遥感大数据在防灾减灾中的应用

韩岳麒

(忻州师范学院会计系，山西 忻州 034000)

自然灾害通常指可以危害人类生命、破坏财产安全的现象或事件，如雨、雪、冰雹、地震、火灾、干旱、台风、泥石流等。在这类灾害面前，人类是渺小的、抵抗能力也是微小的。在灾难发生后，国家和社会的救援速度和救援能力是保障人民生命和财产安全的最后保障，也是灾民的生命可否延续、财产可否保全的唯一希望。[1]据应急管理部公布的数据，2021年上半年我国各种自然灾害共造成2801.9 万人次受灾，29.7 万人次紧急转移安置，156 人因灾死亡失踪；房屋1.3万间倒塌，45.1万间遭各种程度损坏；农作物2921.7千公顷受灾，237.7千公顷绝收；直接经济损失合408.6 亿元。[2]2021 年7 月20 日河南特大暴雨导致该省灾情严重，截至8 月2 日12 时，全省共有150 个县（市、区）、1663 个乡镇、1453.16 万人受灾。全省组织紧急避险93.38 万人，转移安置最高峰值147.08 万人；倒塌房屋30106 户、89001 间；农作物成灾面积872 万亩，绝收面积380 万亩，直接经济损失1142.69亿元。此次特大洪涝灾害导致302人丧生，50人下落不明。[3]

近年来，随着卫星遥感技术的发展，它已成为衡量一个国家科技发展水平和综合实力的重要标志。目前，国外遥感卫星技术的发展非常迅速，如美国的QuickBird、WorldView 和GeoEye 等多个系列卫星群，其卫星图像的分辨率大多在0.3～0.5m，且光谱信息丰富，具备业界领先的定位精度。近年来我国遥感卫星系统技术高速发展，目前我国遥感卫星数据总量正以超过10 TB/天的速率不断获取与积累，包括不同的成像方式、波段、分辨率、观测尺度和时间间隔，数据的数量呈现爆炸性的增长，遥感数据已快速步入了大数据时代。[4]

在重大自然灾害中，快速、准确地获得灾区的灾情信息，是进行救灾决策部署的重要基础。在灾情信息收集、灾情分析评估等方面，高分辨率遥感等科技手段可以发挥尤为重要的作用。[5]随着“星载雷达技术”发展迅速，遥感设备可以不受天气影响，穿透云雨层进行探测，在多种情景下均可发挥作用。[6]目前，遥感领域进入了以高精度、全天候信息获取和自动化快速处理为特征的新时代，卫星、无人机、地面监测站网站形成的空天地一体化的协同观测体系，提供了多维度和高频次的多源异构灾害观测数据。[7-8]近些年发生了特大地质灾害，如汶川地震、玉树地震和舟曲泥石流灾害后，都是利用环境减灾卫星和航空遥感数据相结合的方式，依托“天—地—现场”一体化业务平台，成功开展了灾后评估工作。[9-11]可见，空间遥感大数据在防灾减灾方面的应用具有重要的意义。

一、遥感技术与遥感大数据

遥感技术指的是将多种电磁波等传感设备安装到各种航空、航天及地面遥感平台上，通过定期对远距离目标所辐射或反射的电磁波信息进行收集、处理后成像，依据影像揭示研究对象特征及变化的综合性探测技术。搭载平台目前主要可以分为三类：①人造卫星、空间站等地外设备，②飞机、无人机、热气球等航空设备，③汽车、塔架、手持等地面设备。据此，遥感技术也可大致分为航空遥感、航天遥感和地面遥感。以下对应用场景最广的卫星遥感（航空遥感）和无人机遥感（航天遥感）两个领域进行简述。

（一）卫星遥感技术 卫星遥感作为获取地表数据的一种重要方法，具有不受国界限制、覆盖范围广、观测周期长、数据客观性强等特点。[12]卫星遥感以其宏观、快速、动态、经济等优点，可以在大尺度上全天候、全天时、动态地观测地表状况。卫星遥感具有高空间、高时间、高光谱、高辐射“四高”特性，因而在全球范围内得到了广泛的关注。美国首次发射的气象卫星标志着卫星遥感的时代的来临。在此之后，美国在1972 年和1978 年分别发射了首枚陆地卫星和首枚海洋卫星。我国卫星遥感起步晚于欧美国家，中国首颗遥感卫星于1975 年诞生于中国空间技术研究院，为胶片返回式遥感卫星。“风云一号”是我国首个气象卫星，于1988 年成功发射。首个数字转播资源卫星“中巴地球资源卫星01 星”(CBERS-01)，于1999年成功发射。中国遥感卫星历经四十多年发展，实现了胶片返回式到传输型光电遥感、高分辨率遥感的跨越，突破了高分辨率大型可见光、红外、高光谱、SAR、高精度动态成像、高轨成像等关键技术，形成了陆地、气象、海洋等卫星遥感系统。当前，我国在轨光学卫星的空间分辨率达到0.5 米，雷达卫星的1 米，可以在2—3 天之内对国内任何区域进行有效的观测，极大地提高了对地观测能力，并被广泛用于大尺度的灾害防治。

（二）无人机遥感技术 近年来无人飞行器技术不断进步，使得无人机成为稳定可靠的遥感传感器搭载平台，进而衍生出无人机遥感技术。无人机遥感技术能够灵活地搭载各种传感器，能够快速地获取资源、环境、灾害等各类遥感图像，并通过相应的算法来进行数据的分析和应用，它在云下作业、机动灵活、应急调度、高精度数据获取等方面有着独特的优势，能够解决卫星遥感受到云层影响较大、数据获取时效性难以保证、任务定制成本较高等问题，并且两者相互配合，能够更有效地实现下垫面多维信息获取和灾害应急监测。我国的轻、小型、尤其是消费级无人机技术水平在国际上处于领先地位，拥有了大疆等知名品牌，在国际上的市场占有率达到了70%。随着导航、操控、电池、材料等技术的发展，轻型、微型无人驾驶飞机的成本大幅下降，操作更加简单，携带和使用更加方便。目前，航空相机、照相机、红外相机、多光谱相机、倾斜相机、激光雷达等车载设备正以迅猛的速度向微型化方向发展，并可通过无人机携带多种灾害信息。[13-15]无人机遥感技术已成为灾害应急监测的重要手段。

二、空间遥感大数据在防灾减灾方面的应用

在防灾减灾领域，空间遥感大数据能够充分发挥其数据特性。一方面，从基本特点来看，大数据的规模大、类型多、变化迅速，防灾减灾对矢量、影像、地面采样、灾情、降水、温度等数据以及传感数据、地理数据等的实时、可靠的空间遥感大数据有着迫切的需求。[16-17]另一方面，在技术处理方面，空间遥感大数据与普通的大数据具有相同的要求，比如统计思维（异常分析）、精确气象预报、灾情分析、损失评估分析以及风险评估等。[18]空间遥感大数据既包含地理信息，又包含高维光谱信息和高分辨信息。所以，空间遥感信息具有信息量丰富、覆盖面大、实时性和现实性强、获取速度快、周期短、可靠准确性以及省时、省力、成本低等优势，它十分适合于防灾减灾领域。

（一）空间遥感大数据在洪涝灾害中的应用 我国地处东亚大陆，受东亚季风和南亚季风带来的大量水汽影响，是世界上洪涝灾害最严重的国家之一。根据《中国水旱灾害防御公报2019》的数据，每年由于洪水造成的直接经济损失高达1500 亿元。[19]洪涝灾害发生后，遥感大数据可以对灾害发生区域进行大范围的扫描监测，通过遥感手段可以获取洪水的范围、淹没的面积、水量水深以及承灾体的影响评估等。因此，遥感技术可为洪涝灾害的监测和评估提供重要的信息。

（二）空间遥感大数据在台风灾害中的应用 我国沿海地区每年都要面对台风直接登陆的威胁，台风过境时无论是中心城市还是边缘地区的高楼民居，以及更外范围的山区都会遭受重大灾害。例如2017 年台风天鸽登陆珠海，造成24 人死亡和400 多亿元的经济损失，2018 年台风山竹登陆台山，造成6人死亡和52 亿元经济损失，可见台风造成的灾害程度不容忽视。遥感技术可以获得台风肆虐的区域图像、自然环境状况、各种资源分布情况等信息，并将获得的空间信息进行处理后，建立三维立体模型，并将其应用到各种分析的应用技术中。台风监测的传统方法利用该平台，结合无人驾驶飞机在低空的实时观测，能够在区域尺度上对台风进行精细的预报。

（三）空间遥感大数据在干旱灾害中的应用 干旱也是自然灾害中不可避免的一种，在我国干旱地区占比不小，而季节性干旱更是每年都有，需要认真对待方可减少损失。[20]卫星遥感所带来的前所未有的地表特征覆盖，为区域乃至全球尺度下的地面状况监测提供了独特的数据来源，使得基于气象、通量等数据的局地单个旱情监测向基于多源遥感数据的大范围空间旱情监测进行转变。近年来，随着遥感技术的发展，不同卫星平台、不同类型的观测资料（包括光谱扫描仪、微波散射仪、专题成像仪等）、不同时间和空间分辨率的遥感资料在旱情监测中得到了广泛的应用。

（四）空间遥感大数据在地震灾害中的应用 地震灾害涉及地球的构造运动，造成的灾害严重时可永久改变地貌特征。我国有大面积的国土处于地震带范围内，近几年受地震灾害影响严重。面对此类自然灾害，人们首先想到的是如何预报地震区域、级别及时间信息，但截至目前，人类对地震预报的提前量不足，效果接近于零，所以人们关注重心是建防震建筑，减少地震灾害带来的损失。利用空间遥感大数据，在应用生命探测仪的基础上，在灾后救援中可以精确定位，查找生命，及时救助，保证用最短时间救治最多被困者及其生命和财产。

（五）空间遥感大数据在森林草原火灾中的应用森林草原火灾突发性极强。发生后火情蔓延迅速，若不加以干涉，将造成极大的危害，是世界八大主要自然灾害之一。森林草原火灾除了破坏林草资源和生态环境外，还会造成环境污染、危害人民生命财产安全，这也是我们国家必须高度重视的一种灾害。林火监测是指以卫星为载体，利用敏感探测器探测到林火，并对林火进行实时监控的一种空间遥感技术。利用目标在一定温度以上时，会持续释放出红外线能量的特点，本项目拟利用卫星搭载的高分辨辐射仪，在数百千米的高度，在大气层内对地表进行高精度的观测，实现对地表目标的热能探测。森林火灾的热辐射温度一般为900 K，而森林植被表面温度却只有300 K，两者之间存在着很大的反差。该波段可被星载遥感器中红外波段探测，可有效获取热区信息，从而实现对林火的遥感监测。

三、遥感大数据在防灾减灾应用中面临的挑战

各类自然灾害时有发生，人们在日常生活工作中要有预防意识，时刻学习正确的应对措施，同时不可造谣传谣。相关的政府部门和工作人员也要有相关的专业知识和警惕意识，灾害前要应用现有科学技术科学防护，合理安排，正常规避，灾害发生后要综合利用各类技术手段和物资资源开展救灾工作，最大限度抢救人民的生命与财产。本文系统的综述了遥感大数据在防灾减灾方面的应用和成果，但依然面临不少挑战：

（一）遥感大数据实时处理效率不高 在重大灾害发生之后，尽快获得灾区的精确灾情信息是当务之急。因此，必须加强遥感大数据实时处理的能力，从而可以第一时间利用遥感大数据提供实时，准确、丰富的灾害信息。传统的遥感图像处理方法耗时长、效率低，很难适应突发事件的快速监测和应急反应需要。今后，需要利用先进的计算技术，研究遥感图像处理和多源数据融合的有效算法。随着深度学习等人工智能技术的迅速发展，它还将促进对遥感数据信息进行深层次挖掘、对自然灾害信息进行智能化提取，从而进一步提高数据处理的效率和质量，为防灾减灾提供及时、准确的技术支持。

（二）遥感大数据专业人才缺失 在全球气候变化大背景下，自然灾害的发生频率逐年上升。遥感大数据应用是国家战略新兴学科，是国家中长期科技发展规划纲要的重要方向之一。遥感科学与技术由于其技术的专业性、扩展性和应用的广泛性，对专业从事防灾减灾领域的人才有较强的综合性背景要求和数量需求。因此，迫切需要加强遥感大数据专业人才的培养。

结语

面对全球自然灾害频发的局势，遥感大数据的应用可以有效为政府在防灾减灾工作中的决策提供数据基础。同时，遥感大数据的学科发展和防灾减灾领域的应用都离不开国家的政策扶持与人才培养。相关政府部门及工作人员也应提高警惕与专业知识学习，多方合力才能更好地助力并实现防灾减灾工作的科学合理，保障人民的生命安全和财产安全。