國外衛(wèi)星熱點(diǎn)專題應(yīng)用進(jìn)展

● 文|中國空間技術(shù)研究院 金巖 高峰 張瀟 巫曉莉

國外衛(wèi)星熱點(diǎn)專題應(yīng)用進(jìn)展

● 文|中國空間技術(shù)研究院 金巖 高峰 張瀟 巫曉莉

全球氣候變暖等問題以及近年來火災(zāi)、地震、火山爆發(fā)等重特大自然災(zāi)害和衍生災(zāi)害所帶來的影響和危害已成為全球熱點(diǎn)話題，各國政府及相關(guān)科研機(jī)構(gòu)一直致力于有效預(yù)防此類災(zāi)害的發(fā)生，以及災(zāi)害發(fā)生前采取何種規(guī)避措施和在災(zāi)害發(fā)生后能夠第一時間了解災(zāi)區(qū)情況從而制定有效的救助措施等問題的研究。由于衛(wèi)星本身所特有的“天生優(yōu)勢”能力（“站得高”，“看得遠(yuǎn)”）以及其技術(shù)水平在近些年來的不斷提高，其在災(zāi)害類事件發(fā)生時發(fā)揮越來越重要的作用。目前，國外具有代表性的衛(wèi)星熱點(diǎn)專題應(yīng)用主要集中在重（特）大惡劣極端氣象監(jiān)測，特大火災(zāi)災(zāi)害監(jiān)測，地震災(zāi)害監(jiān)測，火山情況監(jiān)測等方面。

一、惡劣氣象監(jiān)測及相關(guān)問題研究

（1）惡劣氣象監(jiān)測

隨著全球變暖以及人類破壞等因素的影響，近些年來，各類席卷海洋和陸地的颶風(fēng)災(zāi)害爆發(fā)的次數(shù)越來越多，已成為惡劣氣象的重要類型，而其產(chǎn)生的破壞力和造成的損失也越來越大。據(jù)統(tǒng)計，僅2011年4月25日至4月28日，美國就遭受了超過180次颶風(fēng)襲擊。其中4月27日襲擊南部多州的強(qiáng)風(fēng)暴天氣，造成至少339人遇難、700人受傷，成為近30年來最具破壞力的颶風(fēng)之一。5月22日，又一場破壞性極強(qiáng)的颶風(fēng)橫掃美國中西部，其中密蘇里州喬普林市正面受襲，受災(zāi)最為嚴(yán)重，造成至少151人喪生、1500人失蹤，數(shù)千幢房屋被夷為平地。

為應(yīng)對和解決颶風(fēng)災(zāi)害問題，美國非常重視各類遙感衛(wèi)星的應(yīng)用，并建成了颶風(fēng)相關(guān)的災(zāi)害預(yù)警、監(jiān)測、研究體系，獲得了一些有價值的研究成果。美國早在1898年就成立了專門的政府級颶風(fēng)研究和預(yù)測機(jī)構(gòu)——國家颶風(fēng)中心（NHC），專門負(fù)責(zé)追蹤和預(yù)測熱帶氣旋的路徑和特性，以應(yīng)對災(zāi)害的發(fā)生。近些年來，該中心與相關(guān)研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)緊密合作，開展了一系列利用遙感衛(wèi)星探究颶風(fēng)運(yùn)行機(jī)理和預(yù)測等方面的研究工作。

美國NHC隸屬于國家氣象局（NWS），而國家氣象局是國家海洋與大氣管理局（NOAA）的6大下屬機(jī)構(gòu)之一，“極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星”（POES）系統(tǒng)和“地球靜止業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星”（GOES）系統(tǒng)的日常運(yùn)行和管理均由NOAA負(fù)責(zé)。除了NHC以外，NOAA還設(shè)有國家強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室（NSSL）和風(fēng)暴預(yù)測中心（SPC），這些機(jī)構(gòu)主要依靠NOAA及其他機(jī)構(gòu)提供的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)24小時實(shí)時天氣監(jiān)測與分析，研究惡劣天氣的成因，并對颶風(fēng)、暴風(fēng)雪以及其他極端氣候進(jìn)行預(yù)警。

美國國家航空航天局（NASA）擁有全美最先進(jìn)的航空航天技術(shù)力量，其對颶風(fēng)災(zāi)害預(yù)測和研究也發(fā)揮了巨大作用。2011年4月29日，其公布了“水”（Aqua）衛(wèi)星搭載的中等分辨率成像光譜儀（MODIS）于4月28日獲取的阿拉巴馬州塔斯卡盧薩市圖像，從中可以看到三條颶風(fēng)襲擊該市及其周邊時的行進(jìn)軌跡。其中一條軌跡表示出該地區(qū)的綠色植被被連根拔起；一條軌跡可以看到其始于塔斯卡盧薩市西南部，穿過灰色的城市，朝著伯明翰市東北部延伸；另外一條颶風(fēng)軌跡與中間的軌跡平行。隨后，NASA又陸續(xù)公布了“陸地衛(wèi)星”（Landsat）拍攝的佐治亞州格里芬鎮(zhèn)附近的災(zāi)區(qū)圖片，以及“土”（Terra）衛(wèi)星搭載的“先進(jìn)星載熱輻射和反射輻射儀”（ASTER）獲取的阿拉巴馬州災(zāi)區(qū)圖像（圖1）。

>>>圖1 通過“ASTER”獲取的阿拉巴馬州災(zāi)區(qū)圖像

地球眼（GeoEye）公司也公布了由“伊克諾斯”（IKONOS）衛(wèi)星于4月28日11∶35拍攝的阿拉巴馬州塔斯卡盧薩市遭颶風(fēng)襲擊后的高分辨率衛(wèi)星圖像。與IKONOS衛(wèi)星于2006年4月4日拍攝的該市同一地區(qū)的圖片對比可以看到，颶風(fēng)所到之處的植被、道路和房屋嚴(yán)重受損，留下滿地碎屑。

5月22日17∶30，喬普林颶風(fēng)再次來襲。NASA戈達(dá)德空間飛行中心的丹尼斯·切斯特斯（Dennis Chesters）利用地球同步軌道氣象環(huán)境衛(wèi)星GOES-13采集的颶風(fēng)到來之前、之中、之后的連續(xù)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行影像模擬，顯示出了喬普林颶風(fēng)的風(fēng)暴行進(jìn)過程，使觀看者可以看到雷暴的運(yùn)行軌跡以及由其生成的颶風(fēng)。颶風(fēng)抵達(dá)喬普林市時寬約0.8km，消失前擴(kuò)展到寬約1.2km，長約10km。

（2）惡劣氣象相關(guān)問題研究

為解決颶風(fēng)的預(yù)報問題，美國相關(guān)研究機(jī)構(gòu)開展了多項(xiàng)研究工作，利用衛(wèi)星遙感的技術(shù)力量，在熱帶風(fēng)暴和颶風(fēng)路徑預(yù)測方面取得很大進(jìn)展，目前正致力于突破風(fēng)暴強(qiáng)度預(yù)測的難題。比如，此次喬普林颶風(fēng)到達(dá)之前，盡管當(dāng)?shù)貧庀蟛块T已經(jīng)根據(jù)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)信息提前做了路徑預(yù)報，但颶風(fēng)的兇猛程度和迅速移動卻讓人們始料不及，因此造成了重大損失。

為解決這類問題，美國伊利諾伊大學(xué)近期利用搭載微波輻射計的在軌衛(wèi)星，開展了監(jiān)測熱帶風(fēng)暴結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化并預(yù)測其強(qiáng)度突變的系統(tǒng)研究。研究人員對1987—2008年的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了梳理，分析了風(fēng)暴快速強(qiáng)化之前24小時內(nèi)的變化情況，并通過一種大型圖像方法清晰地揭示出了風(fēng)暴的動力模式。研究發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)暴強(qiáng)化過程開始前的6小時左右，低切變風(fēng)暴系統(tǒng)都會圍繞風(fēng)暴中心形成一個對稱的雷暴環(huán)，這個雷暴環(huán)可以通過遙感衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)風(fēng)暴系統(tǒng)強(qiáng)化成為颶風(fēng)時，雷暴也會加強(qiáng)，此時的雷暴環(huán)也將更加清晰。

另一方面，該項(xiàng)研究也分析了不太常見的高切變風(fēng)暴系統(tǒng)。根據(jù)遙感衛(wèi)星微波輻射計所繪出的圖像，這種風(fēng)暴在加強(qiáng)時表現(xiàn)出的是一種不同的結(jié)構(gòu)：它們在風(fēng)暴系統(tǒng)中心會形成一個大型、靶心狀雷暴區(qū)，而不是雷暴環(huán)。研究人員表示：“當(dāng)風(fēng)暴呈現(xiàn)出這種對流環(huán)特征時，就極有可能正在經(jīng)歷快速強(qiáng)化過程，因此可以據(jù)此進(jìn)行颶風(fēng)強(qiáng)度預(yù)警。”

目前，該研究中應(yīng)用的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)更新周期為3～6小時，氣象學(xué)家可以利用它們跟蹤熱帶風(fēng)暴并監(jiān)測具有指示作用的雷暴環(huán)或雷暴區(qū)，從而在風(fēng)暴達(dá)到其最大強(qiáng)度前提供30小時的預(yù)報時間窗口。這種新方法使美國首次能夠以實(shí)時的方式進(jìn)行颶風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報，而不再僅僅是依靠模型猜測或統(tǒng)計預(yù)測。此外，研究人員還希望能夠通過對風(fēng)暴系統(tǒng)強(qiáng)化過程時內(nèi)部動力建模進(jìn)一步增強(qiáng)預(yù)測風(fēng)暴強(qiáng)度的能力，進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)變化的原因，并發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化過程的驅(qū)動因素，這些研究將進(jìn)一步提升強(qiáng)風(fēng)暴及颶風(fēng)的預(yù)警能力。

二、火災(zāi)監(jiān)測

（1）對火災(zāi)本體情況監(jiān)測

近年來，各類自然環(huán)境和城市環(huán)境中的火災(zāi)已成為人類的一大危害，據(jù)報道，2011年6—8月，美國各地多次發(fā)生火災(zāi)，尤其是對極其干旱的美國南部，所造成的損失更加巨大。2011年6月，亞利桑那州發(fā)生了美國有史以來最大的火災(zāi)，應(yīng)急管理和消防員利用陸地衛(wèi)星-5提供的不同指示色的火災(zāi)圖像，快速識別了各類物體，從而快速有效地開展疏散和營救行動，并幫助有關(guān)部門制定控制火勢的策略。

美國采用多臺天基遙感設(shè)備對境內(nèi)林火、野火進(jìn)行監(jiān)視。目前，用于監(jiān)視火災(zāi)的天基遙感設(shè)備主要包括：國家地質(zhì)調(diào)查局與NASA聯(lián)合管理的陸地衛(wèi)星攜帶的遙感器，NASA的“土”（Terra）和“水”（Aqua）兩顆衛(wèi)星攜帶的中分辨率成像光譜儀（MODIS），NOAA的POES衛(wèi)星攜帶的先進(jìn)高分辨率輻射計（AVHRR），以及GOES衛(wèi)星攜帶的成像儀和探測器。2011年10月，美國NASA和NOAA的聯(lián)合項(xiàng)目Suomi NPP衛(wèi)星發(fā)射升空，其攜帶的可見光與紅外成像輻射測量儀（VIIRS）和交叉軌跡紅外大氣探測器（CrIS）進(jìn)一步提高了美國精確定位火災(zāi)位置的能力。

在這些衛(wèi)星有效載荷中， MODIS是“圖譜合一”的遙感器，在波長0.4μm（可見光）到14.4μm范圍采用36個光譜波段，最高空間分辨率為250m，掃描幅寬達(dá)2330km，可用于確定火災(zāi)位置、火災(zāi)等級以及暗火，跟蹤火災(zāi)產(chǎn)生的煙塵，監(jiān)視火情的發(fā)展；AVHRR是5光譜通道掃描輻射儀，地面分辨率1100m，可用于大尺度調(diào)查或中小尺度區(qū)域調(diào)查，可以用來確定火災(zāi)位置和辨別火災(zāi)范圍；GOES的多通道掃描成像儀的分辨率為4～8km，可以提供可見光和紅外圖像，其攜帶的另一個有效載荷——垂直探測器是一種多通道輻射計，可以探測地表溫度，兩種設(shè)備均可用于提供關(guān)于火災(zāi)和煙塵的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，從而滿足對火情監(jiān)視的需要。Suomi NPP衛(wèi)星的發(fā)射，使美國可利用VIIRS提供的數(shù)據(jù)對火災(zāi)位置進(jìn)行精確定位，VIIRS擴(kuò)展了MODIS和AVHRR的能力，大大增加了掃描幅寬，空間分辨率為750m，并且可保證幅寬之間沒有縫隙，可提供連續(xù)的高分辨率圖像，使美國進(jìn)一步增強(qiáng)監(jiān)視火災(zāi)的能力。

（2）火災(zāi)所引發(fā)煙塵污染情況監(jiān)測

在火災(zāi)遙感信息的接收和分發(fā)方面，NOAA下屬的國家環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心負(fù)責(zé)對衛(wèi)星圖像進(jìn)行處理和分析，確認(rèn)探測到的火災(zāi)位置和過火面積；對于監(jiān)測到火災(zāi)煙塵，還利用計算機(jī)模型預(yù)測煙塵傳播速度和范圍，判斷對國家乃至全球的影響，隨后在NOAA網(wǎng)站上公布關(guān)于火災(zāi)及煙塵的信息。各級政府和消防部門將利用這些信息采取應(yīng)急措施。

2012年5月，俄羅斯西伯利亞發(fā)生大面積森林火災(zāi)，約68.3km2的森林著火。據(jù)NASA官網(wǎng)2012年6月11日報道，西伯利亞火災(zāi)引發(fā)的煙塵跨越太平洋，進(jìn)入美國和加拿大。Suomi NPP衛(wèi)星獲得的圖像數(shù)據(jù)顯示，在全球風(fēng)場的推動下，火災(zāi)引發(fā)的氣溶膠用了6天時間到達(dá)美國海岸。在此次監(jiān)測事件中，主要利用了Suomi NPP衛(wèi)星上搭載的臭氧成圖廓線儀（OMPS），對火災(zāi)煙塵與空氣混合生成的二次氣溶膠進(jìn)行監(jiān)測。OMPS由NOAA和美國國防部共同資助，其相關(guān)數(shù)據(jù)可以通過美國國家對地觀測網(wǎng)站（http∶//neo.sci.gsfc.nasa.gov）獲得。

在美國NASA戈達(dá)德空間飛行中心的科學(xué)系統(tǒng)和應(yīng)用有限公司（位于馬里蘭州格林貝爾特市），大氣物理學(xué)家克林塞弗特（Colin Seftor）使用OMPS的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)生成的圖像對氣溶膠進(jìn)行了研究。研究顯示，地球上某一地區(qū)發(fā)生的事件很容易影響到數(shù)千英里之外的另一個地區(qū)，全球風(fēng)場不僅能將煙塵傳播很遠(yuǎn)的距離，也會攜帶污染物甚至病毒的孢子。在這次火災(zāi)發(fā)生時，火焰的高熱量引起對流，將煙塵至少拋起至12km的高度，Seftor將該過程的監(jiān)測圖像進(jìn)行了偽色彩化處理，利用不同的色彩表示煙塵濃度，使得數(shù)據(jù)結(jié)果更直觀，見圖2。在圖像中，藍(lán)色和綠色表示煙霧較少，黃色和粉色表示煙霧較多。數(shù)據(jù)顯示，煙霧最厚的區(qū)域出現(xiàn)在蒙古，隨后，高濃度的煙霧穿越太平洋，并進(jìn)入美國阿拉斯加地區(qū)。

>>>圖2 西伯利亞火災(zāi)引發(fā)的煙塵跨越太平洋進(jìn)入美國和加拿大

三、地震監(jiān)測

目前，通過利用合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星和光學(xué)衛(wèi)星收集的圖像、全球定位系統(tǒng)（GPS）數(shù)據(jù)和地震數(shù)據(jù)，可以研究地震中斷層的類型和斷裂過程，進(jìn)而建立一個非常逼真的地震模型，研究地震產(chǎn)生的地面震動，并仿真地震發(fā)生時的幾何斷裂和時間演化過程。

以往的研究認(rèn)為，如同傷口愈合后遺留在皮膚表面的傷疤，人類可以通過地震形成的地表破裂情況來推斷地震斷層線，在斷層滑動作用下形成的地表交叉破裂紋路通常都要比地表以下的斷層結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。但基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的上述研究成果卻顛覆了這一論斷。在對2010年4月4日發(fā)生在墨西哥EI Mayor-Cucapah地震的一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，雖然該地震形成的相關(guān)斷層地表紋路是筆直的，但地表以下的斷層區(qū)域卻是彎曲的，且隨深度不同而錯綜復(fù)雜。

研究人員稱，這次地震斷層的演變和延伸不完全符合以往的表面地質(zhì)學(xué)預(yù)計理論，并且說明地表以下的地層斷裂可能要強(qiáng)于地表上的破裂。據(jù)加州理工學(xué)院主任稱，該數(shù)據(jù)可以用來說明邊界板塊分割太平洋板塊和北美板塊，并連接加利福尼亞海灣和南加州埃爾西諾（Elsinore）板塊的形成過程。

此外，美國NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的地球物理學(xué)家埃里克·菲爾丁還在研究中利用高分辨率雷達(dá)衛(wèi)星圖像發(fā)現(xiàn)，在科羅拉多河三角洲下游的地方有一個地圖上未標(biāo)明的斷層，該斷層在經(jīng)歷了上一次地震之后，已經(jīng)被河道沉積物覆蓋。同時，2010年4月4日的地震令該斷層上升了5m。

另據(jù)Science Daily網(wǎng)站2012年2月13日報道，地質(zhì)學(xué)家擁有了一個新的研究工具來研究地震怎樣改變自然環(huán)境，并且讓人類可以了解地震斷層的變化過程。該信息主要來自《科學(xué)》雜志2012年2月10的一篇文章，文章稱一個來自美國、墨西哥和中國的科學(xué)家研究小組，根據(jù)墨西哥2010年4月7.2級地震的數(shù)據(jù)，對地震帶前后的圖片進(jìn)行了全面研究。研究小組成員包括埃里克·菲爾丁。

通過對比地震前后的調(diào)查結(jié)果，研究組成員能夠精確了解地面移動的位置和距離。新的激光雷達(dá)調(diào)查結(jié)果顯示，此次地震主要是由主斷層周圍的7個小斷層匯聚變形引起的，并且激光測量可增進(jìn)對多斷層地震發(fā)生原因的認(rèn)知。

四、火山監(jiān)測

據(jù)德國航空航天中心（DLR）網(wǎng)站2012年12月23日報道，英國科學(xué)家利用德國“X頻段陸地合成孔徑雷達(dá)”（TerraSAR-X）衛(wèi)星所獲取的遙感圖像證實(shí)，圣托里尼（Santorini）火山爆發(fā)產(chǎn)生的熔巖正在火山底部淤積，這導(dǎo)致整個圣托里尼群島在上升的同時，面積也在不斷擴(kuò)大。基于TerraSAR-X衛(wèi)星圖像，結(jié)合GPS測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，卡美尼（Kameni）群島的許多地方已上升了8～14cm。自2011年初圣托里尼火山再次活躍以來，由于熔巖不斷涌出導(dǎo)致圣托里尼火山口寬度整體上增加了14cm。

圖3是TerraSAR-X衛(wèi)星拍攝的圣托里尼群島雷達(dá)圖像。在處理雷達(dá)數(shù)據(jù)時，紅色和黃色陰影表示地面上升最高的地區(qū)。錫拉（Thira）島的主島未受變形的影響，因此用藍(lán)色表示。

>>>圖3 TerraSAR-X衛(wèi)星拍攝的圣托里尼群島雷達(dá)圖像

TerraSAR-X衛(wèi)星是TerraSAR計劃的一部分，于2007年6月15日發(fā)射，是德國第一顆采用公私伙伴關(guān)系（PPP）的方式建造的衛(wèi)星。TerraSAR-X衛(wèi)星主要有效載荷是一部有源相控陣合成孔徑雷達(dá)，具有高分辨率、多極化、多模式成像能力，最高分辨率優(yōu)于1m，其數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和林業(yè)管理、地質(zhì)調(diào)查、海洋監(jiān)測和制圖等領(lǐng)域，且在軍事偵察領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。

衛(wèi)星專題應(yīng)用在有效預(yù)防重特大自然災(zāi)害的發(fā)生，以及災(zāi)害發(fā)生前采取何種規(guī)避措施和在災(zāi)害發(fā)生后能夠第一時間了解災(zāi)區(qū)情況從而制定有效的救助措施等方面發(fā)揮了越來越重要的作用。一方面為傳統(tǒng)的減災(zāi)工作提供了更加科學(xué)有效的技術(shù)支持和能力保障，同時，也對傳統(tǒng)的減災(zāi)工作當(dāng)中存在的錯誤概念進(jìn)行了糾正，避免繼續(xù)按照錯誤的理解開展工作。這些對于“時間就是生命”的抗災(zāi)工作都是至關(guān)重要的。