当前, 我国自然灾害损失呈现出不断上升的趋势, 迫切需要提高灾害应急管理能力。应急遥感专题图因其快速、直观、信息量大的优点, 能提供及时有效的事故信息及救援现场信息, 在灾害应急管理中发挥着重要的作用^{[1, 2, 3, 4]}。

世界各国和国际组织高度重视应急快速制图及其关键技术研究。2003年联合国卫星应用服务项目(UNOSAT)推出了快速制图服务, 以满足联合国人道主义事务协调办公室(OCHA)和其他机构组织在重大灾害时对快速制图和卫星数据挖掘的需求; 德国天基危机信息服务中心(ZKI)为应对世界范围内的人道主义救援和公共安全活动, 提供了自然灾害期间7 d 24 h的快速制图服务, 并在其网站免费共享包括地图、空间地理数据、档案等在内的遥感服务产品; 英国天气中心开展了暴风雨灾害快速预警制图, 英国环境局开展了洪涝灾害快速制图业务, 并以WebGIS形式向用户发布; 美国联邦紧急事务管理局负责统筹全美灾难救援事宜, 开展了自然灾害和人为灾害快速标准化制图, 以完成减灾、备灾和恢复重建工作, 减少全美民众生命财产的损失; 俄联邦民防、紧急情况与减灾部利用快速制图技术对突发灾害可做出迅速、有效的应对; 日本气象厅研发了包括台风、洪涝、泥石流、龙卷风、海啸、地震及火山喷发等在内的多种快速制图产品; 法国建立了以空间技术局(CNES)为首的快速制图应急响应运行体系和以SERTIT等公司为核心的对外快速制图服务窗口, 其业务产品主要是灾区受灾面积提取图件, 对于一般性灾害, 获取灾区遥感图像4~6 h内完成受灾面积快速制图, 对于比较复杂的灾害, 获取灾区遥感图像8 h内完成受灾面积快速制图^[5]。我国在1976年唐山地震和1988年云南澜沧— 耿马地震时已开始对应急遥感制图技术进行尝试^[6]; 1998年长江流域特大洪涝灾害期间, 应急遥感制图技术迅速发展; 2002年国家减灾中心成立之后, 全面开展应急快速制图关键技术和方法的研究, 先后在2008年汶川地震、2009年青海玉树地震、西南五省特大秋冬春连旱、舟曲特大山洪泥石流灾害、盈江地震等重大自然灾害的应对工作中广泛应用。2011年应联合国外空司的倡议, 国家减灾中心迅速启动灾害遥感快速制图服务机制, 组织开展非洲之角干旱遥感监测, 并通过联合国灾害管理与应急反应天基信息平台北京办公室向受灾国提供产品服务, 标志着我国的遥感应急快速制图技术服务进一步拓展。我国目前已启动的重大专项也非常重视快速标准化制图技术研究。

综上所述, 国内外在快速制图产品体系、产品服务、运行管理、产品制作等业务化应用方面开展了大量工作, 但还存在快速制图技术智能化水平低、应急性不强、版式不规范、内容针对性不强等问题^{[7, 8]}。本文面向我国灾害应急决策和救援需求, 针对灾害发生初期灾情信息不完备、交通不畅、转移安置点不明及通讯不畅等特点, 利用遥感数据和其他社会经济信息, 对不同类型、不同等级的灾害的范围和程度进行快速监测, 对交通和转移安置点进行快速准确地监测, 以全面提升现有制图方法的应急决策和救援的可读性、指导性、时效性和标准性, 为应急决策和灾害救助提供最及时的信息支撑。

依据应急遥感快速制图对时效性和标准性要求高的特点, 编制快速制图应急预案和专题图分类标准, 建立应急遥感数据处理流程, 制作快速制图标准模板, 确定规范化应急制图指标, 最终实现利用遥感数据、人口数据、地理信息数据、社会经济数据等多源数据对受灾范围和受灾程度进行快速监测和评估。技术路线如图1所示。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 技术路线Fig.1 Technical route

快速制图应急预案是针对可能发生的重大灾害, 为保证迅速、有序、高效地开展应急标准化制图工作而预先制定的有关计划或方案^[9]。快速制图应急预案编制是快速标准化制图的保障和基础, 只有在科学、严谨、有效的预案支持下, 制图工作才能实现快速化、标准化的目标。

快速制图应急预案是在突发灾害发生前围绕快速制图工作开展流程和技术保障, 制定相应的策略和资源准备等的过程, 主要解决快速制图“ 为什么做、做什么、谁来做、怎么做” 的问题。

“ 为什么做” 是确定制图目的。包括确定快速制图产品服务对象, 确定服务对象对制图产品的需求, 确定不同类型、不同特点、不同等级、不同影响程度的灾害类型对制图的需求。

“ 做什么” 是根据快速制图目的, 确定制图内容。以高空间分辨率遥感数据为主, 兼顾其他类型来源的空间数据, 确定致灾因子危险性分布、承灾体脆弱性分布、孕灾环境稳定性、灾害发展情况、救援情况、历史灾害分布情况以及紧急避难场所分布等快速制图内容。以地震灾害为例, 专题图的主要内容、制作时间(获取数据后)、制作频次如表1所示。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 地震灾害专题图分类 Tab.1 Classification of earthquake thematic map 图件名称 图件主要内容 制作时间 制作频次 地震震中分布图 震中位置、地形信息 30 min 1次 地震影响范围快速评估图 震中位置、影响区范围 30 min 1次 地区震前遥感监测图 行政界限、图像 2 h 1次 地区震后遥感监测图 行政界限、图像 2 h 1次 地震影响人口评估图 人口分布、行政界限 1 h 1次 地震房屋倒损快速评估图 房屋倒损分级 12 h 1次 地震帐篷分布图 已安置帐篷、帐篷安置点 5 h 1次/d 地震次生灾害隐患点分布图 次生灾害分布 1 h 1次 地震交通道路影响评估图 道路受损分级 2 h 2次/d 地震烈度图 地震烈度 5 h 1次 地震救援中心分布图 救援中心分布和物资情况 1 h 2次/d 地震国际救援组织分布图 国际组织分布 1 h 2次/d 地震余震分布图 余震等级和分布 30 min 1次/d 地震震中周边城市震感及危险程度评估图 震感等级和分布 5 h 1次 地震X周后交通道路恢复监测图 道路恢复等级与分布 1 h 1次/周

表1 地震灾害专题图分类 Tab.1 Classification of earthquake thematic map

“ 谁来做” 是确定制图人员。参考制图目的和制图内容, 配备制图人员和相关团队, 完成相应的技术储备和人员培训工作, 以保证灾害发生后可以稳定、高效、准确地进行应急响应制图。

“ 怎么做” 是确定制图技术规定和工作流程。主要建立包括多源灾情数据获取、遥感数据快速处理、标准模板建立、产品发布等内容的具体方案和流程。

快速制图应急制图预案编制应参考各行业预案编制规范, 充分考虑应急制图特点和用户需求, 以实现自动化、快速化、标准化为原则, 采用用户需求分析、案例分析、框架设计、分工编制、系统集成、综合审核、有效性评估、预案改进等技术实现。快速制图应急预案内容主要包括制图目的、制图依据、分类分级、工作原则、体系建设、运行机制、应急保障及监督管理等8项内容。

现有的应急遥感快速制图数据处理技术提供了一种通用的算法, 系统性强、精度高, 但相关参数获取困难、参数设置复杂, 不能充分满足突发事件应急决策和应急救援对时效性的要求。本文针对不同类型和等级灾害特点, 面向受灾范围、灾害影响范围、房屋倒损、生命线损毁、基础设施损毁、农作物受损及水体变化等应急监测评估需求, 对现有的处理流程进行简化和合并, 建立一套实用、高效的最优化应急遥感快速制图数据处理算法。技术流程如图2所示。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 应急遥感数据处理技术流程Fig.2 Emergency processing procedure of RS data

遥感图像大气校正目的是去除气溶胶、云层及其阴影对光学遥感图像的影响, 增强图像的清晰度, 突出灾害专题信息。为了提高大气校正效率, 必须减少人机交互输入参数的环节, 主要依托图像自身的特征, 利用统计学模型采用平场域法、暗目标法等方法进行大气校正。快速几何纠正就是快速消除对成像过程由传感器、遥感平台及地球本身产生的各种几何畸变, 主要包括系统几何纠正和基于控制点的几何精纠正。系统几何纠正主要根据构像方程进行, 计算量相对较小, 速度比较快; 几何精纠正原理是通过一组控制点建立原始畸变图像空间与纠正图像空间的坐标变换关系, 并将这种对应关系把畸变空间中全部像元变换到纠正空间^[10], 包括像素坐标变换和重采样2个关键环节, 重采样占用时间较长, 可采用分块并行计算以缩短处理时间。

灾害初期的道路损毁、建筑物倒损、水体变化等灾害范围和损失程度等灾情信息的快速提取可采用基于Canny算法的面向对象图像分割技术结合遥感图像分类技术来实现^[11]。针对旱灾、洪涝、地震等引起的农作物损失遥感估算模型的适用性问题, 需预先根据不同地区作物类型和分布特点, 建立可业务化运行的基于MODIS、AVHRR、环境减灾卫星CCD、ETM及ASTER等常用数据的植被参数与损失快速估测算法库, 以减少灾害发生时算法验证时间, 提高制图效率。

制图模板是引导用户进行人机交互、由系统自动完成数据处理和符号化, 从而完成一幅专题地图制作的方案^[12]。快速制图标准模板需确定图件的表达内容和表达方式。表达内容包括灾害基本信息、灾害发展趋势及灾害救援情况等。表达方式将依据灾害管理部门、国内行业单位、国际社会等不同的需求实现多样化。每种模板按照灾害类型划分为地震、干旱、海冰、洪涝、火灾、冰凌和雪灾, 并细分为横向及纵向两种。在系统化、标准化、快速化的指导下, 快速制图模板采用ArcGIS的MXT文件技术实现。模板文件中主要包含的内容有基本背景数据、产品编号、灾区位置示意图、灾情概况、遥感灾情监测结果、图例、制图时间及整饰要素等。确定好模板内容组成后, 根据实际业务需要定制模板。模板示例如图3所示。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 模板示例Fig.3 Demonstration mapping templates

应急制图的快速化、自动化、标准化是一个复杂的决策过程, 对人员依赖度高, 如何根据各种技术规范、规程、制图综合知识及专家知识来建立应急制图知识库, 并将其与产品体系和标准模板相结合, 归纳总结出计算机可识别的规则, 是智能化制图的突破点^[13]。制图指标在形式上主要分数据指标、文字说明指标及图形指标等3大类, 是根据制图知识规则, 在科学性、系统性、适用性、实用性以及针对性等原则的指导下编制的, 包括产品内容、产品级别、制图

比例尺、产品命名规则和规格、处理时间和精度等在内的技术规定与量化要求。制图规则和指标编制过程如图4所示, 主要内容如表2所示。快速制图知识规则与指标是互相衔接, 相辅相成的^[14]。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 制图规则和指标编制Fig.4 Cartography rules and index establishment

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 制图知识规则和指标 Tab.2 Rule and index of thematic map 知识规则 内容 示例 指标 技术规 范、规程 通用符号标准规范 道路、行政界限、河流、地名等表达 字体大小、线型、线粗细、填充颜色等 灾害专题符号规范 地震、洪涝、台风等致灾因子、承灾体表达 形状、等级等 专题制图模板 不同灾害类型设置不同的模板 专题图布局、地理网格、图廓整饰内容等 制图综合 按照规律和法则在图件比例尺变换中对制图对象进行选取和概括 点状地物(居民点、气象站、水文站等)按照重要性、特殊性、临近灾害中心距离等进行综合 数量、分布密度 线状地物(道路、水系等)按宽度和重要性综合 密度、间距、地物等级 面状地物(水库、植被等)按比例和重要性综合 面积、地物类型、地物等级 专家知识 专家咨询和综合经验 灾害风险等级划分、受灾程度划分、受灾范围和影响范围确定 权重、与真值一致度

表2 制图知识规则和指标 Tab.2 Rule and index of thematic map

将计算机可识别的应急制图知识规则转化为相关软件是应急制图的重要步骤。民政部国家减灾中心于2008年开始建设的环境与灾害监测预报小卫星星座运行管理与减灾应用系统为应急制图提供了保障。该系统中的遥感数据应急处理包可实现海量数据导入、快速几何纠正和快速大气校正、快速成图等遥感数据快速处理; 灾害特征异常信息提取分析软件包能够实现灾情信息的快速提取和分析。

开展应急快速制图服务, 可为备灾、人员提前或紧急撤离、灾害救助等减灾措施的制定和救援方案拟定提供决策依据, 有效地提高了应急决策和救援的科学性、时效性和实用性。本文针对应急遥感快速制图中存在的预案缺乏、遥感数据快速处理流程不完善、快速制图规则不系统、制图指标不规范等问题提出了解决思路, 初步探讨了快速制图应急预案的内容和方法, 提出了基于图像本身的快速大气校正和利用分块计算进行快速大气校正的方法, 粗略建立了包括技术规范、制图综合、专家知识在内的知识规则和指标。

今后还需要在以下几个方面深入分析: ①灾害发生时, 天气情况通常比较恶劣, 深入研究在恶劣天气条件下的遥感数据快速大气校正方法以有效提高制图效率; ②灾害发生初期, 灾情数据缺失, 遥感数据通常不能全覆盖灾区, 如何利用空间外推和空间插值技术开展不完备信息条件下的灾情信息快速提取对改进快速制图精度有重大意义; ③快速制图产品服务对象不仅包括国家级、省级、地市级、县乡村级等不同的救灾决策人员, 还包括灾害、遥感等多领域的专家, 这些人员的关注内容和知识结构差别很大。不同的灾害类型对快速制图的时效性、内容要求差别较大, 如何建立一种自适应制图综合方法以满足不同的服务对象和灾害类型的需求是快速制图发展的关键。