航空遙感災(zāi)害應(yīng)急區(qū)域協(xié)同優(yōu)化研究

陳 凱， 房成法， 李 儒

(中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所航空遙感中心，北京 100094)

0 引言

在我國自然災(zāi)害頻發(fā)，全國70%以上的城市和50%以上的人口都分布在氣象、地震、地質(zhì)和海洋等自然災(zāi)害嚴重的地區(qū)[1]。災(zāi)害發(fā)生后最急迫的是災(zāi)區(qū)救援，應(yīng)用航空遙感技術(shù)可以大范圍、高精度、快速獲取災(zāi)區(qū)地面影像，對災(zāi)情評估、制定救災(zāi)方案等工作提供重要依據(jù)，因此航空遙感技術(shù)歷來是災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測的首選[2-4]。航空遙感應(yīng)急是指當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時，航空平臺攜帶遙感設(shè)備在最短的時間內(nèi)抵達災(zāi)區(qū)空域，快速獲取和處理災(zāi)區(qū)地理影像數(shù)據(jù)的過程[5-6]。近年來，雖然無人機也得到了飛速發(fā)展，但由于其載荷較小、續(xù)航時間有限，還無法滿足重大災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測的需要，本文重點針對有人駕駛的航空平臺進行研究。

20世紀60年代，美國已將航空遙感廣泛應(yīng)用于災(zāi)害監(jiān)測方面，并逐漸建立了國家、州政府和企業(yè)3個層級的航空遙感應(yīng)急體系； 隨后，歐洲也建立了以歐盟為主導(dǎo)和成員國參與的航空遙感體系，在災(zāi)害應(yīng)急和地質(zhì)調(diào)查方面共享協(xié)作； 作為發(fā)展中國家，巴西也很重視航空遙感在環(huán)境和災(zāi)害方面的應(yīng)用，建立了著名的“保衛(wèi)亞馬遜”計劃[7-8]。我國航空遙感事業(yè)起步于20世紀50年代，在國土測繪、資源調(diào)查和災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測等方面應(yīng)用廣泛。2008年汶川地震，曾先后有多個部門10余架遙感飛機參與災(zāi)情遙感監(jiān)測[9]； 2010年青海玉樹7.1級地震，某部門遙感飛機當(dāng)日下午便飛達震區(qū)，成功獲取0.33 m高空間分辨率圖像6 T數(shù)據(jù)量[10]； 目前，國家級工程“航空遙感系統(tǒng)”正在建設(shè)之中。

但是，當(dāng)前我國航空遙感在災(zāi)害應(yīng)急組織方面仍存在2方面的突出問題： ①效率低，涉及飛機載荷耦合和空域?qū)徟戎T多環(huán)節(jié)，導(dǎo)致應(yīng)急反應(yīng)時間滯后，有時救援工作已經(jīng)展開，卻沒有災(zāi)區(qū)實時航空遙感影像為救災(zāi)提供支持； ②組織混亂，在救災(zāi)期間，災(zāi)區(qū)空域聚集大量的遙感飛機(包括不滿足遙感應(yīng)急需求的飛行平臺)，使有限的空域異常繁忙，既浪費資源，又容易造成航空安全事故[11-14]。如何保障在組織有序的應(yīng)急模式下，充分利用有限的航空遙感資源，減少應(yīng)急反應(yīng)時間，提高應(yīng)急效率才是科學(xué)的航空遙感應(yīng)急組織機制。

1 航空遙感區(qū)域協(xié)同應(yīng)急模式

1.1 定義

結(jié)合我國航空遙感發(fā)展現(xiàn)狀，本文提出航空遙感區(qū)域協(xié)同應(yīng)急組織模式。該模式是空域管理部門通過對災(zāi)害所在區(qū)域及鄰近區(qū)域正在實施航空遙感作業(yè)的飛機或者航空遙感資源進行擇優(yōu)，選擇最為適合的遙感飛機承擔(dān)應(yīng)急監(jiān)測飛行任務(wù)。

該模式的優(yōu)勢為： ①空域管理部門作為航空遙感應(yīng)急飛行的組織者，不僅可以減少審批環(huán)節(jié)，還能夠協(xié)調(diào)諸多飛行保障單元； ②應(yīng)急響應(yīng)時間短，在災(zāi)區(qū)及附近空域的遙感飛機可用最短時間到達災(zāi)區(qū)； ③航空平臺、遙感設(shè)備、機組與技術(shù)人員相當(dāng)于待命狀態(tài)，不存在機載調(diào)試和耦合等問題。

1.2 可行性分析

區(qū)域協(xié)同應(yīng)急模式的可行性從3個方面分析：

1)資源條件。近年來，開展航空遙感飛行的機構(gòu)(測繪部門、公司和科研院所等)數(shù)量增長迅速并且遍及全國； 并且據(jù)不完全統(tǒng)計，全國各省市幾乎每年都有不同種類的遙感測繪需求，也就是說在任意時段某地或與其相鄰地區(qū)的空域都可能有航空遙感作業(yè)在開展。

2)組織條件。2018年國務(wù)院成立國家應(yīng)急管理部，從國家層面整合優(yōu)化全國應(yīng)急力量和資源。應(yīng)急管理部負責(zé)組織災(zāi)害救助體系建設(shè)，指導(dǎo)安全生產(chǎn)類、自然災(zāi)害類應(yīng)急救援，承擔(dān)國家應(yīng)對特別重大災(zāi)害指揮部工作； 我國空域由空域管理部門負責(zé)統(tǒng)一指揮管理，各區(qū)域空域管理部門完全掌握轄區(qū)內(nèi)遙感飛機的飛行與分布情況。因此，在區(qū)域協(xié)同應(yīng)急模式中，國家應(yīng)急管理部作為頂層組織者負責(zé)組織災(zāi)害應(yīng)急隊伍； 空域管理部門負責(zé)組織航空遙感應(yīng)急監(jiān)測飛行。兩者的權(quán)責(zé)分工是區(qū)域協(xié)同應(yīng)急模式能夠開展實施的關(guān)鍵。

3)參與條件。自汶川地震發(fā)生之后，考慮對國家災(zāi)害救援工作的支持，增加行業(yè)的影響度，近年全國各類別航空遙感機構(gòu)主動參與災(zāi)害應(yīng)急工作，參與者的數(shù)量之多與積極性都達到空前水平。但是各機構(gòu)的特長、能力、經(jīng)驗各不相同，一旦有應(yīng)急災(zāi)情時，具備參與救災(zāi)的調(diào)度條件及優(yōu)化可能性也有差別。所以參與條件是救災(zāi)指揮部門有效、快速組織精干救災(zāi)隊伍需要嚴格把控的重要依據(jù)。

1.3 實施流程

區(qū)域協(xié)同應(yīng)急模式的組織框架擁有3個層級： 第1層級為應(yīng)急啟動者，即國家應(yīng)急管理部，負責(zé)統(tǒng)籌應(yīng)急指揮的全面工作，既可調(diào)動多方資源，又負責(zé)統(tǒng)一發(fā)布信息； 第2層級為遙感應(yīng)急組織者，即空域及應(yīng)急隊伍管理部門，負責(zé)協(xié)調(diào)、優(yōu)化配置災(zāi)區(qū)附近航空遙感應(yīng)急資源，組織遙感數(shù)據(jù)處理和遙感影像成果上報工作； 第3層級為遙感應(yīng)急實施者，泛指遙感飛機，負責(zé)執(zhí)行航空遙感應(yīng)急飛行任務(wù)。航空遙感區(qū)域協(xié)同應(yīng)急實施流程如圖1所示。

圖1 區(qū)域協(xié)同模式組織實施流程Fig.1 Flowchart of regional collaboration mode implementation

具體步驟如下：

1)重大災(zāi)害發(fā)生時，國家應(yīng)急管理部迅速啟動航空遙感應(yīng)急監(jiān)測工作，發(fā)送任務(wù)指令。該部門在災(zāi)害發(fā)生時應(yīng)賦有空域統(tǒng)籌指揮的權(quán)利或可直接對接最高級別空域管理部門，并組建應(yīng)急管理隊伍。

2)災(zāi)區(qū)所在區(qū)域空域管理部門和應(yīng)急隊伍接到上級應(yīng)急指令，迅速開展航空遙感應(yīng)急組織工作，前者通過擇優(yōu)選擇本區(qū)域最適合的遙感飛機執(zhí)行應(yīng)急飛行任務(wù)，如果本轄區(qū)空域內(nèi)沒有符合條件的飛機，立即通知災(zāi)區(qū)相鄰區(qū)域空域管理部門，判斷是否有符合應(yīng)急需求的遙感飛機。為保證應(yīng)急飛行順利開展，應(yīng)選取1～2架遙感飛機為應(yīng)急備選飛機； 后者負責(zé)組織監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、傳輸以及應(yīng)急機場等地面工作。

3)被選中的遙感飛機機組根據(jù)災(zāi)情信息充分考慮災(zāi)區(qū)空域和氣候條件等因素制定涵蓋最大災(zāi)區(qū)范圍的飛行計劃，并立即執(zhí)行應(yīng)急任務(wù)。

4)技術(shù)團隊根據(jù)預(yù)案快速處理應(yīng)急遙感數(shù)據(jù)，將經(jīng)科學(xué)判斷分析的災(zāi)區(qū)影像成果及時上報國家應(yīng)急管理部。

2 區(qū)域協(xié)同應(yīng)急擇優(yōu)模型

對遙感飛機的擇優(yōu)過程決定了區(qū)域協(xié)同應(yīng)急模式的實施效率，建立擇優(yōu)模型時應(yīng)充分考慮影響航空遙感應(yīng)急效率的諸多重要因素，如應(yīng)急響應(yīng)時間、飛機性能、作業(yè)面積、遙感設(shè)備和數(shù)據(jù)處理能力等方面，采用層次分析法建立區(qū)域協(xié)同應(yīng)急擇優(yōu)模型。該模型的層次結(jié)構(gòu)為單目標(biāo)3層次模型[15-17]，即目標(biāo)層、準則層和方案層，目標(biāo)層A為最適合航空遙感應(yīng)急飛行的飛機，準則層C是根據(jù)航空遙感應(yīng)急飛行要求設(shè)置的指標(biāo)，方案層P為所選空域內(nèi)符合要求的遙感飛機，層次模型如圖2所示。

圖2 應(yīng)急擇優(yōu)層次模型Fig.2 Emergency optional optimization hierarchical model

本文準則層選用的5項指標(biāo)如下：

1)應(yīng)急響應(yīng)時間(C1)。指遙感飛機從所在地飛達災(zāi)區(qū)空域的時間，耗時越短越好。統(tǒng)計規(guī)則為飛行前準備時間和飛達災(zāi)區(qū)時間2部分之和，該時間由機組預(yù)估并向空域管理部門如實報告。

2)飛機性能(C2)。飛行平臺性能的優(yōu)劣主要比較飛機發(fā)動機推重比(決定高度、速度和滯空時間)。災(zāi)情發(fā)生后往往伴隨惡劣天氣，飛機性能是在惡劣天氣下飛行的重要能力指標(biāo)，應(yīng)盡量優(yōu)先選擇飛機性能好(即發(fā)動機推重比大)的遙感平臺。

3)作業(yè)面積(C3)。指遙感飛機在災(zāi)區(qū)空域遙感飛行的總面積。作業(yè)面積越大，獲取災(zāi)區(qū)的信息量就越大。該指標(biāo)統(tǒng)計規(guī)則為單位時間作業(yè)面積與飛行作業(yè)時間2部分的乘積。

4)遙感成像設(shè)備(C4)。遙感設(shè)備種類較多，有光譜儀、航空數(shù)碼相機、合成孔徑雷達和激光掃描儀等遙感系統(tǒng)。為便于量化，從空間分辨率及成果應(yīng)用角度對遙感成像設(shè)備進行對比排序，由高到低依次為航空數(shù)碼相機、合成孔徑雷達、激光掃描儀和光譜儀。

5)數(shù)據(jù)處理能力(C5)。該指標(biāo)的量化較為復(fù)雜，取決于遙感測繪機構(gòu)的性質(zhì)與規(guī)模。這里主要參考測繪等級資質(zhì)，資質(zhì)越高說明該機構(gòu)的專業(yè)技術(shù)能力越強。測繪等級分為甲、乙、丙、丁4個等級，且逐級遞減。

3 案例及分析

我國西部是地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)地區(qū)，2008年5月12日汶川地區(qū)發(fā)生了8.0級地震，5月14日下午(震后2日)經(jīng)過審批的2架遙感飛機最先抵達災(zāi)區(qū)并展開遙感監(jiān)測，隨后共有11架飛機抵達災(zāi)區(qū)，與16日(震后4日)將災(zāi)區(qū)遙感影像上報指揮部門。

假設(shè)此地再次發(fā)生8.0級地震，應(yīng)用航空遙感區(qū)域協(xié)同應(yīng)急監(jiān)測機制，該地空域管理部門接到國家應(yīng)急管理部命令立即啟動遙感應(yīng)急飛行組織工作，對該時期在轄區(qū)空域作業(yè)的遙感飛機進行統(tǒng)計，通過確認與更新轄區(qū)遙感飛機的應(yīng)急能力信息，確定有P1，P2和P3這3家單位的遙感飛機符合要求，具體遙感應(yīng)急能力信息如表1所示。

表1 航空遙感應(yīng)急能力信息Tab.1 Airborne RS emergency ability information

將3家單位的遙感應(yīng)急能力信息輸入到擇優(yōu)模型中，選擇最為適合應(yīng)急飛行的遙感飛機。擇優(yōu)計算過程如下：

1)建立A-C，C1-P，C2-P，C3-P，C4-P和C5-P的判斷矩陣，即

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2)計算JA-C層次單排序的權(quán)向量和一致性檢驗。其中，JA-C的最大特征值λmax為5.073。該特征值對應(yīng)的歸一化特征向量為ω={0.263,0.475,0.055，0.099,0.110}，則

(7)

RI=1.12,

(8)

(9)

式中：CI為一致性指標(biāo)；n為矩陣階數(shù)，RI為平均隨機一致性指標(biāo)；CR為一致性比率。當(dāng)CR<0.1時，表明矩陣JA-C通過一致性驗證。

同理，分別計算JC1-P，JC2-P，JC3-P，JC4-P和JC5-P層次總排序的權(quán)向量(ω1，ω2，ω3)并進行一致性檢驗，結(jié)果如表2所示。通過計算各判斷矩陣，CR均小于0.1，可知JC1-P，JC2-P，JC3-P，JC4-P和JC5-P都通過一致性檢驗。

表2 JCk-P(k=1，…，5)權(quán)向量、λmax和一致性驗證結(jié)果Tab.2 Results ofω，λmaxand consistency validation ofJCk-P(k=1，…，5)

3)計算層次總排序權(quán)值和一致性檢驗。

P1對總目標(biāo)的權(quán)值為

0.595×0.263+0.082×0.475+0.429×0.055+0.633×0.099+0.166×0.110=0.3。

(10)

同理得，P2和P3對總目標(biāo)的權(quán)值分別為0.246和0.456。即決策層對總目標(biāo)的權(quán)向量為{0.300，0.246，0.456}。

計算決策層的CR為

CR=(0.263×0.003+0.475×0.001+0.055×0+0.099×0.005+0.110×0)/0.58=0.015 。

(11)

由于CR<0.1，故層次總排序通過一致性檢驗。

綜上，{0.300，0.246，0.456}可作為最后的決策依據(jù)，即方案層遙感飛機的權(quán)重排序為P3>P1>P2。根據(jù)擇優(yōu)結(jié)果P3空中國王飛機為本次最適合遙感應(yīng)急飛行的飛機，經(jīng)計算該飛機將在2 h內(nèi)(主要是航線飛行時間)飛達災(zāi)區(qū)空域展開應(yīng)急監(jiān)測任務(wù)，并預(yù)計在48 h內(nèi)(震后2日)將第一批次遙感影像成果報送救災(zāi)指揮中心。另外，為保證此次應(yīng)急任務(wù)順利完成，P1運12遙感飛機作為備選應(yīng)急飛機。

仿真結(jié)果與2008年8.0級地震航空遙感應(yīng)急結(jié)果對比，震區(qū)影像報送時間預(yù)計能提前48 h報送災(zāi)區(qū)指揮部門，其意義不言而喻。同時也驗證了區(qū)域協(xié)同應(yīng)急模式及其擇優(yōu)模型在航空遙感應(yīng)急響應(yīng)方面的組織有序性和實施高效性。

4 結(jié)論

航空遙感應(yīng)急區(qū)域協(xié)同模式從我國實際情況出發(fā)，從組織模式上改變了現(xiàn)有應(yīng)急組織機制，滿足了航空遙感應(yīng)急在時間效率方面的要求，其擇優(yōu)模型使得航空遙感資源得到了更加合理的優(yōu)化利用，使航空遙感應(yīng)急過程實施更加科學(xué)、高效、有序。

區(qū)域協(xié)同應(yīng)急模式是構(gòu)建我國航空遙感應(yīng)急體系的一個新思路，具有較強的可操作性和實用性。由于資料有限，算例采用模擬數(shù)據(jù)僅展示了擇優(yōu)過程，無法驗證擇優(yōu)模型指標(biāo)的量化是否準確與全面，該問題將是下一步研究的重點。