，软件价格昂贵。遥感数据的获取和应用主要集中在高校、科研院所和国家级的技术支撑单位，如中国科学院遥感与数字地球研究所、北京大学、北京师范大学、国家减灾中心等机构，软件系统方面有中国科学院洪涝灾情遥感速报系统，但未形成业务化的灾害遥感监测评估能力。

第2阶段，基于遥感和地理信息系统进行2次开发，构建符合业务需求的定制化的软件系统。这个阶段业务系统的特点是可实现流程化作业和专业化定制，但是对运行环境依赖性强、硬件支撑环境要求高，跨平台、跨网络、跨终端的应用能力弱，业务系统呈现烟囱式发展，建设周期长、资源利用效率低下、运维成本高。在国产卫星及应用技术蓬勃发展的带动下，出现了一批业务化运行的灾害遥感应用系统，这些业务系统在支撑防灾减灾工作科学决策方面发挥了重要作用。譬如中国气象局的卫星监测分析与遥感应用系统(SMART)、水利部的洪涝灾害遥感监测评估业务运行系统等，其中具有代表性是国家减灾委负责承担的“环境与灾害监测预报小卫星星座”减灾应用系统。减灾应用系统的建设目标是为满足中国环境与灾害监测预报小卫星星座的应用需求，开展减灾应用系统建设，形成对环境与灾害监测预报小卫星星座的业务应用能力，实现灾害监测预警、灾害应急响应、灾情评估和减灾救灾指挥决策等基本功能，为提高中国减灾救灾水平和灾害监测预报能力，提供决策支持和公共服务。根据减灾业务应用的需要，减灾应用系统分为灾害应用业务运行管理分系统、遥感数据应用处理分系统、灾害监测预警分系统、灾害应急响应分系统、灾情评估分系统、决策支持分系统、用户服务与信息发布分系统、计算机业务支撑平台，共计8个分系统和1个支撑平台(范一大等，2008b)。

第3阶段，在SOA、云计算等信息技术架构支撑下，灾害遥感业务系统发展进入了新阶段，软件架构更加灵活并且可重用，数据、软件(含专业模型和通用软件)、计算、网络等资源按需配置，实现了业务敏捷性，提升了资源利用率，降低了运维成本，促进了业务系统建设从粗犷型方式到集约型方式的转变。在高分辨对地观测系统、卫星及应用战略性新兴产业化项目等国家重大专项和产业化推广项目支撑下，民政部、水利部、环保部、农业部、中国气象局等都开展了业务化应用系统的打造和向省级部门的示范推广。随着高分一号、二号和四号卫星的发射，这些业务应用系统在充分利用国产卫星数据支撑国家与地方业务能力方面发挥了重要作用。其中，民政部国家减灾中心基于“环境与灾害监测预报小卫星星座”运行管理与减灾应用系统工程，在国家高技术研究发展计划(863计划)“典型地质灾害遥感监测与应急关键技术及应用”项目关键技术的突破下(范一大等，2016)，在一系列卫星及应用高技术产业化项目和高分对地观测系统等国家重大科技计划的支持下，完成了“灾害监测评估与服务”业务系统的研制，实现了业务化应用系统的全面升级。

防灾减灾的业务组织具有多方参与、协同工作、跨区域、跨平台、跨网络的特点，在数据应用上具有海量多源信息综合应用、应急状态业务量集中爆发的特点，在不同层级、不同区域上的发展具有不平衡性，地方业务应用能力相对较弱，因此对业务系统提出了跨平台、业务形态多样、业务灵活配置、可根据业务量动态调度各类资源等客观要求。依据需求，业务组织动态可调、资源硬件动态调度的体系结构如图 3所示，包括资源虚拟化层、基础组件层、数据层、服务层、应用层、界面表示层。该架构能支撑从灾害系统的监测到分析评估、信息服务和决策支持的业务目标，形成从数据服务到信息服务、专题服务、终端服务的业务模式。


图 3 系统体系架构图
Fig. 3 System architecture diagram

5 灾害遥感业务与案例分析

针对灾害遥感应用特点，经过多年的实践，民政部国家减灾中心形成了灾害遥感日常业务、灾害应急监测业务和特别重大自然灾害损失评估的业务工作模式。

5.1 灾害遥感日常业务

灾害遥感日常业务主要是利用多尺度的遥感卫星开展地表孕灾环境的周期性监测，积累和制作基础性本底遥感数据产品，开展灾害特征参数产品的流程化生产，对缓发性灾害进行监测，基于时序性遥感监测产品进行灾害风险产品的制作工作。

针对灾害遥感数据产品，日常业务中主要开展中分辨率全国晴空背景图定期更新，制作灾害高风险区高分辨率遥感背景图。灾害特征参数反演是信息产品制作业务之一，主要是开展水体指数、植被指数和雪盖指数的定期生产。其中，每10 d利用HJ-1卫星对鄱阳湖、洞庭湖等主要湖泊以及高风险区域进行水体指数产品生产。每16 d利用MODIS卫星图像进行全国植被指数产品制作。每年11月至次年3月，每天利用NOAA卫星图像制作雪盖指数产品。灾害日常监测产品和风险产品属于灾害监测预评估专题产品类。其中，每16 d定期开展全国旱情监测，每10 d开展全国积雪覆盖监测；基于监测产品，每16 d开展全国干旱风险评估，在汛期每3 d制作完成全国洪涝风险产品。

5.2 灾害遥感应急监测业务

根据《国家自然灾害救助应急预案》，在灾害发生后，结合洪涝、地震、滑坡、泥石流等灾情特点，启动灾害遥感应急监测业务，快速开展灾区遥感数据产品生产工作。主要包括灾区本底影像、地表覆盖类型分布、人口密度分布、地形地貌、3维场景和灾害范围产品等。根据灾种的差异，灾区本底影像图分辨率略有差异，地震、山体滑坡、泥石流等灾害主要提供米级或亚米级高分辨率卫星遥感底图，洪涝、台风则提供中分辨率本底影像资料，而对于洪涝或台风灾害重灾区则要提供米级高分变率资料进行补充。灾区地表覆盖类型分布主要根据高分辨率遥感影像提取居民地、耕地、林地、草地、水域等分布情况。地形地貌和3维场景主要基于已有的本底影像和地形信息展示灾区的地理环境。灾害范围监测主要是在获取灾后遥感影像后，通过多时相数据的比对分析，快速完成灾害范围分布图的制作。尽管灾害遥感应急监测已积累了丰富经验，但灾后应急遥感评估流程、内容和方法仍不成熟。

5.3 特别重大自然灾害损失评估

近10年来，在应对汶川地震、玉树地震(杨思全等，2011)、舟曲山洪泥石流(Wen等，2011a)、芦山地震(崔燕等，2014)、鲁甸地震和尼泊尔地震(西藏灾区)等特别重大自然灾害的过程中，国家减灾委员会专家委承担了特别重大自然灾害损失综合评估工作，逐步发展完善了由灾害范围评估、损失实物量评估和直接经济损失评估构成的综合损失评估内容以及指标体系和模型方法(史培军和袁艺，2014；范一大，2015b)。在六次重大灾害的综合评估中，卫星、航空、无人机等高分辨率遥感技术在损失实物量评估业务中发挥了巨大的作用(范一大等，2008a；范一大，2014)，结合地面调查数据对房屋、道路、农业、次生灾害、受灾居民安置点等进行了有效评估，有力地支撑了灾害损失综合评估工作，形成了“天-空-地-现场”一体化的灾害损失实物量遥感评估业务。在灾害遥感技术的支撑下，从汶川地震两个月到尼泊尔地震(西藏灾区)两周的评估周期，从利用遥感数据进行抽样分析和外推到中高分辨率卫星、航空等遥感数据的全覆盖，大大提升了重特大自然灾害灾情综合评估的时效性、精度和针对性，固化了方法流程。

(1)有效提升综合评估时效性。从2008年汶川地震第一次开展国家综合评估开始，随着国家减灾委专家委和受灾省减灾委专家协同开展评估机制的形成以及民政部和国家统计局特别重大自然灾害统计制度的发布(周洪建等，2015)，特别重大自然灾害的综合评估时效性得到有效提升，由2008年的近3个月，到2010年的1个月，再到2015年的17 d(见表 3)，大大缩减了综合评估的时间，为灾区尽快开展恢复重建规划和制定综合防灾减灾对策措施提供了科学的依据。

表 3 特别重大自然灾害评估时间统计表
Table 3 Time statistics of special major natural disaster assessment

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灾害事件 灾害发生日期 主要工作节点距灾害发生时间的天数 完成评估时间
启动评估 地方损失核报 完成评估
汶川地震 2008-05-12 26 77 112 86
青海玉树地震 2010-04-14 5 11 28 23
舟曲特大山洪泥石流 2010-08-08 5 10 36 31
芦山地震 2013-04-20 5 16 27 22
云南鲁甸地震 2014-08-03 11 18 28 17
尼泊尔地震西藏灾区 2015-04-25 10 20 27 17

(2)显著提高灾害损失实物量评估精度。自2008年以来，实物量评估业务从汶川地震的通过重灾区局部地区遥感影像(1—5 m)进行区域倒损率评估，再抽样反推到全部灾区(范一大等，2008a)，到鲁甸地震0.2—0.5 m灾前影像重灾区全覆盖，9度区灾后0.2 m影像覆盖率超过到80%，实现了对灾区建筑物、道路、农业损失实物量损失的精细评估，现场调查工作也覆盖了鲁甸、巧家、会泽及永善4县9个乡镇25个行政村、44个自然村(见图 4和图 5)。随着“天—地—现场”一体化监测评估指标体系的建立和完善，通过将遥感技术与现场调查核查，基于地理信息的二、三维时空动态数据库与分析技术、基于导航定位的位置服务与智能手持终端系统等紧密结合，自然灾害损失评估的时效性、准确率和可信度显著提升。


图 4 汶川县房屋倒塌评估示意图(范一大等，2008a)
Fig. 4 Damaged buildings assessment deduction in Wenchuan county(Fan, et al., 2008a)


图 5 鲁甸地震灾后0.2 m无人机影像覆盖情况
Fig. 5 0.2 m UAV image coverage after Ludian earthquake

(3)固化了特别重大自然综合评估业务流程。特别重大自然灾害的快速、科学、全面评估需要多方协同配合，多种手段综合应用，随着6次重特大自然灾害评估工作的开展，重大灾害综合评估的原则、依据、评估内容和评估指标体系逐渐形成与不断完善，业务流程逐步规范。2008年汶川地震后，首次设计形成一套重大灾害损失统计24张报表、219个指标；2010年玉树地震25张报表、151个指标；2010年舟曲特大山洪泥石流15张报表、251个指标；2012年芦山地震26张报表、617个指标；2014年形成《特别重大自然灾害统计制度》，2014年鲁甸地震中按照11类、27张报表、753项指标进行了全口径的灾害评估。统计制度涵盖了重大灾害对主要承灾体、行业、系统的损失，进一步避免报表、指标间的重复填报以及漏报的问题，方便各行业(系统)主管部门组织填报，为重大灾害综合评估打下良好基础(史培军和袁艺，2014；袁艺，2014；范一大，2015b)。

从汶川地震开始，经过多次大灾检验，综合评估的流程和主要方法逐步稳定，形成了由统计上报分析、经济模型评估、现场调查评估和遥感监测评估等4个专项评估和综合评估业务。其中，灾害遥感评估是指通过遥感监测、信息提取和分析研判等手段，对能够直接或间接进行损失评估的有关指标进行分析评估，遥感手段还能够准确分析提取灾区灾前有关承灾体的基数或存量，同时结合现场调查等信息，计算不同结构、类型、种类的房屋、基础设施等承灾体在不同区域的损失率，进而计算相关承灾体损失数量，成为利用空间科技，客观、精细开展灾损评估的核心手段。

6 机遇与挑战

进入“十三五”，中国防灾减灾工作面临诸多新形势和新挑战，一方面，在全球气候变化加剧和城镇化步伐加快的背景下，极端天气事件增多、中高强度地震频发多发，人类活动和各类资源暴露度增加，而广大城市和农村地区适应经济发展的防灾减灾能力建设还不足，自然灾害呈现突发性、异常性和反常性特点，灾害风险加剧、损失加重。另一方面，全面建成小康社会的要求和将生态文明建设融入“五位一体”的总体战略布局，对综合利用各类资源开展灾害全过程精细化管理提出了新要求，迫切需要全面提升全社会抵御自然灾害的能力。

以遥感为代表的空间信息是更透彻感知和认识自然灾害的重要手段，多平台、多载荷、多尺度、多角度的持续观测能力为灾害系统监测提供了全方位的数据和技术支撑。同时，遥感技术与大数据、云计算、互联网+等新技术、新理念不断深入融合，将会创新灾害风险管理业务运行模式，通过多方协同参与和共享服务，提高灾害监测评估能力。面对新形势、新要求和新技术，为推动灾害遥感研究和应用的发展，需要进一步加强以下5个方面工作。

(1)加强灾害遥感应用机理研究。灾害及灾害链的发生发展过程通常具有非线性、时变性、多变量和不确定性等特点，使得难以对灾害全过程建立准确的模拟模型，给准确分析和预测灾害过程带来了困难。通过强化不同遥感平台、不同类型遥感器、不同尺度和探测谱段对灾害及其演变过程的作用机制研究，探索灾害遥感机理模型中模型参数的时空差异性，在统一的时空框架下增强灾害演变全过程的遥感探测和模拟仿真能力。进一步深化对灾害全要素的遥感分类分级体系、“天-空-地-现场”一体化的遥感监测体系以及灾害遥感服务体系研究，为灾害遥感业务应用提供基础性、全局性和系统性的理论支撑。

(2)加快防灾减灾空间基础设施建设。紧紧抓住全球空间基础设施快速转型发展的机遇，综合利用多平台、多传感器、多尺度的遥感观测手段，加强顶层设计，构建防灾减灾空间基础设施。加快推进由4颗光学卫星和4颗雷达卫星组成的环境与灾害监测预报小卫星星座立项与建设，加强静止轨道光学和雷达卫星的研制，大力发展高光谱卫星、敏捷成像卫星以及平流层飞艇和航空平台，积极推动视频成像、LIDAR、多角度红外成像等新技术运用，全面提升“天-空-地-现场”一体化的灾害立体观测能力。同时，建立体系完备、功能配套、运行高效的防灾减灾应用系统，实现灾害遥感应用的业务化、规模化和产业化。

(3)加强灾害监测评估方法研究。紧密围绕灾害管理全周期精细化监测评估业务，针对新型平台和传感器，研究面向减灾应用的星上数据快速处理、灾害要素特征参数反演、基于知识的半自动/自动化灾害要素遥感智能解译、天空地一体化的多尺度遥感数据集成应用等技术。加强面向减灾应用的遥感数据综合处理、灾害链定量化遥感风险评估、重大灾害损失遥感综合评估、灾后重建遥感评估等模型研究，探索基于情景模拟的灾害链遥感评估方法，不断提高灾害风险与损失评估的定性、定量、定位分析能力，提升灾害监测评估的时效性和准确性。

(4)提升综合减灾空间信息服务能力。将灾害遥感与“互联网+”、云计算、大数据等新理念、新技术相结合，在统一的架构设计下完善综合减灾空间信息服务平台，提高灾害遥感信息的获取、管理、分析、共享服务能力。基于互联网和移动终端，构建横向联合、纵向贯通、双向互动的灾害遥感信息服务链，形成以多样化灾害管理服务应用需求为驱动的数据流、信息流和服务流，提高遥感数据产品、信息产品和专题产品的在线智能化服务水平。加强综合减灾空间信息服平台的规模化应用，创新市场化、产业化的应用服务模式，增加社会公众的参与性，在服务各级政府决策的同时，将服务对象进一步拓展延伸至基层社区、企业、社会组织和国际机构。通过在典型行业、城市、基层社区和“一带一路”延线国家开展综合示范应用，实现数据产品共用共享、信息互联互通和应用服务协同融合，提高灾害遥感信息精准化服务水平。

(5)加强软环境建设。软环境建设是灾害遥感发展的基础保障。将灾害遥感的基础研究、应用开发、工程建设和社会服务持续纳入到各级政府、各相关行业的专项规划中，制定针对性的政策保障措施，推动灾害遥感服务的大众化、产业化和国际化。进一步完善重大自然灾害遥感应急协同观测机制和“天-空-地-现场”一体化的灾害监测体系，健全应用服务模式，推动数据产品的共用共享。加强灾害遥感标准体系建设，制定基础性、全局性、面向应用服务的技术规范，加快灾害遥感标准的国际化步伐，不断提升中国灾害遥感国际服务的话语权和影响力。

参考文献(References)

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