基于北斗卫星技术的野外地质工作管理与服务模式：青海玉树州地质灾害详查示范应用

石小亚，王佳运

（中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安710054）

点多、线长、高度流动性和分散性是野外地质工作的特点。野外地质工作点多，且远离城镇，交通和通信极其不便，工作和生活条件都十分恶劣；踏勘线路长，且地理环境复杂，气候条件异常，工作条件艰苦；野外工作区广，一个项目组常分成若干队，2～3人一队流动分散作业，相互沟通不便。野外工作中，地质人员常会遭遇到各种危机，比如疾病、迷路失踪、野兽攻击、交通意外等。同时，对于地质单位来讲，项目组一出野外，由于工作地偏远，交通通讯不便，无法及时获知项目进展，进行项目管理。野外地质人员工作遭到人身安全威胁时，更无法及时与项目驻地、项目单位取得联系，获得救援。可见进一步加强野外地质工作管理，提高野外地质工作保障服务水平，是我们今后地质管理服务工作中的一个重大研究课题。2010年始，国土资源部启动了国土资源部公益性行业科研专项，基于3S技术的野外地质工作管理与服务关键技术研究与应用项目，利用国产北斗卫星系统定位通讯功能，构建现代化野外地质工作管理与服务体系，实现野外工作“态势管理”。

1 北斗卫星定位通讯系统简介

1.1 北斗卫星定位通讯系统原理及流程

北斗卫星定位通讯技术是我国自主研制的利用卫星信号进行定位通讯的系统，它不但有授时定位功能，还可以利用卫星传递短信息。通讯定位系统流程如图1所示。

图1 北斗卫星定位通讯流程

北斗卫星定位通讯系统由两颗地球静止卫星（800°E和1400°E）、一颗在轨备份卫星（110.5°E）、中心控制系统、标校系统和各类用户机等组成。系统的工作过程是：①首先由地面控制中心定时向北斗卫星Ⅰ和卫星Ⅱ发送调制有测距信号、电文帧、时间码等询问信号；②询问信号经卫星转发器变频放大转发给用户终端；③用户终端接收询问信号后，立即响应并向两颗卫星发出应答信号；④卫星将收到的用户终端的应答信号经变频放大下发给地面控制中心；⑤地面控制中心收到应答信号，对定位申请，控制中心系统测出两个时间延迟。根据地面控制中心和两颗卫星的位置，以及地面控制中心系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户，定位完成。对于通讯申请，经处理，再将其发送到地面网管中心；⑥地面网管中心接收到通信申请信号后，解密和再加密后发送至地面控制中心；⑦地面控制中心将其加入持续广播的出站电文中，经卫星广播给用户；⑧用户机接收出站信号，解调解密出站电文，完成一次通信［1］。

1.2 优势与特点

北斗卫星定位通信技术有以下优势：①数据实时传输，时延小；②覆盖范围大，通信盲区少；③独立的组网，不需要任何其他系统支持；④特别适合分布于大面积范围内的集团用户监控管理、数据采集与传输应用；⑤数据传输安全、可靠、稳定，保密性强，适合关键部门应用［1］。

与其他无线通信网络相比，北斗通信接收机除普通型用户机外，还有一种指挥型接收机，其有以下特点：①北斗指挥型接收机具有监控功能，即北斗指挥型接收机可以监收其下属通信型接收机的通信数据，而无须发送任何指令；②北斗指挥型接收机具有通播功能，即北斗指挥型接收机可以同时发送相同的消息给其所有的下属通信型接收机，而无须一一发送［1］。

由于北斗卫星系统处于不断发展中，目前卫星数量少，只具备25m左右的定位服务精度，但结合GPS，双模制式，可满足野外地质使用。随着北斗二代卫星的发展，到2012年底，已发射16颗卫星，服务精度将会达到10m左右，完全可以满足野外地质使用。

2 北斗卫星技术野外地质工作管理与服务模式

2.1 基于北斗卫星技术野外地质工作管理与服务框架

基于3S技术野外地质工作管理与服务体系是基于卫星技术、网络技术和网格技术，通过对遥感数据处理，地质信息识别，海量基础数据分发，空间信息承载与展示，北斗系统与GPS兼容应用等重大关键共性技术的突破，将野外地质调查工作现代化、精细化、人性化要求与国产卫星的自主性有机结合，建立现代化野外地质工作管理与服务系统［2］。可为在野外调查人员的安全保障和野外工作的质量监控、检查、管理和服务各个环节中，提供野外地质调查、应急保障等多种信息数据的采集、传输、分享、处理、反馈和决策现代化的管理工具，实现现代化的野外地质工作管理与服务。初步形成现代化野外地质工作管理与服务技术指南、数字化野外地质工作管理与服务平台，为建立现代化野外工作管理和服务模式奠定基础；通过在西宁、乌鲁木齐等野外工作站以及成都中心，沈阳中心以及西安中心等地的示范与应用，形成野外地质调查生产管理、突发事件、应急处置，远程服务网格结点体系和架构，为全国野外地质调查人员和管理人员提供现代地质调查工作管理与服务的新模式，全面提升公益性工作综合管理能力和水平。

2.2 基于北斗卫星技术野外地质工作管理与服务模式

2.2.1 管理模式

结合北斗卫星通讯定位技术、互联网技术、网络网格技术，搭建野外地质工作管理服务体系，在体系中，可实现分层次灵活性的动态化管理与服务。

如图2所示：①中国地调局（北京）部署北斗中央指挥机，可随时管理服务所有中心指挥机，普通指挥机以及相应的终端卡号；②在各个大区中心部署中心指挥机，可管理服务下属普通指挥机和相应终端卡号；③在各个野外工作站可根据经费部署中心指挥机或普通指挥机，管理服务所烧制的终端卡号，因为项目单位归口管理不同，但到野外工作区，根据工作区划烧制管理终端卡号，以便第一时间得到就近管理与服务；④项目单位可部署一台普通指挥机，以便能够随时管理服务所持终端卡号的项目组；⑤项目组出野外只需持北斗终端，不仅随时获得野外工作定位信息，而且可以利用北斗卫星通讯功能，与项目单位野外项目分队等取得沟通。通过“野外人员－野外驻地－野外工作站－大区中心站－北京中心站”五级互联互通，实现分层次灵活性的动态化管理与服务。

图2 基于北斗卫星野外地质工作管理与服务模式示意图

2.2.2 服务模式

在基于北斗卫星定位通讯功能的野外地质工作管理服务平台上，只需简单组网部署，如图3所示。

图3 野外地质工作北斗卫星通讯组网示意图

部署中心式指挥机于中心机房，上接北斗天线，用于接收北斗卫星通讯定位信息，下接服务器存储信息，负责大区内北斗用户终端信息的监控与管理；野外工作站或野外项目驻地节点，部署北斗普通型指挥机，通过笔记本电脑或台式机的串口与之连接，配套使用；野外单兵手持北斗蓝牙通讯与定位终端，该终端具备北斗短报文通信与定位功能，无显示屏，需通过无线蓝牙技术与PDA掌上机或平板电脑配套使用。

各级结点之间采用北斗一代卫星导航定位系统的通讯技术，实现互联互通。为野外地质调查工作的管理与服务提供高效、便捷的信息通道。同时，在管理服务体系平台上，通过电脑网址访问方式，随时随地能在平台上能清楚定位显示每位配备北斗终端人员所处位置，以及查询一定时间段内相关运动轨迹，实现对野外地质人员管理及应急服务。

野外地质人员通过方便随身携带的北斗卫星终端，经过北斗通讯传输，可实现小组之间，终端用户之间，终端与指挥机之间互发短信即时交流。管理部门能及时获知项目进展状况，项目成员之间可随时进行技术探讨，遇到紧急情况，可保证与外界的沟通。

北斗终端所发送的每条短信，每次定位信息，航迹等都自动记录到其绑定的北斗指挥机上，可使野外驻地、野外工作站、地勘单位，以及地调局，通过指挥机，能够随时了解野外地质工作进展，并实现动态化管理与服务。

3 基于北斗卫星技术的野外地质工作管理与服务模式在野外示范项目组的应用

由西安地质调查中心承担的青海省玉树州地质灾害详细调查项目，该项目工作区地处青藏高原东南部，地跨昆仑山以南、唐古拉山以北的广大地区，国民经济相对落后，是青海省主要的牧业区，平均海拔在4200m以上，为高海拔高寒地区，气候条件恶略，属高原大陆性季风气候，日照时间长，太阳幅射强，热量水平较高，昼夜温差较大，四季不明显，冬季漫长；冻融、风化剥蚀及人类工程活动形成的崩塌、滑坡与泥石流等地质灾害尤为突出。野外工作区内交通通讯相对不发达，生活聚集区移动联通手机信号弱，电信稍强，离开生活聚集区，几乎成为通讯盲区。野外工作区地广人稀，野生动物多而珍稀，生活居民民族复杂，语言沟通不便等等都为野外工作的开展造成了诸多不便，并且危险性风险性极大。

为了更好地开展工作，顺利完成2012年的玉树州野外灾害地质详察，西安地调中心专为玉树项目组配备了最新的北斗卫星终端2台，野外项目驻地普通指挥机一台，对项目组成员进行了为期3天的野外实践操作训练，制定了详细可行的操作规范。要求：①野外项目组驻地每日用普通指挥机向中心指挥机及两个终端发出当日工作计划；②手持北斗终端的两支野外调查小分队每日到工区开展工作前向驻地普通指挥机发送位置，并报平安，每日收工时同样发送位置并报平安；③野外调查中两个终端设置位置连续报，详细记录其每日行动轨迹，做到每日轨迹在野外管理与服务平台可查；④野外分队调查时遇到专业疑难问题第一时间与另支分队、野外驻地、以及项目单位专家领导进行沟通；⑤野外工作安全第一，遇到紧急情况，及时按下危险报，立即通知另支分队，野外驻地以及项目单位，获得相应指导救援；⑥项目单位有最新工作动态通知第一时间通过北斗中心指挥机发送至北斗终端，让野外人员及时获悉。

经过几个月的野外示范应用，发现由于北斗一代卫星系统卫星数量少，定位速度和精度与GPS相比还存在较大差距，现阶段北斗通讯功能与GPS定位功能相结合更适合野外地质工作的管理与服务。但基于北斗卫星野外地质工作管理与服务平台获得野外项目组，项目单位极高的评价。

建立了野外地质调查管理服务与安全保障系统平台。在这个管理服务平台上，项目单位，野外驻地能随时获知野外工作进展，查看野外工作轨迹，很好地架起了一条项目单位－项目驻地－野外项目组之间的一条沟通桥梁；在通讯信号盲区，遇到紧急情况，野外工作人员能够用北斗卫星通讯与其他手持北斗终端的野外人员，野外驻地，野外工作站，项目单位等取得联系，为野外地质工作架起一道安全生命保障线；基于国产北斗卫星定位通讯功能基础上构建的现代化野外地质工作管理与服务模式，可实现野外工作＂态势管理＂。

4 总结

基于北斗卫星技术结合最前沿的计算机技术构建现代化野外地质工作管理与服务模式目前正处于试点探索阶段，随着北斗二代卫星导航系统的启用，定位精度将得到大幅提升，野外地质工作管理与服务平台功能便捷性的进一步优化，以及在野外地质调查项目中普及应用，国产北斗导航系统的应用必将融入到地质调查领域的各项工作中，现代野外地质工作管理与服务模式的“态势管理”将会取代传统的野外地质工作模式，为野外地质工作提供更高效的管理和服务保障，将是野外地质工作模式的一次根本性变革。

［1］朱永辉，白征东，过静珺，等.基于北斗一号的地质灾害自动监测系统［J］.测绘通报，2010（2）：5－7.

［2］何凯涛，李志忠，汪大明.基于遥感卫星和北斗卫星的野外地质调查服务与管理系统设计综述［J］.地质力学学报，2012（3）：203－212.