基于3S技术的都江堰水利应急指挥系统

陈 曦 ，周晓泉

（1.四川省都江堰管理局，四川 都江堰 611830；2.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012）

0 引言

2008 年 5 月 12 日，四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县发生了 8.0 级强烈地震，都江堰市属于 10 个极重灾区之一，在本次地震灾害中都江堰水利工程受到了不同程度的损坏。

地震灾害造成的巨大破坏及其次生灾害可能衍生出的更为严重的后果使我们深刻认识到，自然灾害虽然不可避免，面对灾害，主要从信息化建设入手，建立一个以水安全应急处理机制作为核心内容的应急指挥系统十分重要。

大地震的破坏让人们体会到通信异常对正常生产、生活的灾难性后果，都江堰灾后应急指挥系统将考虑电力、通讯、交通出现异常时的调度手段，结合 3S 技术和综合调度软件实现应急调度指挥。

1 3S技术概述

“3S”技术是遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）这 3 种技术的统称，是数字水利的支撑技术。

RS 的发展是空间信息科学的重要技术支撑，遥感信息是地球空间信息的最重要数据源。在遥感领域,“三多”（多传感器、平台和角度）和“三高”（高空间分辨率、时相分辨率和光谱分辨率）的空间信息获取技术日趋成熟，一个全方位的卫星对地观测遥感系统已经形成,可以动态、直观、快速、大面积地监测地理目标。

GPS 是个高精度、全天候和全球性的无线电导航及定位和定时的多功能系统，在空间信息科学中主要用于提供目标的空间位置，精度从亚毫米级到几十米级不等。GPS 不仅可以作为独立的自主数据源，而且可以精确定位遥感信息。

GIS 以地理空间数据库为基础，在数据输入、输出、组织和管理方面具备强大的优势。更关键的是GIS 为地球空间信息科学提供了对信息的分析、综合、认识、表达、理解等方面的技术和模型，使抽象、枯燥的信息变得生动形象，同时它又是一个理想的决策支持系统。因此 GIS 成为推动空间信息科学深化应用的核心[1]。

2 3S技术在应急调度指挥中的结合

2.1 应急通信支持

为保证都江堰管理局在紧急情况下的即时调度，实现实时联络，根据实际情况，拟建立 1 套完全独立的，不受第三方设备制约的无线通讯网络：同频同播无线通讯网络，同时配备若干卫星通讯电话作为辅助通讯保障，以保证在紧急情况下指挥调度的安全可靠性。

系统建设内容如下[2]：铱星电话；GPS 差分定位系统；基站交换设备 (基站信道数为 3)；同播基站；监控中心；移动台站；天馈系统设备；电源系统。

首先以都江堰管理局区域中心地带制高点为中心设立 1 个控制中心站，在外江闸和内江闸 2 调度分中心分别设置 2 个中继站，并架设高增益天线，建立同频同播无线通信网络，使无线通信讯号覆盖整个灌区，通信网络如图1 所示。当值班室需传达命令时，通过基地台呼叫，即可将讯号传播给区域内的任何一部电台，以达到整体联动、群体呼应的效果，实现即时通话、处理事件的功能。

图1 同频同播无线通信网络

另外在都江堰管理局配备 2 台铱星卫星电话，在 2 个调度分中心分别配备 1 台铱星卫星电话作为无线应急通讯的备份。同时铱星卫星电话结合 GPS差分定位系统纳入应急通信统一监控管理中心。其通信组网拓扑结构如图2 所示。

2.2 RS 技术及其应用

图2 铱星通信组网拓扑

卫星遥感能在宏观上反映灾情，可以看到断裂带、水系、一般道路，但由于受分辨率限制，不能精确反映地面情况；航空遥感分辨率较高，也能大范围获取影像，可以人为控制重点获取某个区域的数据，进行有针对性的航拍，是反映灾情、指导救援工作及进行灾情评估和灾后重建的重要技术手段。拟用专业地理测绘相机进行航拍，再配以购买的卫星遥感图对都江堰地区的地形地貌进行比对，比对情况如图3 所示。结合已先期建成的都江堰灌区 GIS 系统，能够对应急情况下的决策指挥起到良好的支持作用。

图3 岷江河道卫星遥感图同航空遥感图的比对情况

2.3 GPS 技术及其应用

北斗卫星导航系统是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统，具有以下 3 大主要功能[3]：

1）快速定位。北斗导航系统可为服务区域内各类用户提供全天候、高精度、快速实时的定位服务，一般定位精度 100 m，差分定位精度 15 m，高程测量精度 15 m。

2）双向通信。北斗系统的用户终端还具有双向报文通信能力，注册用户利用连续传送方式可以传送多达 120 个汉字的信息。

3）精密授时。北斗导航系统具有单向和双向2 种授时功能.根据不同的精度要求，利用授时终端，可以完成与北斗导航系统之间的时间和频率同步，提供 100 ns（单向授时）和 20 ns（双向授时）的时间同步精度。

以往的任何通信设备，仅提供定位功能或仅提供通信功能，“北斗”卫星导航定位系统的最大特点是可以同时提供定位与短报文通信功能，1 台主指挥机进行卫星定位后，可连接多部类似手机的“北斗一号”终端机，终端机每次可编写 120 字的短信发送到指定手机上，非常有利于震区的救援信息传递。利用北斗卫星作为调度中心通信系统，具有安装与维护方便、功耗低、畅通率高、抗雨衰、防雷击、抗干扰、保密性强等特点，结合车载 GPS 定位系统，在突发事件，需要应急联动的情况下，尤其能够发挥出快速响应、通讯通畅等作用。北斗卫星通信拓扑图如图4 所示。

图4 北斗卫星通信拓扑图

2.4 GIS 技术及其应用

GIS 是很好的辅助技术手段，利用 GIS 的空间分析、查询和图形编辑功能，可以简化工作过程，提高准确度。通过建立应急指挥决策支持，利用灾害损失评估模型、空间可视化和查询及地理统计等技术方法，可以更加直观地帮助应急指挥决策部门及时得到灾害的损失情况，辅助决策者进行科学的救灾决策，从而实现共享灾害信息及调度和协调抗灾资源，为灾害防御提供了全新的视角和手段。

都江堰灌区已分 2 期投资开发建设有完善的“都江堰灌区基于 GIS 平台的应用软件”系统，该应用软件功能强大且运行稳定可靠，地震灾害没有对该软件产生破坏，经过灾后重建整合，在原有基础上对渠首地区的灾情监测预警功能进行了强化。其数据库结构如图5 所示。

图5 数据库结构

当应急事件来临时，RS 作为主要的空间数据源和数据更新手段，为 GIS 提供空间数据和反映目标属性的专题数据；GPS 为 GIS 获取灾害目标要素的空间坐标数据，实现快速精确定位；GIS 提供对多源数据的存储、管理、处理、分析、分类等辅助，提供对多源数据的空间分析和趋势分析，以及对分析成果的二维和三维表达；决策者通过以上数据做出判断，再通过应急通讯支持平台将决策命令下达到各个行动站台。也就是说，以 RS 为眼，GPS 为手，GIS 为脑，通讯支持为口，对领导者的决策指挥提供强大的技术支撑。其系统整体架构如图6 所示。

图6 系统整体架构

3 结语

水利现代化已经成为防洪减灾、水资源管理、水环境保护和水土保持的重要手段和技术支撑，是提高水利工程建设与运行管理效能、水利工程管理工作效率和决策水平的重要途径。都江堰的灾后重建，把建立水安全应急处理机制作为核心内容，从信息化建设入手，构建水安全监测预警与应急指挥系统，形成了科学高效的防灾、减灾体系。当发生突发性水安全（山洪和洪涝灾害、特大干旱、水质污染等）事件时，系统能快速监测预警，并触发应急响应程序，进入联动指挥与会商决策环节，完成各种形势下的应急响应与决策指挥功能，本系统的建立将极大地增强对水事灾害的监测预警与应急指挥能力。

[1]范文义，罗传文. 3S 理论与技术[M]. 东北林业大学，2005 (7) : 3-5.

[2]四川大学，四川省都江堰管理局. 汶川地震四川省都江堰灌区水利信息化灾后重建实施方案[R]. 四川：四川省都江堰管理局，2009: 37-38.

[3]吴崇善. 正确认识和应用“北斗一号”导航定位系统[J].当代通信，2004 (11): 40-42.