螺旋藻排毒原理:抗震救灾中的外国遥感群星

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抗震救灾中的外国遥感群星
庞之浩
在汶川大地震发生后1小时内，我国按照《空间和重大灾害国际宪章》紧急启动了相应的国际减灾合作机制(CHARTER机制)(《空间和重大灾害国际宪章》是由欧洲航天局和加拿大航天局发起建立的减灾合作机制，我国于2007年5月24日正式加入该组织)，向其所属的欧洲航天局、美国地质调查局、加拿大航天局、日本宇宙航空研究开发机构、印度空间研究组织等11个主要航天机构的20颗遥感卫星提出卫星数据观测申请，为中国提供灾区图片。此后，我国先后获得了日本“先进陆地观测卫星”(ALOS，雷达成像资源卫星)，美国“陆地卫星-7”(LAN DSAT-7，光学成像资源卫星)，加拿大“雷达卫星-1”(RADARSAT-1，雷达成像资源卫星)，法国“斯波特-5”(SPOT-5，光学成像资源卫星)，美国“快鸟-2”(Quickbird-2)、“全球观测-1”(WorldView-1)小型高分辨率遥感卫星，“印度遥感卫星-5”(IRS-P5，光学成像测绘卫星)，意大利“地中海盆地小卫星观测星座”(COSMO SKYMED，军民两用雷达成像卫星)，德国“陆地合成孔径雷达-X”(TerraSAR-X，军民两用雷达成像卫星)，以色列“地球资源卫星系统-B”(EROS-B)等卫星的数据。而且除了参加了国际减灾合作机制的国家外，许多没有参加该组织的航天机构也热情地提供了卫星成像支援。根据统计，在已经取得的13颗境外卫星的影像资料中，有7颗来自于国际减灾合作机制，剩余都来自于相关机构的无偿捐助。之所以要调用这么多卫星，除每个国家的卫星在技术上各有特色、可以相互取长补短外，还有一个重要原因是，任何非静止轨道卫星在经过特定目标上空时都有定的周期，在灾难发生的时候，很多卫星可能不在灾区上空，即使在灾区上空，也可能没有提前安排拍摄活动，即便进行了拍摄，在一定分辨率要求下也可能只拍摄了局部地区，此外在云雨天气时，光学成像卫星无法有效拍摄。因此要想实时获取灾区现场尽可能详尽的资料，就必须更多地协调国内和国际间的卫星资源。
此次国外遥感卫星对抗震救灾的支援体现出以下三个特点：其一，卫星的数量多、种类全、性能高，其二，有众多雷达成像卫星系统参与对灾区的大面积、高分辨率和近实时性的监测，如意大利“地中海盆地小卫星观测星座”、加拿大“雷达卫星-1”、日本“先进陆地观测卫星”等：其三，有多颗军民两用卫星参与灾情监测，其分辨率较高，提供了很多有参考价值的信息。
日本ALOS卫星
日本ALOS卫星载有3个高性能的遥感器，其中全色立体测绘遥感器(PRISM)空间分辨率为2.5米，“先进可见光与近红外辐射计-2”(AVNIR-2)的多光谱图像分辨率为10米；其L波段相控阵合成孔径雷达(PALSAR)有3种工作模式：高分辨率模式、扫描模式和低数据率模式，其最高分辨率达到7米，可不受天气和昼夜变化的影响进行灾情观测。
5月13日14时，日本宇宙航空研究开发机构向中国国家减灾中心卫星遥感部提供了由ALOS卫星拍摄到的4景受灾地区雷达卫星遥感图片，其中2景编程，2景存档，它们是灾后通过国际合作首次获得的灾区大尺度卫星遥感图，有助于中国了解灾区出现的大范围地质灾害。但由于时间仓促，该卫星PALSAR以扫描模式拍摄的影像分辨率只有100米，难以有效的提取重要目标信息，无法从中准确识别居民地、道路、桥梁等目标，数据使用效果受到制约，为此，日本承诺提供其最高精度的雷达成像照片。
5月14日，ALOS监测到茂县地区倒房情况，通过与震前光学影像的对比，发现该地区的倒房状况非常严重；茂县地区道路上的滑坡泥石流灾情非常严重。
5月18日，ALOS监测到，在北川县图示范围内，白什羌族藏族乡镇附近出现大片滑坡、泥石流区域，造成河流阻塞，在湔江治新村段，有多处出现大片滑坡、泥石流，致使湔江多处堵塞，沿江道路和省道万阿线在该处受损：涪江南坝镇段，旧洲村、磨湾、落河街，柏林里沙湾。岩埂子等村的沿江地区出现十几处滑坡，同时滑坡体堵塞河道形成堰塞湖；大康镇任家坝的倒房率在20％～40％，旧县村的倒房率在20％以下。省道南遂线任家坝段部分路段遭到严重损毁，给灾害救助带来了严重影响。
加拿大RADARSAT-1卫星
1995年11月14日升空的RADARSAT-1是世界上第1颗投入商业应用的雷达遥感卫星。星上载有的合成孔径雷达是一种单极化、多模态的合成孔径雷达。它工作在C频段，发射和接收极化均为水平方式，并有5种工作模式，其中标准模式成像的分辨率为25米，幅宽100千米；宽幅成像分辨率为32～48米，幅宽150～165千米，精分辨率成像分辨率可达10米：扫描成像能将幅宽扩大到510千米。可通过地面指令改变卫星的扫描幅宽(5种，从45～500千米)和分辨率(从10～100米)来满足用户的不同需要。
2008年5月17日19时，加拿大RADARSAT-1监测到北川县漩坪羌族乡堰塞湖面积较14日明显增大，羌族乡几乎全部受淹，湖面面积现在为1.4平方平方千米，比5月14日增加了0.4平方千米。滑坡形成的堤坝已出现松动，下游已有少量流水。随着前几日湔江上游大量降雨，震区温度将升高，上游高山雪水融化，滑坡点下游湔江沿岸居民地遭受洪涝灾害的风险增大。由于该处滑坡点距离北川县城不到5千米，北川县城遭受洪涝灾害风险很大。
法国SPOT-5卫星
SPOT-5发射重量3030千克，是“斯波特”系列地球观测系统的最后1颗卫星，性能也最先进，主要任务是监测海上浮游生物和地球表面森林植被的变化，为全世界用户提供地球表面情况的高清晰度立体图像。使用该卫星可以获得从不同角度拍摄同一地区，并绘制成该地区的三维数字模型图像的能力。卫星多光谱谱段的分辨率为10米，中红外谱段分辨率为20米，立体全色的分辨率2米。其高分辨率的全色谱段图像非常适于详细的肉眼判读，近红外谱段图像则适用于灾害与危机监测。
2008年5月15日10时，SPOT-5卫星拍摄的卫星图像显示，彭州市、什邡市茶坪山东南麓中部地区乡镇倒房程度较重，彭州市政府所在地北部地区、什邡市政府所在地西部地区倒房程度中等，两市政府所在地周边及南部、东部地区倒房程度较轻；都江堰市区房屋倒房率约20％以上。
5月16日，SPOT-5用全色和多光谱融合影像监测的结果是：江油市北城乡、平武县平通镇出现多处滑坡：通口镇宋家湾、含增镇斜台子出现多处滑坡。
5月18日，SPOT-5监测到平通镇的太平坝、棉角村、船头河出现多处滑坡，造成省道南遂线部分路段严重损坏，同时滑坡体堵塞河道形成堰塞湖，加之近日降雨增多，滑坡体形成堤坝的决堤风险很大，当地出现泥石流次生灾害的风险增大。 　美国“快鸟-2”、“全球观测-1”卫星
“快鸟-2”重约1029千克，是军民两用光学成像卫星，2001年10月18日升空。其运行轨道高度为450千米，空间分辨率首次突破米级，可拍摄0.61米分辨率的黑白图像和2.44米分辨率的彩色图像。该卫星在阿富汗和伊拉克战争中都受到了军方的重用。2007年9月18日刚刚上天的“全球观测-1”更为先进，是目前世界上唯一一颗分辨率达0.5米的商业遥感卫星，并可为军方提供分辨率为0.41米的图像。其运行高度约为450千米，重访周期1.7天，每天采集数据50万平方千米，还具有最新的地理位置精度定位功能，能更为频繁地重访目标区域。该系统其他卓越能力还包括更高效的影像处理系统、多卫星采集规划、更短的任务指派时限等。发生地震后，美国宣布向中国提供四川震区的高分辨率“快鸟-2”、“全球观测-1”卫星照片，这被美国官方认为是史无前例的举措。
5月14日上午，美国首次利用“快鸟-2”卫星采集到了四川德阳，绵阳地震灾区1768平方千米的高分辨率卫星影像。由于德阳地区上空有云，“快鸟-2”拍摄到的卫星影像将近85％的面积被云雾覆盖，不能看到地面情况。但据专家分析，仅能看到的15％地面图像仍有价值，可提供给灾区有关部门使用。5月15日上午，美国首次利用“全球观测-1”卫星采集到四川地震灾区4个条带，约13535平方千米的高分辨率卫星影像。5月16日，美国高分辨率小型商业遥感卫星“快鸟-2”监测到安县永安镇的滑坡点。在图像中，在2000米的距离内共出现5处滑坡点，对当地交通造成较大影响。当天，“全球观测-1”卫星重新采集到四川灾区三个条带的卫星影像数据。
意大利COSMO SKYMED星座
COSMO SKYMED由4颗卫星组成，目前已发射了3颗卫星，按计划2009年底前发射最后1颗。系统中的每颗卫星以等间距90°运行在高度61 g千米，倾角为97.86°的圆形太阳同步轨道上，每天绕地球飞行14.8125圈。当4颗卫星全部进入轨道工作时，系统将能够以12小时的重访周期拍摄地球表面任何地方的图像。卫星采用阿莱尼亚航天公司的“普里马”平台(PRIMA，意为“意大利可重构多用途平台”)，主体呈方形，尺寸为1.4米×1.8米×2.8米，质量1.7吨，设计寿命5年。星体两侧的太阳能帆板展开后达20.5米，总面积为18.3平方米，可提供3.6千瓦以上的功率。每颗卫星装有1台合成孔径雷达，具备多种地面分辨率模式，分辨率在1～100米之间，有5种相应的成像带宽——从10千米到200千米不等。它每天能以高分辨率模式为军事用户拍摄75幅X频段图像，以低分辨率模式拍摄300多幅X频段图像。尽管单颗卫星的成像幅宽仅有10～200千米，但整个系统总的成像幅宽可达1300千米。其星载记录仪存储容量为256G，用x频段以300兆比特／秒速率下传军民两用图像数据。整个COSMO SKYMED该星座投资额约为10亿欧元，能够在任何气象条件下实施观测，是一个可服务于民间、公共机构，军事和商业的对地观测系统。该雷达卫星20％的观测时间归意大利军方所有，并且意军方对其享有优先使用权。据意媒体报道称，COSMOSKYMED雷达卫星可大大提高意军获取情报的能力，同时填补了意大利没有侦察卫星的空白。
5月14日上午9点半，根据国家减灾中心紧急需求，代理该星座图像销售的北京同天视地空间技术有限公司免费提供了分辨率为1米和3米的都江堰地区雷达卫星照片。国家减灾中心随即组织技术人员及相关单位的专家对都江堰地区的地震灾害受损情况进行了目标识别与遥感灾情评估。通过该雷达卫星图像，专家了解到，213国道紫坪村段受损严重，发现该路段至少存在3个以上严重堵塞点，疏通难度很大：汶川县白花乡倒房率约在50％以上，漩口镇倒房率在40％以上，受灾人口超过万人；北川县曲山镇至沙坝村6千米路段山体出现7处塌方，塌方长度达2千米，道路中断，湔江堵塞，都江堰倒房率约在10％左右，其中东北部蒲阳镇房屋倒塌率约30％以上，中心老城区倒房率约20％以上，东部沿江新建城区倒房较少，都江堰市约11万人直接受灾，监测到的汶川县映秀镇房屋倒塌率在70％以上，其中镇政府所在地房屋倒塌率在80％以上，其余区域倒塌率也多于60％，汶川县倒房率约25％以上，郭竹铺附近村庄倒房率30％以上，汶川通往茂县的213国道一桥梁倒塌；监测到的北川县城及周边部分乡镇房屋绝大部分倒塌率在80％以上，局地倒塌率在60％～80％，北川县通往茂县302省道两座大桥倒塌，通往北川的302和105省道大部分路段破坏，部分路段堵塞，疏通难度很大；监测到的都江堰市中医院老住院楼等四栋房屋倒塌，医院西侧一区域大部分房屋倒塌。
德国TerraSAR-X卫星
德国TerraSAR-X卫星于2007年6月15日发射升空，它运行在高514千米倾角98°的太阳同步轨道上。为了达到不同的观测角，以前的同类卫星通常需要转动整个星体，而“陆地合成孔径雷达-X”只需用有源天线转动“眼睛”，就可以观测地面运动的物体，由此可以测量出运动物体的速度。大量的数据流将通过宽带技术被传回地面：该卫星可逐条带扫描地球的所有区域也可在3天甚至更短时间内对任何重点目标进行优先观测。
 　　该卫星呈六棱形，高5米，直径2.3米，其中合成孔径雷达尺寸4.8米×0.80米×0.15米，卫星重1023千克，其中有效载荷重394千克设计寿命5年，星上固态存储器容量为320G，下行通道为X频段，数据传输速率300兆比特／秒。卫星向阳 侧表面安装有太阳能电池翼底部装平均功耗为800瓦的合成孔径雷达。该雷达采用波导缝隙平面相控阵天线，长4.8米，宽0.8米，厚0.15米，由12块波导模块(每个模块由32个波导缝隙管组成)共384个收／发组件构成。雷达工作于X波段，其精度比一般所使用的波长为5.7厘米的C波段雷达和波长为24厘米的L波段雷达高出很多，可收集高质量的x波段雷达数据。对于幅面5千米×10千米场景，其分辨率可达1米，能提供空前精确的全球数字地形模式支持。它有3种波束模式对地实施主动成像：聚束模式的地面分辨率为1～3米，幅宽10千米，条带模式的地面分辨率为3～15米，幅宽40～60千米：宽扫模式的地面分辨率为15～30米，幅宽100～200千米。雷达倾角15°～60°可变，重访周期2天。这颗卫星既能用于军事侦察，又可用于石油和天然气勘探、输油管或高压线布线、预防森林火灾以及监测大气和环境变化。据该卫星项目负责人赫尔曼介绍，“陆地合成孔径雷达-X”拍摄的数据具有很大的商业价值，目前在世界上已有20多个签有合同的用户伙伴，日本是最大的用户，在东京已建立了两个地面接收站。该卫星的数据也比较昂贵，10千米×10千米面积的图像需支付7000欧元。该星还是欧洲“全球环境与安全监视”(GMES)的重要组成部分。
5月17日，该卫星拍摄了1.25米分辨率雷达图像，通过对其评估发现：安县秀水镇、睢水镇、安昌镇、桑枣镇、塔水镇、黄土镇、晓坝乡、迎新乡的倒房率在80％以上，县城倒房率约60％～80％，永河镇、宝林镇、清泉镇的倒房率在40％～60％，罗江县文星镇的倒房率在20％～40％，罗江县县城、略平镇的倒房率在20％以下，绵竹市拱星镇的倒房率在80％以上，绵竹市区东北部、兴隆镇、富新镇、五幅镇、齐天镇、柏隆镇的倒房率约20％～40％，绵竹市区东西部倒房率在20％以下。 　以色列EROS-B卫星
参与灾区拍摄的还有以色列的军民两用光学成像卫星EROS-B卫星该卫星由以色列电子光学工业公司(EOI)研制，是一颗低成本、低风险并能更好地适应国家安全用户需求的卫星。2006年4月25日发射升空运行在距离地面540千米高的太阳同步轨道上，绕地一圈的时间为94分钟，观测周期为4天，分辨率为约0.7米，设计寿命6年。与2000年发射的EROS-A相比EROS-B在分辨率和存储容量方面有显著提高。
在汶川地震发生后，北京博思科公司作为该卫星的总代理对卫星进行了紧急编程，于5月15FI下午3:06对汶川、绵阳、都江堰、北川等7个灾区进行了拍摄，当晚8:00，在获得其中4个灾区的0.7米光学图像后，这批图像被第一时间送往国家减灾委、中科院、测绘局、国土资源部、住房与城乡建设部等有关政府部门。这一批数据可以说是1米以内高分辨率光学卫星中的较大面积可使用的卫星影像中最早的批数据。
EROS-B曾监测到，北川一学校校舍倒塌，现学校操场和附近广场设置多处灾民安置点，大规模山体滑坡冲断县城区岷江路下段将近1千米并引起岷江江面变窄德阳市区及周边部分乡镇，房屋倒塌相对较少，灾情较轻，汶川县国道堵塞情况，317和213国道汶川段因地震引起的滑坡造成多处堵塞，5月16日汶川县城阿坝州师范专科学校操场灾民安置数量已较15日有大幅增加。