基于國產(chǎn)衛(wèi)星系統(tǒng)開發(fā)流域綜合測報(bào)系統(tǒng)的可行性研究

王彭煦

(中信建設(shè)有限責(zé)任公司，北京100027)

人造衛(wèi)星是發(fā)射數(shù)量最多、用途最廣、發(fā)展最快的航天器，從1957年前蘇聯(lián)發(fā)射世界首顆人造衛(wèi)星至今，人類發(fā)射和應(yīng)用人造衛(wèi)星不過50 多年的歷史，但人造衛(wèi)星的研制發(fā)射和其帶動的產(chǎn)業(yè)鏈卻發(fā)展迅速。我國1970年發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星，目前已擁有數(shù)十顆人造衛(wèi)星，經(jīng)過40 多年的發(fā)展，我國已經(jīng)形成了多種初具規(guī)模的衛(wèi)星系統(tǒng)，包括通訊衛(wèi)星系統(tǒng)、導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)、氣象衛(wèi)星系統(tǒng)、資源衛(wèi)星系統(tǒng)等，在測繪、農(nóng)林、水利、交通等行業(yè)都發(fā)揮了不小的作用。

在我國水利領(lǐng)域，開展衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用研究也有30 a左右的歷史，尤其是對遙感(RS)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)這“3S”技術(shù)的綜合應(yīng)用已有一定的基礎(chǔ)。在中國各流域上，有計(jì)劃的開展中國衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用研究，逐步實(shí)現(xiàn)“3S”技術(shù)的國產(chǎn)化，一方面便于信息整合，有利于開發(fā)大規(guī)模、高度綜合的信息系統(tǒng)，另一方面也有助于我國衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)一步成熟和發(fā)展。目前，我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、陸地衛(wèi)星觀測系統(tǒng)、氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)等衛(wèi)星系統(tǒng)都已初具規(guī)模，在國內(nèi)基本能夠滿足流域水文、氣象、災(zāi)害等觀測的需要，并且這些衛(wèi)星系統(tǒng)還在有計(jì)劃的逐步完善中［1］。此時(shí)，在水利行業(yè)及時(shí)跟進(jìn)開展應(yīng)用研究，開發(fā)相關(guān)的地面產(chǎn)品，逐步實(shí)現(xiàn)流域測報(bào)系統(tǒng)的國產(chǎn)化，對行業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展十分必要。

1 中國衛(wèi)星系統(tǒng)的現(xiàn)狀

目前中國已經(jīng)擁有幾十顆不同種類、不同用途的衛(wèi)星，建成了幾種初具規(guī)模的衛(wèi)星系統(tǒng)，其中北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、陸地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)、氣象衛(wèi)星系統(tǒng)等，可能在流域綜合測報(bào)系統(tǒng)中采用。

1.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(簡稱“BDS”)是我國自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼美國GPS 系統(tǒng)和俄羅斯GLONASS 之后的第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)于2000年開始建成試驗(yàn)系統(tǒng)，目前已擁有20 顆導(dǎo)航衛(wèi)星(包括4 顆試驗(yàn)衛(wèi)星)。完全建成后，將擁有5 顆靜止軌道衛(wèi)星和30 顆非靜止軌道衛(wèi)星。該系統(tǒng)已經(jīng)于2012年12月27日開始向亞太地區(qū)提供定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，計(jì)劃在2020年形成覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。BDS 系統(tǒng)可以提供兩類服務(wù)，開放服務(wù)是免費(fèi)的，定位精度10 m，測速精度0.2 m/s，授時(shí)精度10 ns;授權(quán)服務(wù)是收費(fèi)的，可以提供更高精度的定位、測速和授時(shí)服務(wù)。在精度上不遜色于目前應(yīng)用最廣的GPS 系統(tǒng)。BDS 衛(wèi)星可以同時(shí)提供短報(bào)文通信服務(wù)。

中國已經(jīng)推廣使用BDS 系統(tǒng)的車載定位導(dǎo)航終端，在天津、江蘇、安徽等9個(gè)省市開展示范工程，大約8萬輛大客車、旅游包車和危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛都安裝了BDS 導(dǎo)航終端。市場也已經(jīng)開始出售BDS/GPS 雙模終端。BDS 系統(tǒng)已經(jīng)在國內(nèi)交通通訊、農(nóng)林漁業(yè)、水利水電、救災(zāi)、公共安全等多個(gè)領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用，隨著BDS 系統(tǒng)本身的建設(shè)完善，在國內(nèi)各個(gè)行業(yè)進(jìn)一步得到推廣是必然趨勢。

1.2 陸地衛(wèi)星觀測系統(tǒng)

我國的陸地衛(wèi)星觀測系統(tǒng)是一個(gè)多系列、多顆衛(wèi)星、多載荷的大型地面數(shù)據(jù)綜合處理服務(wù)系統(tǒng)，主要包括中巴地球資源衛(wèi)星(CBERS—01、CBERS—02)、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座A、B 星(HJ －1A/1B 星)、資源一號、資源三號等衛(wèi)星，以及全國陸地觀測衛(wèi)星地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。我國已開始建設(shè)高分辨率對地觀測系統(tǒng)，2013年4月發(fā)射了該系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星——高分一號。陸地觀測衛(wèi)星主要利用其搭載的多光譜遙感設(shè)備，對地面進(jìn)行“拍攝”，獲取地面物體輻射或反射的多種波段電磁波信息，得到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以解譯后用于測繪和資源調(diào)查等。利用陸地衛(wèi)星觀測系統(tǒng)提供的遙感數(shù)據(jù)，可以從更大尺度、更深的范圍來觀測陸地水文現(xiàn)象。不僅可以觀測地表水體，還可以觀測地下水、土壤水的變遷，可以觀測冰雪等固態(tài)水體，可以觀測水土流失和水體污染等水文現(xiàn)象。陸地衛(wèi)星系統(tǒng)在自然災(zāi)害的監(jiān)測中，也有廣泛應(yīng)用。我國陸地衛(wèi)星系統(tǒng)在2008年中我國東部地區(qū)雪災(zāi)、黃河凌汛、太湖水華、黃河滸苔的監(jiān)測中已經(jīng)得到了成功應(yīng)用。

1.3 氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)

氣象衛(wèi)星可以對云量、地表溫度、海洋溫度、霧、冰、塵、植被等多種氣象要素進(jìn)行觀測，衛(wèi)星觀測是天氣和氣候預(yù)報(bào)的重要手段。我國的氣象衛(wèi)星主要是風(fēng)云系列，包括靜止衛(wèi)星(風(fēng)云二號)和極軌衛(wèi)星(風(fēng)云一號、風(fēng)云三號)，目前國家衛(wèi)星氣象中心提供氣象衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的開放下載。

在與一定的地面觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，根據(jù)氣象衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，可以估計(jì)降水，包括降水發(fā)生的時(shí)刻和降水量估計(jì);與水文觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以延長水文預(yù)報(bào)的預(yù)見期，尤其是暴雨洪水預(yù)警的預(yù)見期，對于一些流量大、流程短、測站覆蓋不足的流域的防災(zāi)減災(zāi)，具有非常重要的意義。一些地質(zhì)災(zāi)害，如滑坡、泥石流等，和降雨有顯著的相關(guān)性，氣象衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)也能提供一定的預(yù)警。

1.4 中繼衛(wèi)星系統(tǒng)

中繼衛(wèi)星是一種特殊的通信衛(wèi)星，數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星對基于地面測控站的傳統(tǒng)測控體系具有顯著的優(yōu)勢，表現(xiàn)在測控通信覆蓋率高、高度的實(shí)時(shí)性和優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)性。我國于2012年7月建成了第一代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)——天鏈一號。2013年6月20日，神舟十號航天員通過現(xiàn)場直播，向中小學(xué)生進(jìn)行了“太空授課”，此次授課通過天鏈系統(tǒng)傳送雙向?qū)崟r(shí)授課畫面，實(shí)現(xiàn)天地之間的視頻提問和回答，展示了中國天地大容量信息處理的能力，說明中國的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)具備大容量實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)的傳播和交互處理能力。

2 國內(nèi)流域測報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 水文自動測報(bào)系統(tǒng)

目前，國內(nèi)水文自動測報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)比較成熟。一個(gè)流域典型的水文測報(bào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由若干遙測站、幾個(gè)分中心站和系統(tǒng)中心站組成，分中心站和系統(tǒng)中心站之間通常需要網(wǎng)絡(luò)連接，遙測站、分中心站、系統(tǒng)中心站之間通常通過通信衛(wèi)星、短波通信等手段傳輸水文測報(bào)數(shù)據(jù)。

超短波(UHF/VHF)是一種地面可視通信，具有通信質(zhì)量較好、設(shè)備簡單、設(shè)備投資較少、建設(shè)周期短、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，其傳播特性依賴于工作頻率、距離、地形及氣象因子等因數(shù)。它主要適用于平原丘陵地帶，且中繼級數(shù)＜3 級的水情自動測報(bào)系統(tǒng)。

圖1 典型的流域水文自動測報(bào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

衛(wèi)星通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、通信頻帶寬、傳輸容量大、組網(wǎng)機(jī)動靈活，不受地理?xiàng)l件的限制、建站成本及通信費(fèi)用與通信距離無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。在水文自動測報(bào)系統(tǒng)中，可以采用的衛(wèi)星系統(tǒng)包括海事衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星、VSAT 衛(wèi)星。其中北斗衛(wèi)星通信具有較強(qiáng)的抗干擾能力，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩愿?，滿足水文數(shù)據(jù)傳輸對可靠性、保密性的要求，在國內(nèi)流域可以優(yōu)先考慮。

遙測站主要是雨量站和水位站，流量數(shù)據(jù)通常需要人工施測后輸入自動測報(bào)系統(tǒng)。目前的遙測站設(shè)備能自動采集到1 cm的水位變化值和0.5 mm的降雨量，能夠定時(shí)測報(bào)和自動加報(bào)，遙測數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場固態(tài)存儲，一般能夠儲存2 a以上的數(shù)據(jù)。典型遙測站的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 典型遙測站的結(jié)構(gòu)

2.2 目前國內(nèi)流域測報(bào)系統(tǒng)的局限

國內(nèi)大部分流域都在水電、供水、航運(yùn)等開發(fā)過程中，會相應(yīng)地建設(shè)不同用途的各種測報(bào)系統(tǒng)。以水電開發(fā)為例，在勘測設(shè)計(jì)階段，通常會預(yù)先建設(shè)工程專用的水文氣象自動測報(bào)系統(tǒng)，用以觀測收集工程設(shè)計(jì)必須的水文氣象要素;在建設(shè)期間，可能會開發(fā)建設(shè)較為詳細(xì)的地理信息系統(tǒng)用于指導(dǎo)施工，還可能建設(shè)施工實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、地災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、工程安全監(jiān)控系統(tǒng)、水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)等，也需要進(jìn)一步完善水文氣象測報(bào)系統(tǒng)已滿足施工過程中防災(zāi)減災(zāi)的需要;在投入運(yùn)營之前，可能需要開發(fā)建設(shè)水調(diào)、電調(diào)的調(diào)度系統(tǒng)。目前大部分流域，各個(gè)系統(tǒng)是單獨(dú)開發(fā)的，不同系統(tǒng)之間有大量的信息重復(fù)，如基本的地形信息、地表狀況等;各個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)建設(shè)造成大量的人力物力浪費(fèi)，同時(shí)也不利于數(shù)據(jù)的儲存和管理。

3 建設(shè)流域綜合測報(bào)系統(tǒng)的設(shè)想

從目前國內(nèi)利用3S 技術(shù)的成熟程度來看，在同一個(gè)大型的GIS 系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)多水文、氣象、地災(zāi)、調(diào)度等多專業(yè)數(shù)據(jù)的整合，是完全可行的，因此，作者提出建設(shè)綜合流域測報(bào)系統(tǒng)的設(shè)想。

3.1 綜合測報(bào)系統(tǒng)的主要框架

以流域水電資源開發(fā)為例，提出一種流域綜合測報(bào)系統(tǒng)的框架，主要思路是盡早規(guī)劃，分階段實(shí)施，分層整合。

目前水電開發(fā)中的幾個(gè)主要系統(tǒng)，可以分階段、分層整合到地理信息系統(tǒng)上，包括水文氣象自動測報(bào)系統(tǒng)、地災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)、水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)、施工監(jiān)控系統(tǒng)、梯級電站調(diào)度系統(tǒng)等。

綜合測報(bào)系統(tǒng)的觀測臺站，包括水文、氣象、雨量、地災(zāi)監(jiān)測站、地震臺站，以及地面終端，包括車載、手持和固定的終端，與系統(tǒng)中心站需要通過一定的方式建立通訊網(wǎng)絡(luò)。其中比較短的信息數(shù)據(jù)，如水文、雨量、定位等數(shù)據(jù)，優(yōu)先考慮通過衛(wèi)星通訊，可以考慮采用北斗衛(wèi)星。數(shù)據(jù)量比較大，占用帶寬較多的數(shù)據(jù)，如地震監(jiān)測數(shù)據(jù)，需要首先考慮地面網(wǎng)絡(luò)，必要的時(shí)候可以利用一些特殊的衛(wèi)星通訊手段，比如中繼衛(wèi)星等。

不同的系統(tǒng)可以共用一個(gè)大型的中心站，不同專業(yè)的數(shù)據(jù)建立在大型GIS 系統(tǒng)的不同數(shù)據(jù)層上，分中心站可以根據(jù)專業(yè)和階段有所側(cè)重，分中心站與系統(tǒng)中心站之間通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互:分中心站一方面可以向系統(tǒng)中心站實(shí)時(shí)提交新數(shù)據(jù)，另一方面可以閱讀和下載所需數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)。

基于以上思路，可以提出基于國產(chǎn)化衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)的流域綜合測報(bào)系統(tǒng)的框架，如圖3 所示。

3.2 測報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

流域測報(bào)系統(tǒng)本質(zhì)上，是一種專門定制開發(fā)、服務(wù)于流域管理的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一種應(yīng)用和擴(kuò)展。計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和升級會不斷帶動測報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展和升級。近年來云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的興起和應(yīng)用，帶動了水利信息化的新發(fā)展，在此基礎(chǔ)上，數(shù)字流域、水聯(lián)網(wǎng)的概念也隨之提出，正在逐步實(shí)施中。從單一的專業(yè)測報(bào)系統(tǒng)，走向基于云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)概念的高度綜合、大規(guī)模集成、實(shí)時(shí)動態(tài)的大系統(tǒng)是一種必然趨勢。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)對云計(jì)算的定義是:云計(jì)算是一種按使用量付費(fèi)的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問，進(jìn)入可配置的計(jì)算資源共享池(資源包括網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器，存儲，應(yīng)用軟件，服務(wù))，這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務(wù)供應(yīng)商進(jìn)行很少的交互。

國際電信聯(lián)盟(ITU)對物聯(lián)網(wǎng)的定義是:通過二維碼識讀設(shè)備、射頻識別(RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等多種信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

事實(shí)上，流域測報(bào)系統(tǒng)本身就是一個(gè)由數(shù)據(jù)獲取設(shè)備(包括各種測站和遙感衛(wèi)星)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、通訊衛(wèi)星、地面通訊網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)專業(yè)化的物聯(lián)網(wǎng)。如果流域測報(bào)系統(tǒng)不拘泥在幾個(gè)梯級、或者一個(gè)較小的流域的地理界限內(nèi)，能夠打破由一個(gè)管理單位來組織開發(fā)的局面，則可能應(yīng)用云計(jì)算概念，實(shí)現(xiàn)水利信息化一個(gè)飛躍性的升級，建成面向全國的、多專業(yè)信息高度集成的大規(guī)模綜合測報(bào)系統(tǒng)，屆時(shí)全國各地的水利管理者、建設(shè)者、研究者都可以從同一個(gè)平臺上獲取信息和數(shù)據(jù)，也可以迅速地更新和共享新數(shù)據(jù)，水利領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)入一個(gè)徹底的信息化、網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代。

4 總 結(jié)

目前我國已經(jīng)擁有幾個(gè)初具規(guī)模的衛(wèi)星系統(tǒng)，包括北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、陸地衛(wèi)星觀測系統(tǒng)、氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)、中繼衛(wèi)星系統(tǒng)等，已經(jīng)具備建設(shè)大規(guī)模、綜合化流域測報(bào)系統(tǒng)的太空能力。水利行業(yè)引進(jìn)和使用3S 技術(shù)，開發(fā)服務(wù)于流域管理的水文、地災(zāi)、安全監(jiān)測等自動測報(bào)系統(tǒng)的能力也已經(jīng)發(fā)展成熟。從國家安全和提高整體經(jīng)濟(jì)效益的角度，逐步實(shí)現(xiàn)水利信息化的國產(chǎn)化，尤其是主要衛(wèi)星系統(tǒng)的國產(chǎn)化，是必然趨勢。從單個(gè)流域的管理出發(fā)，為提高資源利用效率，減少重復(fù)開發(fā)導(dǎo)致的人力物力的浪費(fèi)，可以將一個(gè)流域上的多個(gè)測報(bào)系統(tǒng)綜合到同一個(gè)大的GIS 系統(tǒng)上。我國衛(wèi)星系統(tǒng)的太空能力和地面數(shù)據(jù)的處理傳輸能力，都完全可以支持這樣的一個(gè)系統(tǒng)。應(yīng)用云計(jì)算的概念，則可能在全國范圍內(nèi)建成一個(gè)規(guī)模更大、效率更高的綜合測報(bào)系統(tǒng)，會帶來水利管理模式的改變，目前已經(jīng)顯示出這一發(fā)展趨勢。

［1］楊元喜. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)展、貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)［J］. 測繪學(xué)報(bào)，2010，39(01):1 －6.