IAA宇航研究小組——全球地球物理現象監測與災害預報的國際空間系統
各種自然災害和人為災害是人類持續生存發展的主要威脅，這些災難帶來了巨大的損失。對這些災難預警成為當前世界最關心的話題之一。世界衛生組織與流行病學研究中心提供的研究報告顯示，在2000~2011年之間自然災害導致110萬人喪生，受影響的人口達到27億，這其中地震共導致80萬人喪生。如果查看聯合國國際戰略減災數據，2011年在302場災害中有29782人喪生，經濟損失達到3660億美元，比2005年提高了近三分之一。根據另外一個國際組織的估計，在1970~2011年之間，各種自然災害、人為災害共造成2萬億美元的經濟損失。其中，自然災害除了地球上的問題，還有來自空間的影響。
未來預測來自地球以及空間的各種災難，人們已經建立了各種系統以監視、模擬災害之前的各種預兆現象，這些現象可能發生在大氣層、電離層、電磁層各個位置。現在，科學家已經發現電離層特徵與地質構造變化之間的關係。當前，各國家已經啟動了自己的災害預警監測項目，例如SPIDER-UN、GEOSS、GMES等。但是，距離建立一個全球性的、各國廣泛合作的監視系統還有較大差距。2007年，第1屆「先進航天技術與人類發展」會議提出建立一個全球空間監視系統——IGMASS，開始協調各國建立全球性災害預警系統的工作。
1、20~21世紀之交的災難1）自然災難
聯合國通過各種渠道收集了從1900年至今世界各地共發生各類自然災害共18000多起。通過這些數據人們發現，災害的發生頻率在逐年增長；這些災害造成的人員和經濟損失越來越嚴重；在這些災害面前，科技和經濟是否發達沒有多大作用。這近2萬起自然災害包括水文、地質、氣象、氣候、生物等5各方面，例如洪水、地震、風暴、乾旱、傳染病等。
圖1 1980-2008年間5類自然災害發生比例
圖2 1980-2008年間自然災害在5大洲的分布
2）人為災難
人為災害主要是由技術系統失效、人為錯誤、工業或交通事故導致的災害。人為災害常伴隨著人身生命、生態環境的破壞和損失，對生命和國家安全有直接威脅。根據聯合國資料，人為災害主要包括：工業災害（化學污染、爆炸、輻射污染、次生災害）；交通災害（航空、航海、陸地交通等）；混合災害。另外，按照人為災害發生的意圖，還可分為：非蓄意的失誤導致；蓄意破壞或恐怖襲擊導致；不可預見的設備故障導致的災害等。
統計數據表明，在過去的70年中，世界範圍內人為災難的發生頻率迅速增長，這其中交通事故佔主要部分。同時，數據還顯示，大規模人為災害帶來的損失比自然災害要嚴重的多，遠超過20%。從1901年~2007年，全世界共發生1125起工業災害，死亡人數49000，受影響人數450萬，經濟損失2250億美元。這些工業在還主要發生在亞洲（651起）、歐洲（199起）、美洲（177起）。在這一時間段，還發生交通事故4102起，死亡人數194400，累計經濟損失580億美元。
2、現有空間監視系統
近些年，世界各國開始關注空間緊急情況監視系統的建設，主要有GEOSS、GMES、DMC等。
GEOSS由地球觀測小組的75個成員國及50個國際組織共同建造，它聯合了多個國家和區域監視觀測系統，其目的是：1）使國際社會有能力在自然災害或人為災害面前保護自己；2）了解自然資源對健康的威脅；3）管理能源；4）氣候變化及其影響的應急反應；5）保護水資源；6）改善天氣預報質量；7）管理生態系統；8）農業和生態多樣性保護。
GMES由歐盟建造的全球生態監視系統，系統由分析中心、地面站、軌道星座構成。為支持GMES功能，ESA還需發射5顆衛星：雷達成像衛星用于海洋觀測、多光譜高清成像衛星、多設備觀測衛星、2顆大氣監測衛星。另外，還將調用30多顆衛星支持GMES：ERS-2、Envisat、Radarsat-2、SeoSAR、SPOT等，這些衛星來自ESA、法國、西班牙、德國、瑞士等國家。
守衛亞洲由亞太區域空間機構論壇發起，25個國家的72個組織以及13個國際組織參與了該項目的建設。項目的主要目標是：1）利用航天和信息技術保護人類生命；2）提高災害的早期預警質量，提前做好準備；3）減小災害帶來的生命和經濟社會損失。守衛亞洲的主要活動包括：1）利用ALOS、IRS、THEOS、KOMPSAT等衛星實時觀測地球災害；2）利用MODIS、TRMM、GPM、AMSR-E等衛星監測火災、水災。
災害章程的目的是在國際範圍內建立自然災害、人為災害空間監測數據的傳遞和使用的統一系統，該項目由ESA、CNES、CSA共同發起，2000年11月啟動，此後阿根廷、印度、日本、中國、德國等國家的空間機構紛紛加入該項目。該項目的目標是：1）促進航天機構和航天設施運營機構在災害預警方面的合作；2）利用衛星數據交換，降低各種災害的損失。
3、IGMASS系統
IGMASS系統（International GlobalMonitoring Aerospace System）的目標是利用遍布全球的地基、空基、天基的預警、通信、監視衛星系統，建立起一個全球性的、及時的災害應急預警系統。
圖3 IGMASS的任務方案
為完成IGMASS的目標，需要完成以下功能任務：1）利用可見光、熱成像系統、低頻波系統、高頻波系統、離子輔助設備等監視系統，對地球表面、地質層、大氣層、離子層進行監視和觀測，獲得全球地質結構、含氫生態系統、地震、颱風、龍捲風、洪水、輻射、爆炸等災害的實時數據；2）收集、記錄全部衛星數據；3）實時、無延遲的傳送監測遙感數據；4）將預處理的監測遙感數據傳送給國際上的應急救援中心；5）利用數據分析，預測災害發生趨勢；6）為全球的應急響應、醫療救援等機構提供導航、通信支持；7）提供外空威脅預警，例如小行星、隕石等；8）逐步形成一個統一的、全球空間信息安全系統，減少各種危險和災害。
圖3 IGMASS集成結構示意
空間部分：IGMASS系統的空間部分主要用於空間觀測監視任務，可以提供及時的高清的、不同光譜範圍的圖像信息。典型系統如哈勃望遠鏡。
圖4 哈勃望遠鏡
天空設備：由各國家的飛機、直升機、飛艇、氣球等空中觀測平台攜帶相機等成像設備構成，主要用於人為災害的預警。
地面設備：地面設備主要用於IGMASS空中設備與空間設備的操作與控制、信息的收集、分析、傳遞等。
IGMASS的基本原則包括：1）遵守國際法及多邊或雙邊協議；2）廣泛的確保相關數據利用和研究的一致性，建立國際監視框架和平台；3）逐步將現有系統納入IGMASS系統；4）優先建設地面數據分析和災害預測機構；5）整合現有通信、導航、監視和廣播衛星系統。
4、災害前的預兆
通過持續的監視觀察，收集了大量的地球表面、大氣、離子層、的數據，然後分析災害發生前的數據變化情況可以發現一些災害前的預兆信息。在報告中，共總結了10類災難發生之前的預兆信息。
獲得這些預兆信息要通過各種監視、觀測設備不停地收集地球各方面的信息，例如大氣層的化學組份、大氣溫度與濕度、雲的組份及降水概率、地球表面的熱輻射、海洋顏色、地球重力與電磁特性變化等。所使用的設備包括：高清可見光成像設備、多光譜紅外成像設備、多光譜多波成像設備、雷達設備、激光雷達設備、散射測量、雷達干涉測量等。
5、研究結論與建議
通過建立全球性的監視觀測設備，能夠及時發現各種災害發生之前的預兆信息，從而提供有效的預警。為了促進這種方法發揮更好的作用，應該從以下幾方面加強工作：
1）繼續整合已有或將要發射的地球觀測系統和控制設備，並繼續發現有價值的預兆信息，從而更有效地提供災害預警。
2）繼續研製更先進的地球電離層、大氣層、地質層的觀測和分析設備與方法，這些設備是所有災害預警的基礎。
3）繼續加強對現有觀測設備的信息集成研究，包括接受、處理、擴散等，提高觀測和預警數據的利用效率和範圍。
4）繼續建設地面數據觀測站和數據分析處理中心，提高對數據的分析和處理能力，提高預警效率。
5）專門研製用於災害預警的小衛星系統，這些小衛星專門用於發現各種災害之前的預兆信息。
6）開始研究IGMASS政治和法律層面的問題。
*以上內容摘自國際宇航科學院研究小組報告，若您對報告內容感興趣，請聯繫國際宇航科學院研究中心
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