邵蕓
邵蕓,中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所雷達(dá)遙感應(yīng)用技術(shù)研究室主任,研究員,遙感衛(wèi)星應(yīng)用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室總工程師。曾任中科院遙感信息科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任、中科院遙感所遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、中國(guó)科學(xué)院暨香港中文大學(xué)地球信息科學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室主任等職。2001年獲中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所雷達(dá)遙感研究方向博士學(xué)位,長(zhǎng)期從事雷達(dá)遙感與災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作。主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首期項(xiàng)目“天空地協(xié)同遙感監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)應(yīng)急服務(wù)體系構(gòu)建與示范”等。撰寫專著7部,發(fā)表研究論文160余篇,其中SCI論文36篇。獲國(guó)家科技進(jìn)步二、三等獎(jiǎng),中科院自然科學(xué)一等獎(jiǎng),中科院科技進(jìn)步一、二等獎(jiǎng)等多項(xiàng),榮獲“98”全國(guó)科技界抗洪救災(zāi)先進(jìn)個(gè)人、科技奧運(yùn)先進(jìn)個(gè)人、國(guó)家機(jī)關(guān)優(yōu)秀共產(chǎn)黨員、中國(guó)科學(xué)院“十大女杰”(2012)等榮譽(yù)稱號(hào),十八大、十九大黨代表。
近年來(lái),全球極端天氣事件增多、自然災(zāi)害頻發(fā),嚴(yán)重影響了人民生命財(cái)產(chǎn)安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展,因此防災(zāi)減災(zāi)是全世界各個(gè)國(guó)家需積極應(yīng)對(duì)的重大問(wèn)題。我國(guó)是世界上自然災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一,災(zāi)害種類多,分布地域廣,發(fā)生頻率高,給人民生命財(cái)產(chǎn)安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重?fù)p失??臻g對(duì)地觀測(cè)技術(shù)在防災(zāi)減災(zāi)方面具有巨大潛力,雷達(dá)遙感具有全天時(shí)、全天候?qū)Φ赜^測(cè)優(yōu)勢(shì),是災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)的重要手段。1978年美國(guó)成功發(fā)射第一顆SAR衛(wèi)星Seasat-A,開創(chuàng)了星載SAR遙感監(jiān)測(cè)的先河,之后陸續(xù)發(fā)射了ERS-1/2,ENVISAT,Radarsat-1/2,COSMOSkyMed,TerraSAR-X,ALOS PALSAR,ALOS 2,Sentinel等雷達(dá)衛(wèi)星,我們國(guó)家也在一系列重大項(xiàng)目的支持下發(fā)射了S波段HJ-1 C小衛(wèi)星和高分三號(hào)雷達(dá)衛(wèi)星。雷達(dá)衛(wèi)星的幾何分辨率得到顯著提高,極化信息更為豐富。雷達(dá)回波對(duì)地物目標(biāo)的介電和幾何特性敏感,不同地物目標(biāo)、不同幾何狀態(tài)目標(biāo)的雷達(dá)散射特征不同,因此利用高分辨率、極化雷達(dá)遙感技術(shù)可以檢測(cè)出受災(zāi)區(qū)域和受災(zāi)程度,而利用雷達(dá)干涉測(cè)量可以對(duì)地表形變場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),因此可在一定程度上對(duì)災(zāi)害進(jìn)行防范和預(yù)警。我們充分利用雷達(dá)衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì),開展了地震及次生災(zāi)害、地質(zhì)隱患、海洋溢油、洪澇監(jiān)測(cè)等工作,下面分別結(jié)合實(shí)例進(jìn)行介紹。
地震是一種破壞性極強(qiáng)的自然災(zāi)害,目前還缺乏有效的預(yù)測(cè)手段。嚴(yán)重破壞性地震的發(fā)生會(huì)造成大量房屋倒塌和人員傷亡,并且引發(fā)滑坡、堰塞湖等次生災(zāi)害,若地震發(fā)生在近海還會(huì)引發(fā)海嘯,極大地影響人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。地震發(fā)生時(shí)通常伴隨惡劣的天氣條件,而具有全天時(shí)、全天候觀測(cè)能力的高分辨率雷達(dá)遙感在損毀靶區(qū)快速圈定,建筑物損毀評(píng)估,滑坡、堰塞湖等次生災(zāi)害的快速監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)中可以發(fā)揮不可替代的作用。近年來(lái),我們利用多源多時(shí)相雷達(dá)遙感數(shù)據(jù),對(duì)國(guó)內(nèi)外重大地震災(zāi)害進(jìn)行了快速監(jiān)測(cè),對(duì)地震造成的房屋損毀情況、滑坡和堰塞湖的分布與規(guī)模等進(jìn)行了快速定量評(píng)估,監(jiān)測(cè)成果及報(bào)告呈送相關(guān)部門和救援隊(duì)伍,為搶險(xiǎn)救災(zāi)及災(zāi)后重建工作提供了翔實(shí)、可靠的科學(xué)依據(jù)。
圖1 汶川震后COSMO-SkyMed與震前IKONOS對(duì)比圖
災(zāi)害發(fā)生后受災(zāi)靶區(qū)的快速圈定對(duì)于有針對(duì)性地開展救援具有重要意義,這一工作可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)信息利用目視解譯的方法對(duì)SAR圖像進(jìn)行快速判讀,并對(duì)損毀程度進(jìn)行大概評(píng)估。經(jīng)過(guò)多年的積累,我們建立了典型地物微波特性知識(shí)庫(kù)(簡(jiǎn)稱LAMP),對(duì)各類地物目標(biāo)在不同狀態(tài)下的遙感圖像特征進(jìn)行了規(guī)范化總結(jié)與歸納,為利用SAR圖像進(jìn)行快速解譯從而初步評(píng)估災(zāi)害的范圍和分布奠定了基礎(chǔ)。
一般情況下,可以利用變化檢測(cè)方法快速鎖定受災(zāi)害影響的范圍,但由于SAR圖像特征復(fù)雜,受斑點(diǎn)噪聲影響嚴(yán)重,在易受影響的城鎮(zhèn)、山區(qū)等存在較復(fù)雜的幾何畸變等問(wèn)題,我們將視覺認(rèn)知方法與普通變化檢測(cè)方法相結(jié)合,提高受災(zāi)影響范圍檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確度。首先對(duì)災(zāi)害前后的圖像進(jìn)行預(yù)處理,然后綜合利用差值和Pearson相關(guān)系數(shù)生成差異圖,再結(jié)合顯著性檢測(cè)快速鎖定發(fā)生變化的區(qū)域,提高目視解譯的速度和效果,為災(zāi)害靶區(qū)的確定提供初步判估結(jié)果。
汶川地震發(fā)生后,中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所(原遙感所)的團(tuán)隊(duì)第一個(gè)向國(guó)家有關(guān)部門報(bào)送了都江堰地區(qū)的災(zāi)情和房屋損毀情況,第一個(gè)發(fā)現(xiàn)北川的受災(zāi)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)位于震中的汶川,共計(jì)提交雷達(dá)遙感地震災(zāi)害、房屋倒塌、滑坡和堰塞湖監(jiān)測(cè)報(bào)告24份,為抗震救災(zāi)、受災(zāi)人員救援、次生災(zāi)害監(jiān)測(cè)提供了有效決策支撐信息。
圖1是汶川地震發(fā)生后2008年5月13日的COSMOSkyMed與震前IKONOS的對(duì)比圖,可以發(fā)現(xiàn)紅色區(qū)域是房屋倒塌比較嚴(yán)重的區(qū)域。從雷達(dá)圖像特征上來(lái)看,城區(qū)完好的建筑物呈現(xiàn)比較規(guī)則的線狀排列,彼此之間的空間關(guān)系符合樓群特征,由于沒(méi)有倒塌,可以看到呈直線狀的清晰陰影。因?yàn)閴w或屋頂二面角反射效應(yīng)而使得房屋一側(cè)的后向散射強(qiáng)度高而呈現(xiàn)強(qiáng)回波特征,強(qiáng)回波位置仍然符合房屋的排列關(guān)系。當(dāng)房屋發(fā)生損毀,房屋排列不再規(guī)則,房屋紋理結(jié)構(gòu)特征發(fā)生變化,二面角反射效應(yīng)減弱,而粗糙程度加大,使得回波普遍增強(qiáng),但是紋理結(jié)構(gòu)特征消失,雷達(dá)圖像特征表現(xiàn)為一定區(qū)域內(nèi)的高亮目標(biāo),看不出房屋排列關(guān)系和陰影。
極化SAR數(shù)據(jù)可以測(cè)量地物目標(biāo)的極化散射特性,反映地物目標(biāo)更為精細(xì)的特征和信息。通過(guò)分析災(zāi)害發(fā)生前后不同損毀程度建筑物極化散射特征的時(shí)域變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)Yamaguchi分解得到的二次散射分量、極化方位角,以及Touzi分解得到的分量可以有效反映建筑物的損毀程度,因此可以利用多時(shí)相極化SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物損毀評(píng)估制圖。
對(duì)于城市區(qū)域來(lái)講,災(zāi)害發(fā)生前,建筑物區(qū)域由于建筑物密集,結(jié)構(gòu)完好,所以二次散射分量占主導(dǎo);但災(zāi)害發(fā)生后,建筑物倒塌或消失,墻—地二面角結(jié)構(gòu)被破壞,則二次散射分量占比會(huì)下降。而且分析表明,建筑物損毀程度越嚴(yán)重,災(zāi)害發(fā)生后與災(zāi)害發(fā)生前的二次散射分量占比的比值越低,即越多的二次散射結(jié)構(gòu)消失了,因此,可以利用災(zāi)害發(fā)生前后二次散射分量占比的變化來(lái)定量描述建筑物的損毀程度。
一般相鄰區(qū)域的建筑物分布方向基本上都是一致的,因此建筑物區(qū)域極化方位角會(huì)在平均值附近波動(dòng);但建筑物一旦發(fā)生損毀,建筑物的結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞,極化方位角的分布將變得雜亂,則極化方位角的波動(dòng)范圍明顯增大。分析表明,損毀越嚴(yán)重的區(qū)域,極化方位角分布的變化就越明顯,因此可以利用災(zāi)害前后極化方位角變化的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)描述建筑物損毀程度。
Touzi分解是一種非相干極化目標(biāo)分解方法,Touzi分解得到的 αs1表示主導(dǎo)散射類型的大小,對(duì)于純凈的二面角散射機(jī)制,α ≈, 對(duì)于純凈的表面散射,α ≈0。地震發(fā)s1s1生前,建筑物區(qū)域的 αs1的值很大部分都在90°左右,但地震發(fā)生后,由于建筑物損毀,二面角結(jié)構(gòu)減少,αs1的值明顯下降,損毀越嚴(yán)重,角度減小的幅度越大。因此,災(zāi)害前后αs1的比值主要反映了建筑物損毀情況,可以作為建筑物損毀評(píng)估的有效指標(biāo)。
圖2 新疆阿克陶地震解譯
雷達(dá)干涉測(cè)量可以獲取地表形變信息,因此是地震災(zāi)害監(jiān)測(cè)和評(píng)估的有效手段。地震發(fā)生后,可以采用干涉測(cè)量技術(shù)進(jìn)行地震同震形變測(cè)量與分析,對(duì)于評(píng)價(jià)地震破壞程度,推斷斷層性質(zhì),研究地震形變和地震孕育特征具有重要的參考價(jià)值。在多年工作的基礎(chǔ)上,建立了快速有效的自動(dòng)化干涉測(cè)量處理系統(tǒng),該系統(tǒng)對(duì)干涉測(cè)量處理過(guò)程中的圖像配準(zhǔn)、噪聲濾波、相位解纏、大氣延遲消除及平地相位去除等問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化處理,為實(shí)現(xiàn)震后2小時(shí)內(nèi)提供災(zāi)情初步判定結(jié)果提供了重要保障;通過(guò)對(duì)干涉處理過(guò)程中獲取的同震干涉圖和形變場(chǎng),并基于地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行地震特性分析,通過(guò)形變等值線和跨斷層剖面線對(duì)形變場(chǎng)進(jìn)行初步分析。
圖3 唐家山滑坡(2008-05-16 TerraSAR-X圖像)
開展了基于干涉SAR技術(shù)的地震受災(zāi)范圍快速圈定與分級(jí)研究,基于干涉SAR技術(shù),從地震烈度的定義及評(píng)定指標(biāo)出發(fā),確定了以SAR干涉形變方法為主,遙感震害提取和網(wǎng)絡(luò)爬蟲獲取烈度信息輔助、驗(yàn)證的基本思路,開展了ShakeMap烈度劃分方法的研究,通過(guò)將干涉、形變數(shù)據(jù)與ShakeMap烈度劃分方法相結(jié)合,能夠進(jìn)一步提高結(jié)果精度,更好地開展救災(zāi)工作(圖2)。
地震的發(fā)生常常伴隨惡劣的天氣條件,因此容易引發(fā)滑坡、堰塞湖等次生災(zāi)害?;率切逼律系膸r體或土體在重力的作用下,沿一定的滑動(dòng)面整體下滑的現(xiàn)象,大型滑坡通常發(fā)生在存在大量山體凌空面的河谷地帶,通常會(huì)造成植被的大面積破壞。由于SAR對(duì)地表粗糙度和介電特性的敏感性以及立體感強(qiáng)的特點(diǎn),可以利用SAR圖像識(shí)別滑坡體后壁和前緣等特征。地震引發(fā)的山崩、滑坡堵截阻斷河道、蓄水而形成的湖泊,即堰塞湖,其一旦受沖刷、侵蝕、溶解等作用產(chǎn)生崩塌,便會(huì)形成洪災(zāi),淹沒(méi)居民地,導(dǎo)致新一輪的生命財(cái)產(chǎn)損失,因此堰塞湖的識(shí)別與監(jiān)測(cè)是非常重要的。水體雷達(dá)回波較弱,在SAR圖像上較容易識(shí)別。滑坡、堰塞湖的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是地震次生災(zāi)害監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容,利用高分辨率雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)可以成功識(shí)別地震災(zāi)害引發(fā)的滑坡、堰塞湖等次生災(zāi)害,確定其分布、規(guī)模,量算面積、長(zhǎng)度等,在地震災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)與評(píng)估中發(fā)揮不可替代的作用(圖3)。
我國(guó)西南地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重,基層國(guó)土部門人力有限,對(duì)于日常巡查已經(jīng)是疲于應(yīng)付,新增的地質(zhì)隱患點(diǎn)根本沒(méi)有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)。采用常規(guī)地表位移監(jiān)測(cè)手段(斜坡傾斜儀和水準(zhǔn)測(cè)量等)通過(guò)野外作業(yè)進(jìn)行地災(zāi)監(jiān)測(cè)難度較大,難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)局部位移,不能適應(yīng)大范圍全面監(jiān)測(cè)的需要。差分干涉測(cè)量方法能夠獲取大范圍的地表形變信息,因此可以用于地質(zhì)隱患的排查。我們利用干涉測(cè)量技術(shù),在西南地區(qū)開展了滑坡易發(fā)區(qū)地質(zhì)隱患點(diǎn)排查工作。通過(guò)優(yōu)化使用干涉處理關(guān)鍵算法,標(biāo)準(zhǔn)化定制數(shù)據(jù)收集處理流程,形成了自動(dòng)化干涉測(cè)量系統(tǒng)(AISAR),將差分干涉測(cè)量數(shù)據(jù)處理效率提高了50%以上。目前,AISAR已應(yīng)用于貴州北部地質(zhì)隱患點(diǎn)的排查,為我國(guó)西南滑坡易發(fā)區(qū)地質(zhì)隱患點(diǎn)排查監(jiān)測(cè)提供了新的技術(shù)手段,使用該方法能夠發(fā)現(xiàn)未列入臺(tái)賬的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn),避免地方群眾在完全不知情的情況下遭受嚴(yán)重自然災(zāi)害;同時(shí)對(duì)列入臺(tái)賬的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)能夠進(jìn)行及時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè),對(duì)加速發(fā)展的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)預(yù)警,大幅提高了對(duì)地形復(fù)雜地區(qū)地質(zhì)隱患點(diǎn)排查的精度、效率和可靠性。
圖4黃圈是我們發(fā)現(xiàn)的一個(gè)新增的地災(zāi)隱患點(diǎn),中間的照片是老鄉(xiāng)家墻壁和地面開裂的情況,這個(gè)滑坡體的下緣距離婁山中學(xué)只有180米,就像懸在學(xué)生們頭上的一顆雷,隨時(shí)威脅著孩子們的安全。通過(guò)遙感手段發(fā)現(xiàn)這樣的新增點(diǎn),避免學(xué)校師生在完全不知情的情況下遭受嚴(yán)重自然災(zāi)害傷及生命安全。
圖4 威脅桐梓縣婁山中學(xué)的新增地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)排查
海面油膜會(huì)對(duì)海水表面波形成阻尼作用,海面溢油的存在阻尼了海水的短表面波(毛細(xì)波和短重力波)、減小了海水表面張力、改變了海面粗糙度,而SAR對(duì)粗糙度極為敏感,因此可用于執(zhí)行海面溢油的常規(guī)與應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)。近10年來(lái),開展了多次中國(guó)近海重特大海洋溢油災(zāi)害事故的遙感應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作。例如,2008年廣西北部灣海底輸油管線泄露溢油污染事故、2010年大連港“7·16”海面溢油污染事故、2011年美國(guó)康菲石油公司蓬萊“19-3”鉆井平臺(tái)漏油事故等;累計(jì)處理、分析、解譯的SAR遙感圖像近500景,向國(guó)家海洋局發(fā)送《海洋溢油污染監(jiān)測(cè)信息快報(bào)》百余份,持續(xù)為國(guó)家海洋局提供7×24小時(shí)的中國(guó)海域海洋溢油污染雷達(dá)遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)技術(shù)支持服務(wù)。
圖 5為利用中國(guó)GF-3衛(wèi)星時(shí)間序列圖像監(jiān)測(cè)2018年1月發(fā)生在我國(guó)東海海域的一次大規(guī)模海洋溢油污染泄露事故。監(jiān)測(cè)結(jié)果為國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局、交通運(yùn)輸部等主管部門的科學(xué)決策、應(yīng)急處置提供了有力的技術(shù)支撐。
洪澇災(zāi)害是我國(guó)主要自然災(zāi)害之一,具有范圍廣、變化快的特點(diǎn),尤其對(duì)于人口密集和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城區(qū)而言,其危害程度更加嚴(yán)重。為了最大限度地減輕洪澇災(zāi)害對(duì)城區(qū)造成的損失,需要及時(shí)地對(duì)洪澇災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)和損失評(píng)估。洪澇災(zāi)害淹沒(méi)范圍的快速提取對(duì)于應(yīng)急響應(yīng)具有重要意義,快速獲取洪水淹沒(méi)范圍是洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)和評(píng)估的基礎(chǔ)。雷達(dá)波到達(dá)水體后由于發(fā)生鏡面反射返回的能量少,因此在SAR圖像上通常呈現(xiàn)為較低的散射特征,容易與其他地物區(qū)分開來(lái),因此在洪澇監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。目前,SAR洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)比較成熟,主要方法有人工目視解譯、閾值法、自動(dòng)分類方法、圖像紋理分析、主動(dòng)輪廓法和多時(shí)相變化檢測(cè)等。1998年的特大洪水期間,我國(guó)就多次利用航空雷達(dá)遙感監(jiān)測(cè)和評(píng)估洪水災(zāi)害,目前雷達(dá)遙感已經(jīng)成為洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)的重要手段。我們利用國(guó)際商業(yè)衛(wèi)星和我們國(guó)家自己的雷達(dá)衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù),協(xié)同利用其他遙感數(shù)據(jù)源,開展了多次洪澇災(zāi)害的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),為應(yīng)急響應(yīng)和抗洪救災(zāi)提供了有用信息(圖6、圖7)。
圖5 2018年1月東海海域溢油污染泄露事故監(jiān)測(cè)
圖6 2013年8月27日同江八岔段水位雷達(dá)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)結(jié)果
圖 7 2013年?yáng)|北洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)多日動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果
自然災(zāi)害具有突發(fā)性、破壞性和動(dòng)態(tài)性的特征,及時(shí)有效地獲取災(zāi)情動(dòng)態(tài)是有效防災(zāi)減災(zāi)的前提和基礎(chǔ)。雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)具有全天時(shí)、全天候成像能力,因此具有較好的時(shí)效性,能獲取可靠的數(shù)據(jù)源,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害的動(dòng)態(tài)、連續(xù)監(jiān)測(cè),是災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)不可或缺的重要手段。隨著星載SAR衛(wèi)星性能指標(biāo)的不斷改進(jìn),將為災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)提供更高效的數(shù)據(jù)源,但同時(shí),我國(guó)雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)量少,數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間分辨率不夠,災(zāi)情快速響應(yīng)能力較弱,難以滿足災(zāi)情態(tài)勢(shì)快速監(jiān)測(cè)的需求。汶川地震之后,黨和國(guó)家對(duì)自然災(zāi)害高度重視,對(duì)利用空間信息進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)提出了明確要求?!秶?guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2015—2025)年》批準(zhǔn)了四類七顆雷達(dá)衛(wèi)星的立項(xiàng)研制,這將為災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)提供更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)源保障,大幅提高我國(guó)對(duì)各類災(zāi)害的快速響應(yīng)能力。