遥感技术在抗震及灾后恢复重建中的应用

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1、交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料遥感技术在抗震及灾后恢复重建中的应用张 勇 （交通运输部科学研究院 交通遥感应用技术实验室）0 引言“5.12”汶川特大地震发生后，遥感技术应用于灾情监测和评估，为抗震救灾决策指挥和方案制定提供有力的技术支撑。从中央首长、各级抗震救灾工作组，到新闻媒体解说员，手里或案头都能看到遥感影像的影子，甚至在街头巷尾百姓的热议中都能听到关于遥感技术的声音。遥感技术在抗震减灾中的作用，得到了全国人民的认同。遥感技术的应用研发也成为震后国家和行业科技支持的重点。在2009年西部交通建设科技项目“抗震救灾重大科技专项”支持的11个项目中，都或多或少地计划应用遥感技术解决一

2、些关键技术问题。作为该专项项目之一的“重大公路灾害遥感监测与评估技术研究”重点针对利用遥感技术进行监测和评估过程中涉及的数据保障、数据处理和信息提取等环节的关键技术问题进行研发和软件编制。本材料重点以遥感技术与交通基础设施抗震减灾的应用需求获取情况进行介绍，提交大会进行交流。1. 遥感技术简介作为21世纪国家重点发展的高新技术 21世纪高新技术包括：信息技术、生物技术、新材料技术、空间技术（航天技术）、自动化技术、激光技术、海洋技术、新能源技术、先进制造技术等9大技术，其中空间技术包括遥感技术。之一，遥感技术是于20世纪六十年代迅速发展起来的一门综合性探测技术。它建立在现代物理学（如光学技术、

3、红外技术、微波技术、雷达技术、激光技术等）、电子计算机技术、数学方法和地学规律等基础之上。遥感一词来自英语 Remote Sensing，即“遥远的感知”。广义理解，泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波（声波、地震波）等的探测。狭义理解，是应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。其中的电磁波包括紫外线、短波红外、红外线、可见光、微波等。其要素包括平台(飞机、飞船、飞艇、卫星)、传感器、电磁波、接收机、存储和处理设备（计算机系统）、分析处理软件等。1.1 遥感的类型（1）按平台划分为：地面遥感：

4、传感器设置在地面平台上，如车载、船载、手提、固定或活动高架平台等；航空遥感：传感器设置于航空器上，主要是飞机、汽球等；航天遥感：传感器设置于环地球的航天器上，如人造地球卫星、航天飞机、空间站、火箭等；航宇遥感：传感器设置于星际飞船上，指对地月系统外的目标的探测。 （2）按传感器的探测波分为：紫外遥感：波段在0.050.38mm之间；可见光遥感：波段在0.380.76mm之间；红外遥感：波段在0.761000mm 之间；微波遥感：波段在 lmm10m之间；多波段遥感：波段在可见光波段和红外波段范围内，再分成若干窄波段来探测目标。高光谱遥感：波段在可见光波段和红外波段范围内，再分成若干连续窄波段来

5、探测目标。 （3）按工作方式分为主动遥感和被动遥感：主动遥感由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的后向散射信号；被动遥感的传感器不向目标发射电磁波，仅被动接收目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量。成像遥感与非成像遥感：前者传感器接收的目标电磁辐射信号可转换成数字或模拟图像；后者传感器接收的目标电磁辐射信号不能形成图像。 （4）按应用领域分为从大的研究领域可分为：外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等； 从具体应用领域可分为：资源遥感、环境遥感、交通遥感、农业遥感、林业遥感、渔业遥感、地质遥感、水文遥感、城市遥感、工程遥感及灾害遥感、军事遥感等，还可以划分为更细的研究对象进行各种

6、专题应用。1.2 遥感技术的特点综合来看，遥感技术的特点主要包括：探测范围广：由于遥感平台的高视角，不同平台上的传感器的单向扫描宽度多大几公里到几千公里；不同类型的传感器还能探测到人眼无法观测到的东西（人眼可视物属于可见光范畴，传感器使用电磁波范围更宽）；获取信息快：传感器获取的巨量信息人工调查无法比拟；动态监测：卫星绕地周期性旋转，可周期性地动态监测地物的变化；信息客观、准确：传感器获取的信息，直接来自目标，不会出现人工调查的主观因素干扰的情况；几乎不受环境约束：除天气原因外，传感器探测目标的能力基本不受其他因素的约束。1.3 典型遥感卫星影像及其应用（1）气象卫星及其应用气象卫星顾名思义主

7、要用于气象监测预报的卫星。按轨道不同分为太阳同步气象卫星和地球同步气象卫星两类。太阳同步气象卫星又称极轨卫星，此类卫星的轨道经过地球的两极，每天定时飞经同一地区上空两次，可获取两次观测资料。此类卫星以美国NOAA卫星（双星运行，每天可获四次观测资料）和我国的风云系列卫星为代表。地球同步气象卫星又称静止卫星，此类卫星在地球赤道上空约3600km高度运行，能观测地球1/4的区域，每隔二十分钟可获得一次观测资料，我国的风云二号卫星属于此类。到目前为止，美国，前苏联，日本，欧洲空间局，中国，印度等共发射了数百颗气象卫星。气象卫星分辨率低，一般都在几公里。中国风云系列气象卫星地面空间分辨率为1.25-5

8、km，对地面同一地点的重访周期为30分钟。主要用于气象预报、大气污染、沙尘暴、大雾、冰雪覆盖、大范围火灾等宏观范围的监测，是我国目前气象预报的必要手段。（2）资源卫星及其应用资源卫星是勘测和研究地球自然资源的卫星。它能“看透”地层，发现人们肉眼看不到的地下矿藏、历史古迹、地层结构，能普查农作物、森林、海洋、空气等资源，能预报和鉴别农作物的收成，考察和预报各种严重的自然灾害。资源卫星一般采用太阳同步轨道运行。资源卫星分两类：陆地资源卫星和海洋资源卫星。陆地资源卫星以陆地勘测为主;海洋资源卫星主要是用途是寻找海洋资源,在各种天气里观察海水特征，测绘航线，录找鱼群，测量海浪、海风等，还可以观测海水光

9、学特性，叶绿素浓度、海表温度、悬浮泥沙含量、可溶有机物、污染物等。资源卫星的地面空间分辨率从0.4米1000米，对地面同一地点的重访周期从半天几十天；成像传感器有光学和雷达两大类。当前，民用商业化的资源卫星分辨率已经达到分米级；机载航空遥感影像分辨率已经达到厘米级，对于灾害监测已经可以做到非常精准的识别。地震灾害的监测主要使用高分辨率的资源遥感卫星获取的遥感影像。（3）中国已经拥有的遥感卫星目前，中国已经拥有的遥感卫星包括：风云系列气象卫星：FY-1,2,3，累计发射7颗，分辨率从1km-5km；中巴资源卫星：CERBES-02,02B,空间分辨率分别为19.5m，2.36m；海洋卫星：HY-

10、1B, 空间分辨率可见光250m,热红外1.1km北京一号卫星: 空间分辨率光学全色4m，多光谱32m遥感系列卫星：空间分辨率雷达1.5m-5m，光学1-3m环境一号卫星(2+1)：空间分辨率光学30m,雷达15m, 主要用于生态环境和灾害大范围、全天候动态监测，为紧急救援、灾后救助和重建工作提供科学依据。2. 交通基础设施在遥感影像中的表现公路交通基础设施主要包括路段本身、桥梁、隧道、收费站、服务区等。除隧道属于埋在地下或山体里面，遥感影像无法反映外，其他裸露在地表的都可以在遥感影像中得到不同程度的表现。遥感影像分辨率越高，则对交通基础设施细节体现的越清晰、完整。公路在遥感影像上表现为线状信

11、息，与河流的区别在于其整齐均匀性；桥梁表现为跨越河谷的较短构筑物形态；收费站变现为覆盖在道路上，具有分车道特征的构筑物；服务区主要表现为宽阔的高速公路侧、有一定空阔地和构筑物设施。道路图1 LandSat5 TM（空间分辨率：30米）中高速公路的影像道路图2 LandSat7 ETM融合影像（空间分辨率：15米）中的二级公路图3 SPOT5影像(空间分辨率：2.5米)影像中的道路（右图为放大效果）图4 QuickBird影像(空间分辨率：0.61米)影像中的道路FW2影像（8米）中的桥梁CBERS02b影像（2.36米）中的桥梁遥感系列影像（1米）中的桥梁Geoeye影像（0.5米）中的桥梁图

12、5 几种典型遥感影像中的桥梁特征图6 高分辨率遥感影像中的收费站通过试验分析，1-5米空间分辨率且具有多光谱的遥感影像数据是进行公路地震灾害检测的最佳遥感影像源。对于目前国内的民用遥感卫星而言，CEBRS02B卫星以及北京一号卫星的遥感影像数据能一定程度用于公路地震灾害监测。3. 遥感技术在地震灾害监测中的应用3.1遥感技术应用于地震灾害监测的发展历程 遥感技术应用到地震灾害信息的获取最早开始于国外。早在1906年G.R.劳伦斯利用风筝成功拍摄美国旧金山83级地震的震后灾情，标志着人类利用遥感技术记录地震灾害信息的开始。2O世纪6O年代在日本、美国、加拿大、印度、新西兰、泰国等国航空遥感被广泛

13、的应用于地震灾害调查中。航天遥感以前因为分辨率等各种原因很少直接用于地震灾害调查中。但是随着遥感技术的发展，2O世纪9O年代以来，特别是IRS、IK0NOS、Quickbird和OrbView等高分辨率商业卫星的发射，利用航天遥感影像提取震害信息变的更为符合现实要求，卫星遥感技术才被逐步应用于地震灾害的分析。1966年开始，中国科学院和地震部门应用航空遥感技术对邢台、海城、唐山等地震进行灾情调查，直到90年代地震灾害调查一直以航空遥感为主；1998年开始，我国有关学者才开始使用卫星遥感技术进行震害调查和评估，21世纪后，我国利用卫星遥感进行地震灾害监测才进入实用阶段。“5.12”汶川地震后，利

14、用卫星遥感技术进行震害监测得到大规模应用；“4.14”玉树地震后，利用遥感技术进行震害监测的进行了更加有序和成熟的阶段。3.2“5.12”地震遥感技术发挥的作用 “5.12”地震发生后，国内外拥有遥感数据获取手段的机构和单位纷纷调动资源，或奔赴灾区利用飞机进行现场对地观测，或调整卫星姿态对地观测，积极获取灾后遥感影像数据；各行业有遥感分析能力的单位也积极行动，主动寻找遥感数据资源，进行灾区房屋倒塌、交通设施损毁、次生地质灾害发育、植被破坏、农田损毁、堰塞湖形成及变化等的分析和监测，为各级各部门抗震救灾应急指挥和科学决策提供有力的技术支持，发挥了极其重要的作用。交通运输部科学研究院在灾后第一时间

15、，积极准备遥感灾害监测的相关工作，并及时报告交通运输部，协调落实相关数据，组织人员开展公路损毁监测工作，并及时将监测成果送往公路司和应急抢通前线指挥部。监测工作持续1个月，上报监测快报共计17期，监测重灾区公路里程共计847公里，发现路段损毁267处，总长90496米，为交通应急抢通提供了及时的决策支持信息。2010年4月14日，青海玉树发生7.1级地震后，交通运输部科学研究院科研人员利用我国遥感系列卫星数据对玉树县城周边的公路进行监测，分析了214国道玉树县城南部阻断道路的4处崩滑体，总长度约730米，对道路的影响仅是覆盖阻断，进行简单清理即可通行。4. 遥感技术对交通抗震减灾的作用4.1交

16、通抗震减灾的信息需求根据工作特点，交通抗震减灾可分为应急和灾后重建两个阶段。（1）应急阶段尽快打通通往灾区的道路是应急阶段交通抢通的主要任务，因此，寻找抢通工作量最小的线路是决策指挥人员的第一需求。这就需要决策指挥人员迅速掌握所有通往重灾区的交通线路的畅通情况，找出损毁最小、抢通最快线路；同时为了保证抢通道路的畅通，还需要及时了解保通线路沿线危险源及其危险程度，以进行及时处置。（2）灾后重建阶段灾后重建阶段的主要任务是在合理性价比的基础上，选择最佳的线路进行道路重建。因此，道路设计人员需要全面掌握重建工程沿线地形、地貌、地质及次生灾害发育情况;对于线路无法避开的危险源，及时掌握工程沿线危险源的

17、动态变化，以采取有效措施规避危险源带来的潜在风险。4.2遥感在交通抗震减灾中能够提供的信息遥感技术为交通抗震减灾的上述两阶段都可以提供有用的信息。（1）应急阶段利用震后高分辨率遥感影像，通过分析，监测灾区交通基础设施受损情况：公路被阻断、掩埋、淹没、冲毁、塌陷，桥梁垮塌、落梁等情况，确定灾害体的范围、位置，量算被毁路段的长度等。通过对每条道路的损毁情况的总体分析，可以初步判断损毁程度最小、最易抢通的线路，为应急抢通决策指挥提供辅助信息支持。（2）灾后重建阶段利用震后高分辨率遥感影像，通过分析，可以调查重建工程沿线的地形、地貌、地质及次生灾害发育情况，制作设计用的地质图、土地利用图、数字高程模型

18、图（DEM）、坡度图、坡向图等，为公路设计提供基础资料;还可以通过将DEM与遥感影像、公路设计矢量图进行叠加，虚拟出公路施工后的效果图，计算公路施工的挖填方量等信息，大大减少人工地面调查的工作量，减少人员因外业作业而遭遇的危险性。利用多期高分辨率雷达遥感影像，利用干涉测量的原理，进行计算和分析，可以动态监测工程沿线地表微小形变的演变趋势，有助于地质灾害的风险预测。4.3对于省道S303映卧段和映汶高速公路的监测计划省道S303映卧段和映汶高速公路是灾后重建的两段重要公路，由于沿线震害发育，在很大程度上依然对公路的施工和保通有着严重影响，常规手段很难满足其监测要求。“重大公路灾害遥感监测与评估技

19、术研究”项目结合工程特点，拟对一些重要路段工点进行遥感监测，解决施工中的实际问题。拟监测点包括：映卧路S303计划重点监测3个点K34+000500段的崩滑体K6+000瀑布山庄泥石流沟K13+500紫金隧道入口山顶部崩塌源映汶高速公路计划重点监测3个点枫香树沟：隧道口中央断裂泥石流沟桃关1号隧道南进口：山顶崩塌和大型堆积体K15高家沟福堂隧道：既有崩塌又有泥石流5. 有关建议综合考虑交通行业的发展要求和对遥感技术的应用需求，提出以下建议：（1）随着遥感技术分辨率的迅速提高，其应用价值将不仅体现在交通应急抢险救灾时，而且在交通规划、选线、环境监测、基础设施管理、缓解城市交通拥堵等方面也具有广阔

20、的应用前景，不久的将来，遥感技术必将进入交通的业务领域，应该从行业角度重视交通遥感技术的研发、应用和人才储备；（2）交通遥感技术的应用需要稳定的遥感数据来源作保障，否则将陷入“巧妇难为无米之炊”的困境。因此，急需建立由交通运输部组织协调的遥感数据应急保障机制；（3）将遥感技术作为交通应急救灾的重要手段之一，建立交通行业遥感应急减灾中心，配备交通遥感应急减灾装备，研发相关技术。（4）遥感技术的应用，必须有交通基础空间信息作支撑。急需整合建立道路交通基础数据库，适当开放当前1：5万公路网数据库的使用，特别是对于重大以上灾害监测的应用和研究对数据的使用。（5）发达国家已经应用高分辨率遥感技术实现交通基础设施空间信息精细化管理，在接受高分遥感技术优势的同时，也需要同步接受高分辨率遥感影像价格较贵的现实（实际上与依靠人工调查成本相比，遥感技术的性价比更高），在工程费用中留出适当比例的费用用于精细化管理手段的建设。10