出版日期: 2018-01-25
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DOI: 10.11834/jrs.20188337
2018 | Volumn22 | Number s1
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中国地震遥感应用研究与地球物理场探测卫星计划
expand article info 申旭辉1 , 张学民3 , 崔静1 , 周新1 , 姜文亮1 , 龚丽霞1 , 李永生1 , 刘芹芹1,2
1. 中国地震局地壳应力研究所，北京 100085
2. 清华大学 环境学院，北京 100084
3. 中国地震局地震预测研究所，北京 100036
收稿日期: 2018-06-08
基金项目: 政府间国际科技创新合作重点专项(编号：2016YFE0122200)；卫星团队建设项目
第一作者简介: 申旭辉，1965年生，男，研究员，研究方向为遥感地学应用和活动构造。E-mail：shenxh@seis.ac.cn
通信作者简介: 刘芹芹，1987年生，女，博士后，研究方向为地球物理和高光谱遥感。E-mail：liuqq2008@163.com
中图分类号: TP73
文献标识码: A

摘要

中国地震遥感应用研究始于20世纪70年代中期，从简单的多光谱遥感图像解译线性活动构造开始，迄今已走过了40余年的历程。其中20世纪70、80年代以可见光遥感图像应用为特征，90年代为红外遥感、GNSS遥感和InSAR技术试验应用阶段，20世纪末到21世纪前10年主要表现为综合遥感应用和卫星电磁、卫星重力等地球物理场探测卫星计划预研，2011年以来侧重于集成前期研究成果，实施地球物理场卫星计划和卫星地震应用系统建设运行。目前可见光遥感技术在活动构造探查和灾害评估中已实现业务化应用，卫星红外、卫星电磁、InSAR技术、卫星重力和高光谱气体地球化学探测技术在地震监测领域越来越凸显出其应用效能。作为国家地球物理场探测卫星计划首发星，张衡一号电磁监测试验卫星于2018年2月2日进入预定轨道，目前在轨运行正常并产出了中国首幅全球地磁图，填补了中国在全球地球物理场获取能力方面的空白。

关键词

地震遥感, 地球物理场探测卫星, 卫星电磁, 卫星重力, InSAR, 红外遥感, 光学遥感, GNSS遥感

Remote sensing application in earthquake science research and geophysical fields exploration satellite mission in China
expand article info SHEN Xuhui1 , ZHANG Xuemin3 , CUI Jing1 , ZHOU Xin1 , JIANG Wenliang1 , GONG Lixia1 , LI Yongsheng1 , LIU Qinqin1,2
1.The Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China
2.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China
3.Institute of Earthquake Forecasting, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China

Abstract

The application of seismic remote sensing in China began in mid 1970s. More than 40 years have passed since the beginning of the simple linear active structure of multi spectral image interpretation. In the 1970s and 1980s, it was characterized by the application of visible light remote sensing images, and in the 1990s, the infrared remote sensing, GNSS remote sensing, and InSAR technology were at the experimental application stage. From the late 20th century to the first decade of the 21st century, it was mainly manifested as integrated remote sensing application and pre-research of the satellite program of geophysical field exploration, such as electromagnetic field and gravity satellites. Since 2011, more attentions were played to integrating previous research results, implementing the geophysical field satellite plan, and the constructing, as well as operating the satellite seismic application system. After more than 40 years of development, the application of visible-light remote sensing technology in active tectonic exploration and disaster assessment has been realized. Satellite infrared, satellite electromagnetism, InSAR technology, satellite gravity, and hyperspectral gas geochemical detection technology have become increasingly prominent in the field of seismic monitoring. As the first satellite of the national geophysical field exploration satellite program, China Seismic-Electromagnetic Satellite, named ZH-1, entered its present orbit on February 2, 2018. At present, China’s first global geomagnetic map was produced after the normal operation in orbit, which fills the gap in the acquisition capacity of the global geophysical field in China.

Key words

seismic remote sensing, geophysical field detection satellites, satellite electromagnetic, satellite gravity, InSAR, infrared remote sensing, optical remote sensing, GNSS remote sensingremote sensing

1 引　言

中国是世界上地震灾害十分严重的国家之一。据《后汉书·张衡传》记载：早在公元132年，张衡制造了世界第1台可感知地震方向的候风地动仪，并准确记录了公元138年陇西大地震的方向和时间。自19世纪末期现代地震学的诞生以来，中国逐渐建成了世界上规模最大、覆盖学科门类最广的地面地震观测系统。经历了1975年海城地震成功预报的喜悦，1976年唐山地震和2008年汶川地震不期而至的打击，地震预报这一世界性科学难题至今仍然未能被攻克。而伴随着社会经济高速发展的需要，防震减灾工作也由逐渐整合形成为监测预测、震害防御和应急救援的3大工作体系。在防震减灾3大工作体系业务能力建设和科技支撑水平发展过程中，遥感技术以其高动态、大观测、全天时、全天候等特点，展现出显著的技术优势。卫星遥感等空间技术手段，空间对地观测各种业务手段被大量用于防震减灾各业务体系、各业务环节，且在防震减灾各业务领域中展现了广阔的应用前景，成为推进地震监测预测和应急救援能力提升的重要技术手段(申旭辉 等，2007)。

2 地震遥感应用研究历程的简要回顾

1974年，中国著名地震学家顾功叙院士和丁国瑜院士率团访问美国地质调查局(USGS)，获赠了一套中国多光谱卫星遥感影像图，由此拉开了中国遥感应用研究的序幕(丁国瑜和李永善，1979)。经历40多年的发展，目前地质遥感和地貌遥感方法已经成为地震科学研究的基本手段，灾害遥感技术发展为地震应急救援辅助决策和灾害评估发挥了重要作用，以卫星红外、卫星电磁、InSAR、GNSS为代表的卫星遥感技术已经在地震监测预测研究中发挥重要作用。

2.1 地震遥感应用研究起步阶段(20世纪70年代中期到80年代末期)

从1974年开始，中国地震学家开展了全国性活动构造遥感调查研究工作，并随即引进了国外大型遥感图像分色和融合设备，光学遥感信息解译成为全国活动构造普查、线性构造分析和全国地震区划图编制的重要手段，推进了地震构造研究的快速发展。中国著名地震学家丁国瑜院士(1980)认为：“由于大量新资料的积累，特别是宇航遥感资料的急速增长，得到了许多以前在近距离所看不到的现象和新认识，对线性构造在地壳表面大范围的分布特征及其活动发展动态的研究进入了一个新阶段。”，黄培华等人(1982)编辑出版《地震地质学基础》，明确陆地卫星图像应用是活动构造研究的5种主要方法之一。

在此期间，以遥感技术应用为基础，编制了《中国活动构造典型卫星影像集》(国家地震局地震研究所 等，1982)和《中国卫星影象地震构造判读图》(国家地震局地质研究所，1985)，初步查明了中国活动构造和地震构造分布，为地震区划和区域活动构造研究奠定了重要基础。

2.2 多种遥感手段全面探索推进阶段(20世纪80年代末期到20世纪末期)

1988年，苏联科学家发现了地震前红外辐射增温现象。中国学者迅速跟踪国际前沿，开始了这方面的研究工作。围绕震前红外辐射增强现象及其统计特征、地震红外辐射机理以及红外辐射信号提取技术等方面开展了大量的研究工作，在地震系统建设了多个NOAA/MODIS卫星数据接收站，以保障红外遥感数据的时效性和连续性，并在历年地震监测预测实践中发挥相应的作用。

1993年，欧洲空间局专家反演获取了1992年美国LANDERS地震同震形变，中国学者王超等人(2000)、单新建(2002)、张景发(2002)等随后利用国外SAR遥感数据反演获得了中国历次7级以上地震的同震变形并分析了相应的地震变形特征。为进一步提高InSAR形变测量精度，中国学者分别在青藏高原东北缘地区、京西北地区、云南丽江和鲜水河地区以及西藏当雄—羊八井地区，布设了人工角反射器台阵，发展了毫米级形变测量和反演技术。

这一阶段，高分辨率遥感信息越来越丰富，王晓青等人(2013)利用高分辨率光学遥感信息发展了地震灾害遥感评估技术并在历次破坏性地震中得到检验。谢广林(1991)、申旭辉等人(2000)利用高分辨率遥感数据定量分析断层位移规模，并识别和寻找历史地震形变带，申旭辉等人还利用SAR数据的穿透性能在西北干旱地区开展了隐伏构造提取试验研究，多源遥感应用在地震行业得到长足发展并全面覆盖防震减灾3大业务领域。

2.3 地球物理场遥感探测与多源遥感应用技术协同推进阶段(21世纪初)

20世纪末至21世纪初，国际学术界围绕地震能否预报展开了一场大讨论(Geller 等，1997；Wyss 等，1997；陈运泰，2009)，同时一系列7级乃至8级以上强烈破坏性地震袭击了世界各地，困惑中的地震预报与巨大的地震灾难触动了关于地震预报方法论的思考。在此背景下，中国地震局等正式启动地震卫星规划论证工作，并相继发布了《国家防震减灾规划(2006—2020)》、《民用航天“十二五”规划》、《防震减灾“十二五”规划》。地震遥感应用研究也由分散性课题研究开始整合，形成了以国家科技支撑计划、863计划、国际合作交流计划和民用航天科研计划为依托的系统研究分工合作新格局。

此阶段地震遥感应用的发展，一是地球物理场遥感探测技术得到高度关注，卫星电磁和卫星重力探测、反演与应用技术研究和研发取得突破性进展；二是灾害遥感应用进入业务化，2004年伽师震群后，遥感技术作为一种重要的技术手段进入应急救援与灾害评估业务领域，且在汶川地震、玉树地震灾后应急救援业务发挥了重要作用；三是多源遥感综合应用不断深入和拓展，高光谱气体地球化学、LiDAR技术以及红外多角度遥感等新技术开始进入防震减灾领域。

2.4 遥感应用业务化示范与地球物理场遥感探测系统发展阶段(2011年以来)

2010年，“高分地震遥感监测与应急应用示范工程”正式启动，旨在建设具备业务化运行能力的地震遥感示范应用系统，2013年国务院正式批准电磁监测试验卫星工程研制，以高分重大科技专项和电磁监测试验卫星工程为依托，建成了卫星地震应用示范系统，并具备业务化运行能力。2018年2月2日，中国地球物理场探测卫星计划首发星张衡一号顺利发射入轨，目前在轨运行正常，并首次获取了中国自主知识产权的全球地磁图，填补了中国在地球物理探测卫星和全球地球物理场战略资源获取能力的空白。

2008年汶川地震后，国家启动了623专项论证工作，并于2015年正式发布了《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015—2025)》，按照规划和《卫星对地观测数据产品分类分级规则标准》，正式提出和明确了地球物理场探测卫星的概念。目前，除电磁监测试验卫星之外，其他地球物理探测卫星计划同步论证推进中。

3 地震遥感应用研究现状与趋势

3.1 遥感技术在地震监测预测领域的应用研究

地震遥感应用现状及其总体趋势归纳总结见图1，主要从InSAR形变反演技术、卫星红外遥感技术、卫星电磁探测技术以及其他遥感技术应用等方面进行概述总结。


图 1 地震遥感应用现状
Fig. 1 Application status of seismic remote sensing

3.1.1 InSAR形变反演技术

1993年，欧洲科学家利用ERS-1卫星数据，首次获得了1992年美国兰德斯7.3级地震同震形变场，引起国际科学界轰动(Massonnet 等，1993；Zebker 等，1994)，InSAR技术作为一种低成本、高分辨率的空间对地测量手段越来越得到学术界的认可。

(1) 同震形变提取。D-InSAR技术在中国地震同震形变中的应用研究始于1997年玛尼7.5级地震(单新建 等，2002)，此后，1998年张北Ms6.2级地震，2001年昆仑山口西Mw8.1 级地震(单新建 等，2004)，2008年改则Mw6.4级地震(孙建宝 等，2008)，2010年玉树Mw7级地震(屈春燕 等，2013)，D-InSAR均给出了快速可靠的同震形变信息，为强震考察和相关科学研究提供了重要依据。

(2) 3维形变反演。洪顺英等人(2010)利用InSAR、GPS、像素偏移Offset-tracking方法以及形变模拟获取了2008年1月9日和16日改则Mw6.4和Mw5.9双震，3月21日于田Mw7.1地震和2003年12月26日伊朗巴姆Mw6.9地震3维形变特征。此外，随着SAR卫星技术的不断发展，GNSS观测能力的不断提高，基于GNSS和InSAR技术结合的地壳3维形变场观测，将是未来地震地壳形变监测的核心手段。

(3) 缓慢微小变形监测。由于雷达波在通过电离层时的大气效应以及受数字高程模型精度的影响，D-InSAR技术形变结算精度总体上在厘米量级，距离长期缓慢地壳形变测量需求存在明显不足。为了最大限度提高D-InSAR地壳形变解算精度，Ferretti等人(2001) 提出了基于永久干涉体PS(Permanent Scatters)测量方法以获取毫米级变形精度。中国先后在海原、六盘山、西秦岭北缘、羊八井地区、丽江断裂等地区布设了永久角反射器，基于InSAR技术的震前形变监测技，在当雄—羊八井以及玛尼地区的试验均取得了良好效果。

3.1.2 卫星红外遥感技术

20世纪80年代末期，苏联科学家在分析中亚地区地震活动时，发现了震前红外辐射增强现象(Gorny 等，1988)。此后许多科学家集中开展了地震红外异常分析研究，徐秀登等人(2000)、邓明德(1997)初步研究了地震红外辐射的机理，刘德富和康春丽等人(2005)、康春丽等人(2003)开展了大量震例分析研究。

(1)红外遥感机理研究。国内外学者通过空气电场实验、岩石加载实验等手段开展了积极探索研究，提出了多种机理解释。主要有：气热说(Gorny 等，1988；Qiang 等，1995)、应力致热(Wu 等，2000；吴立新，2001)、地下流体作用(Tronin 等，2002)、“P-hole”理论(Freund，2007)、氡气衰变释放潜热(Pulinets，2007)、地下热传导(蔡永恩 等，1987)、断层蠕动摩擦生热(郭子祺，1998)、微震声波振动促使土壤热通量变化(王纯莹 等，2005)等假说。

(2)红外遥感前兆统计特征分析。近年来，利用卫星热红外遥测技术研究断层活动以及地震前兆受到国内外学者的广泛关注。美国NASA利用EOS/MODIS卫星热红外数据研究2001年1月26日印度古吉拉特邦Ms7.6地震时，发现地震前5 d在印度西部震中及外围出现了大面积热红外异常。中国学者的系统研究结果表明，震前孕震所处地域存在明显的热辐射增强现象，通过卫星遥感技术所产出的数据产品—长波辐射场强度(OLR值)和亮度温度(TBB)的变化识别出这种增强，对这种震前红外遥感异常特征进行了分析。近年发生的几次显著性地震事件，如2005年江西九江地震、2006年河北文安地震、2007年云南普洱地震、2008年汶川8级地震等，卫星红外遥感信息都有明显异常显示。

目前，利用卫星红外遥感资料进行地震监测预报方面已取得了一定的进展，对1975年以来中国全部6级以上地震震例进行了全面整理，取得了可喜的成果。其中部分研究成果已应用于日常的地震预报工作之中，成为日常地震监测预报的重要手段之一。

(3)数据分析与处理技术研发。地震热红外的识别算法和应用也逐渐成熟，数据源也从单一影像发展到多源遥感相结合(Qin 等，2012)，分析也从水平方向向垂直空间领域发展，异常识别方法也逐步发展。异常提取方法上主要包括4大类：1)目视解译(徐秀登 等，2000)；2)基于差值分析的异常提取算法，典型算法包括震前震后亮温差值法、断裂带内外亮温差值法、涡度法等(Saraf和Choudhury，2005)；3)基于信号分析的异常提取算法，典型算法有小波、功率谱、夜间热梯度(NTG)等(Saradjian和Akhoondzadeh，2011)；4)基于背景场分析的异常提取算法，典型算法包括历年同期偏移指数法、ＲST算法等(Pergola 等，2010)。在多参数异常分析应用上，Wu等人(2012a，2012b)提出了LCA(Lithosphere Coversphere Atmosphere)耦合模型以揭示多参数多圈层准同步变化之间相互关系。卫星红外遥感应用于地震相关信息研究，需考虑到红外遥感信息影响因素多样，以及采用不同波段的信息如中红外、远红外与微波辐射，进行综合分析研究。

3.1.3 卫星电磁探测技术

1965年，俄罗斯科学家在分析Alouette卫星电磁信号时，发现卫星记录到地震低频电磁辐射前兆现象。2004年6月，法国成功发射DEMETER卫星，专门用于研究与地震、火山喷发等有关的电磁异常和电离层扰动以及与人类活动有关的全球电磁环境。中国科学家重点基于中法、中俄和中意合作，开展了系统的卫星电磁技术研发和科学研究工作。

(1) 典型地震震例解剖。2008年汶川地震以来，中国科学家围绕地震电离层前兆问题开展了大量研究工作，并在单参量、单手段震例分析的基础上逐渐向多参量、天地联合等方向快速发展。针对2008年汶川特大地震进行了重点剖析，发现强震前卫星观测多频段电磁场、电离层等离子体密度、温度等多参量异常扰动，并同步在地基同类观测中出现类似扰动增强现象(张学民 等，2009；Zhang 等，2009, 2010a)。对于国外发生的破坏性地震也开展了响应研究和震例积累，如2010年海地7.0级地震(Zhang 等，2014)、2010年智利7.9级地震(Zhang 等，2010b)、2005年印尼8.5级地震等(Zhang 等，2011)，发现了震前1—7 d内电场与电子密度等多参量同步扰动现象。在卫星多参量综合分析方面，张学民等人(2014)利用地基电离层垂测、GPS TEC和DEMETER卫星探测资料分析了2010年玉树7.1级地震前的扰动现象，发现震前1 d多参量同步增强；同时针对这次地震，Shen等人(2017)对比卫星与地基记录的VLF电波信号，发现在震前人工源电波信号强度降低。Liu等人(2016)结合GPS TEC、DEMETER和DMSP 3种卫星资料，分析了印尼一次7.2级地震前后3种探测技术在相同时空内的响应关系。研究结果显示，多参量同步异常对于解析异常在不同高度的时空分布特征及其传播耦合关系具有重要的参考价值。

(2) 地震电离层前兆信息的统计分析。徐彤等人(2012)分析了中国14个大地震临界频率(f0F2)，认为85.7 %的地震在震前1周存在异常，并且几种出现在地方时11:00—17:00。Le等人(2011)利用GPS TEC数据分析了2002年—2010年全球 736次 6.0级以上地震，表明GPS TEC的变化随震级、震源深度、发震时刻而变化。Yao等人(2012)研究了2010年全球7级以上地震GPS TEC，发现多出现于震前0—2 d和地方时12:00—20:00。刘静和万卫星(2014)利用GPS TEC对1998年—2010年中国6级以上强震进行了分析，结果显示震中周围多个方向均在震前3—5 d观测到异常扰动。Zhang等人(2012, 2014)利用DEMETER卫星资料分析了2005年—2010年全球7级以上地震前电场异常，结果表明：板块边缘地震更易于引起电离层扰动，伴随着ULF/ELF频段电场功率谱增加1—2个数量级，电场强度增加3—15 mV/m；He等人(2011)利用DEMETER卫星资料研究了2006年—2009年全球约7000 次5级以上地震前后电子浓度的变化，发现震前异常集中在震中附近；Li和Parrot(2013)统计分析了DEMETER卫星运行6年期间记录的离子密度参量与地震的关联，发现异常数目随地震震级增加有明显增多，且有地震当天异常数量最多；Zhang等人(2013)总结了2005年—2010年全球7级强震前的高能粒子沉降特征，发现70—330 keV的低能电子沉降与地震存在更好的关联性。

(3) 地震电离层耦合机理。前期研究结果显示(Pulinets和Boyarchuk，2004)，地震电离层耦合主要以3种模式从震源传播到地表，穿过大气层向电离层传播(图2)，其中包括化学—电场效应、声重波及电磁波辐射传播效应。赵庶凡等人(2011)、Shen等人(2011)发展了甚低频电磁波传播的全波计算模型，并开展了岩石层—大气层—电离层耦合机制以及地震电磁辐射向电离层传播的模拟；Zhou等人(2017)优化发展了附加直流电场在电离层中传播耦合过程，揭示了不同方向电场在不同纬度的时空演化图像；Hao等人(2012)研究了2011年日本9级地震时的地震波、地磁场、TEC、次声波及多普勒多种观测技术的同震信号，发现地震面波激发的声重波向电离层传播扩散的特征。观测信息和理论模型研究方面的阶段性成果为发展地震电磁立体监测体系提供了科学支撑(张学民 等，2016)。


图 2 主要地震电磁电离层效应
Fig. 2 Main electromagnetic ionospheric effects

3.1.4 其他遥感技术应用

(1) GNSS(Global Navigation Satellite System)遥感。1988年开始的滇西实验场GPS观测工作及随后开展的攀登计划，充分展示了GPS技术在监测现今地壳运动的前景。在此基础上，“九五”期间，由中国地震局牵头，中国建立了以地震预报为主要目的、以GPS观测技术为主的“中国地壳运动观测网络”(一期工程)，已经建成覆盖全国的基本站28个，基准站56个，区域站1000个。目前中国地壳运动观测网络(CMONOC)二期工程已经得到国家发改委批准，即将启动实施。

目前，GNSS已经成为地震监测预报的重要手段。利用覆盖全国GNSS观测网络，已经能够获得一年尺度的全国地壳运动分布图，并通过国际合作，分析板块运动和地壳运动变化信息，为地震年度趋势预测提供重要的决策依据。利用GNSS连续观测站提供的信息开展地震前兆跟踪研究也取得了实质性进展，取得了震前地壳形变特征和电离层扰动信息的大量震例研究结果。如2001年11月14日发生在新疆维吾尔自治区与青海交界处的昆仑山口西M8.1大地震，利用GNSS取得了震前极为珍贵的地壳运动和电离层变化信息。

(2) 卫星重力探测技术。低轨道的重力卫星GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)和GOCE (Gravity Field and Stead-state Ocean Circulation Explore)的发射、运行和观测从空间上提供了前所未有的高精度、高分辨率的全球重力场和大地水准面模型。GRACE卫星采用低—低卫星跟踪测距模式，能够获取大型地震产生的重力场变化(Sun和Okubo，2004)。目前GRACE能够检测出2004年苏门答腊Mw 9.3、2010年智利Mw 8.8和2011年日本东北Mw 9.0地震同震和震后黏滞性调整产生的重力场变化(Han 等，2006；Panet 等，2007；Cambiotti 等，2011；Zhou 等，2012)。利用GRACE观测到的空间重力变化能够约束地震事件的震源参数(Han 等，2011；Cambiotti 等，2011)，也能够约束断层的同震滑移分布(Zhou 等，2018)。

2009年欧空局发射的GOCE卫星轨道约为255 km，比GRACE卫星轨道更低，搭载的重力梯度计能够通过测量地球的重力梯度恢复精度更高的中高阶(约50—250)重力场模型。GOCE卫星在轨运行期间(2009年3月—2013年11月)经历了全球两次特大地震——2010年智利Mw 8.8和2011年日本东北Mw 9.0。GOCE卫星可以当作空间地震仪，能够观测到大地震引起的大气密度波动信号 (Garcia 等，2013)。重力卫星GRACE和GOCE资料为震源提供了地球质量迁移的约束，加深了人们对震源物理的理解。

(3) 高光谱遥感技术应用。气体地球化学作为地震前兆研究的重要内容，自20世纪60年代中期以来引起了广大学者的重视，大量的地面观测数据和震例研究表明断层气体(CH4、CO2、He、Rn和Hg等)与地震活动、构造有关，对地震响应敏感, 并在地震监测预测应用中取得一定成果(车用太 等，1998)。近一二十年来，国内外学者将高光谱痕量气体探测技术引进到了地震监测领域，常见的异常分析方法包含背景差值法、异常指数法、标准差法、时间序列分析法等，研究表明利用现有的卫星高光谱数据可以监测到地震前后大气中的CO2、CH4、CO、O3、水汽、气溶胶等异常。中国学者利用AIRS卫星数据研究了2004年12月26日苏门答腊8.9级(孙玉涛 等，2014)、2010年下加利福尼亚7.2级(崔月菊 等，2011)、2008年汶川8.0级(Cui 等，2017)、2013年芦山Ms7.0级(王杰 等，2013)地震前后的CO和CH4总量变化，发现地震前后大气中的CO、CH4浓度变化与地震和构造活动有一定的关系。基于卫星遥感的气溶胶监测也发现地震前后气溶胶光学厚度(AOD)有一定的异常，如2008年5月汶川Ms8.0地震7天前AOD增加(Qin 等，2014)。利用高光谱遥感气体地球化学异常，有助于分析其与地震发生的关系，有助于实现孕震过程的反演与理解。

3.2 遥感技术在地震构造调查方面的应用研究

活动构造是大地震孕育发生的重要条件，也是地震危险区划分的重要依据，是震害防御领域的重要工作内容。目前，在活动构造调查研究方面多源遥感影像数据应用越来越多，《活动断层探察遥感调查》技术标准也已经发布(张景发 等，2017)，一方面有效提高了工作效率，同时降低了工作成本。“兵马未动，遥感先行”，已经成为活动构造探查工作的基本模式。

3.2.1 区域活动构造格局分析

作为活动构造研究的第一步，需要了解大范围活动构造格局。中高分辨率的MSS、TM、ETM、HJ-1-A/B等卫星遥感信息成为获取大范围活动构造基本状态的重要手段。实际上早在20世纪70年代，许多学者利用卫星影像对亚洲地区的活动构造格局进行了宏观的研究，取得了青藏高原和中亚地区活动构造分布状态，并在此基础上，提出了青藏高原形成演化的构造模式，引领了一个时代世界第三极的研究(Molnar和Tapponnier, 1975, 1977)。中国学者利用陆地资源卫星图像分析揭示了地表广泛分布的不同方向的线性破裂网络(丁国瑜和李永善，1979)，解译完成的《中国活动构造典型卫星影像集》和《中国卫星影象地震构造判读图》，给出了中国大陆活动构造分布特征，在此基础上进一步开展的《IGPB-206中国活断层图集》和《中国大陆岩石圈动力学图集》，迄今仍然是地震区划、重点监视防御区圈定和震害防御工作的重要基础性材料。

3.2.2 活动构造位移量和精细结构获取

在区域活动构造研究基础上，利用高分辨率遥感影像，包括SPOT、GF-1/2、ZY-3等卫星，以及相应的航空遥感信息，可以对活动断层及其控制的构造微地貌进行全面深入的定量研究，分析断层几何形态、结构特征与构造变形，进而明确断层运动学特征及力学机制。例如，丁国瑜院士(1982)利用MSS卫星影像定量解译了宁夏海原断裂带的水系变形现象；申旭辉等人(2000)在1995年利用区域TM影像资料，发现了四川安宁河东侧凉山活动构造带大规模水平位移证据，修正了鲜水河—安宁河—则木河—小江断裂带终端位移亏损问题；洪顺英等人(2006)研究了阿尔泰山脉蒙古一侧的地震构造，定量给出了活动位移，并初步圈定了历史地震破裂带，为全面认识俄中蒙边界地区阿尔泰地震带的活动提供了有力证据。近年来，随着中国航空航天技术的发展，国产卫星数据也逐渐应用于活动断层定量调查(鲁恒新 等，2017)。此外，无人机或LiDAR技术在活动断层精细结构与定量调查方面也得到广泛应用(Jiao 等，2016；Jiang 等，2017)，可以提升对活动断裂带精细几何结构与大震复发特征的认识。

3.2.3 地震破裂带特征提取

由于大地震造成明显的地表破裂带，应用遥感资料研究地表破裂带的展布、结构甚至位错量的工作也得到普遍应用。如1997年11月8日发生的西藏自治区玛尼(简称西藏玛尼)地震，由于玛尼地区荒无人烟，交通不便，对地震断层的研究十分不便，中巴地球资源卫星CBERS-1图像在该地区的影纹清晰，清楚显示线性形迹长达220 km，清晰分辨出线性刻蚀痕迹，地震专家判释该断层至今活动十分强烈。图像表明，在玛单盖茶卡湖和朝阳湖一带，流经断层带的一系列河流发生同步左向扭曲，玛尼发震断层所造成地表破裂带长110 km，最大左旋位移量达6—7 m。CBERS-1资料对发震条件信息提取和对西藏玛尼地震震源确定、灾情评估提供了科学依据。

3.2.4 其他方面

利用雷达数据具有一定穿透能力的特点探测隐伏活动构造的实验研究，在郑州、南京、银川、海口等城市活断层探测工程中发挥积极的作用(洪顺英 等，2007)。基于DEM和多光谱遥感影像丰富的影像特征，可以给出相关区域3维地震构造特征(付碧宏 等，2008)，成为系统分析活动构造特征的有效工具。

3.3 卫星遥感技术应用于灾害快速评估

1975年海城地震和1976年唐山地震期间，中国采用遥感飞机对灾区进行了专门飞行任务，为中央救灾决策提供了重要支持，在此后的地震应急实践中，应急遥感技术也迅速发展起来(陈鑫连，1995)。空间对地观测方法的出现和发展为地震调查提供了一种经济、快速、安全的评估方式。在震前应急准备(预案)阶段，遥感图像为风险评估提供参考；在灾后应急阶段，遥感图像用于灾害监测和震害快速评估；在损失评估和重建阶段，遥感图像辅助震害调查、烈度评估等工作。

3.3.1 应急遥感信息提取技术研发

应急遥感技术的发展，总体上基于灾害引致的地物状态改变以及由此带来的地物影像特征变化，遥感震害信息提取主要是应用遥感影像的变化检测和图像分类技术。变化检测技术通过对震前和震后遥感影像进行对比分析，检测影像地震前和遭受地震破坏后出现的地物变化及其分布，以此获取地震灾害信息。根据变化检测的信息层次，变化检测方法可分为基于像元的变化检测(张景发 等，2002)、基于特征的变化检测(李成龙和张景发，2013)和基于目标的变化检测(龚丽霞 等，2013)。图像分类技术则直接利用震后遥感影像通过地物分类提取震害信息。传统的分类大多基于像元，利用像元的光谱特征和纹理特征识别震害信息。随着高分辨率遥感影像资料急剧增长，目标呈现更多的对象特征，现在大多采用面向对象的分类方法，或者结合像元与对象来识别震害信息(Gong 等，2016)。

3.3.2 应急遥感应急系统研制

“九五”以来，通过“利用卫星遥感技术建立地震灾害预估、评估及救灾决策的运行系统”、“基于遥感图像的震害快速评估技术研究”等项目实施，以卫星遥感信息为主，辅以航空遥感和实地调查资料，首次将卫星遥感技术应用于震害研究中，并初步建立了地震灾情快速获取与损失评估遥感以及通讯技术系统，开发了“地震遥感信息分析与处理系统”并在2003年新疆维吾尔自治区伽师(简称新疆伽师)地震和2005年江西九江地震震灾应急工作中得到检验(王晓青 等，2003)。2011年启动实施的高分地震遥感监测与应急应用示范工程，研制了应急遥感示范系统，该系统集成了建筑物、道路交通、地震地质灾害3个主要地震灾害识别功能，能全面地反映灾区宏观灾情，在地震应急遥感业务工作具有重要作用(窦爱霞 等，2013)。

3.3.3 应急遥感应用实践

应急遥感技术业务化应用，始于2003年—2004年新疆巴楚—伽师地震震群活动，利用大量的航空与卫星遥感资料，快速处理获取了地震造成的建筑物震害与地质灾害的遥感图像特征，并根据以往震害遥感影像统计经验与本次地震震害遥感特征，提出了遥感震害分级分类标准和地震烈度划分标准，进而得到基于震害遥感影像的伽师地震等震线图，为应急救援决策提供了重要依据(王晓青 等，2003)。2008年汶川特大地震后，在缺乏应有的地面震害调查资料情况下，通过遥感手段获取灾区震后遥感影像，图像快速处理和震害信息提取，对地震灾害及其损失进行快速评估，将弥补地面调查的不足，为地震应急指挥和救援决策提供重要依据(王晓青 等，2009)。

2008年汶川地震之后，遥感灾害评估工作加快步伐，提高了其实用性，在2013年芦山地震和2017年九寨沟等地震中都有良好表现，震后24 h内，就利用高分辨率遥感数据对地震损毁程度进行了初步评估，用于应急救援决策支持，并向民众发布大致灾情。

4 地球物理场探测卫星计划与电磁监测试验卫星

4.1 地球物理场探测卫星计划概况

早在1977年，中国科学家就提出卫星地球物理探测将在地震研究中发挥重要作用(中国科学院地质研究所，1977)。20世纪末至21世纪初，国际学术界围绕地震能否预报展开了一场大讨论(Geller 等，1997；Wyss，1997)。中国学者在系统回顾和总结中国地震监测预测发展历程和取得的主要成果基础上，倾向认为地震作为一个自然科学问题，应该可以预测(陈运泰，2009)。而空间对地观测技术以其大范围、高动态、全天时、全天候、不受地面条件限制等技术优势，成为现阶段提高地震监测能力，推进地震预测科学探索的重要途径。在充分论证基础上，提出了中国地震立体观测体系发展的总体框架和发展思路(申旭辉 等，2007)，地震立体观测系统概念框图如图3所示。


图 3 地震立体观测系统概念框图
Fig. 3 Conceptual diagram of seismic stereo observation system

地震预测的主要困难有：地震震源的不可入性、破坏性地震发生的小概率性和地震监测预测技术手段的局限性。空间对地观测能够显著弥补现有地震观测能力不足，从而为推进防震减灾能力建设提供十分重要的信息保障。

根据统计，中国平均每3年发生2次7级以上地震，每年发生4次6级以上地震，而全球平均每年发生7级以上地震17—18次，6级以上地震150次，通过卫星观测，能够获取全球震例，从而显著弥补破坏性地震样本不足的问题，为科学家研究和发展地震预测方法提供支持。与此同时，地面监测系统只能给出孤立点的地球物理场信息，地震监测预测研究需要完整的3维地球物理场动态信息可以通过地球物理场卫星技术获取，从而有效提高地震监测能力，推进地震预测科学探索。

2015年，国务院批准《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015—2025)》，正式明确发展国家地球物理场探测卫星计划。总体上，地球物理场探测卫星主要包含电磁卫星和重力卫星两大类。其中，电磁监测卫星以获取地球基本磁场、电磁场和电磁波以及电离层等离子体结构和原位参数为主要任务；重力场测量卫星以获取地球重力场和重力梯度场为主要任务目标。

通过获取地球磁场、电场、重力场、电离层模型及其变化，可直接用于支撑导航、惯性制导和通信环境管理。与此同时，通过3维地球物理场环境及其变化状态获取，将为有利推进空间地球物理和空间物理学发展，发展地球多圈层联合探测技术，支撑地球系统科学发展和地震监测预测科学突破奠定重要的基础。

4.2 电磁监测试验卫星

作为中国地球物理场探测卫星计划首发星，电磁监测试验卫星(张衡一号)于2003年初开始规划预研、2013年启动工程研制工作，于2018年2月2日顺利进入预定轨道。

张衡一号卫星的主要科学目标是：获取全球电磁场、等离子体、高能粒子观测数据，进行卫星在轨期间全球7级以上、中国6级以上地震卫星电磁信息分析研究，总结地震电离层扰动特征；对中国全境实施准实时观测，开展试验性地震短临监测，研究大震短临预测新方法；开展电磁卫星技术试验；为相关领域应用与国际合作提供电磁数据信息服务。

卫星采用三轴稳定太阳同步极轨圆轨道，轨道高度507 km，倾角97.4°，降交点地方时14:00，卫星重访周期设定为5 d，卫星设计寿命5 a。按照设计，张衡一号卫星采用CAST2000通用小卫星平台，对地三轴稳定，星上搭载3类8种科学载荷，包括：电磁场测量载荷、高精度磁强计、感应式磁力仪和电场仪；电离层原位测量载荷：朗缪尔探针、等离子体分析仪和高能粒子探测器；电离层结构探测载荷：GNSS掩星接收机和三频信标发射机(卫星构型如图4所示)。


图 4 中国首颗电磁监测试验卫星构型
Fig. 4 China’s first configuration of electromagnetic monitoring test satellite

张衡一号卫星在轨期间，已产出全球地磁场和大气电场分频段波形和频谱数据，电离层原位电子和离子的密度、温度、离子漂移速度及高能粒子沉降数据，电离层等离子体2维和3维结构探测数据，提供地震科学、固体地球科学和空间科学研究使用，同时服务于地震监测、空间天气监测预警以及电波环境管理等任务。

5 思考与展望

到目前为止，空间技术应用到防震减灾事业发展和相关科学研究已经走过了40余年的历程。空间技术应用已经渗透到防震减灾工作各个工作环节，为地震监测预测、震害防御及应急救援科技水平提升和业务能力建设提供了重要支撑。从防震减灾业务能力建设需求出发，考虑到地震遥感应用现状和空间对地观测技术发展，未来地震遥感应用将重点在如下方向推进：

(1) 以地球物理场探测卫星计划发展为基础，发展综合性、天空地一体化、有效协同的地震立体观测体系。当前的重点是电磁卫星和重力卫星等地球物理场探测卫星系列的发展，在此基础上，构建融合光学和微波遥感平台于一体的虚拟化业务卫星星座，并推进临近空间艇载地球物理综合观测平台和地面比测校验系统发展。

(2) 加快推进遥感应用业务化水平。目前，应急遥感应用已经具备业务化能力，卫星红外遥感已经成为日常地震监测预测的重要手段，基于GNSS与InSAR相结合的地壳形变立体监测网络正在逐步形成，电磁监测试验卫星在轨运行。多源空间信息应用与业务系统的密切结合是地震遥感应用的一个重要发展方向。

(3) 积极拓展空间信息综合分析与大数据技术应用，发展有效的融合技术与分析方法，提高数据处理能力，发展强背景和复杂环境下地震微弱信号提取技术，加强新技术研发和应用。

(4) 在传统的板块和块体相互作用模型基础上，充分利用立体观测系统特点和优势，加强地球多圈层、多物理场耦合与相互作用特征与机制研究，推进地震科学理论取得突破。

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