北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)在水利行業(yè)的應(yīng)用與展望

龐治國(guó) 呂 娟 路京選 張朋杰

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心（水旱災(zāi)害防御中心），北京 100038）

0 引 言

隨著全球氣候變化的日益加劇，水旱災(zāi)害等極端事件頻發(fā)，水庫(kù)大壩等工程安全風(fēng)險(xiǎn)陡增，對(duì)人類社會(huì)的生存與發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。為有效應(yīng)對(duì)災(zāi)害的突發(fā)性、異常性和不確定性[1]，應(yīng)用包括北斗技術(shù)在內(nèi)的信息化、數(shù)字化、智能化技術(shù)進(jìn)行雨水工災(zāi)情監(jiān)測(cè)，是提高水利行業(yè)應(yīng)對(duì)突發(fā)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警和應(yīng)急處置能力的必然選擇。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱北斗系統(tǒng)）是中國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是國(guó)家重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施。國(guó)家高度重視北斗系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用，在多個(gè)重要文件中明確要求推進(jìn)北斗系統(tǒng)大規(guī)模深化應(yīng)用。2020 年7 月31 日北斗系統(tǒng)成功全球組網(wǎng)后，為全球用戶提供了全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，已在交通運(yùn)輸、農(nóng)林漁業(yè)、水文監(jiān)測(cè)、氣象測(cè)報(bào)、通信授時(shí)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、公共安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

水利建設(shè)是人類生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)，是國(guó)家安全和民生福祉的重要保障。水利工作涉及面廣、任務(wù)重、要求高，需要高效、精準(zhǔn)、智能的管理和服務(wù)，北斗系統(tǒng)可為水利行業(yè)提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐，為智慧水利和數(shù)字孿生水利建設(shè)提供重要的時(shí)空基準(zhǔn)和高精度的位置和通信服務(wù)。本文立足北斗系統(tǒng)的功能角度，從定位、導(dǎo)航、短報(bào)文、北斗遙感幾個(gè)方面粗淺梳理了北斗系統(tǒng)在水利行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景現(xiàn)狀，并從深化水利北斗系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域、規(guī)模及其與新技術(shù)融合等方面進(jìn)行展望，以期為水利行業(yè)深化北斗系統(tǒng)應(yīng)用提供參考與借鑒。

1 北斗系統(tǒng)水利應(yīng)用現(xiàn)狀

水利行業(yè)應(yīng)用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）技術(shù)已久，最初主要是面向水利工程建設(shè)[2]，主要依賴美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）產(chǎn)品。隨著我國(guó)北斗系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展，從2002年開始，北斗系統(tǒng)短報(bào)文功能首先在水文測(cè)報(bào)業(yè)務(wù)中得到使用，2020 年北斗系統(tǒng)全面建成并開通服務(wù)后，其在水利工程精密變形監(jiān)測(cè)、水文測(cè)量、水利巡檢、水旱災(zāi)害調(diào)查等其他水利業(yè)務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用逐步得到加強(qiáng)。此外，北斗系統(tǒng)作為GNSS的重要組成部分，為GNSS遙感技術(shù)發(fā)展提供了豐富的數(shù)據(jù)源，本文也將探討北斗遙感在水利行業(yè)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀。

1.1 定位功能場(chǎng)景

北斗系統(tǒng)的定位精度已經(jīng)達(dá)到了5 m甚至更優(yōu)，在局部地區(qū)可以達(dá)到2～3 m的定位精度。此外，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)通過(guò)地面基準(zhǔn)站網(wǎng)，利用衛(wèi)星、移動(dòng)通信、數(shù)字廣播等播發(fā)手段，在服務(wù)區(qū)域內(nèi)可提供1～2 米級(jí)、分米級(jí)、厘米級(jí)實(shí)時(shí)高精度導(dǎo)航定位服務(wù)。目前，我國(guó)已經(jīng)建成了全球規(guī)模最大、密度最高、自主可控和全國(guó)產(chǎn)化的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)“全國(guó)一張網(wǎng)”，覆蓋超過(guò)4 500 座GNSS 星基/地基增強(qiáng)站，全面保障高精度定位服務(wù)的穩(wěn)定、可靠。北斗系統(tǒng)定位功能在水利行業(yè)的應(yīng)用主要面向水利工程建設(shè)，為設(shè)計(jì)、測(cè)量、施工、監(jiān)理、驗(yàn)收、運(yùn)行等環(huán)節(jié)提供位置服務(wù)；此外，最為典型的應(yīng)用是針對(duì)大壩、高邊坡等運(yùn)行期的精密變形監(jiān)測(cè)。

1.1.1 水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)

我國(guó)水庫(kù)大壩數(shù)量多、規(guī)模大、地形地質(zhì)條件復(fù)雜，變形、沉降問(wèn)題突出，對(duì)當(dāng)?shù)厝嗣竦娜松戆踩椭苓吔?jīng)濟(jì)的發(fā)展構(gòu)成了巨大威脅。變形是水庫(kù)大壩抵御庫(kù)水位等環(huán)境量荷載能力的綜合反映，變形監(jiān)測(cè)設(shè)施缺失不利于掌握水庫(kù)大壩的工作性態(tài)和安全狀況，嚴(yán)重影響大壩運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)預(yù)警。現(xiàn)有傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，傳統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)實(shí)施成本太高，均難以大范圍推廣實(shí)施。北斗系統(tǒng)提供的高精度位置服務(wù)為水庫(kù)大壩的變形監(jiān)測(cè)提供了一種新思路，通過(guò)在水庫(kù)大壩工程構(gòu)建地面監(jiān)測(cè)站網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩等重點(diǎn)區(qū)域?qū)崟r(shí)位移變形監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩的變形趨勢(shì)，預(yù)警可能存在的安全隱患，從而采取及時(shí)有效的措施，確保大壩水利工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行。國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后基于GPS、北斗系統(tǒng)對(duì)大壩變形監(jiān)測(cè)開展了大量研究。如姜衛(wèi)平等[3]研制了GPS 變形監(jiān)測(cè)軟件，開展了西龍池上水庫(kù)的安全監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水庫(kù)變形的實(shí)時(shí)連續(xù)、高精度及自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；Xi 等[4]利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)北斗系統(tǒng)用于高精度形變監(jiān)測(cè)的潛力進(jìn)行了探索，結(jié)果表明北斗系統(tǒng)可以用于水庫(kù)大壩形變監(jiān)測(cè)；范明杰等[5]開展了水庫(kù)大壩表面靜動(dòng)力變形北斗監(jiān)測(cè)的研究，通過(guò)人工表面變形觀測(cè)方法與北斗監(jiān)測(cè)技術(shù)的比較表明北斗系統(tǒng)可適用于大壩靜動(dòng)力變形監(jiān)測(cè)。

1.1.2 邊坡變形監(jiān)測(cè)

邊坡變形是影響工程安全和導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵因素，尤其是在水庫(kù)大壩、河岸、山區(qū)公路等關(guān)鍵設(shè)施附近，邊坡的穩(wěn)定性直接關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全和工程設(shè)施的正常運(yùn)行。傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測(cè)方法依賴于人工觀測(cè)或固定監(jiān)測(cè)設(shè)備，這些方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、連續(xù)和大范圍的監(jiān)測(cè)。北斗系統(tǒng)提供的高精度位置服務(wù)為邊坡監(jiān)測(cè)提供了一種高效、實(shí)時(shí)的新方法。通過(guò)在邊坡關(guān)鍵部位安裝北斗系統(tǒng)定位監(jiān)測(cè)設(shè)備，便可實(shí)時(shí)監(jiān)控邊坡的位移和變形情況。這一技術(shù)不僅能夠精確捕捉到邊坡微小的形變，還能實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)急管理提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。如袁有倉(cāng)等[6]通過(guò)在長(zhǎng)河壩水電站泄洪放空洞進(jìn)口高邊坡上安裝形變監(jiān)測(cè)終端，驗(yàn)證了基于北斗+GPS 雙星系統(tǒng)在高邊坡監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的可行性和實(shí)用性。張飛躍等[7]通過(guò)建立基于北斗系統(tǒng)高精度定位技術(shù)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溪洛渡水電站庫(kù)區(qū)周圍滑坡體形變的連續(xù)性自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，拓寬了北斗導(dǎo)航定位技術(shù)在水電站庫(kù)區(qū)邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

1.2 導(dǎo)航功能場(chǎng)景

北斗系統(tǒng)的導(dǎo)航功能與定位功能緊密聯(lián)系在一起，基于北斗系統(tǒng)高精度的定位能力，導(dǎo)航功能可以廣泛應(yīng)用于水利行業(yè)各項(xiàng)巡檢調(diào)查任務(wù)。

1.2.1 山洪災(zāi)害巡檢

山洪災(zāi)害誘因復(fù)雜，因降雨引發(fā)的山洪往往伴發(fā)泥石流，成災(zāi)快，具有突發(fā)性和隱蔽性強(qiáng)的特點(diǎn)，預(yù)測(cè)和防范難度大，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。為應(yīng)對(duì)嚴(yán)峻的山洪災(zāi)害防御形勢(shì)，近年來(lái)，國(guó)家先后采取山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)、群測(cè)群防體系建設(shè)等一系列非工程措施開展山洪災(zāi)害治理工作，在防災(zāi)減災(zāi)工作中發(fā)揮了重要作用。群測(cè)群防體系適應(yīng)山洪災(zāi)害點(diǎn)多面廣、突發(fā)性、局部性、成災(zāi)快的特點(diǎn)，已成為山洪災(zāi)害防治工作的重要內(nèi)容，也是提升基層災(zāi)害治理能力，推進(jìn)基層治理現(xiàn)代化的重要組成部分[8]。

然而，當(dāng)前我國(guó)群測(cè)群防體系尚處于初級(jí)階段，其監(jiān)測(cè)方法主要依賴于人工巡查和基礎(chǔ)的通信設(shè)備。因此，在山洪災(zāi)害發(fā)生時(shí)如何確保群測(cè)群防員的個(gè)人安全變得尤為重要?？纱┐魇奖倍费矙z終端的開發(fā)和應(yīng)用為上述問(wèn)題提供了一種切實(shí)可行的解決方案。它能夠通過(guò)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)群測(cè)群防員的健康狀態(tài)（例如心率和體溫）和精確位置，從而在發(fā)生緊急情況時(shí)快速響應(yīng)。這不僅增加了巡查人員在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的安全保障，還提高了山洪災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)對(duì)措施的效率和效果。此外，通過(guò)裝備這些終端，群測(cè)群防員可在發(fā)現(xiàn)山洪災(zāi)害隱患的第一時(shí)間進(jìn)行上報(bào)，使上級(jí)管理部門能夠及時(shí)接收到巡檢記錄和隱患上報(bào)情況，進(jìn)而進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和決策輔助。這種信息化、智能化的管理手段顯著提升了山洪災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，進(jìn)一步加強(qiáng)了基層治理現(xiàn)代化的步伐，確保了公共安全和民生福祉。

1.2.2 河湖巡檢

在我國(guó)，河湖巡檢是確保水資源安全、預(yù)防水災(zāi)害，以及維護(hù)生態(tài)平衡的關(guān)鍵工作。由于河湖系統(tǒng)的廣泛分布和復(fù)雜性，傳統(tǒng)的人工巡檢方法面臨著許多挑戰(zhàn)，尤其是在自然條件惡劣的地區(qū)發(fā)生突發(fā)性洪水和泥石流等自然災(zāi)害時(shí)。因此，利用先進(jìn)的技術(shù)來(lái)提高巡檢效率和保障巡檢安全變得尤為重要。北斗系統(tǒng)為河湖巡檢領(lǐng)域提供了新的解決策略。近年來(lái)，通過(guò)結(jié)合北斗系統(tǒng)和移動(dòng)通信技術(shù)，研發(fā)出了可穿戴式北斗巡檢終端，不僅可以為巡檢人員提供高精度的定位服務(wù)，確保他們能夠精確且高效地執(zhí)行復(fù)雜地區(qū)的巡檢任務(wù)，還可通過(guò)其導(dǎo)航功能引導(dǎo)巡檢人員遵循預(yù)設(shè)路線完成全面巡檢，有效避免了遺漏或重復(fù)檢查，從而顯著提升工作效率和質(zhì)量。此外，巡檢終端能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)巡檢人員的生命體征和具體位置，確保他們的個(gè)人安全，并在緊急情況下迅速精準(zhǔn)定位，向救援中心發(fā)出求助信號(hào)。北斗系統(tǒng)在河湖巡檢中的應(yīng)用，不僅極大提升了巡檢工作的安全性、效率和科學(xué)性，還彰顯了現(xiàn)代技術(shù)在傳統(tǒng)水域管理領(lǐng)域的關(guān)鍵作用。通過(guò)確保巡檢工作的高效執(zhí)行，強(qiáng)化了河湖生態(tài)保護(hù)和水資源管理的成效，對(duì)維護(hù)生態(tài)平衡、保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，以及推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

1.2.3 水利工程巡檢

在水利工程的建設(shè)和運(yùn)行管理中，巡檢對(duì)于保障工程的安全可靠運(yùn)行起著非常重要的作用，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，及時(shí)制止各類違法行為，確保工程正常運(yùn)行。水利工程通常分布廣泛且位于環(huán)境復(fù)雜地區(qū)，給巡檢工作帶來(lái)挑戰(zhàn)。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患及各類違法行為，水利工程需要定期進(jìn)行巡檢，而且國(guó)家出臺(tái)的相關(guān)法律法規(guī)都對(duì)加強(qiáng)水利工程巡查管理做出了明確規(guī)定。然而，傳統(tǒng)水利工程的巡檢方式大多依賴人工，需要耗費(fèi)大量人力和時(shí)間，不僅無(wú)法及時(shí)掌握巡檢實(shí)況，而且無(wú)法保障巡檢的安全性。北斗系統(tǒng)的智能巡檢為水利工程巡檢提供了新的解決方案，可以廣泛應(yīng)用于水壩、水庫(kù)、水閘及工程建設(shè)過(guò)程的各類水利設(shè)施。通過(guò)在巡檢過(guò)程中配備穿戴式北斗高精度巡檢裝備，能夠?qū)崟r(shí)記錄巡檢實(shí)況，高精度追蹤巡檢人員的位置，并通過(guò)北斗短報(bào)文通信功能，在沒(méi)有公網(wǎng)信號(hào)的情況下實(shí)現(xiàn)巡檢信息的及時(shí)上報(bào)，全面確保巡檢工作的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，同時(shí)大大提高巡檢人員的安全保障。

1.3 短報(bào)文功能場(chǎng)景

北斗系統(tǒng)的短報(bào)文通信功能是其區(qū)別于其他導(dǎo)航系統(tǒng)的顯著功能。用戶可以利用這一功能通過(guò)北斗系統(tǒng)發(fā)送文本和定位信息，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出專門的服務(wù)功能[9]。北斗三號(hào)的短報(bào)文服務(wù)以其全天候、全時(shí)段的運(yùn)行能力著稱，且具備全球覆蓋性，不受地面通信基站的限制。與北斗二代相比，北斗三號(hào)的短報(bào)文容量有了顯著提升，確保了在各種氣象條件下通信的連續(xù)性和穩(wěn)定性。這一服務(wù)在需要高效、可靠通信的行業(yè)中至關(guān)重要，尤其是在遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。水利行業(yè)較早就將北斗短報(bào)文功能用于水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸，但因數(shù)據(jù)傳輸容量和頻率的限制，未得到大規(guī)模的應(yīng)用。北斗三號(hào)成功組網(wǎng)提供服務(wù)以來(lái)，北斗短報(bào)文通信功能在水利行業(yè)得到有效應(yīng)用，成為解決行業(yè)數(shù)據(jù)傳輸“最后一公里”的重要技術(shù)手段。下面以山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水文數(shù)據(jù)傳輸、中小水庫(kù)雨水情傳輸、國(guó)際河流水文數(shù)據(jù)傳輸為例說(shuō)明其應(yīng)用情況。

1.3.1 山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水文數(shù)據(jù)傳輸

我國(guó)大陸國(guó)土面積70%的山丘區(qū)存在山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。2010年后，水利部在全國(guó)29個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)持續(xù)開展山洪災(zāi)害防治工作，共投入項(xiàng)目建設(shè)資金約400億元。全國(guó)山洪項(xiàng)目新建自動(dòng)雨量站56 896處、自動(dòng)水位站23 633 處、自動(dòng)圖像視頻站30 902 處，這些監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的建立基本解決了監(jiān)測(cè)手段不足問(wèn)題。然而，山洪易發(fā)河段重點(diǎn)部位往往處于人跡罕至的深山區(qū)，地面網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較弱甚至沒(méi)有地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋。此外，當(dāng)極端暴雨山洪發(fā)生時(shí)會(huì)出現(xiàn)“斷路、斷網(wǎng)、斷電”的情況，從而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)信息上不來(lái)，預(yù)警信息下不去的問(wèn)題。采用我國(guó)自主研發(fā)的北斗短報(bào)文通信功能為解決上述問(wèn)題提供了一條新的路徑。通過(guò)在山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)站點(diǎn)增加北斗衛(wèi)星通信信道可解決公網(wǎng)覆蓋不全和極端天氣公網(wǎng)信號(hào)中斷導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸中斷的問(wèn)題，不僅大大提高了山洪災(zāi)害應(yīng)對(duì)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，也為災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)化和完善提供了技術(shù)支撐，從而在很大程度上減少了山洪災(zāi)害對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)的威脅。以2021年河南特大暴雨洪災(zāi)為例，部分地區(qū)公網(wǎng)通信和電力被破壞后，除621處北斗衛(wèi)星雙發(fā)遙測(cè)站點(diǎn)外其他監(jiān)測(cè)站全部中斷報(bào)汛[10]。依靠北斗短報(bào)文通信，救災(zāi)人員在8 d時(shí)間內(nèi)共接收北斗報(bào)文數(shù)據(jù)87萬(wàn)余份，為暴雨洪水預(yù)警、預(yù)報(bào)、調(diào)度和抗洪搶險(xiǎn)提供了及時(shí)準(zhǔn)確的水文測(cè)報(bào)信息。

1.3.2 中小水庫(kù)雨水情信息傳輸

水庫(kù)的水位、降雨量等水文數(shù)據(jù)是水利部門增加有效預(yù)見(jiàn)期、提前預(yù)警、實(shí)現(xiàn)水庫(kù)安全度汛的關(guān)鍵信息。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)水庫(kù)雨水情自動(dòng)測(cè)報(bào)比例不到40%，有些縣（市、區(qū)）通信網(wǎng)絡(luò)條件差，有線、無(wú)線、公共網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋，水文數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸?shù)貌坏奖Ｕ稀Ｒ虼?，?duì)現(xiàn)有的中小水庫(kù)雨水情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)采取北斗短報(bào)文通信技術(shù)進(jìn)行升級(jí)改造顯得尤為重要。這不僅能夠提升水庫(kù)信息化管理水平，實(shí)現(xiàn)管理的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，而且對(duì)確保水庫(kù)的安全長(zhǎng)效運(yùn)行至關(guān)重要。特別是在公共網(wǎng)絡(luò)信號(hào)缺乏或不穩(wěn)定的地區(qū)，北斗短報(bào)文通信功能可作為主要手段傳輸采集到的雨水情信息及關(guān)鍵工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（如變形、滲壓、滲漏等）。同時(shí)，在臺(tái)風(fēng)暴雨頻發(fā)、極端天氣現(xiàn)象常見(jiàn)的地區(qū)，將北斗系統(tǒng)短報(bào)文通信作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)急備用通道，不僅提高了信息報(bào)送的可靠性，還顯著增強(qiáng)了應(yīng)急情況下的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。

1.3.3 國(guó)際河流水文數(shù)據(jù)傳輸

我國(guó)共有跨境河流（湖泊）110 多條（個(gè)），涉及19 個(gè)流域國(guó)家（其中14 個(gè)為接壤國(guó)），影響人口近30 億人（含中國(guó)），約占世界人口的一半。開展國(guó)際河流開發(fā)利用具有重大戰(zhàn)略意義，不僅關(guān)系我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的全局性問(wèn)題，也影響中國(guó)與周邊國(guó)家的區(qū)域合作、安全和穩(wěn)定。然而，國(guó)際河流周邊的基礎(chǔ)設(shè)施條件較差，人煙稀少，加之建立通信網(wǎng)絡(luò)的難度大、成本高，運(yùn)營(yíng)商缺乏動(dòng)力去構(gòu)建覆蓋整個(gè)流域的通信網(wǎng)絡(luò)，而僅在人口集中的城鎮(zhèn)地區(qū)部署網(wǎng)絡(luò)，這會(huì)導(dǎo)致大部分區(qū)域無(wú)法獲得通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，進(jìn)而給水安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸帶來(lái)了難題，因此迫切需要一種不依賴地面基礎(chǔ)設(shè)施的通信手段。同時(shí)，國(guó)際河流的水文數(shù)據(jù)往往涉及敏感信息，通過(guò)常規(guī)的公共網(wǎng)絡(luò)傳輸存在著信息泄露和被竊取的風(fēng)險(xiǎn)。北斗系統(tǒng)短報(bào)文功能提供了一個(gè)有效的解決方案，能夠在沒(méi)有地面網(wǎng)絡(luò)支持的情況下實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)和有效傳輸。通過(guò)對(duì)北斗系統(tǒng)短報(bào)文進(jìn)行加密處理，可以確保水文數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕行Х乐箶?shù)據(jù)泄露，為國(guó)際河流的水安全監(jiān)測(cè)提供了一種安全、可靠的通信手段。

1.4 北斗遙感

GNSS 除了向全球用戶提供導(dǎo)航、定位及授時(shí)服務(wù)外，還持續(xù)向地表發(fā)射大量的L 波段信號(hào)，這些信號(hào)在遇到地球表面（如陸地、海洋或冰面）時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，且這些反射信號(hào)包含了關(guān)于反射表面特性的豐富信息。GNSS 遙感正是通過(guò)分析從地球表面反射回來(lái)的信號(hào)，來(lái)遙測(cè)和研究地球環(huán)境。由于GNSS 反射測(cè)量（Global Navigation Satellite System-Reflectometry，GNSS-R）是一種被動(dòng)遙感技術(shù)，不需要自己發(fā)射電磁波，而是利用已有的衛(wèi)星信號(hào)作為輻射源，因此具有低功耗、低成本、低干擾等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于GNSS 衛(wèi)星數(shù)量眾多、分布廣泛、覆蓋全球，因此GNSS-R 具有高時(shí)空分辨率、高重訪頻率等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前GNSS-R 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于海洋學(xué)、水文學(xué)、冰川學(xué)、農(nóng)業(yè)和氣象學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。北斗系統(tǒng)作為GNSS的一部分，具有全球覆蓋的能力，因此其反射信號(hào)也可以用于全球范圍內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測(cè)和地球觀測(cè)。北斗遙感技術(shù)繼承了GNSS 遙感技術(shù)的所有應(yīng)用領(lǐng)域，并且由于其獨(dú)有的信號(hào)結(jié)構(gòu)和服務(wù)特征，在一些應(yīng)用領(lǐng)域尤其是亞太地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測(cè)和地球觀測(cè)方面展現(xiàn)出了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。針對(duì)水利行業(yè)，本文將重點(diǎn)介紹北斗遙感技術(shù)在水位監(jiān)測(cè)、土壤水分測(cè)定及大氣水汽觀測(cè)這3 個(gè)關(guān)鍵要素上的應(yīng)用和潛力。

1.4.1 水位監(jiān)測(cè)

水位監(jiān)測(cè)是雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“第三道防線”中的重要內(nèi)容，精確、實(shí)時(shí)的水位監(jiān)測(cè)在洪澇災(zāi)害中至關(guān)重要，可提前預(yù)警并幫助決策者采取緊急措施，以最大程度減少損失并保護(hù)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全[11]。雖然雷達(dá)水位計(jì)、超聲波水位計(jì)和水尺等傳統(tǒng)水位監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，但在實(shí)際應(yīng)用中常常受到成本較高和空間分辨率有限的約束。北斗遙感技術(shù)通過(guò)捕捉并分析北斗衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)及其在水面的反射信號(hào)，為水位的自動(dòng)化、高精度和持續(xù)監(jiān)測(cè)開辟了新路徑。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)全時(shí)段的水位監(jiān)測(cè)，不僅極大地?cái)U(kuò)展了監(jiān)測(cè)范圍，還提升了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，有效補(bǔ)充和提高了傳統(tǒng)水位監(jiān)測(cè)技術(shù)的局限性。許多研究已經(jīng)通過(guò)驗(yàn)證和實(shí)際操作，證明了這種技術(shù)在監(jiān)測(cè)水位變化方面的效果與可信度。如Zhang 等[12]探討了使用北斗信號(hào)進(jìn)行碼級(jí)海面高度測(cè)量的理論，并通過(guò)在中國(guó)進(jìn)行的沿海實(shí)驗(yàn)證明了北斗反射信號(hào)在水面高度測(cè)量的可行性。Jin 等[13]利用北斗星座系統(tǒng)L2、L6、L7 3 個(gè)信號(hào)的信噪比估計(jì)了海平面變化。杭斯加等[14]通過(guò)在湖面和海面開展的岸基實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了利用中國(guó)北斗系統(tǒng)傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星反射信號(hào)進(jìn)行載波相位測(cè)高的高精度可行性，其中通過(guò)與實(shí)地測(cè)量對(duì)比的均方根誤差（RMSE）分析揭示了厘米級(jí)的測(cè)高精度，并指出衛(wèi)星仰角變化率對(duì)提升測(cè)高結(jié)果精度的重要性，為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射信號(hào)在水域測(cè)高應(yīng)用提供了新的見(jiàn)解。

1.4.2 土壤水分監(jiān)測(cè)

土壤水分亦稱土壤含水量，主要是指土壤包氣帶中的水分含量，土壤水分通過(guò)蒸發(fā)控制地表向大氣輸送的水汽和能量，進(jìn)而影響氣候變化，也控制著降雨對(duì)地表徑流的分配進(jìn)而影響著地表水文過(guò)程，其本身也是植被生長(zhǎng)的重要影響因素。因此，土壤水分是連接全球水循環(huán)和能量循環(huán)的關(guān)鍵狀態(tài)變量，土壤水分監(jiān)測(cè)對(duì)于氣候變化、洪水預(yù)警、干旱監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物估產(chǎn)等方面都有著極其重要的意義。最傳統(tǒng)的土壤水分監(jiān)測(cè)方法，如烘干稱重費(fèi)時(shí)費(fèi)力；現(xiàn)有的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，如頻域反射儀和宇宙射線中子儀等成本太高，兩者均難以大范圍推廣實(shí)施。衛(wèi)星遙感反演是大范圍土壤水分監(jiān)測(cè)的有效手段，但其精度很差且時(shí)間間隔較長(zhǎng)，難以滿足高精度土壤水分動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的需求。北斗遙感為土壤水分監(jiān)測(cè)提供了一種新思路，其采用L 波段電磁波，相較于高頻段信號(hào)，受大氣、植被等因素的影響更小，與土壤水分的相關(guān)性更強(qiáng)。此外，反射計(jì)能夠高頻次地接收導(dǎo)航衛(wèi)星的反射信號(hào)，極大縮短了土壤水分監(jiān)測(cè)的時(shí)間間隔。所以北斗遙感是土壤水分高精度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的有效手段。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后對(duì)北斗遙感土壤水分監(jiān)測(cè)開展了大量研究。楊磊等[15]提出了一種支持向量回歸輔助的北斗地球靜止軌道衛(wèi)星反射信號(hào)土壤水分反演方法，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該方法相對(duì)誤差小于3%。楊昌智[16]基于北斗C3 和C59 兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星的信號(hào)提出了不同的單星反演模型，經(jīng)驗(yàn)證，兩模型監(jiān)測(cè)結(jié)果的回歸決定系數(shù)均大于0.65，RMSE均小于2%。孫波[17]從信息熵的角度融合GNSS 反射信號(hào)中不同頻段信號(hào)所含的不同土壤信息，構(gòu)建了單天線模式下北斗系統(tǒng)基于單星雙頻段熵融合的土壤水分反演模型。

1.4.3 大氣水汽觀測(cè)

受海陸位置特征和季風(fēng)氣候影響，我國(guó)水旱災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)人類生產(chǎn)生活存在嚴(yán)重的影響。引起水旱災(zāi)害發(fā)生的主要原因在于降水時(shí)空分布不均，研究水汽含量，分布及變化規(guī)律對(duì)降水發(fā)生及災(zāi)害天氣形成、演變過(guò)程具有重要意義，有助于短臨降水、水旱災(zāi)害等極端天氣的監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)預(yù)警[18]。傳統(tǒng)探空與遙感監(jiān)測(cè)方法分別具有時(shí)空分辨率低和容易受天氣影響、精度較差的特點(diǎn)，難以進(jìn)行高精度大范圍的時(shí)空水汽監(jiān)測(cè)。北斗系統(tǒng)作為我國(guó)自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)營(yíng)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有抗遮擋能力強(qiáng)、高精度數(shù)據(jù)服務(wù)等優(yōu)勢(shì)。對(duì)流層誤差作為北斗高精度定位服務(wù)中的誤差源之一，在定位過(guò)程中需要計(jì)算并剔除此誤差，而對(duì)流層誤差主要是由干燥氣體與水汽造成的，因而北斗系統(tǒng)可作為新型的水汽探測(cè)方法。通過(guò)獲取地面北斗接收機(jī)中衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生的天頂對(duì)流層延遲量對(duì)測(cè)站上空水汽進(jìn)行高精度探測(cè)，對(duì)水汽變化可能造成的降水情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而對(duì)可能發(fā)生的水旱災(zāi)害提前預(yù)案。由于北斗系統(tǒng)建成時(shí)間相對(duì)較晚，對(duì)于北斗水汽監(jiān)測(cè)的研究相對(duì)GPS較少。Li 等[19]利用北斗系統(tǒng)對(duì)可降水量反演精度展開評(píng)估，與GPS 相比RMSE 為2 mm，證明北斗系統(tǒng)水汽探測(cè)的可靠性。Lu等[20]驗(yàn)證了北斗系統(tǒng)在近實(shí)時(shí)水汽反演中的可行性與穩(wěn)定性，其反演精度略低于GPS 數(shù)據(jù)。鄭志卿等[21]驗(yàn)證了多系統(tǒng)結(jié)合的水汽探測(cè)方法相較于單系統(tǒng)可以獲取更加準(zhǔn)確、可靠的水汽數(shù)據(jù)。在現(xiàn)有研究中，北斗系統(tǒng)水汽監(jiān)測(cè)的精度與可行性在區(qū)域應(yīng)用中已得到驗(yàn)證，進(jìn)一步的發(fā)展趨勢(shì)是北斗結(jié)合其他衛(wèi)星系統(tǒng)與多源水汽數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)高精度、高時(shí)空分辨率的水汽監(jiān)測(cè)，推動(dòng)新的降水預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)近實(shí)時(shí)、高精度降水預(yù)報(bào)。

2 展 望

北斗系統(tǒng)的定位導(dǎo)航和短報(bào)文功能在水文監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警和水資源管理等關(guān)鍵水利領(lǐng)域的有效應(yīng)用，證明了北斗系統(tǒng)是提升水利行業(yè)智能化和精細(xì)化管理水平的重要技術(shù)力量。水利北斗的成功實(shí)踐不僅彰顯了其在傳統(tǒng)水利應(yīng)用中的價(jià)值，而且也為其在水利新質(zhì)生產(chǎn)力要求下的深化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著積極落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)院關(guān)于加快北斗規(guī)模應(yīng)用決策部署，統(tǒng)籌發(fā)展和安全，創(chuàng)新北斗水利應(yīng)用場(chǎng)景和模式，推進(jìn)定位、導(dǎo)航和授時(shí)（Positioning，Navigation and Timing，PNT）設(shè)備提檔升級(jí)，系統(tǒng)推進(jìn)水利北斗規(guī)模應(yīng)用，北斗系統(tǒng)在水利行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展將呈現(xiàn)出以下幾個(gè)顯著趨勢(shì)。

2.1 水利北斗應(yīng)用領(lǐng)域和場(chǎng)景不斷拓展

隨著北斗系統(tǒng)技術(shù)的不斷成熟和完善，其在水利行業(yè)的廣泛應(yīng)用預(yù)示著新的發(fā)展機(jī)遇，水旱災(zāi)害防御、水資源管理、水文信息監(jiān)測(cè)傳輸、水利工程建設(shè)和安全運(yùn)行管理、河湖監(jiān)管、水土保持監(jiān)測(cè)監(jiān)管，以及水利工程綜合勘察設(shè)計(jì)規(guī)劃等諸多業(yè)務(wù)領(lǐng)域和場(chǎng)景都對(duì)北斗系統(tǒng)提出了應(yīng)用需求。例如，通過(guò)利用北斗系統(tǒng)提供的精準(zhǔn)定位服務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水利基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)時(shí)監(jiān)控和維護(hù)，確保其穩(wěn)定運(yùn)行；利用其時(shí)間同步功能，可以在洪水預(yù)警系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的時(shí)間控制和數(shù)據(jù)同步，提高預(yù)警的準(zhǔn)確性和效率。此外，北斗技術(shù)在提升水資源利用效率、推動(dòng)水資源保護(hù)和節(jié)水措施的實(shí)施等方面也展現(xiàn)出巨大潛力，通過(guò)精確的地理信息系統(tǒng)定位，可以優(yōu)化灌溉系統(tǒng)，減少水資源浪費(fèi)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水；在城鄉(xiāng)供水方面，利用北斗系統(tǒng)進(jìn)行管網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，可以有效減少漏損，提高供水系統(tǒng)的效率和可靠性。

2.2 水利北斗應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大

隨著相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定和完善，北斗系統(tǒng)內(nèi)的成熟業(yè)務(wù)，如北斗短報(bào)文服務(wù)、水利巡檢、智能碾壓監(jiān)控等，正邁向商業(yè)化發(fā)展的新里程。這一進(jìn)程不僅標(biāo)志著北斗技術(shù)在市場(chǎng)接受度和技術(shù)成熟度上的顯著提升，也預(yù)示著其在水利行業(yè)的廣泛應(yīng)用和推廣。商業(yè)化的步伐將極大地提高水文監(jiān)測(cè)和災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的通信效率，優(yōu)化水利設(shè)施的巡檢管理，以及提升水利工程建設(shè)的質(zhì)量和安全。這些變化預(yù)計(jì)將推動(dòng)水利行業(yè)的數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型，提高水資源的管理效率和利用率，為實(shí)現(xiàn)水安全和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)重要力量。

2.3 水利北斗新技術(shù)融合應(yīng)用不斷增強(qiáng)

北斗系統(tǒng)與最新技術(shù)的融合將是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)之一。特別是北斗與人工智能（AI）、4G/5G 通信技術(shù)、星網(wǎng)（鏈）通信技術(shù)及遙感技術(shù)的結(jié)合，將極大地豐富水利行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景，提高數(shù)據(jù)處理的效率和準(zhǔn)確性。這種技術(shù)融合不僅能夠提供更加全面和深入的水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還能優(yōu)化災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)流程，為水利行業(yè)帶來(lái)更加智能化、高效化的管理解決方案。

總之，通過(guò)擴(kuò)展應(yīng)用場(chǎng)景、推動(dòng)業(yè)務(wù)商業(yè)化及增強(qiáng)跨領(lǐng)域協(xié)同與融合，北斗系統(tǒng)在水利行業(yè)的應(yīng)用前景將更加廣闊。這不僅能加速北斗技術(shù)在水利行業(yè)的普及和應(yīng)用，還能促進(jìn)水利行業(yè)的科技進(jìn)步和效率提升。未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用的深入，北斗系統(tǒng)將在智慧水利建設(shè)中發(fā)揮更加重要的作用，成為水利行業(yè)不可或缺的技術(shù)支撐。