基于北斗衛(wèi)星技術(shù)的野外地質(zhì)工作管理與服務(wù)模式：青海玉樹州地質(zhì)災(zāi)害詳查示范應(yīng)用

石小亞，王佳運(yùn)

（中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安710054）

點(diǎn)多、線長、高度流動(dòng)性和分散性是野外地質(zhì)工作的特點(diǎn)。野外地質(zhì)工作點(diǎn)多，且遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，交通和通信極其不便，工作和生活條件都十分惡劣；踏勘線路長，且地理環(huán)境復(fù)雜，氣候條件異常，工作條件艱苦；野外工作區(qū)廣，一個(gè)項(xiàng)目組常分成若干隊(duì)，2～3人一隊(duì)流動(dòng)分散作業(yè)，相互溝通不便。野外工作中，地質(zhì)人員常會(huì)遭遇到各種危機(jī)，比如疾病、迷路失蹤、野獸攻擊、交通意外等。同時(shí)，對于地質(zhì)單位來講，項(xiàng)目組一出野外，由于工作地偏遠(yuǎn)，交通通訊不便，無法及時(shí)獲知項(xiàng)目進(jìn)展，進(jìn)行項(xiàng)目管理。野外地質(zhì)人員工作遭到人身安全威脅時(shí)，更無法及時(shí)與項(xiàng)目駐地、項(xiàng)目單位取得聯(lián)系，獲得救援?？梢娺M(jìn)一步加強(qiáng)野外地質(zhì)工作管理，提高野外地質(zhì)工作保障服務(wù)水平，是我們今后地質(zhì)管理服務(wù)工作中的一個(gè)重大研究課題。2010年始，國土資源部啟動(dòng)了國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)，基于3S技術(shù)的野外地質(zhì)工作管理與服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用項(xiàng)目，利用國產(chǎn)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)定位通訊功能，構(gòu)建現(xiàn)代化野外地質(zhì)工作管理與服務(wù)體系，實(shí)現(xiàn)野外工作“態(tài)勢管理”。

1 北斗衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)簡介

1.1 北斗衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)原理及流程

北斗衛(wèi)星定位通訊技術(shù)是我國自主研制的利用衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位通訊的系統(tǒng)，它不但有授時(shí)定位功能，還可以利用衛(wèi)星傳遞短信息。通訊定位系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 北斗衛(wèi)星定位通訊流程

北斗衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)由兩顆地球靜止衛(wèi)星（800°E和1400°E）、一顆在軌備份衛(wèi)星（110.5°E）、中心控制系統(tǒng)、標(biāo)校系統(tǒng)和各類用戶機(jī)等組成。系統(tǒng)的工作過程是：①首先由地面控制中心定時(shí)向北斗衛(wèi)星Ⅰ和衛(wèi)星Ⅱ發(fā)送調(diào)制有測距信號(hào)、電文幀、時(shí)間碼等詢問信號(hào)；②詢問信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器變頻放大轉(zhuǎn)發(fā)給用戶終端；③用戶終端接收詢問信號(hào)后，立即響應(yīng)并向兩顆衛(wèi)星發(fā)出應(yīng)答信號(hào)；④衛(wèi)星將收到的用戶終端的應(yīng)答信號(hào)經(jīng)變頻放大下發(fā)給地面控制中心；⑤地面控制中心收到應(yīng)答信號(hào)，對定位申請，控制中心系統(tǒng)測出兩個(gè)時(shí)間延遲。根據(jù)地面控制中心和兩顆衛(wèi)星的位置，以及地面控制中心系統(tǒng)從存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)字化地形圖查尋到用戶高程值，從而中心控制系統(tǒng)可最終計(jì)算出用戶所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)，這個(gè)坐標(biāo)經(jīng)加密由出站信號(hào)發(fā)送給用戶，定位完成。對于通訊申請，經(jīng)處理，再將其發(fā)送到地面網(wǎng)管中心；⑥地面網(wǎng)管中心接收到通信申請信號(hào)后，解密和再加密后發(fā)送至地面控制中心；⑦地面控制中心將其加入持續(xù)廣播的出站電文中，經(jīng)衛(wèi)星廣播給用戶；⑧用戶機(jī)接收出站信號(hào)，解調(diào)解密出站電文，完成一次通信［1］。

1.2 優(yōu)勢與特點(diǎn)

北斗衛(wèi)星定位通信技術(shù)有以下優(yōu)勢：①數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，時(shí)延小；②覆蓋范圍大，通信盲區(qū)少；③獨(dú)立的組網(wǎng)，不需要任何其他系統(tǒng)支持；④特別適合分布于大面積范圍內(nèi)的集團(tuán)用戶監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)采集與傳輸應(yīng)用；⑤數(shù)據(jù)傳輸安全、可靠、穩(wěn)定，保密性強(qiáng)，適合關(guān)鍵部門應(yīng)用［1］。

與其他無線通信網(wǎng)絡(luò)相比，北斗通信接收機(jī)除普通型用戶機(jī)外，還有一種指揮型接收機(jī)，其有以下特點(diǎn)：①北斗指揮型接收機(jī)具有監(jiān)控功能，即北斗指揮型接收機(jī)可以監(jiān)收其下屬通信型接收機(jī)的通信數(shù)據(jù)，而無須發(fā)送任何指令；②北斗指揮型接收機(jī)具有通播功能，即北斗指揮型接收機(jī)可以同時(shí)發(fā)送相同的消息給其所有的下屬通信型接收機(jī)，而無須一一發(fā)送［1］。

由于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)處于不斷發(fā)展中，目前衛(wèi)星數(shù)量少，只具備25m左右的定位服務(wù)精度，但結(jié)合GPS，雙模制式，可滿足野外地質(zhì)使用。隨著北斗二代衛(wèi)星的發(fā)展，到2012年底，已發(fā)射16顆衛(wèi)星，服務(wù)精度將會(huì)達(dá)到10m左右，完全可以滿足野外地質(zhì)使用。

2 北斗衛(wèi)星技術(shù)野外地質(zhì)工作管理與服務(wù)模式

2.1 基于北斗衛(wèi)星技術(shù)野外地質(zhì)工作管理與服務(wù)框架

基于3S技術(shù)野外地質(zhì)工作管理與服務(wù)體系是基于衛(wèi)星技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)格技術(shù)，通過對遙感數(shù)據(jù)處理，地質(zhì)信息識(shí)別，海量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分發(fā)，空間信息承載與展示，北斗系統(tǒng)與GPS兼容應(yīng)用等重大關(guān)鍵共性技術(shù)的突破，將野外地質(zhì)調(diào)查工作現(xiàn)代化、精細(xì)化、人性化要求與國產(chǎn)衛(wèi)星的自主性有機(jī)結(jié)合，建立現(xiàn)代化野外地質(zhì)工作管理與服務(wù)系統(tǒng)［2］?？蔀樵谝巴庹{(diào)查人員的安全保障和野外工作的質(zhì)量監(jiān)控、檢查、管理和服務(wù)各個(gè)環(huán)節(jié)中，提供野外地質(zhì)調(diào)查、應(yīng)急保障等多種信息數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分享、處理、反饋和決策現(xiàn)代化的管理工具，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的野外地質(zhì)工作管理與服務(wù)。初步形成現(xiàn)代化野外地質(zhì)工作管理與服務(wù)技術(shù)指南、數(shù)字化野外地質(zhì)工作管理與服務(wù)平臺(tái)，為建立現(xiàn)代化野外工作管理和服務(wù)模式奠定基礎(chǔ)；通過在西寧、烏魯木齊等野外工作站以及成都中心，沈陽中心以及西安中心等地的示范與應(yīng)用，形成野外地質(zhì)調(diào)查生產(chǎn)管理、突發(fā)事件、應(yīng)急處置，遠(yuǎn)程服務(wù)網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)體系和架構(gòu)，為全國野外地質(zhì)調(diào)查人員和管理人員提供現(xiàn)代地質(zhì)調(diào)查工作管理與服務(wù)的新模式，全面提升公益性工作綜合管理能力和水平。

2.2 基于北斗衛(wèi)星技術(shù)野外地質(zhì)工作管理與服務(wù)模式

2.2.1 管理模式

結(jié)合北斗衛(wèi)星通訊定位技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格技術(shù)，搭建野外地質(zhì)工作管理服務(wù)體系，在體系中，可實(shí)現(xiàn)分層次靈活性的動(dòng)態(tài)化管理與服務(wù)。

如圖2所示：①中國地調(diào)局（北京）部署北斗中央指揮機(jī)，可隨時(shí)管理服務(wù)所有中心指揮機(jī)，普通指揮機(jī)以及相應(yīng)的終端卡號(hào)；②在各個(gè)大區(qū)中心部署中心指揮機(jī)，可管理服務(wù)下屬普通指揮機(jī)和相應(yīng)終端卡號(hào)；③在各個(gè)野外工作站可根據(jù)經(jīng)費(fèi)部署中心指揮機(jī)或普通指揮機(jī)，管理服務(wù)所燒制的終端卡號(hào)，因?yàn)轫?xiàng)目單位歸口管理不同，但到野外工作區(qū)，根據(jù)工作區(qū)劃燒制管理終端卡號(hào)，以便第一時(shí)間得到就近管理與服務(wù)；④項(xiàng)目單位可部署一臺(tái)普通指揮機(jī)，以便能夠隨時(shí)管理服務(wù)所持終端卡號(hào)的項(xiàng)目組；⑤項(xiàng)目組出野外只需持北斗終端，不僅隨時(shí)獲得野外工作定位信息，而且可以利用北斗衛(wèi)星通訊功能，與項(xiàng)目單位野外項(xiàng)目分隊(duì)等取得溝通。通過“野外人員－野外駐地－野外工作站－大區(qū)中心站－北京中心站”五級(jí)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)分層次靈活性的動(dòng)態(tài)化管理與服務(wù)。

圖2 基于北斗衛(wèi)星野外地質(zhì)工作管理與服務(wù)模式示意圖

2.2.2 服務(wù)模式

在基于北斗衛(wèi)星定位通訊功能的野外地質(zhì)工作管理服務(wù)平臺(tái)上，只需簡單組網(wǎng)部署，如圖3所示。

圖3 野外地質(zhì)工作北斗衛(wèi)星通訊組網(wǎng)示意圖

部署中心式指揮機(jī)于中心機(jī)房，上接北斗天線，用于接收北斗衛(wèi)星通訊定位信息，下接服務(wù)器存儲(chǔ)信息，負(fù)責(zé)大區(qū)內(nèi)北斗用戶終端信息的監(jiān)控與管理；野外工作站或野外項(xiàng)目駐地節(jié)點(diǎn)，部署北斗普通型指揮機(jī)，通過筆記本電腦或臺(tái)式機(jī)的串口與之連接，配套使用；野外單兵手持北斗藍(lán)牙通訊與定位終端，該終端具備北斗短報(bào)文通信與定位功能，無顯示屏，需通過無線藍(lán)牙技術(shù)與PDA掌上機(jī)或平板電腦配套使用。

各級(jí)結(jié)點(diǎn)之間采用北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。為野外地質(zhì)調(diào)查工作的管理與服務(wù)提供高效、便捷的信息通道。同時(shí)，在管理服務(wù)體系平臺(tái)上，通過電腦網(wǎng)址訪問方式，隨時(shí)隨地能在平臺(tái)上能清楚定位顯示每位配備北斗終端人員所處位置，以及查詢一定時(shí)間段內(nèi)相關(guān)運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對野外地質(zhì)人員管理及應(yīng)急服務(wù)。

野外地質(zhì)人員通過方便隨身攜帶的北斗衛(wèi)星終端，經(jīng)過北斗通訊傳輸，可實(shí)現(xiàn)小組之間，終端用戶之間，終端與指揮機(jī)之間互發(fā)短信即時(shí)交流。管理部門能及時(shí)獲知項(xiàng)目進(jìn)展?fàn)顩r，項(xiàng)目成員之間可隨時(shí)進(jìn)行技術(shù)探討，遇到緊急情況，可保證與外界的溝通。

北斗終端所發(fā)送的每條短信，每次定位信息，航跡等都自動(dòng)記錄到其綁定的北斗指揮機(jī)上，可使野外駐地、野外工作站、地勘單位，以及地調(diào)局，通過指揮機(jī)，能夠隨時(shí)了解野外地質(zhì)工作進(jìn)展，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化管理與服務(wù)。

3 基于北斗衛(wèi)星技術(shù)的野外地質(zhì)工作管理與服務(wù)模式在野外示范項(xiàng)目組的應(yīng)用

由西安地質(zhì)調(diào)查中心承擔(dān)的青海省玉樹州地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查項(xiàng)目，該項(xiàng)目工作區(qū)地處青藏高原東南部，地跨昆侖山以南、唐古拉山以北的廣大地區(qū)，國民經(jīng)濟(jì)相對落后，是青海省主要的牧業(yè)區(qū)，平均海拔在4200m以上，為高海拔高寒地區(qū)，氣候條件惡略，屬高原大陸性季風(fēng)氣候，日照時(shí)間長，太陽幅射強(qiáng)，熱量水平較高，晝夜溫差較大，四季不明顯，冬季漫長；凍融、風(fēng)化剝蝕及人類工程活動(dòng)形成的崩塌、滑坡與泥石流等地質(zhì)災(zāi)害尤為突出。野外工作區(qū)內(nèi)交通通訊相對不發(fā)達(dá)，生活聚集區(qū)移動(dòng)聯(lián)通手機(jī)信號(hào)弱，電信稍強(qiáng)，離開生活聚集區(qū)，幾乎成為通訊盲區(qū)。野外工作區(qū)地廣人稀，野生動(dòng)物多而珍稀，生活居民民族復(fù)雜，語言溝通不便等等都為野外工作的開展造成了諸多不便，并且危險(xiǎn)性風(fēng)險(xiǎn)性極大。

為了更好地開展工作，順利完成2012年的玉樹州野外災(zāi)害地質(zhì)詳察，西安地調(diào)中心專為玉樹項(xiàng)目組配備了最新的北斗衛(wèi)星終端2臺(tái)，野外項(xiàng)目駐地普通指揮機(jī)一臺(tái)，對項(xiàng)目組成員進(jìn)行了為期3天的野外實(shí)踐操作訓(xùn)練，制定了詳細(xì)可行的操作規(guī)范。要求：①野外項(xiàng)目組駐地每日用普通指揮機(jī)向中心指揮機(jī)及兩個(gè)終端發(fā)出當(dāng)日工作計(jì)劃；②手持北斗終端的兩支野外調(diào)查小分隊(duì)每日到工區(qū)開展工作前向駐地普通指揮機(jī)發(fā)送位置，并報(bào)平安，每日收工時(shí)同樣發(fā)送位置并報(bào)平安；③野外調(diào)查中兩個(gè)終端設(shè)置位置連續(xù)報(bào)，詳細(xì)記錄其每日行動(dòng)軌跡，做到每日軌跡在野外管理與服務(wù)平臺(tái)可查；④野外分隊(duì)調(diào)查時(shí)遇到專業(yè)疑難問題第一時(shí)間與另支分隊(duì)、野外駐地、以及項(xiàng)目單位專家領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行溝通；⑤野外工作安全第一，遇到緊急情況，及時(shí)按下危險(xiǎn)報(bào)，立即通知另支分隊(duì)，野外駐地以及項(xiàng)目單位，獲得相應(yīng)指導(dǎo)救援；⑥項(xiàng)目單位有最新工作動(dòng)態(tài)通知第一時(shí)間通過北斗中心指揮機(jī)發(fā)送至北斗終端，讓野外人員及時(shí)獲悉。

經(jīng)過幾個(gè)月的野外示范應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)由于北斗一代衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量少，定位速度和精度與GPS相比還存在較大差距，現(xiàn)階段北斗通訊功能與GPS定位功能相結(jié)合更適合野外地質(zhì)工作的管理與服務(wù)。但基于北斗衛(wèi)星野外地質(zhì)工作管理與服務(wù)平臺(tái)獲得野外項(xiàng)目組，項(xiàng)目單位極高的評(píng)價(jià)。

建立了野外地質(zhì)調(diào)查管理服務(wù)與安全保障系統(tǒng)平臺(tái)。在這個(gè)管理服務(wù)平臺(tái)上，項(xiàng)目單位，野外駐地能隨時(shí)獲知野外工作進(jìn)展，查看野外工作軌跡，很好地架起了一條項(xiàng)目單位－項(xiàng)目駐地－野外項(xiàng)目組之間的一條溝通橋梁；在通訊信號(hào)盲區(qū)，遇到緊急情況，野外工作人員能夠用北斗衛(wèi)星通訊與其他手持北斗終端的野外人員，野外駐地，野外工作站，項(xiàng)目單位等取得聯(lián)系，為野外地質(zhì)工作架起一道安全生命保障線；基于國產(chǎn)北斗衛(wèi)星定位通訊功能基礎(chǔ)上構(gòu)建的現(xiàn)代化野外地質(zhì)工作管理與服務(wù)模式，可實(shí)現(xiàn)野外工作＂態(tài)勢管理＂。

4 總結(jié)

基于北斗衛(wèi)星技術(shù)結(jié)合最前沿的計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建現(xiàn)代化野外地質(zhì)工作管理與服務(wù)模式目前正處于試點(diǎn)探索階段，隨著北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的啟用，定位精度將得到大幅提升，野外地質(zhì)工作管理與服務(wù)平臺(tái)功能便捷性的進(jìn)一步優(yōu)化，以及在野外地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目中普及應(yīng)用，國產(chǎn)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用必將融入到地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域的各項(xiàng)工作中，現(xiàn)代野外地質(zhì)工作管理與服務(wù)模式的“態(tài)勢管理”將會(huì)取代傳統(tǒng)的野外地質(zhì)工作模式，為野外地質(zhì)工作提供更高效的管理和服務(wù)保障，將是野外地質(zhì)工作模式的一次根本性變革。

［1］朱永輝，白征東，過靜珺，等.基于北斗一號(hào)的地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)［J］.測繪通報(bào)，2010（2）：5－7.

［2］何凱濤，李志忠，汪大明.基于遙感衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星的野外地質(zhì)調(diào)查服務(wù)與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述［J］.地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)，2012（3）：203－212.