文章转载自“格致论道讲坛”
在17个联合国可持续发展目标中，
无论是关注海洋、
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。
周成虎 · 中国科学院院士
格致论道第84期 | 2022年8月20日 北京
大家好，我是周成虎。我今天的演讲是《遥感：让我们的地球更安全》。
地球是我们人类和所有生物存在和繁衍的根本和基石。生命的起源、地球的演化、宇宙的演化，是我们基础科学的三大基本问题。在这三大问题里，地球的演化跟我们每个人尤为密切。
在17个联合国可持续发展目标（SDGs）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？
▲第一幅灾区光学图象：5月14日上午台湾“福卫二号”的北川地区遥感影像
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。
▲热带气旋路径（1985-2005）
Source: Wikipedia谈哲敏院士
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。
▲2017年9月8日大西洋气旋
Source: 谈哲敏院士
2017年9月8日，大西洋上同时出现了三个飓风，像一幅美丽的画卷。地球非常美，但是在美的背后，对人类的影响是很大的。
到天上布置一个监测网
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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。《西游记》中孙悟空的火眼金睛，在天上能够看到地面的任何东西这样的畅想，借助卫星终于实现了。
▲美国，1960年发射第一颗（43颗，8颗在轨）
欧洲，1974年发射第一颗（16颗，7颗在轨）
中国，1988年发射第一颗（14颗，7颗在轨）
日本、俄罗斯、韩国……
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。我相信，如果没有这么好的技术，我们无法得知大气空间到底发生了什么，以及世界为什么变得这么热。2022年是全球最热的年份之一。
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。
▲中国的陆地资源卫星起步于和巴西的合作的中巴地球资源卫星
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。可以说，中国终于实现了从没有卫星到有卫星，从有一颗卫星变成了一整个“星座”的转变。
卫星能监测哪些自然灾害？
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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。
▲自然灾害遥感监测与防治
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。
▲2016年武汉、江西洪涝灾害遥感监测
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。
▲2015年缅甸洪涝灾害遥感监测
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。
▲大范围干旱气象卫星遥感监测
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。
▲沙尘暴气象卫星监测
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。
▲基于多光谱遥感卫星的海洋溢油连续动态监测
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。
▲基于SAR的海洋溢油连续动态监测
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！
▲海洋卫星协同其他卫星实现对海洋动力环境与灾害的动态监测
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。
汶川地震时遥感的作用
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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。
▲灾区第一幅SAR图象（5月13日19:00时）
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。例如这幅图是用意大利COSMO的3米的SAR影像对地表实施监测，可以知道水库是否积水、会不会崩溃以及是否会产生次生灾害。
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。
▲快速启动航空遥感综合监测
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。
▲微波遥感发挥了重要作用：
COSMO、TerraSAR、ALOS、Radarsat、资源1号等
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。
▲D-InSAR 余震与地表形变解译结果（葛林林）
The University of New SouthWales, Cooperative Research Centre for Spatial Information and NewSouth Wales Department of Lands
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。
▲堰塞湖监测
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。
▲左：北川被掩埋的村庄
右；QB影像提取的房屋倒损
位于我国西南地区的易贡湖，曾在2000年发生过堰塞坝溃坝。当时由于融雪的原因，大量飞石落下在雅鲁藏布江形成了50亿立方米的堰塞湖。大坝崩溃后，下游500米的河道上升3米以上，500公里的河道里桥梁全部被推垮。所以，我们要快速监测受灾区域有没有重大的次生灾害发生，还有村庄被淹、埋的数据。
▲北川的建筑物损毁
SWDC-4，分辨率：0.63米
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。
▲北川桥梁损毁
WDC-4，分辨率：0.63 米
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。
▲嘉绒藏区第一寨：古建筑净毁
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。
▲地震灾区大型水库与大坝监测
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。
▲灾民应急安置动态监测
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。
▲抗灾救灾及灾后重建综合观测系统
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。
将遥感卫星连成“星座”
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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。
▲基于韩国GOCI卫星的复盘监测盐城2016年特大龙卷风
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。
▲北新村灾前和灾后对比分析：受灾评估与保险理赔
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。
下：导航卫星、遥感卫星、通信卫星
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。
▲后高分时代的遥感
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。
▲上：美国畅想
下：中国速度
“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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