智能衛(wèi)星圖像監(jiān)測系統(tǒng)在防汛預(yù)警上的應(yīng)用研究

李 鋼，孫 鵬

（水利部水利信息中心，北京 100053）

1 概述

防汛預(yù)警系統(tǒng)是防汛抗旱指揮體系中的核心內(nèi)容，及時準(zhǔn)確的汛情測報(bào)對防汛抗旱指揮調(diào)度爭取到寶貴的時間、保證人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全、確保流域范圍內(nèi)工礦企業(yè)正常生產(chǎn)有著重大意義。長久以來，由于地理及經(jīng)濟(jì)條件的限制，我國在非接觸式防汛預(yù)警測報(bào)手段上一直存在著技術(shù)空白，很多地區(qū)僅僅依靠傳統(tǒng)的水位、雨量監(jiān)測進(jìn)行汛情的測報(bào)，缺乏對暴雨、山洪、山體滑坡、泥石流等突發(fā)性自然災(zāi)害的監(jiān)測手段。

傳統(tǒng)的水情監(jiān)測手段是建立在河道水位、流量監(jiān)測和河流上游降雨量數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，其中河流上游的水情預(yù)報(bào)基本依靠氣象衛(wèi)星的云圖預(yù)報(bào)和降雨量數(shù)據(jù)采集，由于雨量站點(diǎn)的分布密度限制、雨量設(shè)備采集精度的制約以及降雨的隨機(jī)性，目前河流上游山區(qū)的汛情測報(bào)尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū)的非重點(diǎn)降雨區(qū)，只能進(jìn)行汛情的定性預(yù)報(bào)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足防汛指揮決策的要求。如，新疆金溝河流域在2010年春季遭遇了100年一遇的洪水襲擊，由于新疆地區(qū)屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，年均天然降水量小于155 mm，流域上游山區(qū)的雨量監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量有限，上游山區(qū)突發(fā)強(qiáng)降雨并形成山洪，洪水繞過現(xiàn)有常備水利渠道直接從山谷匯集并沖擊到金溝河上游渠首，此次洪水襲擊具有突發(fā)性和不可預(yù)知性，給金溝河流域的防汛指揮調(diào)度工作制造了巨大困難，造成了較大的物資損失，對流域內(nèi)的工礦企業(yè)生產(chǎn)及人民群眾的生命安全造成了巨大威脅。

防汛抗旱指揮調(diào)度決策中最重要的依據(jù)就是基于水情測報(bào)系統(tǒng)推算出的洪水發(fā)生的時間及洪峰流量，結(jié)合各流域的防洪規(guī)劃和防洪應(yīng)急預(yù)案作出相應(yīng)的措施。為了提高流域的防汛綜合指揮調(diào)度能力，在上游山洪匯集地區(qū)建立智能型水情圖像監(jiān)測站點(diǎn)，在洪水來襲的第一時間得到可靠的水情數(shù)據(jù)，確保及時安排流域內(nèi)群眾的安全轉(zhuǎn)移及工礦企業(yè)的安全保護(hù)，充分發(fā)揮現(xiàn)有水利設(shè)施的防洪功效。衛(wèi)星圖像監(jiān)測及報(bào)警系統(tǒng)可以將遠(yuǎn)程的水情圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到防汛指揮中心，并對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判別，以最短的時間預(yù)測出洪水災(zāi)害的發(fā)生時間及規(guī)模。

2 傳統(tǒng)水情測報(bào)體系的不足及衛(wèi)星圖像監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用范圍

2.1 傳統(tǒng)水情測報(bào)體系的不足

長久以來，我國水情測報(bào)一直存在測報(bào)手段單一、通信覆蓋范圍有限、測點(diǎn)分布不均勻等問題，嚴(yán)重限制了我國防汛指揮體系的建立和完善。

（1）水情測報(bào)手段單一：我國水情測報(bào)方式目前主要為接觸式水情測報(bào)方式，其中以水位監(jiān)測、流量監(jiān)測為主，主要測量現(xiàn)有河道、渠道內(nèi)的水情數(shù)據(jù)。但是，對于強(qiáng)降雨形成的突發(fā)山洪和沒有水位-流量關(guān)系曲線的河道缺乏測報(bào)能力，尤其在應(yīng)對突發(fā)山洪和泥石流等自然災(zāi)害上無能為力。

（2）偏遠(yuǎn)地區(qū)通信困難：偏遠(yuǎn)山區(qū)一向是大型河流的發(fā)源地，對流域的防汛工作有著重要意義。由于地理和經(jīng)濟(jì)環(huán)境的制約，偏遠(yuǎn)地區(qū)的公網(wǎng)通信覆蓋有限，帶寬窄信號差，難以滿足水利防汛通信傳輸?shù)囊?，造成了偏遠(yuǎn)地區(qū)水情監(jiān)測站的通信困難。水情測報(bào)發(fā)報(bào)難、發(fā)報(bào)慢、延遲嚴(yán)重是多年來的嚴(yán)重問題。

（3）測報(bào)站點(diǎn)分布不均勻：由于測報(bào)方式的限制，我國水位、流量測報(bào)站主要分布在水庫、渠道、水利樞紐等水利工程附近，河流上游的水情測報(bào)主要依賴氣象預(yù)報(bào)和雨量測量，隨著國家對防汛抗旱工作的日益重視，防汛指揮調(diào)度需要更多的反應(yīng)時間，而提高預(yù)測速度最好的措施就是從河流上游降雨開始就進(jìn)行全程有效的監(jiān)測，對整個流域的洪水災(zāi)害進(jìn)行全程監(jiān)控，為防汛指揮調(diào)度決策提供精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 衛(wèi)星圖像監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用范圍

衛(wèi)星圖像監(jiān)測系統(tǒng)適用于在不易采用接觸式水情測量方法的偏遠(yuǎn)地區(qū)。采用衛(wèi)星圖像監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測水情汛情的技術(shù)方式為：當(dāng)洪水發(fā)生時，遠(yuǎn)端圖像采集站將實(shí)時圖像傳輸?shù)剿檎{(diào)度中心，系統(tǒng)通過內(nèi)部數(shù)據(jù)庫對采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，進(jìn)而推算出洪峰的到達(dá)時間和規(guī)模；在沒有汛情發(fā)生時，遠(yuǎn)端測站定時采集回傳圖像，節(jié)約帶寬和功耗。

衛(wèi)星通信方式具有通信費(fèi)用不受地理距離增加而增加的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，特別適合組建覆蓋偏遠(yuǎn)地區(qū)的水利通信網(wǎng)。圖像監(jiān)測具有顯示直觀、實(shí)時監(jiān)測等特點(diǎn)，是監(jiān)測領(lǐng)域里的重要手段，通過模糊識別等數(shù)據(jù)處理技術(shù)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動圖像采集、圖像傳輸、數(shù)據(jù)分析、圖像顯示、水情預(yù)警等功能，為防汛調(diào)度指揮工作提供有力保障。

3 衛(wèi)星圖像監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)

3.1 系統(tǒng)功能

一整套覆蓋流域上游重點(diǎn)防洪區(qū)域的防洪預(yù)警及圖像監(jiān)測系統(tǒng)必須具備以下的功能。

（1）智能化洪水預(yù)報(bào)功能：防汛調(diào)度指揮中心可以接收遠(yuǎn)程圖像監(jiān)測點(diǎn)發(fā)送的水情圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)演算處理及模糊識別，預(yù)測出洪水災(zāi)害的發(fā)生時間及規(guī)模。

（2）水情圖像采集及分析：系統(tǒng)定時監(jiān)測重點(diǎn)區(qū)域的水情圖像，并將圖像傳回管理處調(diào)度中心。系統(tǒng)軟件對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像還原、數(shù)據(jù)歸一化處理、數(shù)據(jù)對比、報(bào)警預(yù)測等處理，如果發(fā)現(xiàn)緊急水情時系統(tǒng)切換到實(shí)時圖像監(jiān)測模式并發(fā)出報(bào)警。

（3）實(shí)時視頻監(jiān)控：發(fā)生洪水等緊急事件時可以切換到實(shí)時圖像采集模式，確保水情圖像數(shù)據(jù)的精確采集。

（4）數(shù)據(jù)、話音通信支持：確保在洪水等緊急事件爆發(fā)時提供可靠的通信鏈路，為防汛指揮調(diào)度指令的順利傳達(dá)提供保障。

（5）低功耗，可由太陽能支持全系統(tǒng)的供電：為保證系統(tǒng)在野外地區(qū)可靠的運(yùn)行并且防止水毀事件導(dǎo)致的電力中斷，全系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)、支持太陽能供電，以提高系統(tǒng)的綜合保障能力。

（6）高可靠性設(shè)計(jì)并具備防盜報(bào)警功能：野外地區(qū)地理環(huán)境惡劣，日夜溫差最高可達(dá)50℃，尤其西北地區(qū)風(fēng)沙危害較大，因此系統(tǒng)采用高可靠性設(shè)計(jì)。為了防止設(shè)備被盜，遠(yuǎn)端監(jiān)測站安裝有傳感器，遇到賊盜等惡性事件衛(wèi)星小站可以主動發(fā)出報(bào)警信號通知調(diào)度中心。

（7）統(tǒng)一的管理操作平臺，自動化的監(jiān)測報(bào)警功能：系統(tǒng)運(yùn)行完全自動化，野外圖像監(jiān)測站完全自動運(yùn)行，無需人工現(xiàn)場操作。

系統(tǒng)流程，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程

3.2 系統(tǒng)組網(wǎng)

視頻監(jiān)控圖像采集系統(tǒng)由防汛指揮調(diào)度中心、野外圖像監(jiān)測站組成，其中圖像監(jiān)測站的數(shù)量可以根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模進(jìn)行擴(kuò)充。上游圖像監(jiān)測站由Ku波段衛(wèi)星天線、BUC、LNB、IDU、圖像采集設(shè)備、編碼器、太陽能供電系統(tǒng)、話音通信設(shè)備組成。調(diào)度中心衛(wèi)星站由Ku波段衛(wèi)星天線、BUC、LNB、IDU、編解碼器、話音通信設(shè)備組成。

考慮到系統(tǒng)未來的業(yè)務(wù)擴(kuò)展需求，系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)充分滿足了系統(tǒng)擴(kuò)容、采集方式多樣化的需求，監(jiān)測系統(tǒng)具備可以與水利應(yīng)急衛(wèi)星通信車、水利單兵通信小站的互通能力。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及技術(shù)攻關(guān)

衛(wèi)星圖像監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括以下幾個方面：對圖像進(jìn)行模糊識別，從而判斷出區(qū)域內(nèi)是否有汛情發(fā)生；采用低功耗設(shè)計(jì)，從而滿足太陽能供電的要求；節(jié)約空間帶寬，在非汛情出現(xiàn)的情況下采用間隔自報(bào)式傳輸；自動模式切換，在汛情出現(xiàn)的情況下遠(yuǎn)端站切換為雙向高速數(shù)據(jù)傳輸，從而滿足實(shí)時圖像監(jiān)測、語音通信等要求；系統(tǒng)預(yù)置應(yīng)急預(yù)案，在汛情發(fā)生時自動啟動應(yīng)急預(yù)案并自動報(bào)警。

3.4 系統(tǒng)空間鏈路計(jì)算

衛(wèi)星圖像監(jiān)測系統(tǒng)中最重要的是空間帶寬的規(guī)劃和鏈路計(jì)算。衛(wèi)星帶寬資源是寶貴的，而洪水的持續(xù)時間是非常有限的，為了合理利用帶寬資源、節(jié)約系統(tǒng)投資，衛(wèi)星圖像采集系統(tǒng)劃分為2種工作模式：圖像監(jiān)測模式和實(shí)時監(jiān)測模式。其中，圖像監(jiān)測模式為日常的工作模式，遠(yuǎn)端圖像監(jiān)測站每15 min采集1次圖像，并將圖像傳回防汛指揮調(diào)度中心，調(diào)度中心將接收到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理識別，如果發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降雨、山洪等自然災(zāi)害發(fā)生，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警并自動切換為實(shí)時監(jiān)測模式。系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程自動模式切換，減少系統(tǒng)反應(yīng)時間，降低人工勞動強(qiáng)度。

衛(wèi)星圖像監(jiān)測系統(tǒng)采用DVB-S2體制工作，系統(tǒng)兩種工作模式均采用DVB-RCS入境載波方式工作，其中圖像監(jiān)測模式的帶寬需求量低、系統(tǒng)功耗較低，可以長時間野外部署使用。實(shí)時監(jiān)測模式功能強(qiáng)大，支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、圖像的雙向傳輸，但占用帶寬較大、功耗較大，主要在防汛期間使用。

（1）圖像監(jiān)測模式：圖像數(shù)據(jù)采集為每15 min采集1次，每次的平均流量為165 Mbit；數(shù)據(jù)延時不超過20 min；效率系數(shù)取1.51；所需帶寬為0.207 M。

（2）實(shí)時監(jiān)測模式：非對稱傳輸，即甲方傳輸圖像、語音、數(shù)據(jù)時乙方只能傳輸語音和數(shù)據(jù)；圖像采用H.264編解碼；語音為1路話音，采用G.729編碼；優(yōu)先級別最高，占用所有的時隙；IP包效率系數(shù)1.5；數(shù)據(jù)傳輸速率為128K；語音帶寬為32 K （雙向）；圖像帶寬為1.3 M；數(shù)據(jù)帶寬為128 K（雙向）；共計(jì)帶寬為1.46M。

4 結(jié)語

衛(wèi)星圖像監(jiān)測系統(tǒng)是完善我國水情測報(bào)體系的新型測報(bào)方式，尤其適合難以興建接觸式水情監(jiān)測站的偏遠(yuǎn)地區(qū)，對于山洪、泥石流、天然河道的監(jiān)測能力較強(qiáng)，反應(yīng)時間短，可以為防汛指揮決策爭取寶貴的時間。隨著水利衛(wèi)星通信網(wǎng)的快速發(fā)展，支持DVB-S2技術(shù)的新型衛(wèi)星系統(tǒng)不斷投入使用，其中優(yōu)質(zhì)的轉(zhuǎn)發(fā)器資源、支持ACM自動抗雨衰技術(shù)、優(yōu)質(zhì)QoS鏈路規(guī)劃等新技術(shù)的采用，尤其適合水利系統(tǒng)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。