衛(wèi)星監(jiān)測地震，預知地球“動靜”
—— 專訪中國地震局地震預測研究所申旭輝研究員

衛(wèi)星監(jiān)測地震，預知地球“動靜”
—— 專訪中國地震局地震預測研究所申旭輝研究員

申旭輝，中國地震衛(wèi)星計劃實施專家組負責人，國家對地觀測領域國際合作專家組成員，主持高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項“遙感地震監(jiān)測與應急應用示范工程”等多個重點項目。

2013年年底，我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項首星高分一號衛(wèi)星正式投入使用，遙感衛(wèi)星應用進入新階段，國產高分辨率遙感數(shù)據(jù)在國土資源調查、環(huán)境與災害監(jiān)測、氣候變化監(jiān)測等多個領域將發(fā)揮重要作用。高分一號在軌測試階段，已經(jīng)投入實際應用。2013年9月，巴基斯坦、秘魯相繼發(fā)生7級以上地震。根據(jù)空間和重大災害國際憲章機制，我國啟動了一級應急響應，地震當天即安排高分一號衛(wèi)星及其他國產遙感衛(wèi)星連續(xù)對災區(qū)成像，獲取衛(wèi)星全色/多光譜數(shù)據(jù)，提供給受災國。高分一號衛(wèi)星在綜合減災救援中都能發(fā)揮哪些作用，遙感技術在我國地震災害防御、監(jiān)測預報和應急救援等防震減災工作中的應用情況如何，帶著這些問題，本刊記者采訪了中國地震局地震預測研究所申旭輝研究員。

未來通過高分專項的建設，結合其他國產遙感衛(wèi)星協(xié)同工作，時間分辨率、空間分辨率都將大幅提高，可大幅減少生命和財產損失。

中國地震局正在實施“喜馬拉雅計劃”，也將充分利用高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行針對全國地震構造的調查。

記者：2012年4月20日四川雅安地震，4月26日高分一號衛(wèi)星升空。中國航天科技集團公司高分一號工程總指揮兼衛(wèi)星系統(tǒng)總設計師白照廣說：“要是高分一號衛(wèi)星能早點發(fā)射，現(xiàn)在已經(jīng)可以用于雅安地震災情監(jiān)測了。”穩(wěn)定運行并開展工作的高分一號衛(wèi)星，在第一時間加入雅安地震減災救災的航天臨時星座編隊之列，及時、清晰、準確地傳回雅安地震災區(qū)影像，為減災救災提供第一手資料。 請問高分數(shù)據(jù)的加入，對發(fā)揮衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在減災救災方面有哪些優(yōu)勢？

申旭輝：防震減災分為三個工作階段，一是震災防御，主要面向未來50～100年左右區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)劃和工程抗震需要，提供區(qū)域地震危險性趨勢分析和抗震設防基準服務；二是監(jiān)測預報，是在區(qū)域地震危險區(qū)趨勢判斷基礎上，采用先進的技術手段開展有針對性的地震監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測資料分析結果對未來一定時間段地震活動趨勢進行預測并在可能的情況下發(fā)布地震預測預警意見；三是應急救援，是在破壞性地震發(fā)生后，迅速組織政府、社會和專業(yè)救援隊伍，開展災害應急決策、現(xiàn)場救援以及后續(xù)的救助和重建活動。

從應急救援角度，可以充分應用航天技術優(yōu)勢，通過運用大量高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對救援提供十分重要的數(shù)據(jù)信息支撐。通過對災區(qū)震前、震后遙感圖像變化檢測，來判斷地震災害的嚴重程度。

在四川雅安地震中，正如白總所說，如果高分一號衛(wèi)星在地震時已經(jīng)在軌的話，一定能發(fā)揮重大作用。高分一號衛(wèi)星為2m分辨率，能清晰反映建筑物的輪廓情況，并能通過建筑物陰影計算出建筑物的高度，能對受災情況精確評估。2013年7月甘肅天水岷縣地區(qū)發(fā)生地震，高分一號衛(wèi)星很好地開展了工作。高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，判斷出岷縣地震災害情況并非十分嚴重，因此采取了與災情程度相符的應急救援措施?？梢姡ㄟ^高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，我們可以判斷震區(qū)災害的嚴重程度，如果災情嚴重，則全力組織救援，提高救援效果；如果災害并不嚴重，可以避免過度救援，避免不必要的浪費。對地震來說，最重要的是黃金72小時，但實際情況中，由于衛(wèi)星資源較少，72小時很難保證，未來通過高分專項的建設，結合其他國產遙感衛(wèi)星協(xié)同工作，時間分辨率、空間分辨率都將大幅提高，可大幅減少生命和財產損失。

記者：在2013年9月秘魯和巴基斯坦發(fā)生的地震中，我國緊急調動高分一號衛(wèi)星成像，為受災國提供了重要的數(shù)據(jù)支撐，高分一號衛(wèi)星在軌測試階段即完成了重要成像任務。請您談一下高分一號衛(wèi)星在接下來的實際應用階段，在地震構造調查中能發(fā)揮哪些作用。

申旭輝：防震減災三大業(yè)務體系中，震災防御的開展首先是要對全國或重點地區(qū)進行地質構造及其活動性普查，在地震專業(yè)領域稱為地震構造調查。與國土資源普查不同，地震構造調查是在全國地質普查基礎上篩選那些敏感的、可能發(fā)生地震的危險地區(qū)。地震構造相對于一般的地質構造來說，是線性和局部劇烈變化并且現(xiàn)今仍然在繼續(xù)活動的地區(qū)。利用高分辨率衛(wèi)星識別地震構造大有可為。國家地震局早在1978年就開始運用遙感手段編制全國地震構造圖，早期是利用美國陸地衛(wèi)星MSS數(shù)據(jù)、TM 30m分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)、法國SPOT衛(wèi)星5～10m分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)等，每年需要花費大量資金購買數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在我們可以運用高分一號2m分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及環(huán)境衛(wèi)星、資源一號02C星、資源三號衛(wèi)星等國產衛(wèi)星數(shù)據(jù)來完成相關工作。目前，配合“高分”地震遙感監(jiān)測與應急應用開展示范項目，項目開展，我們選擇張家口——大同地區(qū)、云南—四川地區(qū)以及陜甘寧交界地區(qū)作為示范區(qū)，利用高分一號高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，結合野外工作，定量地將地震構造的強度、量級計算出來，在此基礎上將能夠進一步預測該地區(qū)未來地震發(fā)生趨勢。中國地震局正在實施“喜馬拉雅計劃”，也將充分利用高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行針對全國地震構造的調查。

與應急遙感和地質遙感不同，地震遙感監(jiān)測是對衛(wèi)星采集到的地球物理場、地球化學場信息及其動態(tài)進行提取和加工分析。

記者：作為高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項“遙感地震監(jiān)測與應急應用示范工程”負責人，請您介紹一下該示范工程的情況和進展。

申旭輝：“遙感地震監(jiān)測與應急應用示范工程”是高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項對我國防震減災工作的巨大支持。按照高分專項的統(tǒng)籌安排和統(tǒng)一部署，第一階段為先期攻關；第二階段為搭建應用示范系統(tǒng)平臺，同時開展相關應用示范研究；第三階段為應用系統(tǒng)的推廣，以及算法、模型的升級改造。

目前“遙感地震監(jiān)測與應急應用示范工程”進展順利。經(jīng)過將近3年的努力，我們開展了高分可見光、紅外、雷達以及高光譜數(shù)據(jù)在防震減災領域的應用關鍵技術攻關工作，突破了遙感地震業(yè)務應用的多項關鍵技術，尤其是基于可見光遙感信息的地震構造定量分析技術和基于多分辨率紅外遙感信息的地震監(jiān)測分析技術等，成功研制了基于光學遙感對地震構造分析和地震應急原型系統(tǒng)。目前，正在搭建高分遙感地震監(jiān)測與應急應用示范系統(tǒng)，并籌建地震遙感應用中心，預計在2015年按計劃完成高分遙感地震監(jiān)測與應急應用示范系統(tǒng)建設任務并投入示范運行。

記者：我國是地震活動強烈的國家之一，請您談一下遙感技術在我國地震災害防御、監(jiān)測預報和應急救援等防震減災工作中的應用情況。

申旭輝：高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)應用覆蓋防震減災工作三大業(yè)務體系。尤其在地震構造遙感中，我們做了大量的工作。與地質遙感不同，地震構造不能通過遙感圖像直觀地判斷，需要開發(fā)自動分析處理工具，實現(xiàn)線性形跡提取以及變異微小地貌識別和定量測量功能。目前，在線性形跡提取方面，已有所突破，能夠實現(xiàn)地震構造中山體、河流等地貌通過某些特征進行自動識別。在變異微小地貌的識別和測量方面，由于地震構造需要識別米級的變化，利用環(huán)境減災衛(wèi)星、資源系列衛(wèi)星是達不到的，現(xiàn)在可以利用分辨率更高的1～2m高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并在此基礎上進行特征檢測，將與地震有關的變異的微地貌、微地形特征進行系統(tǒng)分析并制作特征庫，以此為基礎，開發(fā)定量的分析和提取變異地形工作。除了光學遙感衛(wèi)星，還利用立體測圖衛(wèi)星、雷達衛(wèi)星，獲得地物三維信息，可以更直觀地認識地物情況。

遙感數(shù)據(jù)如何運用到地震監(jiān)測預報是大家更關注的問題。與應急遙感和地質遙感不同，地震遙感監(jiān)測是對衛(wèi)星采集到的地球物理場、地球化學場信息及其動態(tài)進行提取和加工分析?，F(xiàn)有遙感系統(tǒng)不直接獲取地球物理場、地球化學場信息，但可以通過反演獲取相關數(shù)據(jù)。例如，利用衛(wèi)星紅外遙感技術，可以獲得溫度場的變化信息，以及基于InSAR衛(wèi)星、電磁衛(wèi)星、重力衛(wèi)星技術，可以獲得多種地球物理場及其動態(tài)變化。目前正在研制的電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星，將直接測量地球電磁場及其變化，并提供全球地磁場和電離層模型，從而為地震監(jiān)測和地震預測科學探索提供寶貴的數(shù)據(jù)支持。

高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在地震災害的應急判斷和評估中可以發(fā)揮重大作用。在地震黃金72小時中，第一時間的決策和響應至關重要。例如在汶川地震中，救援隊伍想用最快的速度抵達震中汶川，但當時沒有任何信息告訴我們：破壞最嚴重的地區(qū)并不在汶川而在北川，而且通往汶川的道路在短時間內難以打通，因此浪費了寶貴的救援時間。這里我想應該特別強調應急救災，在地震遙感應急中，應急救災最核心的目標是第一時間支撐國務院抗震救災指揮部和國家緊急救援隊快速決策，利用高時間分辨率、中高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)為第一時間決策提供支持。在高分專項的支持下，我們正在研制快速數(shù)據(jù)處理技術，將高分數(shù)據(jù)分析與國務院抗震救災指揮決策機構、國家緊急救援隊的派遣業(yè)務流程相關聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動觸發(fā)、直接推送，以提高地震應急救援效率。目前，我們在震后4～5個小時能獲取相關地區(qū)的遙感數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理完成后大概共需要12個小時左右。通過高分專項建設，數(shù)據(jù)推送的時間將大大縮短。

地震立體觀測體系建設將充分依靠國家規(guī)劃的各種衛(wèi)星和衛(wèi)星應用資源，重點建設地震遙感監(jiān)測系統(tǒng)和應急救援系統(tǒng)。

記者：國家防震減災規(guī)劃提出了“天地一體化地震立體監(jiān)測網(wǎng)絡”建設的任務，請您介紹一下我國地震立體監(jiān)測體系的發(fā)展思路和進展。

申旭輝：20世紀末到21世紀初，國際上關于地震能否預報的科學大討論十分激烈。我個人認為，地震監(jiān)測是自然科學問題，是可以預報的，只是現(xiàn)在還沒有找到規(guī)律。目前來說，地震預報存在兩方面的困難：一是破壞性地震是小概率事件，科學家們還不足以積累足夠的震例來進一步檢驗和發(fā)展地震科學理論；二是地震發(fā)生在地下幾十千米的深度，很難直接去探測，而且現(xiàn)有的地震觀測手段有很大局限性，需要依賴新技術和新方法的突破，因此提出了發(fā)展“地震立體監(jiān)測體系”計劃。

利用空間技術手段進行地震監(jiān)測有其自身優(yōu)勢。首先，地震是個小概率事件，需要盡可能多的觀測到地震，積累數(shù)據(jù)。對我國大陸來說，地震發(fā)生的概率基本上7級地震每3年兩次，6級地震每年4次；而全球7級地震每年十七八次，6級地震每年150多次。按照這樣的發(fā)生概率，如果利用衛(wèi)星來觀測地震的話，地震事件經(jīng)驗的積累可以比只在國內地表觀測提高二三十倍。其次，利用空間技術手段，可以觀測地球板塊之間的相互作用。我國位于環(huán)太平洋和歐亞地震帶之間，受到地球板塊之間的相互作用，但板塊邊界都在國境之外，利用衛(wèi)星可以進行板塊監(jiān)測，提高板塊動力學研究能力，突破地震預報技術。基于這樣的研究思路，國家防震減災事業(yè)發(fā)展規(guī)劃明確了“天地一體化地震立體監(jiān)測網(wǎng)絡”建設任務。

地震立體觀測體系建設將充分依靠國家規(guī)劃的各種衛(wèi)星和衛(wèi)星應用資源，重點建設地震遙感監(jiān)測系統(tǒng)和應急救援系統(tǒng)。地震遙感監(jiān)測系統(tǒng)包括三個分系統(tǒng)；一是地球電磁、紅外觀測體系，包括天上的衛(wèi)星和地面的觀測臺網(wǎng)建設，通過地基對天、天基對地和地面的三個層次的網(wǎng)絡構成立體的不同層次、不同高度的地球物理場變化信息的觀測識別，研究其變化過程與地震的相關性。二是地殼形變觀測體系，包括GPS、北斗、InSAR及重力衛(wèi)星等多種空間大地測量技術，進行大區(qū)域長時間的地殼形變的動態(tài)分析。三是地球化學觀測體系。利用高光譜技術和地面的地球化學觀測系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的反演，研究地面、地下的氣體化學變化及其與地震的關系。應急救援系統(tǒng)重點建設高軌道、中高分辨率的光學和雷達衛(wèi)星，實時監(jiān)測國內大部分地區(qū)，提高數(shù)據(jù)分析和科學決策能力。地震立體觀測體系建成后，對地震監(jiān)測預報、應急救援將有非常大的支撐。

記者：地震立體觀測體系空間段的發(fā)展重點是發(fā)展專用的地震監(jiān)測衛(wèi)星系列，您作為中國地震衛(wèi)星計劃實施專家組負責人，經(jīng)過近十年的不懈努力，立體地震監(jiān)測網(wǎng)絡的第一個天基平臺——衛(wèi)星電磁觀測技術與電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星成功立項。請您介紹一下我國電磁衛(wèi)星工程進展情況。

申旭輝：電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星定位為在地震監(jiān)測預測和相關領域有重要應用前景的試驗衛(wèi)星。其主要目標是：獲取全球低頻電磁場和電離層等離子體及高能粒子觀測數(shù)據(jù)，研究與地震相關的電離層變化現(xiàn)象，總結地震電離層前兆特征，探索地震電離層耦合機理和地震預測方法，為空間科學、電波科學以及地球物理研究等提供數(shù)據(jù)信息服務。

電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星基于CAST小衛(wèi)星平臺，太陽同步圓軌道，軌道高度約500km。星上搭載高精度磁強計、感應式磁力儀、三分量電場儀、LANGMUIR探針、等離子體分析儀、GNSS掩星接收機、三頻信標發(fā)射機和高能粒子探測器共8種有效載荷，目前電磁衛(wèi)星工程進展順利。作為我國地球物理遙感衛(wèi)星的第一顆，電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星計劃2016年發(fā)射。衛(wèi)星在軌期間，可以提供全球地震觀測能力，能使地震資料積累提高二三十倍，建成我國立體觀測體系中第一個電磁立體觀測系統(tǒng)。同時可以利用該衛(wèi)星資料制作我國第一張自主的全球地磁圖；可以構建我國第一個自主的全球電離層模型，對通信、導航、空間天氣預警、地球物理勘探等戰(zhàn)略應用具有重要作用。

作為我國地球物理遙感衛(wèi)星的第一顆，電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星計劃2016年發(fā)射。衛(wèi)星在軌期間，可以提供全球地震觀測能力，能使地震資料積累提高二三十倍，建成我國立體觀測體系中第一個電磁立體觀測系統(tǒng)。

記者：國際上各國在地震電磁觀測技術領域的發(fā)展概況是怎樣的？

申旭輝：國際上遙感衛(wèi)星的發(fā)展與我國有點不同，蘇聯(lián)、美國、歐洲、加拿大等國家和地區(qū)都是先研制地球物理遙感衛(wèi)星，然后才發(fā)展成像遙感衛(wèi)星的。蘇聯(lián)1957年發(fā)射的全球第一顆衛(wèi)星就是一顆微重力衛(wèi)星，隨后發(fā)射了研究地球磁層和電離層的系列電磁類衛(wèi)星；美國和加拿大研制的第一顆衛(wèi)星也是電磁衛(wèi)星。1979年美國發(fā)射的MAGSAT地磁衛(wèi)星數(shù)據(jù)至今我國的地磁學家還在使用。阿根廷發(fā)射了SAC-C、SAC-B衛(wèi)星，歐洲航天局也發(fā)射了很多這類衛(wèi)星。這類衛(wèi)星發(fā)射目標起初并不是針對地震預報科學探索，只是出于對基本地球物理場的觀測目的。后來，蘇聯(lián)的科學家發(fā)現(xiàn)在地球電磁觀測中，有一些電磁擾動與地震密切相關。此后，多個國家相繼發(fā)射了專門用于地震預測的衛(wèi)星。2000年，俄羅斯發(fā)射首顆專門設計用于預報地震的衛(wèi)星“先驅者-E”衛(wèi)星，但由于火箭問題而失?。?003年，美國和烏克蘭分別發(fā)射了QuickSat-1和預警一號地震衛(wèi)星，其中QuickSat-1衛(wèi)星在軌一年多，獲取了一些有效數(shù)據(jù)； 2004年法國發(fā)射的DEMETER電磁衛(wèi)星成功在軌運行了6年半，為積累地震電離層數(shù)據(jù)，探索地震預測方法提供了巨大支持；2013年歐洲航天局發(fā)射了3顆Swarm衛(wèi)星星座，對地球磁場進行勘察。我國的電磁衛(wèi)星發(fā)射之后，可以與國外的衛(wèi)星合作，組成星座編隊飛行，提高時間分辨率，盡可能捕捉到地震短臨前兆。

記者：目前我國空間技術在防震減災中還存在哪些問題，您還有哪些建議。

申旭輝：從遙感衛(wèi)星發(fā)展來看，現(xiàn)在光學遙感衛(wèi)星分辨率越來越高；但從電磁衛(wèi)星用戶的角度出發(fā)，希望地球物理遙感衛(wèi)星能得到更多的重視，地球遙感物理還有很多未知的領域需要我們去不斷探索。

· 本刊記者|靳穎 贠敏