國家應急測繪前線勘測系統設計與建設

畢 凱，王中祥，武 昊，朱 杰，張蓉暉

(國家基礎地理信息中心，北京 100830)

前線勘測是應急測繪工作的重要組成部分，是獲取第一手災情信息的重要手段。汶川地震以來，國家高度重視應急測繪前線勘測工作，《國家突發事件應急體系建設“十二五”規劃》中就明確要求建設一支專業的前線應急測繪保障國家隊，隊伍裝備配備達標率85%以上，在接到特別重大突發事件處置指令后8 h可達到現場，具備72 h野外生活保障能力。

對比規劃要求，當前的國家級應急測繪前線勘測能力還存在著明顯短板[1-6]：一是勘測設備老舊、功能單一、性能低，缺乏快速獲取滑坡體三維信息和地下空間設施測量等工作的高性能、專業化的外業測量技術裝備；二是集成化程度低，且機動性能差，盡管已經具備了一些數據獲取、數據處理、圖件輸出和數據傳輸的能力，但各類型設備零散，缺乏整體化、一站式、可隨時機動的應急測繪前線勘測技術裝備和生活保障裝備；三是任務覆蓋面窄，僅能覆蓋某一地區，缺乏能覆蓋全國的應急測繪前線勘測隊伍。因此，現階段急需專業性強、集成化程度高、機動性好的國家級應急測繪前線勘測技術裝備，建設國家級應急測繪前線勘測裝備隊伍，滿足應急測繪前線勘測的工作需要。

本文針對當前應急測繪前線勘測的實際問題，圍繞應急測繪前線勘測的任務需求，設計了一套國家應急測繪前線勘測系統，介紹了該系統的總體技術設計和工作流程設計，總結了其主要成果及技術指標，形成了一套可覆蓋全國范圍、滿足多種突發事件應急測繪，并涵蓋勘測數據獲取—數據處理—成果傳輸—現場制圖輸出—現場服務—現場生活保障等應急測繪全流程的一站式、一體化的應急測繪前線勘測技術裝備，為構建國家級應急測繪保障體系奠定了基礎。

1 任務需求分析

在地震、山體崩塌、滑坡、泥石流、洪澇、礦山事故、環境污染、生態破壞等特別重大、重大突發事件發生，或收到一級、二級突發事件警報信息、宣布進入預警期后，國家應急測繪保障領導小組發出Ⅰ級響應指令，統籌管理及調度相關人員攜帶設備赴突發事件現場，實施前線勘測保障服務[7-8]。其主要開展3個方面的工作：

(1) 提供空間定位基準及位置服務保障，緊急恢復突發事件區域的大地基準服務，及時進行臨時基準站建設，保障各類救援力量所使用的測繪與導航裝備能得到高精度的定位成果。

(2) 快速高效開展應急前線現場信息采集與測量。根據應急前線指揮部門、救援部門的各種需要，利用應急測繪裝備，快速實施重點地段的三維數據采集、局部大比例尺地形圖測繪、危險體(源)監測、地下測量、輕小型無人機航攝等，及時獲取得到應急前線重點地區、重點地段的各類現狀信息。形成視頻、影像、激光點云、GNSS觀測數據等成果，快速在應急前線進行數據處理，及時形成能夠滿足前線應急指揮、救援、基礎設施搶通等工作需要的各類應急測繪數據、報告、圖件等。

(3) 在搶險救援、道路搶通、災情評估、人員安置、重建規劃等各個應急響應時段內，為前線指揮部、各類救援力量提供及時、準確的地理信息服務，包括基于影像特征的地理空間信息應急服務、各類圖紙圖件的快速打印輸出等。同時搭建快速網絡傳輸通道，將獲取的重要前線應急測繪成果，以及不能夠在應急前線完成的應急測繪原始數據，通過有線、無線、離線手段傳輸至國家應急測繪中心，通過國家應急測繪處理平臺、服務平臺開展有關數據處理與服務工作，并及時接受國家應急測繪指揮中心下達的應急測繪任務或進行遠程會商等。

2 總體技術設計

按照規范性、可靠性、先進性、可擴展性、先進行、實用性等原則，從系統功能設計著手，優化應急測繪前線勘測工作流程，確定系統組成，分析與應急測繪其他環節和系統的接口關系，完成國家應急測繪前線勘測系統的總體設計。

2.1 系統功能設計

根據應急測繪前線勘測的任務需求，應急測繪前線勘測系統需具備運載、現場信息采集與測量、前線數據處理、應急地理信息服務、數據傳輸、圖紙圖件輸出和遠程會商的功能。具體見表1。

表1 國家應急測繪前線勘測系統功能

2.2 工作流程設計

應急測繪前線勘測工作以為國家應急前線指揮部、國家應急前線救援力量提供應急測繪保障與服務為目標，形成分工合理、流程暢通的前線勘測工作流。根據系統總體功能和實際作業需要，設計了應急測繪前線勘測的工作流程，具體如圖1所示。

(1) 接收應急指令做好出發前準備，包括人員集結、設備檢查、車輛檢查和應急基礎數據準備，按照保障區域將災區應急基礎數據提取至應急勘測多功能工作方艙中。完成準備工作后，應急測繪前線勘測系統開赴現場。

(2) 到達現場，根據應急前線指揮部和國家應急測繪中心的指令開展應急測繪前線勘測工作，并通過視頻系統及時匯報溝通應急狀況，接收新的應急指令。

(3) 根據災種的不同和受災程度，開展應急基準恢復、地形測量與工程測量、形變監測、三維信息采集與測量、小面積航空災情信息采集與測量、地下設施測量等工作。同時向國家應急前線指揮部、國家應急前線各專業救援力量提供在線、離線的應急地理信息服務。

(4) 利用數據處理設備，結合災前數據成果，對現場獲取的數據就地處理，形成應急測繪數據產品、專題圖產品等應急前線測繪保障成果及災情專題分析報告，以在線提供或離線數據拷貝的形式提供給國家應急前線指揮部、國家應急前線各專業救援力量使用。

(5) 提取急需的應急勘測原始數據、成果數據、重要數據，以及現場視頻、圖片和勘測人員、車輛狀態信息，通過衛星通信傳輸至國家應急前線指揮部、國家應急前線各專業救援力量和國家應急測繪中心應急指揮調度系統，并與國家應急測繪中心應急指揮調度系統、國家應急前線指揮部等保持視頻會商、進展通報和重要信息采集上報。

(6) 將應急測繪數據產品、專題圖產品等應急前線測繪保障成果及災情專題分析報告現場打印為圖紙，提供給國家應急前線指揮部及國家應急前線各專業救援力量使用。

(7) 應急測繪前線勘測任務完成后，將前線應急服務過程中存儲的災區應急前線現場勘測成果整理入庫至保障分隊應急資源數據存儲管理系統， 由該系統通過電子政務內網與國家應急測繪資源共享平臺保持日常數據的更新維護。

2.3 系統組成與接口設計

依據應急測繪前線勘測的工作內容、成果類型等的需求，設計了一套國家應急測繪前線勘測系統，該系統由一臺前線勘測多功能工作方艙和一臺前線勘測生活保障車組成。按照系統總體功能設計要求，將應急勘測多功能工作方艙細化成7個分系統[9]，具體組成如圖2所示。

考慮應急測繪前線勘測系統與國家應急測繪中心、機動至前線的國家航空應急測繪系統、省級應急測繪中心、國家應急前線指揮部、國家應急前線救援力量的數據流轉，設計了系統間接口[10]，接口設計如圖3所示。

3 分系統技術設計

3.1 運載平臺

主要承擔國家應急測繪保障分隊前線勘測設備的運載任務，為開展應急測繪前線勘測數據處理、傳輸、會商等提供工作環境保障。運載平臺的選型重點考慮安全性、越野性、穩定性和小型化等因素，選擇各方面性能均突出的德國MAN二類底盤進行改裝。開展溫控子系統、供電子系統、通風照明子系統、安全監控子系統選型與改裝，形成滿足應急測繪要求的可靠的應急測繪前線勘測運載平臺。

3.2 前線勘測設備

包括常規測繪使用的GNSS、單兵圖傳、全站儀、水準儀、輕小型無人機等利舊設備，以及超戰儀、長測程三維激光掃描儀、短測程三維激光掃描儀、探地雷達、遠程微變監測系統(地基InSAR)等專業化、高精度前線勘測設備[11]，設備組成如圖4所示。

3.3 前線數據處理

包括無人機影像處理、點云數據處理，其他勘測數據處理軟件，以及加固型高性能圖形處理工作站、加固型服務器、加固型磁盤陣列、萬兆以太網交換機等處理硬件。

3.4 前線數據傳輸

包括車載靜中通衛星通信設備和通信保障設備兩部分[12]。經過衛星參數、車載站天饋、主站天饋、天線晴天鏈路余量、信息帶寬、轉發器帶寬等計算衛星鏈路，1.2 m車載天線，功放功率25 W能滿足語音業務最大可達64 Kbps/路、數據業務最大可達8192 Kbps/路、視頻業務最大可達2048 Kbps/路的實時通信能力。

衛星電話、短波通信設備、4G網絡接入設備、超短波集群通信設備和語音綜合管理平臺等通信保障設備可確保在各種環境下實現遠程實時通信。語音綜合管理應用如圖5所示。

3.5 應急地理信息服務

主要為一套基于影像特征的地理空間信息應急服務軟硬件管理保障區域范圍基礎地理空間數據。以7×24 h應急地理信息數據庫為支撐，以三維立體方式直觀瀏覽地形地貌，顯示地理空間位置、各級道路的通達情況，以及河流、水庫的分布；通過基于三維系統的空間查詢，從多比例尺度掌握各類應急資源的空間分布及其救災人力、物資儲備狀況，為災前預警分析、災中緊急救助應急勘測調度、災情評估、災后重建提供輔助決策支持[13-15]。

3.6 現場圖紙圖件輸出

包含應急基礎數據快速制印軟件和B0幅面繪圖儀[16]。利用軟件處理出圖所需的電子數據，利用制圖輸出設備打印輸出各類型圖紙、圖表、災情影像鑲嵌圖、災情專題影像圖等電子數據成果。

3.7 遠程視頻會商

包括視頻采集、顯示、音視頻切換、錄音錄像和集中控制等設備，主要用于應急勘測前線與國家應急測繪中心、前線應急指揮部、其他部門應急指揮系統(平臺)進行視頻會商。

3.8 野外生活保障

集成通信、應急電源供應、宿營、飲食、盥洗等功能的生活保障車，適應高海拔、高低溫等環境，能夠在第一時間趕赴應急現場，保障10人72 h的野外生活需要。

3.9 集成設計

重點考慮音視頻信號、射頻信號、控制信號、數據信號的流轉，各分系統間的信號流與數據流設計如圖6所示。

(1) 前線數據傳輸：靜中通衛星天線與衛星調制解調器通過射頻口連接，調制解調器通過網口連接路由交換設備，接入局域網，實現視頻會商、現場視頻、圖片等數據的調制解調。語音管理平臺將多種語音方式集成在1個語音通信平臺上，通過網口、PSTN口等與超短波車載臺、短波電臺、VOIP語音網關、電話機、4G網絡接入終端連接。

(2) 遠程視頻會商：通過網口、視頻口與前線數據傳輸設備連接，實現視頻信號傳輸。音視頻切換設備通過HDMI、BNC等音視頻口連接車內視頻會商攝像機、車頂前后高清攝像機、視頻會議終端、單兵接收機、調音臺，接入車內音視頻信號，通過HDMI接口連接多聯顯示器實現視頻切換顯示，通過HDMI、BNC接口連接視頻會議終端和音視頻編解碼器，實現會商視頻、現場視頻輸出。

(3) 應急地理信息服務：服務平臺部署前線應急基礎數據庫管理軟件，通過網口接入車內局域網，發送應急基礎數據，接收應急勘測原始數據、應急勘測處理成果。

(4) 現場圖紙圖件輸出：通過網口接入車內局域網，實現應急基礎數據、應急勘測處理成果圖打印出圖。

(5) 前線數據處理：高性能圖形處理工作站部署無人機、點云等數據處理軟件，通過U口、SATA口讀取外部應急勘測數據，實現數據交換。數據管理服務器通過HBA口與磁盤陣列連接，通過網口連接車內局域網，實現數據交換，完成應急基礎數據、應急勘測專題成果存儲。

4 主要成果及技術指標設計

國家級應急測繪前線勘測系統能按照應急救援的不同階段提供不同的成果，與現有能力相比，系統形成的成果更加豐富，性能指標有較大提升。

(1) 響應速度：2 h內可完成前線應急數據準備、設備準備、人員集結；在通達條件允許的情況下，通過自身裝備能力，必要時借助外部力量，8 h可到達現場。

(2) 前線現場勘測與數據處理能力：具備應急基準恢復、地形測量、形變監測、三維信息采集與專題制圖、小面積航空災情信息采集與測量、地下設施測量的能力。支持地震、地質災害、氣象、洪澇、森林大火等多種突發事件。每套系統可支持10人以上專業測繪隊伍同步開展各項應急測繪工作。

a. 4 h內搭建完成應急流動基準站系統，并提供24 h不間斷CORS服務，服務保障面積不小于1000 km2；15 d內搭建完成應急臨時基準站系統，20 d內提供服務，服務保障面積不小于10 000 km2。

b. 1 h可完成30 km2的重點區域災情航空遙感影像，影像分辨率0.05～0.3 m。

c. 3 h可完成1 km2災害區域點云數據采集，3 h內完成點云數據處理并輸出初步成果，包括生成等高線、計算土石方量、生成各種剖面圖和三維模型等。

d. 48 h內提供滿足道路、水利、電力、通信設施等各種搶險工程所需的距離、高度、寬度、面積、范圍等工程測量數據，以及滿足現場救援要求的重點局部大比例尺地形圖。

e. 可連續72 h作業，對高危地質災害隱患點形變趨勢進行實時高精度的監測；可同時連續對4個目標進行形變監測。

f. 3～7 d內提供滿足臨時安置工程建設，道路、通信等重要基礎設施緊急恢復，次生災害防治與普查、疫情防治等的需要局部區域1∶500—1∶1000比例尺地形圖、影像圖、專題圖、各類工程施工測量圖等。

g. 2～3個月內提供滿足重建規劃需求1∶500—1∶2000比例尺重建規劃圖、三維實景影像、三維可視化影像地圖等。

(3) 前線應急地理信息服務能力：構建全國范圍的應急三維地理信息數據庫，包括遙感影像、數字高程模型、地名、行政境界、路網水系等基礎地理信息框架，滿足7×24 h連續長時間無故障的高效運行。

(4) 前線數據傳輸能力：衛星實時通信的語音業務最大可達64 Kbps/路、數據業務最大可達8192 Kbps/路、視頻業務最大可達2048 Kbps/路。

(5) 前線圖紙圖件保障能力：打印圖件幅面不小于112 cm，制圖輸出效率達到50 m2/h。

(6) 遠程視頻會商能力：可在全國范圍內視頻會商，視頻圖像清晰穩定、聲音清晰。

(7) 野外生活保障能力：10人72 h野外運輸、炊事、凈水、盥洗、淋浴、宿營和野外安全監控等自我生活保障。

5 建設數量與布局

系統優先考慮已有測繪技術裝備、應急測繪保障人員配置和應急測繪保障經驗等情況，首要保證應急測繪保障工作覆蓋全國陸地國土范圍；其次，保證能在第一時間達到現場開展突發事件應急前線勘測任務。因此，布局設計時以自然資源部直屬測繪地理信息局為依托，組建3支國家級應急測繪保障分隊，從保障區域、人員儲備、分布式布局等方面出發，在3支國家應急測繪保障分隊之下設立了若干支應急測繪保障小隊，以提高極端情況下突發事件“第一時間”現場信息快速獲取、分析、處理、服務和共享能力。每支國家級應急測繪保障分隊按照二級應急響應的級別構建相關硬軟件裝備，負責一定范圍內應急前線勘察測繪相關工作。當發生一級應急響應時，調動一切資源，統籌協調，共同完成應急測繪響應。各分隊和小隊的依托單位、裝備數量、保障區域覆蓋范圍等見表2。

表2 應急測繪前線勘測系統建設數量與布局

6 結 語

本文以滿足8 h抵達現場、72 h自我保障的能力為目標，首次設計并初步建設了可覆蓋全國的一站式、一體化的國家級應急測繪前線勘測生產生活保障裝備，填補了國家級應急測繪前線勘測技術裝備的空白。

從應急測繪前線勘測實際工作需求出發，采用超戰儀、長短測程三維激光掃描儀、探地雷達、地基InSAR等設備，可為當前急需的地下設施勘測、城市高精度勘測、災害體高精度遠程形變監測等應急測繪前線勘測工作提供專業化、智能化、高精度的設備保障。

下一步將重點開展設備的集成度研究，使作業隊伍與裝備盡快形成合力；通過應急演練，進一步完善應急測繪前線勘測的工藝流程、作業標準和技術指標體系，有效指導應急測繪前線勘測的各項工作，以應對實戰。