應(yīng)急遙感快速制圖技術(shù)研究

和海霞，楊思全，黃 河，李 馨，聶 娟

(1.民政部國家減災(zāi)中心，北京 100124;2.中國地質(zhì)大學(xué)科學(xué)研究院，北京 100083)

應(yīng)急遙感快速制圖技術(shù)研究

和海霞1，楊思全1，黃 河1，李 馨2，聶 娟1

(1.民政部國家減災(zāi)中心，北京 100124;2.中國地質(zhì)大學(xué)科學(xué)研究院，北京 100083)

應(yīng)急遙感快速制圖是災(zāi)害發(fā)生初期應(yīng)急決策和應(yīng)急救援的重要支撐。為了解決現(xiàn)有遙感制圖技術(shù)存在的時效性差、規(guī)范性低、內(nèi)容針對性不強等問題，在快速制圖應(yīng)急預(yù)案的指導(dǎo)和保障下，分析了快速制圖的需求、內(nèi)容、制圖流程等，優(yōu)化了遙感數(shù)據(jù)快速處理算法，預(yù)制了標(biāo)準(zhǔn)化制圖模板，并將專家知識歸納總結(jié)為計算機可識別的規(guī)則與指標(biāo)。減災(zāi)業(yè)務(wù)應(yīng)用實踐表明，快速制圖技術(shù)有效提高了制圖效率和標(biāo)準(zhǔn)化水平。

快速制圖;應(yīng)急;災(zāi)害專題圖;遙感

0 引言

當(dāng)前，我國自然災(zāi)害損失呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，迫切需要提高災(zāi)害應(yīng)急管理能力。應(yīng)急遙感專題圖因其快速、直觀、信息量大的優(yōu)點，能提供及時有效的事故信息及救援現(xiàn)場信息，在災(zāi)害應(yīng)急管理中發(fā)揮著重要的作用［1－4］。

世界各國和國際組織高度重視應(yīng)急快速制圖及其關(guān)鍵技術(shù)研究。2003年聯(lián)合國衛(wèi)星應(yīng)用服務(wù)項目(UNOSAT)推出了快速制圖服務(wù)，以滿足聯(lián)合國人道主義事務(wù)協(xié)調(diào)辦公室(OCHA)和其他機構(gòu)組織在重大災(zāi)害時對快速制圖和衛(wèi)星數(shù)據(jù)挖掘的需求;德國天基危機信息服務(wù)中心(ZKI)為應(yīng)對世界范圍內(nèi)的人道主義救援和公共安全活動，提供了自然災(zāi)害期間7 d 24 h的快速制圖服務(wù)，并在其網(wǎng)站免費共享包括地圖、空間地理數(shù)據(jù)、檔案等在內(nèi)的遙感服務(wù)產(chǎn)品;英國天氣中心開展了暴風(fēng)雨災(zāi)害快速預(yù)警制圖，英國環(huán)境局開展了洪澇災(zāi)害快速制圖業(yè)務(wù)，并以WebGIS形式向用戶發(fā)布;美國聯(lián)邦緊急事務(wù)管理局負(fù)責(zé)統(tǒng)籌全美災(zāi)難救援事宜，開展了自然災(zāi)害和人為災(zāi)害快速標(biāo)準(zhǔn)化制圖，以完成減災(zāi)、備災(zāi)和恢復(fù)重建工作，減少全美民眾生命財產(chǎn)的損失;俄聯(lián)邦民防、緊急情況與減災(zāi)部利用快速制圖技術(shù)對突發(fā)災(zāi)害可做出迅速、有效的應(yīng)對;日本氣象廳研發(fā)了包括臺風(fēng)、洪澇、泥石流、龍卷風(fēng)、海嘯、地震及火山噴發(fā)等在內(nèi)的多種快速制圖產(chǎn)品;法國建立了以空間技術(shù)局(CNES)為首的快速制圖應(yīng)急響應(yīng)運行體系和以SERTIT等公司為核心的對外快速制圖服務(wù)窗口，其業(yè)務(wù)產(chǎn)品主要是災(zāi)區(qū)受災(zāi)面積提取圖件，對于一般性災(zāi)害，獲取災(zāi)區(qū)遙感圖像4～6 h內(nèi)完成受災(zāi)面積快速制圖，對于比較復(fù)雜的災(zāi)害，獲取災(zāi)區(qū)遙感圖像8 h內(nèi)完成受災(zāi)面積快速制圖［5］。我國在1976年唐山地震和1988年云南瀾滄—耿馬地震時已開始對應(yīng)急遙感制圖技術(shù)進行嘗試［6］;1998年長江流域特大洪澇災(zāi)害期間，應(yīng)急遙感制圖技術(shù)迅速發(fā)展;2002年國家減災(zāi)中心成立之后，全面開展應(yīng)急快速制圖關(guān)鍵技術(shù)和方法的研究，先后在2008年汶川地震、2009年青海玉樹地震、西南五省特大秋冬春連旱、舟曲特大山洪泥石流災(zāi)害、盈江地震等重大自然災(zāi)害的應(yīng)對工作中廣泛應(yīng)用。2011年應(yīng)聯(lián)合國外空司的倡議，國家減災(zāi)中心迅速啟動災(zāi)害遙感快速制圖服務(wù)機制，組織開展非洲之角干旱遙感監(jiān)測，并通過聯(lián)合國災(zāi)害管理與應(yīng)急反應(yīng)天基信息平臺北京辦公室向受災(zāi)國提供產(chǎn)品服務(wù)，標(biāo)志著我國的遙感應(yīng)急快速制圖技術(shù)服務(wù)進一步拓展。我國目前已啟動的重大專項也非常重視快速標(biāo)準(zhǔn)化制圖技術(shù)研究。

綜上所述，國內(nèi)外在快速制圖產(chǎn)品體系、產(chǎn)品服務(wù)、運行管理、產(chǎn)品制作等業(yè)務(wù)化應(yīng)用方面開展了大量工作，但還存在快速制圖技術(shù)智能化水平低、應(yīng)急性不強、版式不規(guī)范、內(nèi)容針對性不強等問題［7－8］。本文面向我國災(zāi)害應(yīng)急決策和救援需求，針對災(zāi)害發(fā)生初期災(zāi)情信息不完備、交通不暢、轉(zhuǎn)移安置點不明及通訊不暢等特點，利用遙感數(shù)據(jù)和其他社會經(jīng)濟信息，對不同類型、不同等級的災(zāi)害的范圍和程度進行快速監(jiān)測，對交通和轉(zhuǎn)移安置點進行快速準(zhǔn)確地監(jiān)測，以全面提升現(xiàn)有制圖方法的應(yīng)急決策和救援的可讀性、指導(dǎo)性、時效性和標(biāo)準(zhǔn)性，為應(yīng)急決策和災(zāi)害救助提供最及時的信息支撐。

1 技術(shù)方案

依據(jù)應(yīng)急遙感快速制圖對時效性和標(biāo)準(zhǔn)性要求高的特點，編制快速制圖應(yīng)急預(yù)案和專題圖分類標(biāo)準(zhǔn)，建立應(yīng)急遙感數(shù)據(jù)處理流程，制作快速制圖標(biāo)準(zhǔn)模板，確定規(guī)范化應(yīng)急制圖指標(biāo)，最終實現(xiàn)利用遙感數(shù)據(jù)、人口數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)對受災(zāi)范圍和受災(zāi)程度進行快速監(jiān)測和評估。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technical route

2 編制快速制圖應(yīng)急預(yù)案

快速制圖應(yīng)急預(yù)案是針對可能發(fā)生的重大災(zāi)害，為保證迅速、有序、高效地開展應(yīng)急標(biāo)準(zhǔn)化制圖工作而預(yù)先制定的有關(guān)計劃或方案［9］?？焖僦茍D應(yīng)急預(yù)案編制是快速標(biāo)準(zhǔn)化制圖的保障和基礎(chǔ)，只有在科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、有效的預(yù)案支持下，制圖工作才能實現(xiàn)快速化、標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo)。

快速制圖應(yīng)急預(yù)案是在突發(fā)災(zāi)害發(fā)生前圍繞快速制圖工作開展流程和技術(shù)保障，制定相應(yīng)的策略和資源準(zhǔn)備等的過程，主要解決快速制圖“為什么做、做什么、誰來做、怎么做”的問題。

“為什么做”是確定制圖目的。包括確定快速制圖產(chǎn)品服務(wù)對象，確定服務(wù)對象對制圖產(chǎn)品的需求，確定不同類型、不同特點、不同等級、不同影響程度的災(zāi)害類型對制圖的需求。

“做什么”是根據(jù)快速制圖目的，確定制圖內(nèi)容。以高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)為主，兼顧其他類型來源的空間數(shù)據(jù)，確定致災(zāi)因子危險性分布、承災(zāi)體脆弱性分布、孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性、災(zāi)害發(fā)展情況、救援情況、歷史災(zāi)害分布情況以及緊急避難場所分布等快速制圖內(nèi)容。以地震災(zāi)害為例，專題圖的主要內(nèi)容、制作時間(獲取數(shù)據(jù)后)、制作頻次如表1所示。

表1 地震災(zāi)害專題圖分類Tab.1 Classification of earthquake thematic map

“誰來做”是確定制圖人員。參考制圖目的和制圖內(nèi)容，配備制圖人員和相關(guān)團隊，完成相應(yīng)的技術(shù)儲備和人員培訓(xùn)工作，以保證災(zāi)害發(fā)生后可以穩(wěn)定、高效、準(zhǔn)確地進行應(yīng)急響應(yīng)制圖。

“怎么做”是確定制圖技術(shù)規(guī)定和工作流程。主要建立包括多源災(zāi)情數(shù)據(jù)獲取、遙感數(shù)據(jù)快速處理、標(biāo)準(zhǔn)模板建立、產(chǎn)品發(fā)布等內(nèi)容的具體方案和流程。

快速制圖應(yīng)急制圖預(yù)案編制應(yīng)參考各行業(yè)預(yù)案編制規(guī)范，充分考慮應(yīng)急制圖特點和用戶需求，以實現(xiàn)自動化、快速化、標(biāo)準(zhǔn)化為原則，采用用戶需求分析、案例分析、框架設(shè)計、分工編制、系統(tǒng)集成、綜合審核、有效性評估、預(yù)案改進等技術(shù)實現(xiàn)?？焖僦茍D應(yīng)急預(yù)案內(nèi)容主要包括制圖目的、制圖依據(jù)、分類分級、工作原則、體系建設(shè)、運行機制、應(yīng)急保障及監(jiān)督管理等8項內(nèi)容。

3 應(yīng)急遙感數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)有的應(yīng)急遙感快速制圖數(shù)據(jù)處理技術(shù)提供了一種通用的算法，系統(tǒng)性強、精度高，但相關(guān)參數(shù)獲取困難、參數(shù)設(shè)置復(fù)雜，不能充分滿足突發(fā)事件應(yīng)急決策和應(yīng)急救援對時效性的要求。本文針對不同類型和等級災(zāi)害特點，面向受災(zāi)范圍、災(zāi)害影響范圍、房屋倒損、生命線損毀、基礎(chǔ)設(shè)施損毀、農(nóng)作物受損及水體變化等應(yīng)急監(jiān)測評估需求，對現(xiàn)有的處理流程進行簡化和合并，建立一套實用、高效的最優(yōu)化應(yīng)急遙感快速制圖數(shù)據(jù)處理算法。技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 應(yīng)急遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程Fig.2 Emergency processing procedure of RS data

遙感圖像大氣校正目的是去除氣溶膠、云層及其陰影對光學(xué)遙感圖像的影響，增強圖像的清晰度，突出災(zāi)害專題信息。為了提高大氣校正效率，必須減少人機交互輸入?yún)?shù)的環(huán)節(jié)，主要依托圖像自身的特征，利用統(tǒng)計學(xué)模型采用平場域法、暗目標(biāo)法等方法進行大氣校正?？焖賻缀渭m正就是快速消除對成像過程由傳感器、遙感平臺及地球本身產(chǎn)生的各種幾何畸變，主要包括系統(tǒng)幾何糾正和基于控制點的幾何精糾正。系統(tǒng)幾何糾正主要根據(jù)構(gòu)像方程進行，計算量相對較小，速度比較快;幾何精糾正原理是通過一組控制點建立原始畸變圖像空間與糾正圖像空間的坐標(biāo)變換關(guān)系，并將這種對應(yīng)關(guān)系把畸變空間中全部像元變換到糾正空間［10］，包括像素坐標(biāo)變換和重采樣2個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，重采樣占用時間較長，可采用分塊并行計算以縮短處理時間。

災(zāi)害初期的道路損毀、建筑物倒損、水體變化等災(zāi)害范圍和損失程度等災(zāi)情信息的快速提取可采用基于Canny算法的面向?qū)ο髨D像分割技術(shù)結(jié)合遙感圖像分類技術(shù)來實現(xiàn)［11］。針對旱災(zāi)、洪澇、地震等引起的農(nóng)作物損失遙感估算模型的適用性問題，需預(yù)先根據(jù)不同地區(qū)作物類型和分布特點，建立可業(yè)務(wù)化運行的基于 MODIS、AVHRR、環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星CCD、ETM及ASTER等常用數(shù)據(jù)的植被參數(shù)與損失快速估測算法庫，以減少災(zāi)害發(fā)生時算法驗證時間，提高制圖效率。

4 制作快速制圖標(biāo)準(zhǔn)模板

制圖模板是引導(dǎo)用戶進行人機交互、由系統(tǒng)自動完成數(shù)據(jù)處理和符號化，從而完成一幅專題地圖制作的方案［12］。快速制圖標(biāo)準(zhǔn)模板需確定圖件的表達(dá)內(nèi)容和表達(dá)方式。表達(dá)內(nèi)容包括災(zāi)害基本信息、災(zāi)害發(fā)展趨勢及災(zāi)害救援情況等。表達(dá)方式將依據(jù)災(zāi)害管理部門、國內(nèi)行業(yè)單位、國際社會等不同的需求實現(xiàn)多樣化。每種模板按照災(zāi)害類型劃分為地震、干旱、海冰、洪澇、火災(zāi)、冰凌和雪災(zāi)，并細(xì)分為橫向及縱向兩種。在系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、快速化的指導(dǎo)下，快速制圖模板采用ArcGIS的MXT文件技術(shù)實現(xiàn)。模板文件中主要包含的內(nèi)容有基本背景數(shù)據(jù)、產(chǎn)品編號、災(zāi)區(qū)位置示意圖、災(zāi)情概況、遙感災(zāi)情監(jiān)測結(jié)果、圖例、制圖時間及整飾要素等。確定好模板內(nèi)容組成后，根據(jù)實際業(yè)務(wù)需要定制模板。模板示例如圖3所示。

圖3 模板示例Fig.3 Demonstration mapping templates

5 編制知識規(guī)則指標(biāo)與軟件實現(xiàn)

應(yīng)急制圖的快速化、自動化、標(biāo)準(zhǔn)化是一個復(fù)雜的決策過程，對人員依賴度高，如何根據(jù)各種技術(shù)規(guī)范、規(guī)程、制圖綜合知識及專家知識來建立應(yīng)急制圖知識庫，并將其與產(chǎn)品體系和標(biāo)準(zhǔn)模板相結(jié)合，歸納總結(jié)出計算機可識別的規(guī)則，是智能化制圖的突破點［13］。制圖指標(biāo)在形式上主要分?jǐn)?shù)據(jù)指標(biāo)、文字說明指標(biāo)及圖形指標(biāo)等3大類，是根據(jù)制圖知識規(guī)則，在科學(xué)性、系統(tǒng)性、適用性、實用性以及針對性等原則的指導(dǎo)下編制的，包括產(chǎn)品內(nèi)容、產(chǎn)品級別、制圖比例尺、產(chǎn)品命名規(guī)則和規(guī)格、處理時間和精度等在內(nèi)的技術(shù)規(guī)定與量化要求。制圖規(guī)則和指標(biāo)編制過程如圖4所示，主要內(nèi)容如表2所示?？焖僦茍D知識規(guī)則與指標(biāo)是互相銜接，相輔相成的［14］。

圖4 制圖規(guī)則和指標(biāo)編制Fig.4 Cartography rules and index establishment

表2 制圖知識規(guī)則和指標(biāo)Tab.2 Rule and index of thematic map

將計算機可識別的應(yīng)急制圖知識規(guī)則轉(zhuǎn)化為相關(guān)軟件是應(yīng)急制圖的重要步驟。民政部國家減災(zāi)中心于2008年開始建設(shè)的環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星星座運行管理與減災(zāi)應(yīng)用系統(tǒng)為應(yīng)急制圖提供了保障。該系統(tǒng)中的遙感數(shù)據(jù)應(yīng)急處理包可實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)導(dǎo)入、快速幾何糾正和快速大氣校正、快速成圖等遙感數(shù)據(jù)快速處理;災(zāi)害特征異常信息提取分析軟件包能夠?qū)崿F(xiàn)災(zāi)情信息的快速提取和分析。

6 結(jié)論

開展應(yīng)急快速制圖服務(wù)，可為備災(zāi)、人員提前或緊急撤離、災(zāi)害救助等減災(zāi)措施的制定和救援方案擬定提供決策依據(jù)，有效地提高了應(yīng)急決策和救援的科學(xué)性、時效性和實用性。本文針對應(yīng)急遙感快速制圖中存在的預(yù)案缺乏、遙感數(shù)據(jù)快速處理流程不完善、快速制圖規(guī)則不系統(tǒng)、制圖指標(biāo)不規(guī)范等問題提出了解決思路，初步探討了快速制圖應(yīng)急預(yù)案的內(nèi)容和方法，提出了基于圖像本身的快速大氣校正和利用分塊計算進行快速大氣校正的方法，粗略建立了包括技術(shù)規(guī)范、制圖綜合、專家知識在內(nèi)的知識規(guī)則和指標(biāo)。

今后還需要在以下幾個方面深入分析:①災(zāi)害發(fā)生時，天氣情況通常比較惡劣，深入研究在惡劣天氣條件下的遙感數(shù)據(jù)快速大氣校正方法以有效提高制圖效率;②災(zāi)害發(fā)生初期，災(zāi)情數(shù)據(jù)缺失，遙感數(shù)據(jù)通常不能全覆蓋災(zāi)區(qū)，如何利用空間外推和空間插值技術(shù)開展不完備信息條件下的災(zāi)情信息快速提取對改進快速制圖精度有重大意義;③快速制圖產(chǎn)品服務(wù)對象不僅包括國家級、省級、地市級、縣鄉(xiāng)村級等不同的救災(zāi)決策人員，還包括災(zāi)害、遙感等多領(lǐng)域的專家，這些人員的關(guān)注內(nèi)容和知識結(jié)構(gòu)差別很大。不同的災(zāi)害類型對快速制圖的時效性、內(nèi)容要求差別較大，如何建立一種自適應(yīng)制圖綜合方法以滿足不同的服務(wù)對象和災(zāi)害類型的需求是快速制圖發(fā)展的關(guān)鍵。

志謝:感謝中國科學(xué)院對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心張文娟和中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所李儒提供的寶貴意見!

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［14］齊清文，姜莉莉.面向地理特征的制圖綜合指標(biāo)體系和知識法則的建立與應(yīng)用研究［J］.地理科學(xué)進展，2001，20(s1):1 －13.Qi Q W，Jiang L L.Research on the Index System and Knowledge Rules for Geographic－Feature－Oriented Generalization［J］.Progress in Geography，2001，20(s1):1 － 13(in Chinese with English Abstract).

Research on the Emergency－Response－Oriented Rapid Mapping Based on RS Data

HE Hai－ xia1，YANG Si－ quan1，HUANG He1，LI Xin2，NIE Juan1
(1.National Disaster Reduction Center of China，Beijing 100124，China;2.Institute of Earth Sciences，China University of Geosciences，Beijing 100083，China)

Emergency－response－oriented rapid mapping can respond to emergent natural disasters quickly and provide timely，intuitive and reliable services for emergency decision and relief.The timeliness and normativeness in current cartography are low and can’t meet the need of the emergency.To solve the problem，the authors have prepared a detailed emergency plan for rapid mapping to explain the purpose，content，staff organization and process.The plan can tighten regulations when the disaster occurs.At the same time，the processing algorithms of remote sensing data are optimized and the mapping templates are prepared for different kinds of disasters.The comprehensive knowledge from experts and technical staff was summarized and inverted into rules and indexes which can be recognized by the computer so as to achieve the automatic and rapid cartography.

rapid mapping;emergency－response－oriented;disaster thematic map;remote sensing

TP 79

A

1001－070X(2012)03－0159－06

2011－11－14;

2012－03－02

“災(zāi)害應(yīng)急綜合管理與應(yīng)用系統(tǒng)”(編號:2012AA121305)及“面向應(yīng)急的快速標(biāo)準(zhǔn)化成圖技術(shù)研究”(編號:E0205/1112/8)共同資助。

10.6046/gtzyyg.2012.03.28

和海霞(1980－)，女，博士，助理研究員，主要從事空間技術(shù)減災(zāi)應(yīng)用研究。E－mail:hehaixia@ndrcc.gov.cn。

(責(zé)任編輯:李 瑜)