预测地震,卫星技术距离突破还差几步?

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连续三天,俞雷团队都在重复着相同的工作:获取卫星影像,通过自有遥感信息综合处理应用平台,对影像进行导入、滤波和增强等处理,对泸定地震灾区进行受灾情况遥感分析与评估,将评估结果递交政府相关部门……

俞雷是四象科技首席产品官、卫星地面应用系统领域高级工程师。6日下午,在接受记者采访时,他刚刚带领团队完成了四象科技针对此次灾情制作的首张SAR(Synthetic Aperture Radar,合成孔径雷达)遥感影像。

“卫星遥感是第一时间评估受灾程度,监测山体滑坡等次生灾害的重要技术手段之一。我们在多源卫星数据综合处理方面有多年积累,可以为应急部门提供辅助的卫星影象信息,帮助他们掌握地形变化和受灾信息,辅助做出抗震决策。”俞雷称。

根据央视新闻6日消息,当天,国务院抗震救灾指挥部、应急管理部指挥中心通报称,通过卫星遥感影像图,在震中3公里范围内的海螺沟景区检测到一处山体滑坡,滑坡造成大约200米的道路被损毁。检测到灾情后,当地抢险救援力量也已经赶赴现场进行抢险处置工作。

除了地震监测,“北斗同步卫星+”的应用,也正在致力于求解“地震不能预报”的难题。2021年,中国地质大学(武汉)地空学院教授陈界宏团队联合中国地震局、四川省地震局等十余个单位建设了全球首个跨圈层扰动监测系统。

陈界宏7日在接受第一财经采访时称,目前,所观测到的异常现象,已经成功关联了数次地震事件。“这次四川泸定地震,通过我们系统测算出的震级和发生时间均已逐渐接近可以应用的阶段。”

“雷达卫星还是少了”

根据中国地震台网正式测定:2022年09月05日12时52分在四川甘孜州泸定县(北纬29.59度,东经102.08度)发生6.8级地震,震源深度16公里。

随后,国家航天局在当天13时02分接应急管理部国家减灾中心和四川高分中心应急需求,对地观测与数据中心第一时间启动民商卫星应急响应机制,紧急协调中国资源卫星应用中心以及四维世景、天仪研究院、二十一世纪、吉林长光、欧比特、国星宇航、山东产研院等商业公司,调度高分三号01/02/03星、高分一号D星、高景一号、海丝一号、巢湖一号、北京三号、吉林一号、星时代-9、齐鲁一号等10余颗卫星对地震灾区紧急成像。

“我们第一时间通过中国资源卫星应用中心订购了高分三号合成孔径雷达卫星(简称SAR卫星)影像数据。” 俞雷称,地震发生当晚19:11,团队拿到SAR卫星数据,次日上午做出遥感影像图。

从拿到卫星数据到做出影像图,俞雷团队花费了半天时间。但他坦言,遥感数据获取和分析的时效性延迟问题,是在所难免的。“由于SAR卫星在轨运行,而非固定凝视四川一地,所以,从紧急调轨、拍摄到形成SAR卫星影像耗费一定的时间。即便如此,通过遥感影像去分析大范围滑坡分布,也已经为政府部门及时掌握灾害影响、制规划应急救援方案提供了重要数据支撑。”

俞雷称,地震是破坏性最强的自然灾害之一,此次震中又处于偏远山区,当地没有充分的监测设施,如果在实地新增监测设备,则难度和成本较大,卫星技术是一种很好的替代。

但并非所有卫星都适合遥感监测。俞雷介绍称,在地震等灾害遥感监测中,选择卫星数据源通常来源于SAR卫星而非光学遥感卫星——光学遥感卫星会受灾区气象条件影响,如果成像区域恰巧被云覆盖,拍摄的地物也会被云遮挡,导致影像无法使用。而SAR卫星的数据获取不受阴雨云雾天气影响,具有全天候、全天时的观测能力。

通过团队制成的上述遥感影像图,俞雷发现,海螺沟景区有多处山体滑坡,部分滑坡倾倒至河流,并已导致部分道路中断。“大型滑坡可能堵塞河道形成堰塞湖,堰塞湖溃决可能产生洪水灾害,威胁下游人民群众的生命财产安全。”俞雷说。

 

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图片来源:四象科技

但他同时提到,卫星遥感影像更多是呈现地表覆盖变化情况。滑坡是否会发生、发生程度如何,以及是否会进一步形成堰塞湖还和地质、水文等其他因素有关,需要综合多方数据。

成都理工大学地灾防治与地质环境保护国家重点实验室7日发布的最新评估和预测显示,泸定地震引发了湾东河流域滑坡堰塞湖险情,但堰塞湖规模较小,目前溃决洪水危险性低。不过,未来如出现强降雨,可能引发次生灾害。

上述实验室运用的是现场信息与无人机数据。该实验室无人机6日航拍数据显示,3处滑坡规模均较小,并未造成大规模堵江,且堰塞湖面积较小。

“事实上,应急管理部门在做抗震救灾的相关决策前,会大量收集多部门的数据,其中遥感数据逐渐纳入民商卫星的监测数据,待这些数据汇总后,经过多方专家共同分析、决定。”俞雷称。

既然政府拥有自身的雷达卫星,为何还需要民商卫星的遥感数据呢?

“雷达卫星数还是太少了。”俞雷称,震后救援的黄金期为72小时,但单颗雷达卫星反馈的数据往往覆盖范围十分有限。基于合成孔径雷达数据的干涉测量技术(InSAR),监测地表形变的精度可以达到5毫米,并且具备大面积的对地观测能力,对地质活动的监测预警有着巨大的优势。

卫星技术预报地震?

除了用来监测震情及可能发生的次生灾害外,在陈界宏看来,面对地震,卫星的用途可以发挥得更早,比如早于地震预警系统的预警倒计时,提前数月进行预测。

“根据超级观测站的监测,从去年青海玛多和云南漾濞地震,再到今年四川芦山、马尔康和泸定地震,我们都成功捕获到了岩石圈、大气圈与电离层等一系列异常信号,并从这些复杂的自然信号中提取出震前共同存在的跨圈层共振耦合前兆。” 陈界宏介绍。

“超级观测站”MVP-LAI系统由陈界宏团队于2021年在四川乐山建立,是世界上首个实现岩石圈、大气圈和电离层圈跨圈层联合观测的单站且垂向的监测系统。2021年,陈界宏团队利用该系统结合北斗同步卫星系统信号,首次观测到地震前的共振且驻波型信号。

 

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图片来源:地质过程与矿产资源国家重点实验室(中国地质大学)官网

陈界宏表示,根据今年的最新技术突破,此次,对于四川泸定6.8级地震的前兆预判,震级和时间已大致趋近预测标准,而震中位置的预测仍存在约400千米左右的偏差。“目前,预测地震的‘时空强’三要素并非遥不可及,在不远的将来应该可以朝提升预测精度前进。”

之所以“超级观测站”可以在震前“锁定”泸定,陈界宏称,是因为大气是流体,如果一个异常特征经常性地存在特定的位置, 那有极高可能就是震前的共振且驻波型信号。

他进一步解释称,从机理上来看,断层发生错动前,地壳会存在振动现象,震前的振动现象会持续诱发向上空传递的波动, 最终导致在地面的岩石圈、约100千米高的电离层电流与约350千米高空的电离层电子浓度等多种物理参量的异常,并存在共同的异常特征。

“异常信号出现和地震检测是一一对应关系。换言之,即使异常信号可能会持续很多天,甚至直到地震发生,这些异常信息也均对应一场地震。也因此,我们可以通过较长时间的异常信号更精准地检验异常的演化到哪一个阶段了, 继而进行‘时空强’三要素的对应预测。”陈界宏表示。

根据陈界宏介绍,通过我国现有的地面观测台站协同北斗同步卫星发射的电磁信号的方式,目前,“超级观测站”已实现全国覆盖性监测的效果。

 

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