我國地震衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

我國地震衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

地震采集與監(jiān)測加強(qiáng)地震監(jiān)測和報(bào)告研究，是實(shí)現(xiàn)國家民防民防目標(biāo)和全面建設(shè)小社會的重要保障。利用航天技術(shù)對地觀測具有地面觀測無法比擬的優(yōu)勢,以其觀測范圍廣、不受地面自然條件限制等特點(diǎn),在地震觀測研究中顯現(xiàn)出明顯的應(yīng)用前景。同時(shí)利用航天技術(shù)進(jìn)行觀測,將給地震前兆信息增加立體環(huán)境的異常數(shù)據(jù),豐富地震前兆信息的內(nèi)容。利用迅速發(fā)展的衛(wèi)星對地觀測技術(shù),建設(shè)衛(wèi)星地震系統(tǒng),可以覆蓋全球的強(qiáng)震多發(fā)區(qū),全球地震監(jiān)視記錄與地震事件有關(guān)異?，F(xiàn)象的頻次可以大大提高,使觀測到地震震例的機(jī)會大大增加,有助于對地震機(jī)理進(jìn)行深入研究,提高對地震孕育、發(fā)生、發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識。對于大力提高地震監(jiān)測能力,獲取海量前兆信息,突破地震預(yù)報(bào)這個(gè)世界性科學(xué)難題具有重要意義。我國空間對地觀測技術(shù)的發(fā)展,最早可以追溯到20世紀(jì)50年代。當(dāng)1957年蘇聯(lián)“月亮一號”衛(wèi)星發(fā)射成功后,中國人造衛(wèi)星事業(yè)的倡導(dǎo)者和奠基人之一、“兩彈一星功勛獎?wù)隆鲍@得者、著名地球物理學(xué)和空間物理學(xué)家趙九章先生(1907年10月15日—1968年10月26日)就迅速上書科學(xué)院和國務(wù)院,建議開展中國人造地球衛(wèi)星的研究試制工作,并提出“中國發(fā)展人造衛(wèi)星要走自力更生的道路,要由小到大,由低級到高級”的重要建議。在他的積極倡議和主持下,我國的衛(wèi)星研制工作迅速發(fā)展,并于1970年4月24日成功發(fā)射了“東方紅1號”人造地球衛(wèi)星。今天,在紀(jì)念趙九章先生誕辰100周年之際,我國航天事業(yè)已經(jīng)走過了整整50年歷程,目前已經(jīng)建成東方紅通信廣播衛(wèi)星系列;風(fēng)云氣象衛(wèi)星系列;實(shí)踐科學(xué)探測與技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列;地球資源衛(wèi)星系列;北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系列;同時(shí)正在建設(shè)海洋衛(wèi)星系列和環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測小衛(wèi)星星座?；诳臻g對地觀測技術(shù)的發(fā)展趨勢和迅速膨脹的應(yīng)用需求的分析,《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》中提出的國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)已經(jīng)啟動,地震電磁衛(wèi)星論證也在進(jìn)行中。1地震地質(zhì)技術(shù)研究遙感技術(shù)是20世紀(jì)后期發(fā)展最快的地球科學(xué)分支之一。其主要的對地觀測手段包括可見光遙感、紅外遙感、微波遙感等。隨著空間技術(shù)的進(jìn)步,以地球物理場觀測為目標(biāo)的非成像遙感技術(shù)也迅速發(fā)展,衛(wèi)星電磁、衛(wèi)星重力等作為新的遙感技術(shù)手段,其重要意義越來越得到各國政府和學(xué)者的關(guān)注。20世紀(jì)70年代后期,我國利用美國MSS陸地衛(wèi)星資料進(jìn)行地震地質(zhì)研究工作開始起步,地震學(xué)家利用當(dāng)時(shí)有限的衛(wèi)星遙感影像資料對我國大陸內(nèi)部主要構(gòu)造帶進(jìn)行了研究,取得令人鼓舞的成果?！熬盼濉币詠?我國開展了一系列衛(wèi)星遙感地震應(yīng)用研究,并開始使用風(fēng)云衛(wèi)星等國產(chǎn)遙感數(shù)據(jù)開展探索性研究工作。在地震預(yù)測方面,我國學(xué)者一直致力于探索遙感技術(shù)在地震監(jiān)測預(yù)報(bào)中的可應(yīng)用性研究,開展了GPS和InSAR技術(shù)監(jiān)測地殼形變信息研究、紅外遙感地震前兆的異常特征、預(yù)報(bào)方法和機(jī)理研究、地震前兆熱紅外異常衛(wèi)星遙感監(jiān)測與快速處理系統(tǒng)研究等,利用現(xiàn)有國內(nèi)外衛(wèi)星紅外遙感數(shù)據(jù),對部分典型地震進(jìn)行了探索性研究,為進(jìn)一步利用衛(wèi)星紅外遙感研究地震機(jī)理、地震孕育過程和探索地震預(yù)測新的技術(shù)途徑打下了基礎(chǔ)。近年來,基于衛(wèi)星電磁觀測技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)外專家又重點(diǎn)圍繞衛(wèi)星電磁信息提取技術(shù)開展了系統(tǒng)的震例分析和機(jī)理研究[8,9,10,11,12,13,14,15,16]。在地震災(zāi)害評估方面,開展了諸如航空與衛(wèi)星遙感影像震害識別特征參數(shù)的提取,基于遙感圖像的震害快速評估技術(shù)等研究,初步建立了地震災(zāi)情快速獲取與損失評估遙感與通訊技術(shù)系統(tǒng)。在雷達(dá)遙感應(yīng)用方面,一批年輕地震專家進(jìn)行了努力探索,掌握了InSAR和極化SAR處理技術(shù),利用歐空局ERS-1/2衛(wèi)星數(shù)據(jù),開展了隱伏活動斷裂探測試驗(yàn)研究,并成功獲得了1997年西藏瑪尼7.8級、2001年昆侖山8.1級地震的形變場圖像[17,18,19,20,21,22,23,24,25]。為衛(wèi)星雷達(dá)遙感應(yīng)用于地震監(jiān)測預(yù)報(bào)和地震災(zāi)害評估開辟了新的技術(shù)途徑。歸納空間信息獲取技術(shù)的發(fā)展以及災(zāi)害性地震遙感應(yīng)用研究結(jié)果,防震減災(zāi)事業(yè)對空間對地觀測的需求,包括光學(xué)(含紅外)、合成孔徑雷達(dá)、電磁、重力4類衛(wèi)星觀測得到的各種信息(表1)?？臻g對地觀測技術(shù)發(fā)展到今天,應(yīng)用InSAR和GPS技術(shù)已經(jīng)能夠觀測到從毫米到厘米量級的地殼形變;紅外遙感技術(shù)(IR)能夠觀測到大范圍的近地表熱場;衛(wèi)星電磁(EM)觀測技術(shù)已探測到地震電磁輻射(DC到MHz)引起的電離層擾動。InSAR、GPS、IR、EM等空間對地觀測新手段與地面觀測手段的結(jié)合將為地震預(yù)測的發(fā)展與突破帶來前所未有的機(jī)遇。2無監(jiān)測能力地區(qū)地震探測系統(tǒng)中國已經(jīng)建成了一定規(guī)模的地面地震監(jiān)測臺網(wǎng),但由于各種條件的限制,臺網(wǎng)分布很不均勻,尤其在青藏高原地震多發(fā)地區(qū),基本上屬于無監(jiān)測能力地區(qū)。衛(wèi)星觀測具有覆蓋范圍廣、動態(tài)信息強(qiáng)的特點(diǎn),能夠獲取連續(xù)的整個(gè)地球物理和地球化學(xué)背景場的信息,可對大陸地殼運(yùn)動狀況實(shí)現(xiàn)高精度、大范圍和實(shí)時(shí)連續(xù)的監(jiān)測,大大彌補(bǔ)地面監(jiān)測手段的不足,實(shí)現(xiàn)大范圍連續(xù)的地震效應(yīng)的時(shí)、空、強(qiáng)動態(tài)監(jiān)測。發(fā)展地震衛(wèi)星空間觀測技術(shù),形成天地一體化地震監(jiān)測體系,是突破地震觀測手段的局限性、推動地震預(yù)報(bào)研究與實(shí)踐更快發(fā)展的重要舉措。2.1國家分辨率對觀測系統(tǒng)的影響目前,我國已經(jīng)獨(dú)立發(fā)展了氣象衛(wèi)星系列、海洋衛(wèi)星系列和資源衛(wèi)星系列,環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星星座也即將發(fā)射入軌。在科學(xué)的發(fā)展觀和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略指導(dǎo)下,配合國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃的實(shí)施,我國確立了民用航天中長期發(fā)展思路和“十一五”發(fā)展綱要,并將逐步完成國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)建設(shè)?，F(xiàn)有的民用遙感衛(wèi)星系列和國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)建設(shè)完成后,在成像遙感領(lǐng)域,將基本形成實(shí)時(shí)覆蓋能力的中低分辨率紅外遙感、24小時(shí)覆蓋能力的中高分辨率紅外遙感、高分辨率可見光和雷達(dá)遙感系統(tǒng)。其中,中低分辨率紅外遙感系統(tǒng)的空間分辨率為公里級,能夠滿足地震監(jiān)測工作對紅外遙感信息的需要;可見光遙感的空間分辨率將達(dá)到2~3m,其時(shí)空分辨率能夠基本滿足地震災(zāi)害快速評估和應(yīng)急救援工作需要;雷達(dá)遙感的空間分辨率大約為5m,可以用于進(jìn)行地震構(gòu)造分析和災(zāi)害評估(表2)。按照國家民用遙感系統(tǒng)統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)的指導(dǎo)思想,配合國產(chǎn)民用遙感衛(wèi)星和國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)的發(fā)展,通過推動相關(guān)民用遙感衛(wèi)星在地震行業(yè)的應(yīng)用,將為推動地震遙感業(yè)務(wù)化應(yīng)用,促進(jìn)地震監(jiān)測預(yù)報(bào)取得突破,提高我國防震減災(zāi)能力提供重要技術(shù)支持。2.2國際上工程應(yīng)用研究與我國的情況類似,許多國家已經(jīng)或正在開展基于多用途的遙感衛(wèi)星信息,開展地震構(gòu)造研究和災(zāi)害快速評估等方面的研究和災(zāi)害應(yīng)急系統(tǒng)建設(shè)?？紤]到地震監(jiān)測預(yù)報(bào)對空間技術(shù)的特殊需求,目前國際上一些主要的航天技術(shù)發(fā)達(dá)國家,在進(jìn)行多年應(yīng)用研究取得大量成果后,正在紛紛制定專用于地震觀測的衛(wèi)星發(fā)展計(jì)劃,加緊建立衛(wèi)星地震監(jiān)測系統(tǒng)(表3)。從表3可以看出,專用的地震監(jiān)測衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè),總體上以電磁InSAR技術(shù)為主要手段,當(dāng)然,其他類型衛(wèi)星,尤其是衛(wèi)星紅外信息和衛(wèi)星重力信息在地震監(jiān)測中的意義也十分重要。2.3承擔(dān)地震遙感應(yīng)用的基礎(chǔ)研究和綜合應(yīng)用能力我國地震衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展的總體思路是:重點(diǎn)建設(shè)專用的地震監(jiān)測衛(wèi)星系列,統(tǒng)一規(guī)劃,分步實(shí)施。首先啟動研制地震電磁探測試驗(yàn)衛(wèi)星,逐步推動電磁衛(wèi)星系列化發(fā)展;積極參加國家其他民用遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的研制和論證,根據(jù)我國民用遙感衛(wèi)星發(fā)展的統(tǒng)籌規(guī)劃,逐步完善適應(yīng)防震減災(zāi)三大工作體系需求的地震衛(wèi)星系統(tǒng);結(jié)合防震減災(zāi)事業(yè)對監(jiān)測技術(shù)的總需求,配合地面地震監(jiān)測臺網(wǎng),逐步建設(shè)天地一體化立體地震監(jiān)測系統(tǒng),重點(diǎn)建設(shè)天地對比觀測系統(tǒng),適當(dāng)建設(shè)近空間和航空觀測系統(tǒng);大力推進(jìn)國產(chǎn)民用遙感衛(wèi)星推廣應(yīng)用工程,促進(jìn)地震遙感應(yīng)用產(chǎn)品深度加工和綜合應(yīng)用能力建設(shè)。第一,按照國家民用遙感衛(wèi)星統(tǒng)籌規(guī)劃的思路,逐步建立功能完善的防震減災(zāi)衛(wèi)星系統(tǒng)?！笆晃濉逼陂g,重點(diǎn)推進(jìn)建設(shè)地震電磁探測試驗(yàn)衛(wèi)星,積極參加國家InSAR衛(wèi)星和重力衛(wèi)星的論證工作。第二,基于防震減災(zāi)事業(yè)發(fā)展的需要,在推動衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)的同時(shí),初步構(gòu)建天地一體化地震電磁立體觀測系統(tǒng)。以地震電磁立體監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)為重點(diǎn),建設(shè)完善地震電磁輻射地面觀測臺網(wǎng)和大氣層-電離層地震電磁輻射信號的地面觀測網(wǎng),逐步構(gòu)建大氣層-電離層地震電磁輻射信號的近空間飛艇、探空氣球以及航空遙感觀測系統(tǒng)(圖1),形成多層次立體電磁信息獲取能力。第三,高精度、動態(tài)遙感數(shù)據(jù)獲取與綜合應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。以建設(shè)地震電磁衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)為基礎(chǔ),建設(shè)多源民用遙感衛(wèi)星信息獲取系統(tǒng),為防震減災(zāi)事業(yè)發(fā)展提供穩(wěn)定有效的信息源;開展與地震震情監(jiān)測、災(zāi)害應(yīng)急評估、基礎(chǔ)信息建設(shè)等與地震減災(zāi)有關(guān)的遙感信息提取和深度挖掘研究工作;積極參與國產(chǎn)民用遙感衛(wèi)星推廣應(yīng)用工程;依托現(xiàn)代信息技術(shù),逐步完善地震遙感應(yīng)用和信息服務(wù)平臺(圖2)。3地震臺網(wǎng)試驗(yàn)衛(wèi)星的初步方案3.1研究地震短臨過程與機(jī)理作為在地震預(yù)測方面有重要應(yīng)用前景的科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星,第一顆地震電磁探測衛(wèi)星的主要科學(xué)目標(biāo)是:(1)獲取中國乃至全球電磁場、電離層、高能粒子數(shù)據(jù);研究與地震孕育發(fā)生相關(guān)聯(lián)的電磁場、電離層、高能粒子沉降等變化,探索其規(guī)律與機(jī)理。(2)識別和提取與大震孕育發(fā)生過程有關(guān)的電磁、電離層、高能粒子地震前兆信息,配合地面觀測臺網(wǎng)資料,在地震短臨預(yù)測實(shí)踐中進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用與檢驗(yàn),探索大震短臨預(yù)測新途徑和預(yù)警新方法,增強(qiáng)短臨預(yù)測能力。(3)為相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究與國際合作提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)。(4)檢驗(yàn)衛(wèi)星電磁電離層探測技術(shù)的效能與可靠性,為發(fā)展天地一體化地震監(jiān)測系統(tǒng)和業(yè)務(wù)化運(yùn)行提供基礎(chǔ)。3.2磁場與磁場地震電磁探測試驗(yàn)衛(wèi)星探測的內(nèi)容將涉及電磁場與電磁波、電離層等離子體和高能粒子沉降等,涉及的物理量包括:電磁場、電離層等離子體、高能粒子沉降等。3.3衛(wèi)星平臺運(yùn)行和支持能力根據(jù)地震電磁衛(wèi)星試驗(yàn)階段的目標(biāo)、任務(wù),地震電離層擾動特征,以及地震監(jiān)測預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作對數(shù)據(jù)質(zhì)量等的要求,提出了衛(wèi)星平臺運(yùn)行和支持能力(表5)。4地震數(shù)據(jù)處理工作地震衛(wèi)星系統(tǒng)是立體地震觀測體系的重要組成部分。發(fā)展地震衛(wèi)星,一方面可以彌補(bǔ)地面觀測在區(qū)域覆蓋等方面的不足,更主要的是將為地震觀測提供更多的觀測信息和觀測物理量,從而為推動地震監(jiān)測預(yù)報(bào)取得突破提供支持。按照國家民用遙感衛(wèi)星統(tǒng)籌發(fā)展的基本思路,同時(shí)充分考慮地震監(jiān)測預(yù)報(bào)對空間技術(shù)的需求,我國第一顆地震衛(wèi)星選定為地震電磁探測衛(wèi)星。目前,在國防科工委等的支持下,地震電磁探測試驗(yàn)衛(wèi)星的綜合論證工作