北斗系統(tǒng)在野外地質調查中的應用

· 文|中國地質調查局油氣資源調查中心 李志忠 汪大明

國土資源部科技司 何凱濤

中國地質科學院地質力學研究所 胡道功 郭 濤

中國國土資源航空物探遙感中心 楊日紅

中科院上海技術物理研究所光電遙感中心 鄭鴻瑞

北斗系統(tǒng)在野外地質調查中的應用

· 文|中國地質調查局油氣資源調查中心 李志忠 汪大明

國土資源部科技司 何凱濤

中國地質科學院地質力學研究所 胡道功 郭 濤

中國國土資源航空物探遙感中心 楊日紅

中科院上海技術物理研究所光電遙感中心 鄭鴻瑞

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由中國自行研制，擁有完全自主知識產(chǎn)權，具有快速定位、精密授時及其特有的雙向通信三大功能。本文介紹了中國地質調查局組織實施的“安全生產(chǎn)管理保障系統(tǒng)”和“基于我國衛(wèi)星的野外地質調查應用高技術產(chǎn)業(yè)化示范工程”等項目成果，不僅包含了“安全生產(chǎn)管理平臺”中北斗在應急救援中的相關應用，還包含了在野外地質調查時北斗衛(wèi)星發(fā)揮的關鍵作用等應用，對北斗衛(wèi)星在野外地質調查中的應用分析總結得更為全面，本文從系統(tǒng)設計、節(jié)點建設、系統(tǒng)建設和實用性驗證等角度對北斗衛(wèi)星的野外地質調查應用進行了詳細論述。

一、引言

隨著我國經(jīng)濟社會快速發(fā)展，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、信息化和農業(yè)現(xiàn)代化進程持續(xù)推進，礦產(chǎn)資源和油氣資源剛性需求大幅攀升，供需形勢日益嚴峻。中央高度重視資源的勘探與開發(fā)工作，因此未來一段時間內基礎地質調查工作將長期持續(xù)開展。目前區(qū)域地質調查、地球物理調查、地球化學調查、戰(zhàn)略性礦產(chǎn)勘查等基礎性地質調查工作程度偏低，全國1∶5萬區(qū)域地質調查在重點成礦區(qū)帶覆蓋率僅為1/3，同時重點成礦區(qū)帶的中、大比例尺基礎資料嚴重不足。因此地面地質調查有大量的工作任務需要承擔，但傳統(tǒng)的調查工作方式在地質條件復雜，生存條件惡劣地區(qū)受到了驗證流程、技術手段等的限制，采用新技術、新方法加快地質找礦工作效率成為了加快促進地質找礦戰(zhàn)略行動目標實現(xiàn)的重要手段[1]。

北斗導航衛(wèi)星具有快速定位、短報文通信和精密授時三大主要功能。快速定位功能可快速確定用戶所在地理位置，定位誤差小于10m；短報文通信功能是北斗終端間、終端與地面控制中心間可雙向傳輸最多120個漢字信息，是北斗相比于其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)所特有的功能[2]。 北斗導航衛(wèi)星所提供的服務已能很好地滿足和支持地質調查工作，并在地質調查領域發(fā)揮出了重要作用。

二、北斗系統(tǒng)在野外地質調查中的應用

中國地質調查局十分重視國產(chǎn)衛(wèi)星技術在地質調查領域的應用和推廣，于2011年組織開展基于北斗系統(tǒng)和電子地圖的地質調查安全生產(chǎn)管理保障系統(tǒng)研究，旨在提高地質調查安全管理水平和突發(fā)事件應急處置能力，保障野外地質調查工作者生命和財產(chǎn)安全。安全生產(chǎn)管理保障系統(tǒng)于2012年完成調試并正式部署運行，并在青海、西藏、新疆以及大興安嶺等艱險地區(qū)實現(xiàn)野外作業(yè)項目組100％配備北斗終端，為該地區(qū)地質調查人員提供了更加全面的保障[3]。

在“十一五”期間，中國地質調查局承擔了國家發(fā)展改革委高技術產(chǎn)業(yè)化示范工程專項——“基于我國衛(wèi)星的野外地質調查應用高技術產(chǎn)業(yè)化示范工程”項目，對國產(chǎn)遙感衛(wèi)星和北斗導航衛(wèi)星在野外地質調查服務與管理應用系統(tǒng)技術體系相關方面進行了研究，發(fā)揮行業(yè)優(yōu)勢，對與地質調查工作息息相關的遙感數(shù)據(jù)處理、地質信息識別提取、海量基礎數(shù)據(jù)分發(fā)、空間信息承載和展示平臺、北斗系統(tǒng)與GPS兼容技術及應用等重大關鍵技術進行研究，形成了一套服務于野外地質調查的“雙星野外地質調查服務與管理系統(tǒng)”[4]。該系統(tǒng)集成北斗終端、GPS定位和PDA地質填圖系統(tǒng)，完善現(xiàn)有中國地質調查信息網(wǎng)格平臺、開發(fā)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)，實現(xiàn)基于衛(wèi)星遙感、導航定位、地理信息系統(tǒng)技術的野外作業(yè)人員的態(tài)勢管理、作業(yè)任務管理、指揮調度、應急保障等，并在多個野外實驗區(qū)進行了應用示范，取得了預期成果，初步形成了基于北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)的野外地質調查管理與安全保障技術體系，進一步加強地質調查野外作業(yè)人員的安全保障力度[5]。

1.北斗地質調查應用系統(tǒng)結構

“雙星野外地質調查服務與管理系統(tǒng)”構成網(wǎng)格構架，是一個建立在地調專網(wǎng)環(huán)境下的網(wǎng)格架構的開放式系統(tǒng)，由六大類節(jié)點和外業(yè)終端組成，能夠實現(xiàn)在遙感衛(wèi)星和北斗導航衛(wèi)星（雙星）支持下的面向野外地質礦產(chǎn)調查的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務和作業(yè)管理功能，該系統(tǒng)結構如圖1。其中，北斗導航衛(wèi)星主要通過“雙星野外地質調查服務與管理系統(tǒng)”中的“野外地質調查作業(yè)管理與安全保障系統(tǒng)”和野外手持終端向用戶終端各個節(jié)點提供服務，因此在后文的系統(tǒng)層次劃分、數(shù)據(jù)流程和系統(tǒng)功能部分將以“野外地質調查作業(yè)管理與安全保障系統(tǒng)”為例進行介紹。

圖1 野外地質調查服務與管理系統(tǒng)結構圖

雙星野外地質調查服務與管理系統(tǒng)根據(jù)野外地質調查發(fā)生的風險類型和緊急程度分為常規(guī)狀態(tài)和應急狀態(tài)運行。常規(guī)狀態(tài)下，作業(yè)管理中心可以獲得所有管轄終端信息，從而實現(xiàn)態(tài)勢分析、路線規(guī)劃等各種作業(yè)管理功能。當系統(tǒng)以緊急狀態(tài)運行時，根據(jù)風險對象進一步將應急狀態(tài)分為野外作業(yè)常見應急狀態(tài)和重大地質災害應急狀態(tài)。前者主要是指外業(yè)人員在艱險工作中碰到的緊急狀態(tài)，包括：高原反應、動物咬傷、缺糧缺水、迷路、疾病等；后者是指野外地質調查人員在作業(yè)時可能會遇到的地震、滑坡、泥石流等重大地質災害。在這兩種應急狀態(tài)下北斗終端用戶能通過組網(wǎng)向其他用戶、移動駐地、野外工作站或各中心節(jié)點進行通信或位置信息傳輸，便于應急救援小組或中心節(jié)點指揮部了解險情發(fā)生位置、類型、等級，能根據(jù)這些信息制定更有效的應急救援方案。

2.節(jié)點構成部署

系統(tǒng)具有六類節(jié)點，分別為：遙感數(shù)據(jù)服務中心節(jié)點、作業(yè)管理中心節(jié)點、專業(yè)應用節(jié)點、大區(qū)中心節(jié)點、野外工作站節(jié)點以及移動節(jié)點。

其中，移動節(jié)點包括移動駐地節(jié)點和應急通信指揮車兩種類型。移動駐地節(jié)點具有簡單的遙感數(shù)據(jù)處理設備，能進行簡單的遙感數(shù)據(jù)服務和處理工作，并配有北斗車載指揮機，能夠對本駐地周圍的外業(yè)隊伍進行作業(yè)管理。應急通信指揮車主要是在發(fā)生重大地質災害時使用，除了配備簡單的遙感數(shù)據(jù)處理設備和北斗車載指揮機外，還配備VSAT移動端，用于向系統(tǒng)各節(jié)點傳輸災害現(xiàn)場的視頻和音頻信號，并進行遙感數(shù)據(jù)實時傳輸。

3.野外地質調查作業(yè)管理與安全保障系統(tǒng)層次劃分

系統(tǒng)主要分為作業(yè)管理中心、大區(qū)中心和外業(yè)人員三個層次，各層之間基本數(shù)據(jù)信息可通過地面網(wǎng)絡或有線方式傳輸，實時定位和通信信息則通過北斗衛(wèi)星進行傳輸。

作業(yè)管理中心主要功能是為野外作業(yè)管理和應急通信提供保障。因管理的單位及人員眾多，因此采用無人值守模式，在緊急狀態(tài)下發(fā)出警報，協(xié)助開展應急救援等工作。日常狀態(tài)下可人工調取、查看野外作業(yè)態(tài)勢；大區(qū)中心與野外作業(yè)人員保持動態(tài)聯(lián)系，具有動態(tài)野外作業(yè)管理和應急通信保障功能。通過大區(qū)中心可與外業(yè)人員進行雙向信息交互，及時了解掌握野外工作狀態(tài)；外業(yè)人員主要以手持雙模終端為主要設備，通過北斗衛(wèi)星進行與其他人員及上級單位進行聯(lián)系，并反饋位置信息。

4.野外地質調查作業(yè)管理與安全保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

野外地質調查作業(yè)管理保障系統(tǒng)中的各節(jié)點均可通過北斗衛(wèi)星進行定位信息及短報文的信息交互。而作業(yè)管理中心、大區(qū)中心、專業(yè)應用中心及野外工作站是網(wǎng)格構架下的有線連接，可通過有線連接進行各種數(shù)據(jù)和信息的交互，具體數(shù)據(jù)流程見圖2。

圖2 野外作業(yè)管理與安全保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

5.野外地質調查作業(yè)管理與安全保障系統(tǒng)功能

野外地質調查作業(yè)管理與安全保障系統(tǒng)按照業(yè)務類型又進一步劃分為常規(guī)作業(yè)管理子系統(tǒng)和安全保障子系統(tǒng)。常規(guī)作業(yè)管理子系統(tǒng)具有綜合平臺顯示、空間分析、野外工作信息管理、野外路線信息管理以及北斗定位和通信功能。安全保障子系統(tǒng)具有野外應急視頻音頻傳輸、野外應急遙感數(shù)據(jù)傳輸、北斗應急通信和應急態(tài)勢分析功能。

在常規(guī)作業(yè)管理子系統(tǒng)中，野外路線信息管理又分為踏勘路線和路徑規(guī)劃、野外作業(yè)管理、作業(yè)指揮調度三個功能。踏勘路線和路徑規(guī)劃是利用系統(tǒng)開發(fā)的基本標繪工具和距離測量和坡度量算工具，制定規(guī)劃踏勘路線，并以矢量圖的形式輸出。野外作業(yè)管理主要是利用北斗傳回的定位數(shù)據(jù)，對野外工作人員實際作業(yè)路徑分析后綜合生成作業(yè)區(qū)工作路線，后方專家根據(jù)這些信息跟蹤工作進度，分析是否遺漏重點調查地區(qū)，并為野外作業(yè)人員提供補測方案。系統(tǒng)通過定位監(jiān)控設置和定位監(jiān)控控制兩個部分對移動目標定位進行管理。定位監(jiān)控設置包括監(jiān)控方式設置、顯示軌跡設置、信息顯示設置；定位監(jiān)控控制包括定位開始監(jiān)控和定位停止監(jiān)控，分別實現(xiàn)對監(jiān)控目標監(jiān)控的開始和停止操作，實現(xiàn)對監(jiān)控目標的選擇性監(jiān)控。監(jiān)控目標顯示，是把監(jiān)控目標的所在坐標及其他需要顯示的信息顯示在信息列表里，并且把監(jiān)控目標顯示在監(jiān)控端地圖上；區(qū)域顯示控制、路徑顯示控制、導航提示控制可以對監(jiān)控目標進行監(jiān)控，并在目標偏航時進行提示并顯示相關偏航信息。作業(yè)指揮調度功能主要是利用北斗衛(wèi)星提供的通信功能對監(jiān)控單位發(fā)布命令，被監(jiān)控目標也可通過北斗衛(wèi)星向指揮監(jiān)控端匯報情況，實現(xiàn)指揮中心對野外作業(yè)終端的遠程指揮調度。北斗定位通信功能主要可以獲取終端用戶信息，包括終端的屬性信息和定位信息。其中定位分為主機申請定位和終端申請定位。通信功能為文本信息互傳和定位信息傳送提供了可能。

在安全保障子系統(tǒng)中，北斗主要起到應急通信的功能。當外業(yè)人員在艱險工作區(qū)遇到緊急狀態(tài)或發(fā)生重大地質災害時，可通過本系統(tǒng)的北斗組網(wǎng)，實現(xiàn)外業(yè)終端間、外業(yè)終端和移動駐地、外業(yè)終端和野外工作站、外業(yè)終端和各中心節(jié)點間的緊急通信。

6.系統(tǒng)部署

中國地質調查局組織開發(fā)“雙星野外地質調查服務與管理系統(tǒng)”，部署作業(yè)管理系統(tǒng)的瀏覽器端，并從北斗綜合信息服務平臺獲得所有外業(yè)終端的全數(shù)據(jù)推送。局屬單位航遙中心負責開發(fā)并部署“地質調查遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)”，作為整個野外地質礦產(chǎn)調查服務與管理系統(tǒng)運行支撐節(jié)點。西安地調中心和該中心的野外工作站也部署了作業(yè)管理系統(tǒng)的瀏覽器端，主要實施該地調中心所屬轄區(qū)地勘單位外業(yè)人員的作業(yè)管理。發(fā)展中心負責雙模高精度移動終端設備和野外衛(wèi)星數(shù)字化填圖綜合平臺的部署。地質力學所負責野外應用示范，基于野外地質礦產(chǎn)調查服務與管理系統(tǒng)進行野外試驗，重點從遙感數(shù)據(jù)服務、作業(yè)管理支持和應急服務三個方面檢驗系統(tǒng)的正確性和實效性。

三、應急救援示范應用

2011年3月29日，一架航空物探飛行作業(yè)的飛機失蹤。7月，地調局組織有關專家展開“3·29”飛機失蹤事件地面搜尋工作，因搜尋區(qū)域均位于手機信號盲區(qū)，常規(guī)手段無法保證信息的互聯(lián)互通。其次，該地區(qū)屬于高海拔山區(qū)，部分區(qū)域終年積雪，部分區(qū)域因夏季化雪造成了大片積水難以通行，自然條件十分惡劣，地面工作十分艱難，野外作業(yè)風險很大，迫切需要采用高新技術手段保障野外搜尋人員的安全。因此，搜救人員在天山地區(qū)搜救期間配備了北斗終端，以實戰(zhàn)的方式檢驗了“雙星野外地質調查服務與管理系統(tǒng)”在人員野外作業(yè)時能起到安全保障作用，證明了北斗導航衛(wèi)星應用在地質調查應用中的適用性。

1.系統(tǒng)在搜尋過程中發(fā)揮的作用

北斗系統(tǒng)在“3·29”第二階段地面搜尋過程中，起到的主要作用是：一方面利用該系統(tǒng)保障野外搜尋組野外安全，一方面利用該系統(tǒng)進行作業(yè)軌跡監(jiān)控。通過北斗通信功能，野外搜尋組可與管理指揮中心之間進行實時通信，幫助管理指揮中心了解搜尋現(xiàn)場大概環(huán)境和搜尋狀況，并在野外搜尋組遇到意外情況時向附近其他搜尋人員提供該組位置信息和意外狀況類型，便于對其進行救援，從而有力地保障了野外搜尋組的安全。通過北斗的定位功能，可以對野外所有搜尋組進行實時定位并在管理指揮中心平臺顯示，通過監(jiān)控搜尋組的作業(yè)軌跡，實現(xiàn)重點區(qū)域漏查提醒，避免對同一地區(qū)不同搜尋組的反復搜救，保障搜尋工作高效開展。

2.搜尋工作北斗系統(tǒng)作業(yè)規(guī)范建立

結合野外搜救工作實際，針對不同的節(jié)點分別制定了管理中心作業(yè)規(guī)范和野外搜尋組作業(yè)規(guī)范。管理中心作業(yè)規(guī)范要求管理中心在地面搜尋全過程中打開北斗外業(yè)終端，全程實時監(jiān)控外業(yè)搜尋組作業(yè)情況及安全，并在管理中心設定值班小組，隨時與外業(yè)搜尋組溝通聯(lián)系。

野外搜尋組作業(yè)規(guī)范要求野外搜尋組每天早晨出隊前通過北斗外業(yè)終端向值班小組組長匯報當天搜尋計劃；每次到達疑似點時，要通過北斗外業(yè)終端發(fā)回定位信息，并匯報排查情況；在向疑似點進發(fā)過程中，要通過北斗外業(yè)終端在關鍵路線點上發(fā)回定位信息；每天工作完成后，要通過北斗外業(yè)終端向值班小組組長匯報當天搜尋結果，并報平安。

3.系統(tǒng)應用成果

在“3·29”第二階段地面搜救過程中，使用“雙星野外地質調查服務與管理系統(tǒng)”有效地保障了野外人員的安全，并隨時與管理中心溝通，進行了野外作業(yè)軌跡監(jiān)控。在整個過程中，按照系統(tǒng)作業(yè)規(guī)范，共傳回北斗定位坐標178個，每個坐標信息包括：終端ID、定位時間、經(jīng)度、緯度、高程、衛(wèi)星數(shù)、定位方式和有效性。

四、總結

北斗系統(tǒng)是中國具有自主知識產(chǎn)權的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，不僅能夠進行定位，還能進行短報文通信，具有很大的業(yè)務需求和應用潛力。中國地質調查局高度重視國產(chǎn)遙感衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星在地質調查領域的應用及推廣，在組織研發(fā)地質調查安全生產(chǎn)管理保障系統(tǒng)的基礎上承接了國家發(fā)展改革委高技術產(chǎn)業(yè)化示范工程專項“基于我國衛(wèi)星的野外地質調查應用高技術產(chǎn)業(yè)化示范工程”項目，并在項目中根據(jù)野外地質調查作業(yè)需求和流程，結合北斗衛(wèi)星提供的定位和短報文通信服務，設計并實現(xiàn)了“雙星野外地質調查服務與管理系統(tǒng)”等主要以北斗衛(wèi)星為支撐的先進系統(tǒng)，并根據(jù)項目安排設計建設了各應用節(jié)點，對系統(tǒng)中的關鍵技術進行了研發(fā)。并實際驗證了北斗終端在野外地面作業(yè)中為作業(yè)人員提供安全保障，實現(xiàn)了從理論上和實際上驗證了北斗系統(tǒng)在地質調查應用中的廣泛作用，證明了北斗系統(tǒng)能滿足野外地質調查的需要。隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設，北斗衛(wèi)星將在地質調查領域發(fā)揮更加重要和不可替代的作用。

[1] 熊珍銀．關于地質找礦工作幾個問題的思考[J]．地球，2014（6）：8.

[2] 唐金元，于潞，王思臣．北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)應用現(xiàn)狀分析[J] ．全球定位系統(tǒng)，2008（2）：26-30.

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[5] 蔣紅成.多幅遙感圖像自動裁剪鑲嵌與色彩均衡研究[D]．北京：中國科學院研究生院，2004.