今年5月12日是我國第12個全國防災減災日，5月9日至15日為防災減災宣傳周。特殊地理位置決定了我國是世界上受自然災害影響最為嚴重的國家之一：災害種類多、災害發(fā)生頻度高、災害損失嚴重。我國自20世紀90年代以來，年受災人口越來越多，所造成的經(jīng)濟損失更是不斷增長。當災害從天而降，我們到底有何應對之法？

　　本期首都科學講堂之極簡科學課，邀請北京師范大學李京教授為我們介紹中國自然災害與應急管理，揭秘守護地球的“保護神”——遙感技術。通過遙感“天空之眼”的全程監(jiān)測，除了對災害發(fā)生前進行預警，還可準確獲取災區(qū)實時影像數(shù)據(jù)，提供準確災情信息，為防災減災提供強有力的支持，指導救援工作。目前，遙感技術已被廣泛應用于各種重大災害的減災救災工作中。

       主講嘉賓：

　　李京

　　北京師范大學風險治理創(chuàng)新研究中心首席科學家，國家防災減災與可持續(xù)發(fā)展國際合作基地主任，國家減災委員會專家委員會委員

　　中國的災害與應急管理

　　首先，我們介紹中國災害與應急管理的特點。災害廣義上講是指一切對自然生態(tài)環(huán)境、人類社會的物質(zhì)和精神文明，尤其是人們的生命財產(chǎn)造成危害的天然事件和社會事件。而狹義上講，就是專指自然災害。相應地把人為事故造成的災害稱為事故災難，也稱作人為災害。國外也有叫做技術災難的。今天講的重點內(nèi)容，主要講的是自然災害的防治。

　　前面講的廣義災害，我們經(jīng)常面對的是突發(fā)公共事件。它的特點是發(fā)生非常突然，而且造成或者說可能造成重大的人員傷亡、財產(chǎn)損失、生態(tài)環(huán)境破壞、社會危害，危急整個公共安全的應急事件。

　　為了應對這樣的事件，國家建立了突發(fā)公共事件的應急體系。分了四大部分，自然災害、事故災難、公共衛(wèi)生、社會安全。更詳細點的就是這樣，自然災害指的就是我們經(jīng)常遇到的由自然因素引起的災害，水旱、地震等等。事故災難就是各種人為的事故，包括交通事故、工業(yè)事故等。公共衛(wèi)生事件包括急性傳染病，像現(xiàn)在正在應對的新冠病毒。社會安全事件涉及到反恐，經(jīng)濟安全，比如說經(jīng)濟危機等這些事件。我們把所有的應急事件分四大類，今天重點談的是自然災害部分。

　　自然災害大概的分類，目前分了幾類，第一類地震與地質(zhì)災害，以前統(tǒng)一叫地質(zhì)災害。由于地震頻繁，而且危害比較大，所以單獨分出來叫地震與地質(zhì)災害。第二是氣象與水文災害，包括臺風、暴雨、干旱等。第三類是海洋災害，重點在海上，主要是風暴潮，赤潮。第四個是生物災害，一般是各種病蟲害。第五類是生態(tài)環(huán)境災害，包括水土流失等。我們經(jīng)常說的林火、草原著火等，現(xiàn)在都劃分到生態(tài)環(huán)境災害。

　　由于我們國家特定的地質(zhì)構(gòu)造條件和自然地理環(huán)境，我們國家是自然災害最嚴重的國家之一，在全世界居前列。

　　重大自然災害頻發(fā)，分布廣，損失很大。我們看到兩張圖就是2008年的重要自然災害，一是2月的雪災，輸電線上結(jié)冰。當時很多的輸電線就是這么斷掉的。這邊是汶川地震，可以看到我們國家自然災害最嚴重的一年的圖片。

　　多嚴重？地震，20世紀，我們國家地震死亡大約是59萬人，占全球地震死亡的一半。1991年-2005年自然災害造成的直接經(jīng)濟損失，前10個國家排名中，中國是前3名。自然災害造成的經(jīng)濟損失在全球排前列。

　　損失非常重，是第一個特點。第二個特點，這種損失總趨勢在增加。災難經(jīng)常是不同地區(qū)同時頻發(fā)。

　　上面這張圖是2010年為了向中央?yún)R報緊急做出的半個月災情，當時每半個月一次。可以看到，全國到處都在發(fā)災，而且有旱災、水災同時發(fā)生，滑坡和地震都有同時發(fā)生。這是一張我們國家的水災頻次分布圖，我們可以看到水災的分布不僅在東部經(jīng)常受臺風暴雨影響，包括西部干旱區(qū)都有很多水災。這個原因就是水災成因有所不同，西部比如說在這邊黃河流域的上游，這里有冰凌洪水，在冬季河道的冰峰造成的。在新疆干旱地區(qū)，這里有雪山，有融雪性洪水，就是冬季降雨很多很厚，到了春天溫度增加的時候突然融化?？梢钥吹酵粋€災的特點在全國到處都分布，這也是我們國家災害比較嚴重，發(fā)生頻次比較高的重要原因之一。

　　另外，災害經(jīng)常帶來的問題，一個主要的災害會帶來很多的次生災害。比如說臺風會帶來暴雨，而暴雨造成洪水等等。而且自然災害還會由于這些重大災害引起生產(chǎn)安全事故，造成事故災難。風暴潮的影響，可能造成了跨堤，海水污染機械事故。在陸地上也一樣，即使在下暴雨的情況下，大風也可能帶來火災，帶來結(jié)構(gòu)破壞。這都使得災害非常復雜，而且造成損失很重。這張是地震的災害鏈，地震會引起一系列的次生災害，我們稱之為災害鏈。舉個例子，一個災害可能不是很大，但會造成很大的影響。冰島的火山，這是全世界所有自然災害中唯一中國沒有的災害。中國所有自然災害都有，只有活火山?jīng)]有。2010年，冰島火山噴發(fā)，冰島地廣人稀，火山本身冰島本身其實造成的影響不大。但是，冰島所處的位置，使得歐洲一帶大量的航線受到了影響，造成了超過六萬航班取消，直接損失至少達到了8億歐元。也就是說一個小的災害，有可能由于引起次生災害，造成很大的危害。

　　日本的3·11大地震引起了海嘯。大地震本身造成的傷亡沒多少，倒塌房屋不多。大部分的死亡人數(shù)是引起的海嘯，而它引起的海嘯進一步造成了核泄露事故，十多年過去了都處理不完。

　　我國自然災害趨勢的總風險在增加。但同時，我國也下了很大的力量，提高了設防能力，災害的設防能力也在提高。全球都有一個趨勢，巨災風險加大，全球氣候變化引起的極端氣侯事件非常高，巨災發(fā)生的頻率劇增，損失加重。近十年的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，全球的災害發(fā)生的次數(shù)沒有增加，反而有所減少。但帶來的傷亡和損失迅速增加，也就是說，自然災害的平均強度增大了。

　　災害是制約我國的經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要因素。它發(fā)生頻率很高，損失非常嚴重，災害損失明顯上升。從區(qū)劃情況看，我國3/4的省會城市和2/3地級以上的城市，位于地震烈度7度以上的危險區(qū)。70%以上的大城市，半數(shù)以上的人口，3/4以上的工業(yè)產(chǎn)值分布在洪水、地震等災害嚴重的地區(qū)。我國災害分布廣泛，我們必須學會應對災害，和災難共同生活。

　　我國目前已經(jīng)建立起比較完整的應急管理體系。這個體系建設制定了一系列的應對預案和國家的預警體系。同時，我們建設了基礎能力建設，也發(fā)布了國家級的減災規(guī)劃。建立起完整的技術系統(tǒng)，包括支撐體系。建立了各種災害的地面監(jiān)測，氣象海洋，衛(wèi)星系列，建立了減災小衛(wèi)星系列，對自然災害的預報、預警、評估信息服務的天地一體化監(jiān)測體系建設。

　　抗擊災害的“天眼”如何工作？

　　遙感本身的英文含義是遙遠的感知，如果說更具體的定義，分廣義、狹義。X射線、地震波、重力探測都屬于廣義遙感，廣義遙感指的不接觸物體獲取物體信息，比如說人的視覺——我們沒有接觸物體只是看到了，但我們也獲得了信息。

　　狹義遙感是我們平常更熟知的電磁波遙感，紫外線、可見光、紅外、微波波段工作的遙感。遙感技術最重要的是傳感器，把傳感器放在衛(wèi)星上就形成了衛(wèi)星遙感技術。傳感器按照波段分，基本上就是紫外遙感，可見光遙感，微波遙感。微波遙感可以全天候工作，應對隨時可能發(fā)生的災害。

　　當我們用遙感監(jiān)測時，挑選用什么樣的衛(wèi)星一個重要的標準，是空間分辨率。以相機像素舉例，每一個像素實際對應的地面大小就叫空間分辨率。

　　國產(chǎn)的風云2號衛(wèi)星的分辨率是1.25公里，在這樣的分辨率下，全球災害性天氣的現(xiàn)象，氣旋和臺風很清楚，但地表清晰度不夠。而高分四號衛(wèi)星作為中國第一顆這種高分辨率的同步軌道衛(wèi)星，也是世界上分辨率目前同步軌道分辨率最高的對地觀測衛(wèi)星，能從3.6萬公里外看見大油輪。它的主要用戶是救災的主體民政、氣象、地震?，F(xiàn)在民政和地震都劃歸到了應急部，現(xiàn)在主要是為應急部服務。

　　另外一個分辨率概念是時間分辨率，即對同一個地方進行遙感觀測的時間間隔。比如說靜止衛(wèi)星成像一次半小時就可以得到，陸地衛(wèi)星對一個地區(qū)監(jiān)測1次需要16天才能回到這個地區(qū)再次監(jiān)測一次。我們專門為減災研制的環(huán)境減災星是4天一次，我們有了4顆星可以實現(xiàn)每天一次。這個時間分辨率對災害的動態(tài)監(jiān)測非常重要。災害監(jiān)測天氣預報常需以小時為單位，植被長勢和作物的分辨一般10天或者1天為單位，城市擴展、河道變遷這些以年為單位，我們需要的時間分辨率差異很大。

　　衛(wèi)星也是分成了兩大類，一類是極軌衛(wèi)星，這類的衛(wèi)星高度比較低，一般是500-1000公里，它的空間分辨率很高，符合要求，但時間分辨率低。為了提高時間分辨率，衛(wèi)星采取了很多辦法，一種是側(cè)擺：衛(wèi)星轉(zhuǎn)一個角度對這個地方進行監(jiān)測。還有一種方式：既然一顆星不行，多發(fā)幾顆星。

　　國產(chǎn)的減災衛(wèi)星的星座設計就是，第一步發(fā)2顆光學小衛(wèi)星，還有一粒雷達星，2+1計劃。第二步是發(fā)2顆光學星，3顆合成孔徑雷達星，4+4計劃，最后就是8顆星。這樣時間分辨率就提高。

　　衛(wèi)星遙感：救災“主力軍”

　　遙感減災的主要特點是，可以觀測到任何受災區(qū)。災區(qū)一旦發(fā)災，人很難到達。特別遇到大災害的時候，即使地面布置很多監(jiān)測系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，也常被破壞，使得無法獲得準確信息，而這時，衛(wèi)星遙感就發(fā)揮了重要的作用。

　　國家減災委建立了一套完整的信息監(jiān)測系統(tǒng)，24小時不間斷工作。其中包括各種地面調(diào)查信息，也包括衛(wèi)星監(jiān)測。我們根據(jù)信息就做出了一系列的產(chǎn)品，比如災情專報，每次發(fā)生災情以后，緊急報中央，有時一天報很多次。這里會把衛(wèi)星遙感監(jiān)測到的數(shù)據(jù)分析結(jié)果放在里面一起報上去。減災委經(jīng)常會開協(xié)調(diào)會，工作的技術小組會把各種影像資料和數(shù)據(jù)通通放在屏幕上，各部委的代表一起協(xié)商，分析討論數(shù)據(jù)看怎樣處理。

　　5·12大地震時，在趕赴災區(qū)的飛機上就可以看到衛(wèi)星拍回 的現(xiàn)場影像。雅安地震時，李克強總理去到現(xiàn)場視察，24小時內(nèi)返回到北京，召開了國務院的抗災會議。背后就是遙感影像資料作為參考和支持。

　　我國的國家減災規(guī)劃明確指出，充分利用現(xiàn)代技術，推動實用科學技術和衛(wèi)星、遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等高新技術在減災領域的廣泛應用。我國的國家衛(wèi)星減災體系的規(guī)劃，包含了航天平臺有各種遙感衛(wèi)星，通訊平臺也是衛(wèi)星通行和衛(wèi)星導航。航空平臺和地面的各種監(jiān)測的車輛和儀器，形成一個完整的應急網(wǎng)絡。

　　早期我國為了能夠建立這樣的一個減災的天空地一體化的系統(tǒng)，設計了環(huán)境和災害的監(jiān)測預報小衛(wèi)星，這是專門的災害衛(wèi)星。原計劃是到2020年推動到4+4，共8顆星。但實際上，我國的衛(wèi)星發(fā)展速度遠比當時規(guī)劃的時候快，現(xiàn)在大批的衛(wèi)星在天上運轉(zhuǎn)，已經(jīng)不再需要單獨的減災衛(wèi)星，而是需要一系列的衛(wèi)星綜合的使用。利用衛(wèi)星遙感的數(shù)據(jù)分析以后，現(xiàn)在得到了包括監(jiān)測產(chǎn)品，評估產(chǎn)品，風險產(chǎn)品和決策產(chǎn)品在內(nèi)，更多的應用產(chǎn)品。

　　汶川地震是我們國家近年最大的一次地震災害，也是災害衛(wèi)星起非常大作用的一次。當時根據(jù)雷達影像拍照，多期雷達影像做到汶川地震災區(qū)地面形變的圖。這是地震的兩盤，上盤與下盤，上盤的變化很大，說明是逆沖斷層，上盤往上抬了。當時我們國家分辨率最高的衛(wèi)星影像CBERS-2B發(fā)射了沒多久。它的分辨率是2.36m，在2008年是國產(chǎn)分辨率最高的。而現(xiàn)在我們有零點幾米的，這是對北川拍照的，可以看到到處都是地震以后的滑坡。這個滑坡把這條河流截斷了，這邊就是唐家山了，最大的地方在唐家山堰塞湖形成，它的位置和程度在衛(wèi)星影象上都可以看的清清楚楚。

　　防災減災領域，我國并未“獨善其身”，而是也“兼濟天下”，為國際上做出很多服務。

　　巴基斯坦2010年發(fā)生大洪水，聯(lián)合國教科文組織緊急的打電話與中國聯(lián)系，他們直接打到了首都師范大學，因為教科文組織在那與首都師范大學合作建立了水文信息教席。當時教席主任是首師大的前任校長宮輝力教授，第一時間領著工作小組獲取分析影像。


　　這張圖像的藍色是正常水體，是沒有發(fā)洪水之前的；這張圖像紅色的是洪水，是災害發(fā)生后，疊合到一起得到了洪水的分布圖，沿河兩岸的分析圖。影像迅速通過教科文組織發(fā)給了巴基斯坦，供他們做出了正確的決策。

　　今年震動全球的澳大利亞大火，其實基本年年都有發(fā)生。有一年大火的時候，我們的減災衛(wèi)星剛發(fā)上去，他們馬上通過各種途徑與我們聯(lián)系，希望我們能夠提供一些影像。澳大利亞雖然是發(fā)達國家，但它沒有自己的衛(wèi)星。于是，我們迅速地調(diào)整了衛(wèi)星的軌道對相關地點進行拍照，及時提供了火災的分布情況，對助力撲滅山火起到了關鍵性作用。

　　再比還有風險評估和預警產(chǎn)品——災害發(fā)生之前的提示，目前預警最成熟的就是臺風預警。利用衛(wèi)星影像，原來看到的靜止衛(wèi)星影像不斷地拍攝，可以清楚看到臺風怎樣移動，從而預報什么時候，會到達什么地區(qū)。利用中國風云2號衛(wèi)星做出來的移動，可以根據(jù)臺風過去的移動路徑和分析未來路徑，能夠就比較準確地預報出臺風大概什么時候登陸，登陸時有多強。

　　發(fā)生災害后，恢復重建效果的評價，利用衛(wèi)星影像也能有很好的效果。1987年大興安嶺火災，四年以后的影像還看到很多的地方是禿的，十年以后基本上恢復了，十二年以后到1998年，基本看不出來痕跡了，大火燒過后已經(jīng)恢復過來了。

　　除了能看到恢復重建的房屋和基礎設施以外，我們經(jīng)常評價也包括災后生態(tài)恢復了沒有。我們用9年的衛(wèi)星影像來判斷分析，汶川地震發(fā)災以后，造成損失以后的生態(tài)是不是恢復了。


 
        之前的是實際觀測出來的，后面的則是根據(jù)觀測的結(jié)果，利用各種生態(tài)模型最后推算出來的，有的地方超過50年才可以恢復，有的地方根本就恢復不了，必須得人為干預才能恢復。根據(jù)這樣的圖，我們可以倒推下一步防災減災的重點。沒有恢復能力的地方和恢復的要大于50年的地區(qū)就是未來的防災減災的重點關注，根據(jù)這個可以看到在什么樣的地區(qū)，面積多大，占受損面積的多少，這個圖上可以一一做出來。

　　航空遙感：應急“精銳部隊”

　　航空遙感主要是飛機、氣球類的傳感器進行遙感。航空遙感，因為它的高度比衛(wèi)星低多了，所以拍衛(wèi)星分辨率非常高，可以看到非常多的細節(jié)，對精準救災起到重要作用。

　　特別值得一提的比如一般用于航空的激光遙感。

　　這是我們當時利用激光遙感做的馬來西亞首都吉隆坡的三維地面模型，這種地面模型不是地形，而是把建筑高度也都測出來，用于城市的三維顯示。發(fā)生災害的時候，可以利用這個模型做了洪水的模擬：發(fā)洪水的時候淹沒了什么地方。根據(jù)地形推算，根據(jù)歷史上的洪水進行模擬，對可能發(fā)生洪水大概會淹沒什么地方做出事先的模擬和預警。

　　自汶川地震以后，真正有人機的航空遙感，在應急中就很少使用了。一方面是衛(wèi)星遙感發(fā)展迅速，大量衛(wèi)星對有人機的航空遙感數(shù)據(jù)需求量沒那么大。另一方面是無人機的崛起，開始大量應用到救災領域，彌補了衛(wèi)星遙感時間分辨率不夠的缺陷。當有災情發(fā)生時，常常一兩個小時之內(nèi)要報數(shù)據(jù)，這時衛(wèi)星不能保證，就得出動無人機解決。應急期間，常有云霧覆蓋光學系統(tǒng)無法工作情況，雷達系統(tǒng)識別能力不夠，無人機效果就特別好。

　　當然，除了我們說的自然災害，我們其他的應急工作，無人機也會發(fā)揮很大的作用。生產(chǎn)安全領域，2015年福建化工廠發(fā)生爆炸，應急著火。省長和省委書記到現(xiàn)場指揮，立刻派出無人機進行監(jiān)測，可以低空進入到危險場所拍照取樣。天津新港地區(qū)大爆炸以后，也是無人機迅速拍攝了當時現(xiàn)場實景。有些專門停放汽車的區(qū)，迅速地確認了受災破壞的汽車數(shù)據(jù)。


        公共衛(wèi)生應急方面，比較早的是2016年國際組織在盧旺達的第一個全球無人機配送服務，把急需的血液樣品，供應運送到難以到達地區(qū)的醫(yī)院。我們在2009年也提出來，無人機目前主要當做偵察機，其實也可以當做運輸機往災區(qū)直接運送緊急需要的物資。比如血樣，緊急需要的藥品，還有衛(wèi)星通訊裝置。雅安地震時，直升飛機由于天氣的原因降不下來，最后采用了空投的衛(wèi)星通訊設備。我們當時也提要把無人機當運輸機使用，利用無人機進行小型的通信設備的空投，也可以解決這些問題。

　　醫(yī)療和無人運貨看起來是一種運輸，和遙感有什么關系？其實大家可以看到，這樣的運輸機上肯定要裝遙感的攝像裝置，因為我們這樣的物資都要精確地投送，血樣和藥品要投送到人的手上，一定要先搜索這個人在哪或者說設備，或者說在地震災區(qū)的帳篷指揮部在哪里，要清楚地找到人以后才能把物資投送，它們都需要與遙感結(jié)合起來。

　　未來，無人機在游戲和運動，醫(yī)學，搜索救援，警察和防務（社會安全），物流六個行業(yè)都將大有所為，其中，四個行業(yè)都與我們的防災減災應急密切聯(lián)系。特別是防災減災領域，救災時非常需要應急物流，無人機在這個領域的應用遠遠未到達到頂峰，發(fā)展前景可期。