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摘要：

近年來在氣象災(zāi)害和衍生災(zāi)害的業(yè)務(wù)監(jiān)測中，高分辨率衛(wèi)星遙感影像和雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)的作用越來越重要。雖然中國的環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星和資源衛(wèi)星已在業(yè)務(wù)中得到應(yīng)用，但是仍不能滿足對高分辨率衛(wèi)星影像和雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)的需求。國際減災(zāi)憲章機制（Charter機制）是目前運行最成功的政府間減災(zāi)機制之一，通過授權(quán)用戶向遭受災(zāi)害的地區(qū)無償提供及時的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，用于災(zāi)害的監(jiān)測和評估。中國氣象局作為中國的授權(quán)用戶，已啟動兩次針對氣象災(zāi)害的Charter機制，通過獲取各類高分辨光學(xué)影像和雷達衛(wèi)星影像分別對2010年8月7日甘肅舟曲泥石流災(zāi)害和2013年8月東北洪澇災(zāi)害的監(jiān)測顯示，國際減災(zāi)憲章提供的高分辨率衛(wèi)星影像是對中國氣象衛(wèi)星及陸地觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測氣象災(zāi)害和衍生災(zāi)害的有效補充，在業(yè)務(wù)應(yīng)用中起到了重要的作用。

關(guān)鍵詞：

氣象災(zāi)害，Charter機制，衛(wèi)星遙感，業(yè)務(wù)應(yīng)用

引言

中國是世界上自然災(zāi)害發(fā)生頻繁、災(zāi)害種類多樣的國家之一，其中氣象災(zāi)害是自然災(zāi)害中最為頻繁而又嚴重的災(zāi)害之一[1]。氣象災(zāi)害及其衍生災(zāi)害直接或間接對人民生命和財產(chǎn)安全、國民經(jīng)濟造成極大的損失。而且，隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，氣象災(zāi)害造成的損失也呈現(xiàn)上升的趨勢，直接影響中國社會和經(jīng)濟的發(fā)展。隨著中國氣象衛(wèi)星事業(yè)的不斷發(fā)展，風(fēng)云氣象衛(wèi)星在氣象災(zāi)害的業(yè)務(wù)監(jiān)測中發(fā)揮了重大作用。風(fēng)云氣象衛(wèi)星作為中等空間分辨率的衛(wèi)星，針對一些重大災(zāi)害的監(jiān)測和評估，仍有一定的局限性。例如，氣象衛(wèi)星和陸地觀測衛(wèi)星等光學(xué)衛(wèi)星在有云層的遮擋時，對地表的監(jiān)測能力不足；氣象衛(wèi)星的空間分辨率在一些局地重大災(zāi)害的監(jiān)測和評估中仍顯不足；陸地觀測衛(wèi)星的分辨率尚無優(yōu)于1m的民用衛(wèi)星數(shù)據(jù)，無法提供更豐富的細節(jié)信息。近年來，業(yè)務(wù)監(jiān)測中高分辨衛(wèi)星影像，特別是雷達衛(wèi)星影像日趨重要，盡管中國的環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星和資源衛(wèi)星已在業(yè)務(wù)中得到不斷應(yīng)用，但仍不能滿足重大氣象災(zāi)害業(yè)務(wù)監(jiān)測的需求。作為“空間與重大災(zāi)害”國際憲章（Charter）成員國的授權(quán)用戶，近年來中國氣象局針對重大氣象災(zāi)害啟動了兩次國際憲章機制（Charter機制），獲取的高分辨率衛(wèi)星影像和雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)在減災(zāi)評估中起到了重要的作用。本文針對中國氣象局針對重大氣象災(zāi)害及其衍生災(zāi)害監(jiān)測中啟動的這兩次國際減災(zāi)憲章機制，對國際減災(zāi)憲章機制做詳細介紹，重點介紹啟動的兩次Charter機制在氣象災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用，分析其在國家衛(wèi)星氣象中心氣象災(zāi)害業(yè)務(wù)監(jiān)測中的作用。

1Charter機制簡介

“空間與重大災(zāi)害”國際憲章（InternationalCharter“spaceandmajordisasters”，簡稱Charter），是目前影響最大的國際減災(zāi)機制之一，旨在通過授權(quán)用戶向遭受自然或人為災(zāi)害的地區(qū)提供統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)獲取和交付系統(tǒng)[2-4]。每個成員機構(gòu)都承諾提供資源支持憲章條款，并幫助減輕災(zāi)害對人類生命和財產(chǎn)的影響。國際憲章由歐洲空間局（ESA）和法國國家空間研究中心（CNES）在1999年7月于奧地利維也納UNISPACEⅢ大會后發(fā)起，加拿大空間局（CSA）于2000年10月20日簽署該憲章。2000年11月1日，該憲章正式宣布實施[2]。截止到2015年，共有15個航天或減災(zāi)機構(gòu)加入并提供衛(wèi)星應(yīng)急支持。中國國家航天局（CNSA）于2007年5月代表中國作為正式成員加入憲章，國家減災(zāi)委和中國氣象局為中國的授權(quán)用戶[5]。目前各成員機構(gòu)為Charter服務(wù)的衛(wèi)星資源數(shù)量達到60多顆，包括RADARSAT、SPOT、PLEIADES、Landsat、TerraSAR-X、ENVISAT、QuickBird、GeoEye、DMCConstellation等光學(xué)和雷達衛(wèi)星，其中也包括中國的風(fēng)云系列衛(wèi)星、CBERS、SJ-9A和高分一號衛(wèi)星。截止到2014年3月底，Charter已為世界范圍內(nèi)遭受洪災(zāi)、滑坡、泥石流、地震、森林火災(zāi)、颶風(fēng)等重大災(zāi)害的國家或地區(qū)提供了500次數(shù)據(jù)和技術(shù)支持，調(diào)動了60多顆衛(wèi)星資源，為110多個國家提供了20多萬景衛(wèi)星數(shù)據(jù)，為受災(zāi)國家和地區(qū)的減災(zāi)救災(zāi)及災(zāi)后重建提供了及時有效的人道主義援助。作為Charter中國的授權(quán)用戶，當中國遭遇重大氣象災(zāi)害，比如洪澇、泥石流等災(zāi)害，且中國氣象局啟動相應(yīng)災(zāi)害的二級及以上響應(yīng)時，就可以申請啟動國際減災(zāi)憲章，但當災(zāi)情嚴重時，并不局限于二級響應(yīng)。截止目前，由中國氣象局針對重大氣象災(zāi)害啟動的國際憲章有兩次，分別針對2010年8月的甘肅舟曲泥石流災(zāi)害（Call_321）、2013年8月的東北大范圍洪澇災(zāi)害（Call_447）。

2國際憲章數(shù)據(jù)優(yōu)勢

近年來中國氣象災(zāi)害頻發(fā)，風(fēng)云氣象衛(wèi)星在氣象災(zāi)害及其衍生害的監(jiān)測和評估方面發(fā)揮了巨大的作用，在業(yè)務(wù)運行中風(fēng)云衛(wèi)星在對暴雨、臺風(fēng)、雪災(zāi)、海冰等惡劣天氣的實時預(yù)報和監(jiān)測也為防災(zāi)減災(zāi)提供了重要的依據(jù)。風(fēng)云系列衛(wèi)星屬于中等空間分辨率的衛(wèi)星，其最高分辨率為250m，在監(jiān)測大范圍的自然災(zāi)害時具有一定的優(yōu)勢，當發(fā)生小范圍的重大自然災(zāi)害時，其空間分辨率并不能滿足業(yè)務(wù)需求，并且在有大量云覆蓋的情況下，光學(xué)衛(wèi)星并不能穿透云層。Charter機制成員機構(gòu)對授權(quán)用戶可提供數(shù)據(jù)服務(wù)的衛(wèi)星資源有45種（表1），不但衛(wèi)星數(shù)量多、傳感器種類豐富、空間分辨率多樣，而且不同衛(wèi)星也提供了較高的過境頻次，在災(zāi)害的監(jiān)測中具有一定的針對性和優(yōu)勢，特別是雷達衛(wèi)星能全天時、全天候工作并且能夠穿透云層，能彌補光學(xué)衛(wèi)星的不足。目前中國的民用雷達衛(wèi)星數(shù)量較少，Charter提供的雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)彌補了國內(nèi)雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)少、洪澇災(zāi)害監(jiān)測中獲取雷達數(shù)據(jù)不足的缺陷。此外，中國缺乏空間分辨率優(yōu)于1m的民用衛(wèi)星數(shù)據(jù)，而Charter提供的衛(wèi)星數(shù)據(jù)分辨率為亞米級，這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)為泥石流、地震等災(zāi)害的監(jiān)測提供了豐富的細節(jié)信息，在重大自然災(zāi)害監(jiān)測和評估中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

3兩次啟動Charter機制獲得的數(shù)據(jù)及在氣象災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用

3.12010年8月甘肅舟曲泥石流監(jiān)測

泥石流是氣象衍生災(zāi)害中的常見地質(zhì)災(zāi)害，其分布廣，危害大。目前對泥石流的監(jiān)測采用多種手段相結(jié)合，其中遙感影像解譯是業(yè)務(wù)監(jiān)測中的重要方法，高分辨率的衛(wèi)星影像和雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)為泥石流的監(jiān)測提供了重要的影像數(shù)據(jù)。2010年8月7日晚至8日凌晨，甘肅省舟曲縣強降雨引發(fā)泥石流災(zāi)害，對當?shù)卦斐芍卮髶p失。中國氣象局緊急啟動國際減災(zāi)憲章機制（Call_321），先后獲取了日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）提供的ALOS/AVNIR-2光學(xué)衛(wèi)星影像2景、ALOS/PALSAR雷達衛(wèi)星影像2景、法國國家空間研究中心（CNES）提供的SPOT-5高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像3景，加拿大空間局（CSA）提供的RADARSAT-2高分辨率雷達衛(wèi)星影像2景，用于此次由于強降雨引發(fā)的泥石流災(zāi)害的監(jiān)測和評估。由于氣象衛(wèi)星的空間分辨率不足，不能對泥石流災(zāi)害的滑坡體進行有效的監(jiān)測，而環(huán)境減災(zāi)星的空間分辨率（30m）也不足以監(jiān)測到滑坡體的細節(jié)信息，因而通過Charter獲取的10m分辨率的ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)和5m分辨率的SPOT-5衛(wèi)星數(shù)據(jù)在對滑坡體的監(jiān)測和災(zāi)害發(fā)生誘因的分析中起到了關(guān)鍵的作用。此外，由于持續(xù)的強降雨，災(zāi)害發(fā)生時光學(xué)衛(wèi)星不能穿透云層對下墊面進行監(jiān)測，通過Charter獲取的3m分辨率的Radarsat-2和12.5m分辨率的ALOS/PALSAR雷達衛(wèi)星影像彌補了這方面的不足，及時提供了災(zāi)害發(fā)生時的泥石流監(jiān)測信息，為救災(zāi)提供了重要的數(shù)據(jù)支持。利用空間分辨率為10m的日本ALOS衛(wèi)星2010年8月10日的AVNIR光學(xué)衛(wèi)星影像（圖1）對甘肅舟曲泥石流災(zāi)害的監(jiān)測分析表明，災(zāi)害發(fā)生后舟曲縣城北部三眼裕、羅家裕出現(xiàn)明顯的滑坡體信息。三眼裕的滑坡災(zāi)害最為嚴重，滑坡體將原來的植被及建筑全部掩埋，一直延伸到白龍江，同時，流經(jīng)舟曲縣城的白龍江水體信息有明顯增加，并延伸至沿岸的城區(qū)內(nèi)。定量計算顯示，三眼裕滑坡體長2km、寬150m，面積約0.24km2；羅家?；麦w面積約0.07km2。利用空間分辨率5m的法國SPOT-5光學(xué)衛(wèi)星2010年8月15日的影像數(shù)據(jù)，結(jié)合DEM高程數(shù)據(jù)分析顯示（圖2），舟曲縣城特大泥石流災(zāi)害的三眼峪和羅家峪泥石流來自于北部三眼峪集水區(qū)和羅家峪集水區(qū)，集水區(qū)地形和植被的共同作用是引發(fā)特大泥石流災(zāi)害的重要因素。三眼裕集水區(qū)呈現(xiàn)扇形漏斗狀，山頂最高處海拔約3700m，舟曲縣城海拔約1300m，兩條溝谷的匯合處約2000m，從山頂?shù)绤R合處的溝谷有數(shù)千米的落差，從山谷匯合處到縣城又有數(shù)百米的落差，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，三眼裕的集水區(qū)面積約20.5km2。利用空間分辨率5m的法國SPOT-5衛(wèi)星2008年7月1日的影像數(shù)據(jù)分析顯示，舟曲縣北部的山區(qū)前期的植被覆蓋較低，沿山脊的溝谷兩側(cè)多為裸露的褐色巖石和裸土，這是形成泥石流的重要因素。相比較，羅家峪溝的集水區(qū)面積經(jīng)為14.8km2，集水區(qū)面積、海拔落差、山脊植被裸露程度都輕于三眼峪溝。強降雨時，雨水沿多條溝澗直接瀉入山谷中的主溝槽，雨水攜帶沙石和裸土形成泥石流，在多條山谷的狹窄交匯處匯合，直接形成特大泥石流。因此，舟曲縣附近特殊的地形，如扇形集水區(qū)、漏斗狀山谷、巨大的海拔落差，以及植被覆蓋狀況和短時間內(nèi)集中的強降水是共同引起甘肅舟曲縣8月7日特大泥石流災(zāi)害的致災(zāi)因子。

3.22013年8月東北洪澇災(zāi)害監(jiān)測

2013年8月以來，中國東北地區(qū)的持續(xù)強降水造成嫩江、松花江和黑龍江流域發(fā)生自1998年以來的最大洪澇災(zāi)害。持續(xù)陰雨天氣使得利用風(fēng)云氣象光學(xué)衛(wèi)星難以及時監(jiān)測該地區(qū)的洪澇水體，急需能穿透云層、全天候、全天時工作的雷達衛(wèi)星影像對東北地區(qū)下墊面洪澇水體進行監(jiān)測服務(wù)。因而，8月16日中國氣象局啟動國際憲章（Call_447）申請獲取東北洪澇災(zāi)區(qū)的雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)，開展洪澇水體的監(jiān)測和評估。通過Charter機制獲取了東北災(zāi)區(qū)嫩江下游、吉林樺甸和黑龍江下游區(qū)域的數(shù)據(jù)，包括美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）提供的Landsat-8災(zāi)前和災(zāi)后光學(xué)影像、高分辨的WorldView-1、Quickbird遙感影像數(shù)據(jù)；德國航空航天中心（DLR）提供的嫩江下游、吉林樺甸和黑龍江下游TerraSAR-X災(zāi)后和災(zāi)前影像；加拿大空間局提供的嫩江下游、吉林樺甸和黑龍江下游洪澇災(zāi)區(qū)RADARSAT-2災(zāi)前和災(zāi)后影像；法國國家空間研究中心提供的洪澇災(zāi)區(qū)災(zāi)后SPOT-5光學(xué)影像；印度空間研究組織（ISRO）提供的洪澇災(zāi)區(qū)RISAT-1災(zāi)后雷達影像數(shù)據(jù)、Resourcesat-2Awifs光學(xué)影像；英國災(zāi)害監(jiān)測衛(wèi)星國際圖像公司（DMCii）提供的災(zāi)區(qū)災(zāi)后光學(xué)影像，共計1106景。國家衛(wèi)星氣象中心及時對從Charter獲取的各類衛(wèi)星和雷達影像數(shù)據(jù)進行了處理分析，對此次東北地區(qū)洪澇水體變化范圍進行了監(jiān)測分析，相關(guān)的監(jiān)測成果圖和分析報告報送至中國氣象局相關(guān)決策部門、以及黑龍江當?shù)氐南嚓P(guān)政府部門，為此次洪澇災(zāi)害的評估和救災(zāi)提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。此外，針對東北洪澇災(zāi)害啟動的Charter機制也得到了中國氣象報等相關(guān)媒體的陸續(xù)報道，同時國家衛(wèi)星氣象中心工作人員也參加了中國氣象頻道關(guān)于東北洪澇災(zāi)害監(jiān)測的專題節(jié)目，對此次洪澇與1998年的洪澇災(zāi)害進行了詳細的對比分析。

3.2.1雷達遙感監(jiān)測水體優(yōu)勢及方法

東北地區(qū)洪澇發(fā)生后，持續(xù)的降雨云團使得光學(xué)和紅外衛(wèi)星都無法穿透云層對東北地區(qū)的水體進行實時監(jiān)測，而合成孔徑雷達衛(wèi)星（SyntheticApertureRadar，SAR）作為一種主動式微波傳感器，具有全天候、全天時成像的特點，可以穿透云層對水體進行監(jiān)測（圖3）。SAR影像是目前監(jiān)測洪澇災(zāi)害最為有效的遙感技術(shù)，但是SAR數(shù)據(jù)并不容易獲取。SAR影像上，水體由于鏡面反射回波強度較小，在圖像上呈現(xiàn)出暗色或者黑色，而陸地的回波強度較大，呈現(xiàn)灰白色或者黑灰色，因而在SAR影像上水陸界限明顯，可以清晰的看到洪水淹沒范圍，利用SAR影像可以迅速有效地監(jiān)測洪澇災(zāi)害。利用SAR影像對洪澇災(zāi)害進行監(jiān)測時，首先對SAR影像進行幾何精校正，多采用多項式校正方法。Charter提供的數(shù)據(jù)都已進行了地理精校正，在應(yīng)用中可以忽略此步。其次，利用雷達衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的相關(guān)參數(shù)表，將影像亮度值轉(zhuǎn)為后向散射系數(shù)。第三，對SAR影像進行濾波。由于雷達發(fā)射的是純相干波，相干波照射地面產(chǎn)生衍射，地面目標上隨機散射面的散射信號與發(fā)射的相干信號之間的干涉作用會使圖像產(chǎn)生相干的斑點噪聲，嚴重影響圖像的質(zhì)量和使用。在消除斑點噪聲的同時還要保留圖像更多的銳度和細節(jié)，并增強水體信息，因而必須根據(jù)實際情況，選擇合適的濾波器對雷達影像進行濾波。實際應(yīng)用中，經(jīng)常采用基于局域統(tǒng)計特性的空域自適應(yīng)濾波方法，如Lee濾波、Sigma濾波等[6-8]，或者空域相干斑算法自適應(yīng)處理，如Kuan濾波、Frost濾波等[9-10]，在本次災(zāi)害監(jiān)測中對所獲取的雷達衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進行了Lee濾波。最后，利用濾波后的影像選擇合適的后向散射系數(shù)閾值提取影像中的水體。準確的后向散射系數(shù)閾值是提取水體精度的保證，在本次水體監(jiān)測應(yīng)用中，采用基于水體內(nèi)像元灰度特征值和水陸邊界像元點灰度值確定閾值的方法，這兩種方法也是經(jīng)過試驗表明最能反映真實水體邊界的方法，其誤差在±1%～±4%[11]，能夠滿足利用SAR影像監(jiān)測洪澇的需要。

3.2.2SAR影像監(jiān)測東北洪澇

利用2013年8月19日加拿大RADARSAT-2雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)與2013年6月17日的美國Landsat-8陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)對嫩江下游流域的水體變化的監(jiān)測顯示（圖4），嫩江下游和松花江西段的水體范圍與持續(xù)強降水前相比，水體范圍顯著增寬。嫩江下游河段水體最寬處達8km，是此次持續(xù)強降水前該處河段寬度的數(shù)十倍。嫩江下游區(qū)域多處出現(xiàn)大范圍新增水體，其中齊齊哈爾市新增水體面積約480km2、肇源縣約560km2、杜爾伯特蒙古族自治縣約1050km2、泰來縣約470km2。利用2013年8月21日空間分辨率12.5m的加拿大RADARSAT-2雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)和2013年7月23日空間分辨率30m的美國Landsat-8陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)對黑龍江及松花江下游綏濱縣、同江市水體變化的監(jiān)測顯示（圖5），8月21日黑龍江在綏濱縣、同江市河段的水體范圍較7月23日顯著增寬，黑龍江在綏濱、同江沿江地區(qū)形成了大范圍的洪澇積水，在俄羅斯境內(nèi)沿江區(qū)域也形成了嚴重的洪澇水體。與7月23日相比，松花江下游綏濱縣段有一處新增洪澇水體，綏濱縣境內(nèi)泛濫洪水面積約392km2，同江市境內(nèi)部分地區(qū)的泛濫水體面積約200km2。另外，黑龍江該處河段在俄羅斯境內(nèi)形成的泛濫水體約943km2。

4小結(jié)

作為中國在國際減災(zāi)憲章（Charter）的授權(quán)用戶，中國氣象局針對氣象災(zāi)害啟動的兩次Charter機制，通過獲取Charter成員機構(gòu)的高分辨光學(xué)影像和雷達衛(wèi)星影像分別對2010年8月7日甘肅舟曲泥石流災(zāi)害和2013年8月東北洪澇災(zāi)害進行了業(yè)務(wù)監(jiān)測服務(wù)，應(yīng)用實踐顯示國際減災(zāi)憲章提供的高分辨率衛(wèi)星影像和雷達衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)種類豐富、空間分辨率多樣、過境頻次高，并且具有特定的性能優(yōu)勢，彌補了中國民用雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)不足，亞米級高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)不足的缺陷。相關(guān)數(shù)據(jù)與中國衛(wèi)星互補，對氣象衛(wèi)星監(jiān)測氣象災(zāi)害和衍生災(zāi)害起到重要的補充作用，并且有效提高了災(zāi)害監(jiān)測的頻次和范圍，在業(yè)務(wù)應(yīng)用中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為決策服務(wù)部門和相關(guān)各級部門的災(zāi)害評估、防災(zāi)救災(zāi)等提供了及時、準確、可靠的信息。根據(jù)Charter機制預(yù)案[12]，除洪澇、泥石流等對高分辨率衛(wèi)星資料需求迫切的自然災(zāi)害之外，該機制還能夠應(yīng)用于地震、火災(zāi)、雪災(zāi)、海冰等其他各類自然災(zāi)害。我國是一個自然災(zāi)害頻發(fā)的國家，上述災(zāi)種在我國均可能會出現(xiàn)，因此，在可預(yù)見的未來，Charter機制將是我國防災(zāi)減災(zāi)的重要手段之一。

參考文獻

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作者：高浩 武勝利 趙長海 方翔 劉誠 單位：國家衛(wèi)星氣象中心