基于北斗卫星的地质灾害应急救援保障体系及其在丹巴地区的应用

郝 明，牛瑞卿，张建龙，彭 东，邓昌荣，梁 虹，张清志

（1.中国地质大学（武汉）国家地理信息系统工程技术研究中心，武汉 430074；2.成都地质矿产研究所，成都 610081）

基于北斗卫星的地质灾害应急救援保障体系及其在丹巴地区的应用

郝 明1，2，牛瑞卿1，张建龙2，彭 东2，邓昌荣2，梁 虹2，张清志2

（1.中国地质大学（武汉）国家地理信息系统工程技术研究中心，武汉 430074；2.成都地质矿产研究所，成都 610081）

结合3S技术，建立了基于北斗卫星的地质灾害应急救援保障体系，该体系主要由北斗卫星、应急指挥中心、驻地指挥中心、移动指挥中心、中心式指挥机、移动式指挥机、北斗用户终端、手持掌上机、应急救援调度平台、救援车辆和救援直升机等构成。在灾害发生后，对已成为“信息孤岛”的灾区，利用北斗通讯，可以第一时间获取灾情信息；利用应急指挥调度平台，可以合理分配救援力量，科学规划救援路线，为施救工作的开展提供技术支撑，提高抢险救灾时效。通过在丹巴地区的应用，验证了该保障体系的可行性。

北斗卫星；地质灾害；应急救援；保障体系

中国是世界上自然灾害最为严重的国家之一，其主要特点是灾害种类多、分布范围广、发生频率高、造成的损失重。地震、洪水、泥石流等大型自然灾害近年时有发生，每年因地质灾害造成的人员伤亡和经济损失十分巨大［1］。

作为一个具有广阔疆土和海域的国家，中国高度重视自己独立卫星导航系统的建设，并努力探索和开发具有自主知识产权的卫星导航系统［2］。

2012-10-25 T23：33，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”火箭，成功将第16颗北斗导航卫星送入预定轨道，标志着我国北斗导航工程区域组网顺利完成［3］。

北斗卫星导航系统按照“三步走”发展战略稳步推进——第一步，2003年前后，建成由3颗卫星组成的北斗卫星导航试验系统；第二步，2012年，建成由10多颗卫星组成的北斗区域卫星导航系统；第三步，2020年，将建成由30多颗卫星组成的北斗全球卫星导航系统［4］。

与传统的卫星导航定位系统相比，北斗卫星导航定位系统除了具有导航、定位、授时功能外，还具有短报文功能，这是北斗系统独有的技术优势，基于北斗卫星的地质灾害应急救援保障体系（下文简称保障体系）在地震等重大灾害造成当地传统通信设施破坏的情况下，依然可以保障通信的畅通，为应急救援工作提供了信息通道，大大提高了救援效率。

1　国内外现状与研究必要性

欧美及日本等发达国家在地质灾害应急救援方面，形成了符合本国国情的灾害应急救援保障体系。美国联邦应急管理署集成的应急救灾体系是一套综合的防灾、救灾、指挥、调度系统，包括了应急指挥系统、民间社区灾难联防体系、行政资源系统、灾民安置系统和信息指挥系统，在灾害应急行动和减灾上发挥着巨大的作用［5］。

日本建立了严密的监测网络和预警体系，加强了防震救灾技术装备的研发，重视全民防震知识的教育普及和避险自救互救技能的训练。日本应急救灾体系主要包括［6］：（1）防灾计划体系，包括4级，分为国家政府、各行政区政府、地方政府以及居民，不同级别的相关部门及单位负责制定相应的防灾计划；（2）灾害前防灾投资，主要针对大地震对城市造成的破坏程度进行了细致深入的研究，建立了全国性的灾害情报网络，构建灾害信息传输、评估、整合及社会化机制；（3）灾害发生时应急措施，首先以震源地附近的机关团体为主体，开展应急救援活动，而所在的地方行政机关进行统一指挥。当地震灾害超过了地方行政机关的应对处理能力时，内阁府将迅速成立相应的灾害应急总指挥部，各个政府机关部门和地方政府立即开展受灾情况调查，抗震救助救援活动，医疗援助活动，救援物资启用、调配、运输等应急活动。根据震情需要，受灾地成立现地救灾指挥部，迅速建立和灾害应急总指挥部的联络机制，及时向总指挥部反馈受灾状况、受灾者的需求以及救援支援邀请的信息，形成国家援助和地方政府间的援助相互协作的救援体制。在必要的情况下，内阁府可以调派警察厅灾害派遣队、消防厅紧急消防援助队、海上保安厅等政府专业救援单位参与到救灾活动中。

我国地质灾害应急工作虽起步晚，但发展迅速。先后经历2003年以前的清官机制阶段、2003—2010年间的体系催生阶段和2011年以来的体系化建设阶段［7］。2003年国务院第172号令发布实施了《地质灾害防治条例》，使地质灾害应急工作有了制度保障。

尽管地质灾害应急工作得到政府的高度重视，并已经取得了较显著的成绩，但还远远不能满足当前地质灾害应急减灾的需求。目前，我国地质灾害应急管理能力还比较薄弱，还存在一系列问题。应急救援的难点主要有以下方面：

（1）灾害发生的突发性和严重性。地震等大型自然灾害发生后，会造成交通（公路、铁路、桥梁）、电力、通信广播、水利等社会基础设施的严重损毁，致使受灾地区对外通信、交通、电力中断，成为了对外界绝缘的“信息孤岛”。

（2）救灾时间紧迫。一般认为，灾难发生之后存在一个“黄金72小时”，在此时间段内，灾民的存活率极高。在第1天（即24小时内），被救出的人员，存活率在90%左右；第2天，存活率在50%～60%；第3天，存活率在20%～30%。早一分钟救援，就给了遇险人员多一分存活的机会。因此在最短的时间内如何争取营救出更多的伤员，是应急指挥中心和施救人员需要思考解决的问题。

（3）应急指挥调度难度大。灾害发生后，有效的指挥调度是重中之重，但是难度很大，灾害现场通讯中断，灾情信息传递不出，无法判断哪里是重灾区。施救人员既有专业救援队伍也有民间自发组织的群众队伍和志愿者等，如何合理有效地分配救援力量、规划救援车辆路线和救援物资的运送等都是应急指挥中心需要考虑的问题。

2　保障体系建设

2.1地质灾害应急及其基本结构

地质灾害应急的客体是地质灾害紧急情况，相对于一般情况，其时效性、危害性和聚焦性突出。由于应急管理的目标是在突发事件发生时拯救生命、阻止伤害以及保护财产和环境，地质灾害应急往往被视为贯穿了地质灾害防治的全过程，即地质灾害防治应急（或称为紧急地开展地质灾害防治）［7］。

地质灾害应急保障体系可理解为：支撑地质灾害应急管理所涉及的要素及其关系的总和。其基本结构包括：应急预案、关键技术和应急装备等（图1）。基于北斗卫星的地质灾害应急救援保障体系建设包括关键技术和体系构成两部分内容。

图1　地质灾害应急保障体系基本结构Fig.1 Basic structure of geological disaster emergency security system

2.2关键技术

北斗卫星定位导航系统在应急救援中用到的关键技术主要包括北斗卫星技术、3S技术、网络技术等。

2.2.1北斗卫星技术 北斗卫星导航系统（BeiD-ou Navigation Satellite System，BDS）是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，该系统可与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO系统兼容共用［8］。

北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段3部分组成：空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星；地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站；用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端［9］。

北斗卫星导航系统与国外其他几种卫星导航系统相比较（表1），具有的特点和优势如下：

（1）具有短报文通信功能，不受外界条件影响，稳定可靠。北斗系统具有发送文字信息的功能，这是国外导航系统所不具备的。由于北斗系统采用卫星通讯方式，不受地面交通、区域、地形、气候条件等因素的影响，可以保障确认遇险人员位置的实时性和有效性。

（2）采用询问-应答方式和ID管理。北斗系统定位不是接收-解算的方式进行用户定位，而是采用询问-应答的方式，在被救人员自身定位的同时指挥中心直接得到相同信息。此外，每部用户机的ID号是固定的，因此可以直接确认被救人员的身份信息，以便施救。

北斗卫星与其他具有全球定位功能的卫星在地质灾害应急救援中相比较，最为重要的是北斗卫星不仅仅能够定位，还可以发送文字消息。

表1　全球主要卫星导航定位系统比较Table 1 Comparison of main navigation and positioning satellite systems all over the world

2.2.23S技术 地理信息系统（GIS）是定义为具有采集、存储、处理、查询、分析和显示地理数据的计算机系统［10］。

遥感技术（RS）为人类观测地球表层系统的岩石圈、大气圈、水圈、生物圈各圈层之间的动态变化、相互作用、相互关系提供了全面系统、快速准确的信息获取手段［11］。

在大型地震发生后，由于交通受阻、条件恶劣，采用常规方法进行地震次生山地灾害调查十分困难，遥感技术能快速高效地获取地表信息，能够及时获取次生山地灾害的基本信息，在灾害调查中具有不可替代的作用［12］。

20世纪90年代，GPS、RS和GIS的集成被简称为3S集成［13］，三者集成应用，构成了整体的、实时的和动态的对地观测、分析和应用的运行系统。RS和GPS向GIS提供或更新区域信息以及空间定位，GIS进行相应的空间分析，并从RS和 GPS提供的浩如烟海的数据中提取有用信息，进行综合集成，使之成为决策的科学依据。

2.3应急救援保障体系构成

应急救援保障体系主要由北斗卫星、应急指挥中心、驻地指挥中心、移动指挥中心、中心式指挥机、移动式指挥机、北斗用户终端、手持掌上机、应急救援调度平台、救援车辆和救援直升机等几部分构成（图2）。各组成部分的主要功能如下：

北斗卫星的主要用途是通信、导航和定位，需要时也可以进行授时。

应急指挥中心负责全面的指挥调度，根据了解到的灾情信息作出分析，对救援人员、救援车辆、救援直升机、救援物资运送、灾民安置等进行统一部署和协调并下达指令。

中心式指挥机部署在应急指挥中心，移动式指挥机部署在现场指挥中心、移动指挥中心、救援车辆、救援直升机等地方。应急指挥调度平台软件分别部署于中心式指挥机和移动式指挥机中，主要功能是获取并显示救援人员、被救人员的位置信息，追踪救援车辆的路径信息，可以与救援人员、被救人员、救援车辆之间进行信息的收发。

图2　应急救援保障体系Fig.2 Emergency rescue guarantee system

北斗用户终端和手持掌上机（PDA）的应用对象是救援人员和被救人员，在地震活动带及易发区域，应每家每户配备北斗用户终端和手持掌上机。手持掌上机的功能可以移植到手机上，两者合二为一，因为手机的体积小，可随时随身携带，从而保障灾害发生后，即使在普通地面通信中断的条件下，只要被救人员身体状况允许，仍旧可以利用北斗卫星进行定位和短信息的收发，为救援人员迅速准确的到达救援地点，提供非常有价值的信息。

应急救援调度平台软件实现对移动节点的移动轨迹和通讯信息实时监控，并能与移动目标进行互动通讯，为突发事件应急处置的管理与决策提供数据支持。

中心式指挥机、移动式指挥机、北斗终端三者之间可以互联互通（图3），构建了“应急指挥中心-现场（移动）指挥中心-北斗用户”的三级架构，保障了应急救援工作有效合理的开展，科学的协调与调度。

图3　中心式指挥机、移动式指挥机、北斗终端三者之间互联互通Fig.3 Interconnection of central command machine，mobile command machine and terminal of Beidou

3　实例应用

3.1示范区概况

丹巴县位于青藏高原东缘，大雪山东麓、邛崃山西坡，地处我国第一阶梯向第二阶梯过渡地带，系典型高山峡谷地貌［14］，地层岩性十分复杂，地质构造变动强烈，人类工程活动频繁。地质灾害的频繁发生造成重大人员伤亡。目前丹巴县共分布有地质灾害点276处，其中特大型滑坡4处、特大型泥石流5处，严重威胁着当地人民群众的生命与财产安全［15］。2005年中国地质调查局在四川省首先选择了丹巴县作为地质灾害详细调查试点，基于该区域的地质特征，非常适合开展北斗系统在应急救援中的研究与应用工作。

3.2示范应用

丹巴属川西峡谷的一部份，是典型的高山峡谷地貌，地质灾害多。在示范应用期间，遇到了多处山体滑坡、路基塌陷、崩塌等，如图4所示。

在研究示范期间，一个小组突遇天降大雨，在路上遇到山体滑坡，无法通过。由于公路在两山谷之间，左侧是高山，右侧是大渡河，河水暴涨，情况十分危急，随时威胁到该组人员的人身安全。同时由于地处山区，为手机信号盲区，周围没有村寨，无法获得援助。该组人员利用北斗终端进行定位并发送求救短信，指挥中心在收到求救信息后，立刻通过应急指挥平台系统，查看遇险人员位置，同时通知其他小组随时做好营救准备。经过综合分析研究，作出最佳营救方案，该遇险小组人员顺利脱险。

项目组在丹巴县开展了示范应用研究，针对灾害区域的边界范围开展定位，分别在山脚（图5a）、公路边开阔地带（图5b）、河谷边（图5c）、丛林中（图5d）进行北斗卫星的通讯功能测试和定位测试。

图4　示范区滑坡、塌陷、崩塌地质灾害Fig.4 Geological disasters in the demonstration area

图5　北斗卫星应用示范Fig.5 Terminal of Beidou satellite application

根据研究人员的定位信息，在基于遥感影像的应急指挥系统的信息显示平台上可以查询出研究人员的工作路线轨迹图，也可以与图上显示的北斗终端进行文字通讯交流，图6是平台系统的截图。

在示范区还开展了部分区域的地质灾害统计，格式及内容见表2。

4　讨 论

地震等重大自然灾害发生后，首要任务就是抢救生命，科学施救，最大限度减少伤亡。在对被救人员的营救中，核心因素有两个，即被救人员的位置、生命状态信息和对施救人员的有效指挥调度。基于北斗卫星构建的应急救援保障体系可以同时实现这两方面的需求。

（1）灾害信息的获取与传输。一方面从施救人员的角度而言，施救人员利用北斗的定位功能可以确定自身所处的位置，同时应急指挥中心可获取到该施救人员的位置信息。施救人员对周围的现场灾情作出初步评估，通过短报文功能将获取的现场信息反馈给应急指挥中心。另一方面从被救人员的角度而言，如果被救人员具备操作掌上机的能力，进行北斗定位时，应急指挥中心可获取到该人员的位置信息，从而确定被救人员的位置。被救人员还可以通过短报文功能向指挥中心报告自身的安全状态、环境条件等信息。

（2）应急指挥调度。应急指挥中心利用遥感技术获取地表信息，并结合现场施救人员传回的现场信息，可以在电子地图上看到施救人员和被救人员的位置信息，快速组织专家对灾情进行分析，制定科学有效的救援方案。在第一时间向救援车辆、救援直升机等发送移动路径规划信息和调度信息，向灾害现场救援人员发送被救人员的位置等信息，并传达灾民转移安置地、转移安置路径等救灾信息和任务指令，实现科学指挥调度，在“黄金72小时”内争取营救更多的伤员。

图6　基于遥感影像的应急指挥系统的信息显示平台Fig.6 Screenshot of emergency command platform system

表2　地质灾害统计Table 2 Statistics of geological disasters

5　结束语

通过在四川丹巴地区的示范应用，很好地验证了基于北斗卫星的地质灾害应急救援保障体系的可行性。该救援体系的构建为地震等重大灾害的应急救援提供了科学技术支撑，为灾害地区的人民群众生命财产安全提供了保障。

测试过程中发现了一些存在的不足以及可以更加完善之处，主要包括偶尔存在信息丢包情况；终端电池为充电电池，建议使用可更换的商用电池；终端的体积可以再小些，使用会更便捷。

随着科学技术不断的发展，相信北斗技术和3S技术在地质等灾害应急救援中发挥的作用将会越来越大。

［1］罗腾，白征东，朱永辉.基于北斗卫星系统的地质灾害监测系统软件设计与实现［J］.全球定位系统，2010（5）：38-42.

［2］Sun F P，Liu S，Zhu X H，et al.Research and progress of Beidou satellite navigation system ［J］.Science China Information Sciences，2012，55（12）：2899-2907.

［3］喻思娈，柴跃.第16颗导航卫星发射成功 北斗区域组网完成［EB/OL］.（2012-10-26）.http：//news.xinhuanet.com/tech/2012-10/26/c_123874461.htm.

［4］郝明，张建龙，邓昌荣，等.基于3S技术的野外地质工作管理与服务应用研究：以云南1∶5万泸西幅区域地质调查为例［J］.地质科技情报，2013，32（2）：163-168.

［5］李海文.美国联邦应急管理署集成救灾体系对我国灾害防救工作的启迪［J］.安全、健康和环境，2003，3（11）：31-34.

［6］闫恩辉，杨锐，张晋辉，等.日本应急救灾体系 ［J］.国际地震动态，2016（1）：14-23.

［7］陈红旗，徐永强，庄茂国，等.地质灾害应急支撑体系建设基本问题分析［J］.中国地质灾害与防治学报，2011，22（4）：108-111.

［8］佚名.北斗卫星导航系统今日正式提供区域服务［EB/ OL］.（2012-12-27）.http：//www.bjnews.com.cn/news/ 2012/12/27/241763.html.

［9］丁辰.北斗导航卫星定位系统在我国经济建设中的重要作用 ［J］.射频世界，2010（4）：9-12.

［10］Lateh H，Muniandy V.ICT implementation among Malaysian schools：GIS，obstacles and opportunities［J］.Procedia Social and Behavioral Sciences，2010（2）：2846-2850.

［11］薛重生.遥感技术在区域地质调查中的应用研究进展［J］.地质科技情报，1997，16（S）：15-22.

［12］苏凤环，崔鹏，韩用顺，等.基于遥感技术的都汶公路地震次生山地灾害分布规律分析［J］.地质科技情报，2009，28（2）：29-32.

［13］李德仁.地球空间信息学的机遇［J］.武汉大学学报：信息科学版，2004，29（9）：753-756.

［14］李明辉，郑万模，陈启国.丹巴县地质灾害发育特征及成因探讨［J］.自然灾害学报，2008，17（1）：49-53.

［15］张建龙，Singhroy V H，李晓春，等.差分干涉测量技术在四川甲居滑坡监测中应用研究［J］.成都理工大学学报：自然科学版，2010，37（5）：554-557.

Establishment of emergency rescue guarantee system for natural disasters based on Beidou satellites and application in Danba

HAO Ming1，2，NIU Rui-qing1，ZHANG Jian-long2，PENG Dong2，DENG Chang-rong2，LIANG Hong2，ZHANG Qing-zhi2
（1.National Engineering Research Center for Geographic Information System，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.Chengdu Institute of Geology and Mineral Resources，Chengdu 610081，China）

Combined with 3S technology，the emergency rescue support system is set up for geological disaster based on Beidou satellites.The system mainly consists of the Beidou satellites，emergency command center，resident command center，mobile command center，central command machine，mobile command machine，Beidou user terminal，handheld palm machine，scheduling platform for emergency rescue，rescue vehicles and rescue helicopters etc.The use of emergency commanding platform can be a reasonable allocation of rescue force in scientific rescue route planning，to provide technical support for rescue work and can improve rescue efficiency. The feasibility of this system is verified by the application in Danba area.

Beidou satellites；natural disaster；emergency rescue；guarantee system

P228.49；P694；V474.25

A

1674-9057（2016）03-0471-07

10.3969/j.issn.1674-9057.2016.03.009

2015-05-09

中国地质调查局项目（121201010000150007；1212011120423）；科技部、国土资源部公益性行业基金项目（201011010）

郝 明（1982—），男，博士研究生，工程师，研究方向：遥感与GIS研究应用、3S技术，haoming1006@sina.com。

引文格式：郝明，牛瑞卿，张建龙，等.基于北斗卫星的地质灾害应急救援保障体系及其在丹巴地区的应用［J］.桂林理工大学学报，2016，36（3）：471-477.