遥感:让我们的地球更安全

作者: 周成虎

来源: 格致论道讲坛

发布日期: 2023-01-05

本文通过汶川地震的案例,详细介绍了遥感技术在地球监测和灾害预防中的重要作用,包括气象卫星、海洋卫星、陆地资源卫星等在实时动态监测中的应用,以及如何通过这些技术提高地球的安全性。

在17个联合国可持续发展目标中,无论是关注海洋、关注全球气候变化、保护陆地生态系统等,都需要对地球实行实时、动态、精准的监测。这是2008年5月12日的汶川大地震,当时牵动着每个人的心。我们第一时间都想知道,地震灾区情况如何,地震发生时人在哪里,有多少人受到影响?所以,我们很快就调用天上的“天眼”——卫星对北川地区进行监测,来确定大坝是否要溃决,哪些地方可以实施救助。

地球上有辽阔的海洋,海洋里还有那么多神奇的台风、飓风。我们想知道在什么地方有台风、飓风呢?我们可以用天上的卫星来观测。这就是天气预报中运用的气象卫星,能够实时监测动态的海洋变化过程,精准地预测台风的行进路径,降低台风的灾害影响。

在过去的60年中,全球共同协作,希望能够在地球上空200-36000公里处,布置大量卫星进行监测。

这个伟大畅想的实践起源于1957年10月4日,苏联第一次将一颗我们人造的卫星送到轨道空间,正式开启了人类离开地球看地球的序幕。1970年,中国也把我们的第一颗卫星送上去,奏响了歌曲《东方红》,也证明中国人有能力走向深远的太空。1960年,美国发射了全球第一颗气象卫星,它上面装有很多传感器,让我们真正在太空有了一双眼睛来看地球,有机会观测到台风、干旱等自然现象。

今天,美国、欧盟和中国的气象卫星,我们的叫“风云”,构成了世界上的三足鼎立的气象卫星系统。它可以进行实时动态的大气监测、海洋监测。对陆地的陆域监测,有气象卫星还不够,所以又发展了陆地资源卫星,能够更加精准地对1.2亿多平方公里的陆域进行监测。1972年7月,美国发射了第一颗陆地资源卫星Landsat。这个系列持续这么多年,现在已经到了Landsat9的体系。在这个过程中,中国不断地学习、跟进。

到了今天,我们也有自己的气象卫星、海洋卫星、陆地资源卫星,以及测控卫星、减灾卫星,形成了完整的对地观测系统。

今天,中国也进入了世界空间科技大国的行列,这一切的科技进步,都是希望能够帮助我们监测灾害。希望通过这样的好的技术,能够让我们的地球变得更加安全。也正因为这样,我们希望有更多这样的技术,更多的投入来造福于人类。在早期,我国首先用卫星观测的对象是洪水。

因为我国是季风性气候,一到夏天很容易洪水泛滥,去年(2021年)郑州的雨情、1954年长江流域的大暴雨都是例证,在传说中还有大禹治水。所以,洪水自古就有,人类一直在和洪水抗战,而卫星就能帮助我们监测洪水。

比如在2016年,武汉、江西水灾严重。当时我们要弄清几件事,包括受灾面积、时间、人口、以及财产损失的多少。利用遥感,可以间接获得数据,快速精准评价灾害影响,并提出对应抗灾措施。

如果没有这样实时动态的信息,我们根本无法实现有效抗灾。中国不仅用自己的卫星监测国内情况,还帮助周围的国家监测灾害,比如缅甸、孟加拉国、印度。因为卫星是中国的,也是世界的。在有能力的情况下,都应该伸出我们的“遥感之手”,帮助全人类减轻灾害的影响。

今天不仅有卫星遥感,还有航空遥感,形成了综合体系。现在上有卫星,中间有飞机,来实现对灾害的实时动态监测,构成了一个准观测系统。

洪灾的范围比较小,那更大范围的灾害会怎么样?最近(2022年8月)很多地方干旱,网上有很多视频说鄱阳湖没了、洞庭湖没了,中国两大淡水湖现在就像河一样。毫无疑问,干旱的影响非常严重。用气象卫星可以实现每天大范围的对土壤水分、植物状况和大气干旱程度的监测,这就是大范围干旱气象卫星监测的首要任务。

对沙尘暴的动态监测是气象卫星的又一个重要应用领域。如果大家十多年前来到北京,一到春天,就看到北京的每个人都要蒙一个头巾。为什么?就是因为空气中有很多粉尘、沙子。西伯利亚强季风经过沙漠地区后,在北京很容易形成沙尘暴。今天,我们能够准确监测沙尘暴,预测它的行进路线,从而保护人民的生命健康,减轻沙尘暴的影响。所以,气象卫星成为了人类对地球气象灾害,包括洪水、干旱、沙尘暴等,最有效的、最基本的监测手段。

地球上除了陆地,还有广阔的海洋。海洋非常难监测,因为海洋中的信号非常弱。海洋也非常广阔,进行监测需要大量的卫星。今天,中国有了自己的海洋卫星,可以对海洋实施动态监测。例如,海上开发石油时,可能会有溢油情况;如果有航船翻沉,也会产生溢油。这都会影响到海洋生物生存,也会影响到海洋养殖业。现在我们有能力,用海洋卫星准确监测溢油的分布状况。溢油会随着浪和流运动,从而也能预测溢油的漂向。

多年前,墨西哥湾的油井泄漏,污染了整个墨西哥湾。在人类史上,也曾发生很多次重大的溢油事件,对海洋生物产生了灾难性影响。利用海洋卫星监测溢油分布后,再用人工措施回收溢油,可以减轻灾害影响。大家想一想,这是一件多么伟大的事情!我们在渤海湾,在广阔的南海,每天都需要用海洋卫星监测。如果在海上翻船了,在卫星的帮助下,我们可以迅速实施海上救援。

遥感还能帮助我们干什么呢?我想用汶川地震的案例,来给大家讲讲遥感的精细作用。汶川地震是最近20年内,对人类、对中国影响最大的地震灾害之一。毫无疑问,地震发生后,首先要尽快获取灾地的影像,比如上面展示的老百姓能看到的光学照片。还有用的最多的微波SAR影像。地震时常常伴有暴雨,导致视线模糊,但可以用微波遥感快速监测地表状况。

但是,3米还不足以识别损毁的楼房、桥梁。这时航空遥感就派上用场——用飞机,包括无人机来飞行,快速对重点区域精准监测。无人机可以自由飞行,哪里有灾害就飞到哪里去。这样,我们就真正能够利用航空遥感技术,对灾害进行高精度的监测。监测完以后,最核心的工作是要评价灾害损失。首先,要知道地震烈度,就是地震能够产生的最大冲击力,这是建筑遭到破坏的原因。

用D-InSAR系统,能够精确监测到毫米级的地形变形。道路塌陷时,1毫米的变形都能监测到。如果地壳发生变形,这个地方可能就有灾情。这就是今天用卫星技术大范围预测灾情的方式。此外,还需要对灾害区的一些重点人工设施,特别是水库进行监测。地震过程中会产生大范围的滑坡,把河道堵塞,形成堰塞湖。如果堰塞坝崩溃了,大量的水冲出,甚至会把下游的城市淹没。

若村庄被埋,救援的黄金时间是72小时。

救援人员要尽快到达,把人救出。同时,也要对损毁的房屋、受灾人数进行评价、评估。再看受破坏的桥梁。一旦桥梁断了,救援部队是无法前进的。2008年汶川地震时,由于未能及时掌握基础设施的破坏情况,救援部队无法第一时间到达重点区域,丧失了很多救援时间。在受灾区域,还有很多重点的文物、设施需要保护。借助遥感技术,在灾后也可以对文化建筑的遗迹进行评价、分析,来快速、有效地保护文化遗产。

此外,我们可以对大坝进行模拟,借助大数据对今后可能发生的灾害进行预测、预防。比如要是发生破坏怎么办?那要不要做预先的防御措施,适当地放掉水减轻它的影响?最可怕的是,地震发生以后,可能还会引起一系列其它灾害,形成灾害链。其中最严重的就是滑坡。汶川地震中,一个山头直接移到了到500米外的地方,就像用一把刀削过去一样,这就是地震的力量。所以,我们就需要快速地对次生滑坡灾害进行评价,使灾害损失降到最少。

只有这样,才能真的做到有效预防,不能再把房屋建在滑坡体上。

在救援过程中,环境是变化很快、很混乱的。卫星能够快速识别环境特征,给灾民提供最安全的临时安置点。在已有的地图不能使用的情况下,卫星遥感在灾害的应急响应处置方面拥有极大优势,方便我们有效地进行灾民安置。所以,卫星遥感、航空遥感,以及地面上的设施,共同构建了人类救灾抗灾的综合观测系统。

因为有了今天的卫星遥感系统,有了我们今天的航空体系,让我们的地球变得更加安全了。但是,尽管有了这么好的技术,我们依然不能够有效地对所有灾害进行监测。2016年6月23日,在江苏沿海的盐城,出现了一个龙卷风。一般来讲,在沿海地区龙卷风非常多,很正常。但是这次不一样,从上午十点开始,天空中的云逐渐形成了,但是没有想到会引发龙卷。到了下午1点,龙卷席卷周围地区,导致79人死亡、700多人受伤,损失巨大。

这是灾后的评估。左图是灾前的情况,右图是灾后的。一场龙卷,就能导致所有房子全部损毁。这种现象也让遥感卫星的研究者思考,我们能不能发射更多的卫星,实现每小时、甚至每15分钟都能进行观测的频率?这就是“星链计划”的目标。若遥感卫星连成“星座”,就可以更有效地监测地球。很高兴,今天航天航空遥感已经在抗灾过程等各个领域得到重大应用,为决策提供了实时动态的信息,我们也会继续努力来推动它的发展。

在国际上,有一个国际防灾减灾计划。当一个地区、国家发生重大自然灾害的时候,全球有卫星的国家都有义务对灾害区进行实时动态监测,共同为人类抗灾提供服务。目前,人类处于一个重大变革的时代。我们要把所有的技术组合在一起,上有测量技术,下有大数据人工智能计算技术,形成一个整体。而这样的技术,也为我们实现可持续发展目标带来了新的机遇。

今天的卫星,看得越来越清、分辨率越来越高,实现了实时动态监测,这就是我们讲的“后高分时代”。“高分”的意思是分辨率更高,看得更清、更远,能够实时动态监测。我相信,通过人类的共同努力,会把这个事情做成的。“数字地球”点亮了我们对地球新的认知,遥感让数字地球成为现实,也促进了人类的可持续发展。我也相信,遥感技术会让地球更加安全。谢谢大家!

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