北斗系统在防汛救灾中的应用

北斗系统在抗洪救灾中的应用张锦升（武汉龙安集团有限责任公司）摘要：本文简单描述了洪水灾害概况，介绍了北斗导航系统的主要构成及技术特点。分别从总体和具体两个角度进行了抗洪救灾的北斗需求分析，从而展现北斗导航系统在抗洪应急抢险中的应用，表明北斗技术在抗洪中的重大作用，提升抗洪信息化水平。关键词：通信技术；抗洪救灾；北斗；短报文1洪水灾害概况洪涝灾害是对我国危害最严重的自然灾害之一。中国幅员辽阔，地形地貌复杂，降雨充沛，具有长江与黄河两大水域，是世界上水灾发生概率高，影响范围广的国家之一。全国约有35%的耕地、40%的人口和70%的工农业生产受到江河洪水的威胁。根据史料统计，从公元前206年至1949年的2155年当中，全国各地发生较大的洪涝灾害1092次，平均约每两年发生1次。1954年是1949年以来长江全流域洪涝灾害最严重的一年，全国受灾农作物面积达2亿亩，约3万人死亡。如1998年长江流域的特大洪水，受灾面积广，受灾人群多。从洪涝灾害的发生机制来看，洪水灾害具有明显的季节性、区域性和可重复性。世界上多数国家的洪水灾害易发生在下半年，我国的洪水灾害主要发生在4—9月。如我国长江中下游地区的洪水几乎全部都发生在夏季。洪水灾害与降水时空分布及地形有关。世界上洪水灾害较重的地区多在大河两岸及沿海地区。对于我国来说，洪涝一般是东部多、西部少；沿海地区多，内陆地区少；平原地区多，高原和山地少。洪水灾害同气候变化一样，有其自身的变化规律，这种变化由各种长短周期组成，使洪水灾害循环往复发生。2北斗系统分析2.1北斗系统简介上世纪80年代，我国开始探究卫星导航系统的技术和方案，2000年北斗卫星导航试验系统建成，2012年向亚太地区提供服务，预计到2020年左右将建成覆盖全球、与其他卫星导航系统兼容并存的北斗卫星导航系统﹝BeiDouNavigationSatelliteSystem，英文缩写BDS﹞。该系统是我国自主开发独立运营的全球卫星导航系统，是继美国全球卫星定位系统（GPS）和俄罗斯全球卫星导航系统（GLONASS）之后第3个成熟的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统向全世界拥有终端设备的用户免费提供稳定可靠的基本定位、测试及授时服务，定位精度10m，测速精度0.2m/s，授时精度20ns[1]；以及为军队及其他有高精度、高可靠卫星导航需求的用户提供更高性能的定位、导航及授时服务。北斗卫星导航系统包括空间部分、地面控制管理部分和用户终端三部分。空间部分包括5颗分布在东经55°到东经160°之间，主要覆盖亚太地区的GEO卫星和27颗MEO卫星和3颗IGSO卫星覆盖全球，其中MEO卫星运行在间隔120°均匀分布的3个轨道平面上。地面控制管理部分由用于系统控制管理的主控站、向卫星发送信号的注入站和用于接收卫星信号的监测站等若干个地面控制站组成。用户终端部分可以是北斗卫星导航系统的专用信号接收机或兼容其他卫星导航系统的信号接收机。2.2北斗技术的主要特点与其他成熟的全球卫星导航系统（GPS与GLONASS）相比，北斗卫星导航系统的特点是该系统可向授权用户提供单次最大容量为120个汉字的区域内双向短报文通信功能[2]。能实现全疆域无缝覆盖，同时不受地面灾害和环境条件的限制，因此未来北斗导航系统在我国防汛救灾领域中具有不可替代的地位。3北斗导航系统在防汛应急抢险的应用防汛应急抢险采用北斗接收机进行数据采集，包括精确的经纬度定位、当前时间（授时）；然后通过卫星通讯终端把相关数据通过报文传送到防汛指挥中心；防汛指挥中心利用该数据在地理信息系统(GIS)中进行定位，进而获得实时的汛情信息，从而能快速有效地进行应急抢险，将损失降到最低。北斗系统的防汛应用体现在以下几个方面：3.1洪水预报预测1）上游北斗雨量检测速报系统基于物联网技术，北斗接收机与智能监控传感器集成，形成检测类型齐全的雨量检测速报系统。北斗雨量检测速报技术采用数据转发型北斗接收机进行组网。该技术凭借其自主性和无通讯盲区的优势，可用于复杂地域水文测报信息的传输，实现复杂地形用户所需的水量水情信息的实时传递，从而大大提高复杂地形的雨情、水情和讯情信息采集的可靠性及传输的实时性，并对汛情发展趋势做出及时、准确的预测和预报，为制定抗洪防汛调度机制提供科学的依据，对整个抗洪防汛的部署起到积极主动的作用。2）洪水等级预报利用该系统的多源空间信息的综合分析能力，进行地面基础地理信息、社会经济统计信息、水域信息的图层综合和叠加分析，随时根据地面信息（如洪水高发地带、人口密集度、多水源地带等），建立洪水等级分布专题图，为进一步的洪涝预防措施的制定和汛情的发布提供依据。3.2汛情监测1）气象卫星监测接收遥感卫星影像，获取被监测地区的温度变化、风速及风向、雨量规模、水位高度等相关信息，预测该地区可能形成的洪峰、洪量等情况，初步确定洪涝隐患，并与已有的各种专题地图进行配准，通过图层叠加，排除非洪涝可能区，并根据图像中潜在的汛点的位置进行空间定位，及时向基层发布汛情预报和警告信息，以便在灾害形成前做出防范措施，避免灾害造成重大人员伤亡和财产损失。2）现场报告现场报告包括监测岗位专职人员的洪水警报和普通居民汛情报警电话，由于现场电话报警的随机性和报告内容的模糊性，采用模糊查询的方法对洪涝现场及水情进行基本定位，并根据洪涝发生位置及时通知相关的基层抗洪部门和管理人员，为抗洪救灾争取时间。3.3抗洪救灾指挥1）洪水趋势分析根据洪水点位置、汛情现状和周围环境，结合最新的气象资料，对洪涝发展趋势进行分析和预测，人机交互预估不同时间段洪水蔓延状况及分布特征。在防汛应急抢险过程中，指挥中心根据北斗防汛系统对洪水趋势的分析和预估，实现救援物资、车辆和人员的实时、统一调配。2）救援方案制定北斗抗洪系统实时监测洪水区域任何装载北斗系统终端的实时状况，一旦遇到突发危险，指挥中心即可命令其最便于救助的救援力量实施救援。因为已经实时观测到灾区情况，可根据洪水的规模和蔓延趋势，结合洪涝灾区周围的水域、居民点、山地、建筑等，采取人机交互方式，进行洪涝救援方案的制定，及时发送到指挥部门，进行抗洪救灾的应急指挥。指挥部门利用北斗抗洪系统第一时间获得救援方案相关信息，快速决策并指挥救援人员进行快速救援。3.4灾后分析1）防洪设施数据维护定期核查和更新防洪设施数据库，包括防汛设施的空间定位信息和属性信息，进行历史数据的备份和定期汇总、上报，督促防汛部门对防汛设施的定期检修和更换，保证防汛设施数据库中的数据的及时性和有效性，以及防汛设施数据分析的准确性。2）现场灾情信息获取与灾后恢复重大汛情发生后，会对受灾区域的通信广播、电力、交通等基础设施带来严重破坏，有可能造成通信中断，形成“信息孤岛”。为避免“信息孤岛”的出现，卫星通信将会是指挥中心的首选方案。现场人员利用北斗卫星定位导航技术，可以对受灾地区损毁的建筑物及其他设施坐标进行位置定位，并利用全天候、全天时的短报文通信功能现与救援指挥中心进行双向数据通信。通过与地理信息系统定位匹配，指挥中心迅速对该地区相关建筑物及设施受损情况的图片完成拼接，产生标注定位数据的救灾指挥地图，进而增强国家和社会救灾重建反应能力，快速有效地部署重建资源。4结语北斗卫星定位导航系统作为世界上的三个卫星导航系统之一，在珠三角、环渤海、华中地区、长三角等地发展态势良好，目前已成功应用于测绘、水利、石油、渔业、矿业、农业、海洋运输、工业控制、森林防火、铁路运输、自主导航应用、公共安全等领域。随着“北斗二号”计划的逐步实现，其应用领域将进一步拓宽。北斗各领域的应用将使北斗技术从专业化领域走向了大众化的应用范畴。它以自身具有的定位准确，信息传递快，不受地理，气候条件限制等优点，已得到广泛的推广。它的使用也对北斗系统防汛救急中能高效率、高效益的保护人民生命财产安全，推进防汛救灾管理的信息化、智能化，提供了一定的参考价值。参考文献[1]袁家政，刘宏哲.定位技术理论与方法[M].1版.北京：电子工业出版社，2015.[2]曲国胜，赖俊彦，宁宝坤.卫星定位导航系统在地震应急救援中的应用[J].震灾防御技术.2007，2(4)：409-416.