“高分四號”衛(wèi)星在地震行業(yè)中的應(yīng)用潛力分析

荊鳳徐岳仁張小詠申旭輝陳立澤

（1 中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036）

（2 中國地震應(yīng)急搜救中心，北京 100049）

（3 中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085）

“高分四號”衛(wèi)星在地震行業(yè)中的應(yīng)用潛力分析

荊鳳1徐岳仁1張小詠2申旭輝3陳立澤1

（1 中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036）

（2 中國地震應(yīng)急搜救中心，北京 100049）

（3 中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085）

遙感技術(shù)應(yīng)用于地震行業(yè)涉及的領(lǐng)域包括地震構(gòu)造調(diào)查、震害評估、地震熱異常監(jiān)測等。隨著中國空間技術(shù)的發(fā)展，國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)正逐漸替代國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在地震行業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮著越來越重要的作用。2015年12月29日，中國首顆靜止軌道高分辨率遙感衛(wèi)星——“高分四號”衛(wèi)星成功發(fā)射，為衛(wèi)星地震應(yīng)用提供了新的數(shù)據(jù)源。文章從地震熱異常監(jiān)測、區(qū)域地震構(gòu)造研究、極震區(qū)宏觀破壞識別三方面分析了“高分四號”衛(wèi)星在地震監(jiān)測預(yù)報、地震災(zāi)害預(yù)防和地震緊急救援，地震三大主體業(yè)務(wù)中的應(yīng)用潛力。還以2014年魯?shù)榈卣馂槔?，利用“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據(jù)對震后造成的大型滑坡進(jìn)行了識別，結(jié)果表明“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據(jù)能夠從空間上識別大型地震地質(zhì)災(zāi)害的空間分布位置，可為震后應(yīng)急救援指揮決策提供及時和有效的信息。

地震應(yīng)急救援 地震熱異常 地震構(gòu)造 “高分四號”衛(wèi)星

0 引言

遙感技術(shù)應(yīng)用于地震科學(xué)研究最早開始于20世紀(jì)70年代，主要是利用航空遙感數(shù)據(jù)和中低分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)并配合野外調(diào)查工作對地震活動構(gòu)造開展調(diào)查和研究工作。近十余年來，我國陸續(xù)開展了利用航拍影像和中高分辨率遙感數(shù)據(jù)開展震害判讀與快速評估和利用衛(wèi)星紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行地震熱紅外監(jiān)測的研究工作[1]。目前，遙感技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于我國防震減災(zāi)地震監(jiān)測預(yù)報、地震災(zāi)害防御和地震緊急救援三大工作體系中，并發(fā)揮著越來越重要的作用[2-7]。然而，過去所使用的遙感數(shù)據(jù)以國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主，特別是一些高分辨率遙感數(shù)據(jù)的獲取渠道還主要依賴于購買國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)，成本高且獲取周期長，這在一定程度上制約了相關(guān)業(yè)務(wù)工作的開展，地震行業(yè)對國內(nèi)高分辨率遙感數(shù)據(jù)的需求變得日益迫切。

“高分四號”衛(wèi)星是我國首顆高軌高分辨率光學(xué)成像遙感衛(wèi)星，搭載了國際首臺地球靜止軌道高分辨率光學(xué)遙感相機(jī)，相機(jī)配備了大規(guī)模面陣CMOS探測器和大規(guī)模面陣紅外探測器[8]，可實(shí)現(xiàn)大面陣區(qū)域成像。衛(wèi)星具有凝視、區(qū)域和機(jī)動巡查三種成像模式，能在幾分鐘之內(nèi)完成任務(wù)機(jī)動響應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)對不同行業(yè)用戶指定的區(qū)域進(jìn)行高頻重復(fù)觀測以及對固定區(qū)域的動態(tài)監(jiān)測。此外，還能夠?qū)崿F(xiàn)對中國及周邊7 000km×7 000km范圍進(jìn)行大區(qū)域成像，滿足不同行業(yè)用戶的業(yè)務(wù)需求。“高分四號”衛(wèi)星星下點(diǎn)可見光近紅外通道的像元分辨率為 50m，中紅外通道的像元分辨率能夠達(dá)到 400m，單幅成像幅寬超過400km，它是我國首個在軌設(shè)計設(shè)計壽命達(dá) 8年的遙感衛(wèi)星[9]。對地震行業(yè)用戶來說，應(yīng)充分挖掘“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據(jù)在地震行業(yè)中的應(yīng)用潛能，最大化發(fā)揮衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地震應(yīng)用潛力，進(jìn)一步推進(jìn)國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地震業(yè)務(wù)化應(yīng)用。

1 地震行業(yè)應(yīng)用潛力分析

1.1 地震熱異常監(jiān)測

自19世紀(jì)80年代前蘇聯(lián)科學(xué)家意外發(fā)現(xiàn)地震前存在熱異常以來[10]，各國學(xué)者開展了大量研究。當(dāng)前，地震熱異常現(xiàn)象已被認(rèn)為是一種有效的地震前兆信息，衛(wèi)星紅外遙感以其覆蓋范圍廣并能實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測而成為開展地震熱異常監(jiān)測的有效手段?！案叻炙奶枴毙l(wèi)星的高時間分辨率能夠滿足地震監(jiān)測的需求，而其百米級的空間分辨率也比目前地震部門廣泛使用的 NOAA/AVHRR、EOS/MODIS等紅外數(shù)據(jù)有了較大程度的提高。千米級空間分辨率的數(shù)據(jù)在開展大區(qū)域地震紅外異常監(jiān)測方面具有優(yōu)勢[11-12]，而幾十米空間分辨率的紅外數(shù)據(jù)在對構(gòu)造帶局部紅外輻射變化識別上則能發(fā)揮一定作用[13]。利用“高分四號”衛(wèi)星并配合目前已有的中低空間分辨率的紅外遙感數(shù)據(jù)，將能夠?qū)崿F(xiàn)在地震監(jiān)測中先圈定地震危險區(qū)，再對區(qū)內(nèi)局部重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行連續(xù)觀測，可為地震危險性判定提供參考。

地震紅外異常觀測，并不需要分鐘級連續(xù)的觀測，考慮到衛(wèi)星紅外異常出現(xiàn)的時空特點(diǎn)，主要需要衛(wèi)星對重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)域進(jìn)行區(qū)域模式的連續(xù)觀測。在觀測區(qū)域的選擇上，考慮到衛(wèi)星的壽命和工作性能以及其他行業(yè)部門的觀測需求，可選擇我國地震多發(fā)區(qū)川滇地區(qū)作為重點(diǎn)觀測地區(qū)。在觀測時間上，由于地震紅外異常觀測要盡量減少太陽輻射和人類活動等帶來的影響，需選用夜間成像數(shù)據(jù)，同時考慮衛(wèi)星相機(jī)的陽光規(guī)避問題，可選擇凌晨3~4點(diǎn)作為衛(wèi)星觀測時間。

考慮到目前地震行業(yè)開展地震監(jiān)測所用的衛(wèi)星紅外數(shù)據(jù)主要以遠(yuǎn)紅外和長波輻射數(shù)據(jù)為主，近年來地震預(yù)報部門進(jìn)行日常會商所使用的數(shù)據(jù)也主要以上述兩種數(shù)據(jù)為主，而對中紅外數(shù)據(jù)的應(yīng)用較少。因此，為了使“高分四號”衛(wèi)星中紅外數(shù)據(jù)早日進(jìn)入地震監(jiān)測業(yè)務(wù)，在獲得數(shù)據(jù)初期應(yīng)以輔助和配合其他衛(wèi)星遠(yuǎn)紅外、長波輻射數(shù)據(jù)使用為主，并逐漸在工作中總結(jié)中波紅外異常時空強(qiáng)變化與地震活動的關(guān)系。此外，根據(jù)目前行業(yè)開展地震紅外異常監(jiān)測的經(jīng)驗，異常信息的提取需要在對研究區(qū)域紅外背景場特征充分認(rèn)識的基礎(chǔ)上進(jìn)行[14]，而背景場的建立則需要長時間尺度數(shù)據(jù)計算獲得[15-16]?！案叻炙奶枴毙l(wèi)星數(shù)據(jù)目前積累時間短，難以獲得準(zhǔn)確的參考背景場信息，而其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)建立的背景場由于衛(wèi)星平臺、軌道高度、載荷性能等的差異并不能作為“高分四號”衛(wèi)星中紅外數(shù)據(jù)的背景數(shù)據(jù)使用。因此，衛(wèi)星運(yùn)行初期，主要以觀測區(qū)紅外變化趨勢分析和對其他衛(wèi)星觀測獲得的異常信息進(jìn)行輔助分析為主，隨著數(shù)據(jù)的積累逐步開展相關(guān)地震紅外監(jiān)測產(chǎn)品的生產(chǎn)。在未來的業(yè)務(wù)應(yīng)用中，還需結(jié)合其他衛(wèi)星觀測的遠(yuǎn)紅外和長波紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和綜合分析，最終獲得監(jiān)測結(jié)果。

1.2 區(qū)域地震構(gòu)造研究

地震構(gòu)造調(diào)查是地震部門開展震害防御工作的重要內(nèi)容，而區(qū)域構(gòu)造研究是地震構(gòu)造調(diào)查的重要工作之一。區(qū)域地震構(gòu)造研究需要定期獲取覆蓋全國及周邊地區(qū)的光學(xué)遙感圖像，從板塊和次一級塊體的角度分析構(gòu)造的活動模式及其動力學(xué)機(jī)制?，F(xiàn)有的極軌衛(wèi)星具備獲取全國范圍數(shù)據(jù)的能力，但獲取周期長，且受天氣等原因的影響，部分?jǐn)?shù)據(jù)無法使用。而且極軌衛(wèi)星成像幅寬小，獲取全國范圍的圖像有時需要幾百景數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，工作量大，且由于成像時間不同的原因，圖像間色調(diào)相差大?！案叻炙奶枴毙l(wèi)星利用其區(qū)域成像模式能夠在1~3天完成對我國國土的全境覆蓋，在區(qū)域構(gòu)造調(diào)查和分析中具有很好的應(yīng)用前景。

“高分四號”衛(wèi)星50m像元分辨率的光學(xué)遙感數(shù)據(jù)可作為活動構(gòu)造中小比例尺（1∶25萬、1∶50萬、1∶100萬）區(qū)域底圖，通過利用大范圍（板塊、亞板塊尺度）整體構(gòu)造活動性遙感綜合解譯方法和構(gòu)造地貌學(xué)研究方法對活動構(gòu)造控制的大型夷平面、沖洪積扇、河流階地、構(gòu)造盆地等面狀地貌單元進(jìn)行解譯，建立典型地震構(gòu)造線性和面狀目標(biāo)要素的特征數(shù)據(jù)庫。同時，針對典型地震構(gòu)造地貌單元，可利用多時相“高分四號”衛(wèi)星光學(xué)數(shù)據(jù)，分析斷裂帶兩側(cè)地貌單元的含水量變化及地表植被差異，開展隱伏構(gòu)造信息提取方法研究。這些可為開展大范圍構(gòu)造帶幾何學(xué)、運(yùn)動學(xué)遙感綜合研究奠定基礎(chǔ)。

1.3 極震區(qū)破壞宏觀識別

地震災(zāi)情信息及時準(zhǔn)確獲取是開展有效地震應(yīng)急救援，最大限度減輕地震災(zāi)害的重要保障[17]。地震后第一時間確定極重災(zāi)區(qū)位置和范圍是開展地震應(yīng)急指揮和救援的關(guān)鍵，也是各類信息獲取的關(guān)注點(diǎn)?！案叻炙奶枴毙l(wèi)星的凝視模式能夠?qū)崿F(xiàn)對某一區(qū)域連續(xù)快速成像，這一特點(diǎn)使得“高分四號”衛(wèi)星能在第一時間獲取地震災(zāi)區(qū)遙感影像序列。但是由于“高分四號”衛(wèi)星50m的像元分辨率不能刻畫出建筑物破壞信息，只能在宏觀上圈定極震區(qū)的大致范圍，在地震應(yīng)急工作中應(yīng)主要發(fā)揮其高時間分辨率的優(yōu)勢。

實(shí)際應(yīng)用中，首先需對震前和震后“高分四號”衛(wèi)星影像及其它高分參考影像進(jìn)行投影變換、波段匹配、自動配準(zhǔn)等一系列數(shù)據(jù)的一致性轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換中需根據(jù)“高分四號”衛(wèi)星寬覆蓋的特點(diǎn)對目前極軌衛(wèi)星常用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化方法進(jìn)行改進(jìn)。其次，基于利用其它高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，模擬類似“高分四號”衛(wèi)星像元分辨率開展的歷史大震極震區(qū)震害信息的灰度特征、紋理特征、光譜特征等的相關(guān)結(jié)果，并利用面向?qū)ο蟮挠跋穹指詈头诸惣夹g(shù)，對植被、水體等非居民地進(jìn)行背景提取和剔除，再結(jié)合居民點(diǎn)等矢量數(shù)據(jù)，采用變化檢測等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對居民地的提?。蛔詈?，通過與地震基本要素等空間輔助信息的結(jié)合，進(jìn)行基于“高分四號”衛(wèi)星影像的極災(zāi)區(qū)宏觀震害判識與確定，形成極重災(zāi)區(qū)快速定位與范圍提取，并對極災(zāi)區(qū)災(zāi)情進(jìn)行綜合分析與評估，形成極震區(qū)宏觀災(zāi)情分析報告，為震后第一時間應(yīng)急指揮和救援提供信息支持。

此外，大震后還可利用“高分四號”衛(wèi)星高時間分辨率的特點(diǎn)，對地震影響區(qū)域內(nèi)發(fā)生的大型崩塌、滑坡、泥石流和堰塞湖等地震次生災(zāi)害的發(fā)展動態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并開展相關(guān)的災(zāi)情評估工作。

2 應(yīng)用實(shí)例

2014年8月3日，我國云南魯?shù)榘l(fā)生Ms6.5級地震，地震造成多處地震地質(zhì)災(zāi)害，我們利用2016 年5月11日成像的“高分四號”衛(wèi)星影像對部分災(zāi)害信息進(jìn)行了識別，結(jié)果如圖1所示?？梢钥吹皆谡鸷蠼鼉赡甑臅r間，仍可以識別出沿牛欄江河谷的多處地震地質(zhì)災(zāi)害，尤其典型的是位于紅石巖村的巨型滑坡體?；麦w在影像上色調(diào)呈高亮白色，是牛欄江東西岸的對沖型崩塌滑坡體導(dǎo)致河谷堰塞（圖1中編號2）。該處堰塞體位于紅石巖水電站的水壩和電站機(jī)組中間，在震后造成巨型堰塞湖，堰塞湖水面沒過水壩壩頂，現(xiàn)在的壩址庫區(qū)未再蓄水。此外，位于壩址附近的另一處滑坡體在“高分四號”衛(wèi)星影像上也清晰可見（圖1中編號1）。位于龍頭山鎮(zhèn)附近的3~6處滑坡體，均規(guī)模巨大，需要指出的是圖中編號3、5、6處的滑坡體直接導(dǎo)致通往龍頭山鎮(zhèn)及紅石巖水庫的公路中斷，地震發(fā)生2年后仍能看到滑坡體的前緣與公路交匯處的高亮色調(diào)。牛欄江下游的崩塌體（圖1中編號7）也呈高亮的線條。

圖1 “高分四號”衛(wèi)星影像對2014年8月3日魯?shù)镸s6.5級地震震后大型滑坡體的顯示Fig.1 The large landslide of Ludian Ms6.5 earthquake on August 3, 2014 based on GF-4 image

此外，通過分析魯?shù)榈卣鹬衅茐淖顕?yán)重的龍頭山鎮(zhèn)在“高分四號”影像上的表現(xiàn)特征，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域在影像上呈高亮色調(diào)，這主要是由于龍頭山鎮(zhèn)位于牛欄江右岸支流的深切峽谷中，受地震損毀嚴(yán)重，開展的震后房屋重建及河床、河谷修復(fù)等工程施工改變了原有地物類型，造成了該區(qū)域與周邊地物在影像上的明顯差異。盡管龍頭山鎮(zhèn)的色調(diào)異常疊加了震后重建因素，但是可以推斷，通過對比震后第一時間獲取的“高分四號”影像與震前影像，可以快速識別重災(zāi)區(qū)城鎮(zhèn)居民點(diǎn)的破壞情況。

從“高分四號”衛(wèi)星影像對發(fā)生在川滇高山峽谷區(qū)的中強(qiáng)地震震區(qū)的顯示來看，利用成像品質(zhì)良好的“高分四號”衛(wèi)星震后影像，可以從空間上識別大型地震地質(zhì)災(zāi)害的空間分布位置，結(jié)合生命線工程（大型水電站、干線公路）與災(zāi)害在空間上的分布關(guān)系，能夠為震后的應(yīng)急指揮決策提供及時有效的信息。

3 結(jié)束語

“高分四號”衛(wèi)星是我國首顆高軌高分辨率光學(xué)成像遙感衛(wèi)星，它在地震行業(yè)的三大主體業(yè)務(wù)中均能夠發(fā)揮重要作用，特別是其高時間分辨率的特點(diǎn)使大震后第一時間獲取極災(zāi)區(qū)范圍成為可能，這對受災(zāi)情況和救援路線的判定具有重要意義。由于“高分四號”衛(wèi)星目前剛結(jié)束在軌測試工作，本文僅對未來其在地震行業(yè)應(yīng)用的潛力進(jìn)行了初步探討，相信隨著“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據(jù)的不斷積累，其在地震行業(yè)應(yīng)用中將能夠發(fā)揮更大的作用。

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Potential Application in Earthquake Research Using Data from GF-4 Satellite

JING Feng1XU Yueren1ZHANG Xiaoyong2SHEN Xuhui3CHEN Lize1

（1 Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China）
（2 National Earthquake Response Support Service，Beijing 100049, China）
（3 Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China）

Earthquake studies using remote sensing technology have developed for scores of years, and the research involves seismotectonic investigation, seismic damage assessment, seismic thermal anomalies monitoring, and so on. With the development of China’s space technology, domestic satellite data gradually replace foreign satellite data and are playing an increasingly important role in earthquake research. The first China's geostationary orbit high resolution remote sensing satellite (GF-4) was successfully launched on December 29, 2015, which provides new data source for earthquake research. In this paper, we analyze potential application by using data from GF-4 satellite, including seismic thermal anomies monitoring, regional seismic tectonic research and macroscopic damage identification in meizoseismal area, related to the three main business of the earthquake department. Then with taking 2014 LuDian earthquake as an example, the seismic large landslide identification capability is analyzed based on GF-4 satellite data. It shows that GF-4 satellite data has the capability of identifying the spatial distribution of large seismic geological disasters, which canprovide timely and effective information for emergency rescue command decision post-earthquake.

earthquake emergency rescue; earthquake thermal anomalies; seismic structure; GF-4 satellite

P315.7

: A

: 1009-8518(2016)04-0110-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.015

荊鳳，女，1979年生，2010年獲中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專業(yè)博士學(xué)位，副研究員。研究方向為遙感地震應(yīng)用研究。E-mail: jennyfer1111@163.com。

（編輯：陳艷霞）

2016-06-12

高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項（31-Y30B09-9001-13/15）