國家應(yīng)急測繪前線勘測系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)

畢 凱，王中祥，武 昊，朱 杰，張蓉暉

(國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830)

前線勘測是應(yīng)急測繪工作的重要組成部分，是獲取第一手災(zāi)情信息的重要手段。汶川地震以來，國家高度重視應(yīng)急測繪前線勘測工作，《國家突發(fā)事件應(yīng)急體系建設(shè)“十二五”規(guī)劃》中就明確要求建設(shè)一支專業(yè)的前線應(yīng)急測繪保障國家隊，隊伍裝備配備達標率85%以上，在接到特別重大突發(fā)事件處置指令后8 h可達到現(xiàn)場，具備72 h野外生活保障能力。

對比規(guī)劃要求，當前的國家級應(yīng)急測繪前線勘測能力還存在著明顯短板[1-6]：一是勘測設(shè)備老舊、功能單一、性能低，缺乏快速獲取滑坡體三維信息和地下空間設(shè)施測量等工作的高性能、專業(yè)化的外業(yè)測量技術(shù)裝備；二是集成化程度低，且機動性能差，盡管已經(jīng)具備了一些數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、圖件輸出和數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，但各類型設(shè)備零散，缺乏整體化、一站式、可隨時機動的應(yīng)急測繪前線勘測技術(shù)裝備和生活保障裝備；三是任務(wù)覆蓋面窄，僅能覆蓋某一地區(qū)，缺乏能覆蓋全國的應(yīng)急測繪前線勘測隊伍。因此，現(xiàn)階段急需專業(yè)性強、集成化程度高、機動性好的國家級應(yīng)急測繪前線勘測技術(shù)裝備，建設(shè)國家級應(yīng)急測繪前線勘測裝備隊伍，滿足應(yīng)急測繪前線勘測的工作需要。

本文針對當前應(yīng)急測繪前線勘測的實際問題，圍繞應(yīng)急測繪前線勘測的任務(wù)需求，設(shè)計了一套國家應(yīng)急測繪前線勘測系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的總體技術(shù)設(shè)計和工作流程設(shè)計，總結(jié)了其主要成果及技術(shù)指標，形成了一套可覆蓋全國范圍、滿足多種突發(fā)事件應(yīng)急測繪，并涵蓋勘測數(shù)據(jù)獲取—數(shù)據(jù)處理—成果傳輸—現(xiàn)場制圖輸出—現(xiàn)場服務(wù)—現(xiàn)場生活保障等應(yīng)急測繪全流程的一站式、一體化的應(yīng)急測繪前線勘測技術(shù)裝備，為構(gòu)建國家級應(yīng)急測繪保障體系奠定了基礎(chǔ)。

1 任務(wù)需求分析

在地震、山體崩塌、滑坡、泥石流、洪澇、礦山事故、環(huán)境污染、生態(tài)破壞等特別重大、重大突發(fā)事件發(fā)生，或收到一級、二級突發(fā)事件警報信息、宣布進入預警期后，國家應(yīng)急測繪保障領(lǐng)導小組發(fā)出Ⅰ級響應(yīng)指令，統(tǒng)籌管理及調(diào)度相關(guān)人員攜帶設(shè)備赴突發(fā)事件現(xiàn)場，實施前線勘測保障服務(wù)[7-8]。其主要開展3個方面的工作：

(1) 提供空間定位基準及位置服務(wù)保障，緊急恢復突發(fā)事件區(qū)域的大地基準服務(wù)，及時進行臨時基準站建設(shè)，保障各類救援力量所使用的測繪與導航裝備能得到高精度的定位成果。

(2) 快速高效開展應(yīng)急前線現(xiàn)場信息采集與測量。根據(jù)應(yīng)急前線指揮部門、救援部門的各種需要，利用應(yīng)急測繪裝備，快速實施重點地段的三維數(shù)據(jù)采集、局部大比例尺地形圖測繪、危險體(源)監(jiān)測、地下測量、輕小型無人機航攝等，及時獲取得到應(yīng)急前線重點地區(qū)、重點地段的各類現(xiàn)狀信息。形成視頻、影像、激光點云、GNSS觀測數(shù)據(jù)等成果，快速在應(yīng)急前線進行數(shù)據(jù)處理，及時形成能夠滿足前線應(yīng)急指揮、救援、基礎(chǔ)設(shè)施搶通等工作需要的各類應(yīng)急測繪數(shù)據(jù)、報告、圖件等。

(3) 在搶險救援、道路搶通、災(zāi)情評估、人員安置、重建規(guī)劃等各個應(yīng)急響應(yīng)時段內(nèi)，為前線指揮部、各類救援力量提供及時、準確的地理信息服務(wù)，包括基于影像特征的地理空間信息應(yīng)急服務(wù)、各類圖紙圖件的快速打印輸出等。同時搭建快速網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，將獲取的重要前線應(yīng)急測繪成果，以及不能夠在應(yīng)急前線完成的應(yīng)急測繪原始數(shù)據(jù)，通過有線、無線、離線手段傳輸至國家應(yīng)急測繪中心，通過國家應(yīng)急測繪處理平臺、服務(wù)平臺開展有關(guān)數(shù)據(jù)處理與服務(wù)工作，并及時接受國家應(yīng)急測繪指揮中心下達的應(yīng)急測繪任務(wù)或進行遠程會商等。

2 總體技術(shù)設(shè)計

按照規(guī)范性、可靠性、先進性、可擴展性、先進行、實用性等原則，從系統(tǒng)功能設(shè)計著手，優(yōu)化應(yīng)急測繪前線勘測工作流程，確定系統(tǒng)組成，分析與應(yīng)急測繪其他環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的接口關(guān)系，完成國家應(yīng)急測繪前線勘測系統(tǒng)的總體設(shè)計。

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)應(yīng)急測繪前線勘測的任務(wù)需求，應(yīng)急測繪前線勘測系統(tǒng)需具備運載、現(xiàn)場信息采集與測量、前線數(shù)據(jù)處理、應(yīng)急地理信息服務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸、圖紙圖件輸出和遠程會商的功能。具體見表1。

表1 國家應(yīng)急測繪前線勘測系統(tǒng)功能

2.2 工作流程設(shè)計

應(yīng)急測繪前線勘測工作以為國家應(yīng)急前線指揮部、國家應(yīng)急前線救援力量提供應(yīng)急測繪保障與服務(wù)為目標，形成分工合理、流程暢通的前線勘測工作流。根據(jù)系統(tǒng)總體功能和實際作業(yè)需要，設(shè)計了應(yīng)急測繪前線勘測的工作流程，具體如圖1所示。

(1) 接收應(yīng)急指令做好出發(fā)前準備，包括人員集結(jié)、設(shè)備檢查、車輛檢查和應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準備，按照保障區(qū)域?qū)?zāi)區(qū)應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提取至應(yīng)急勘測多功能工作方艙中。完成準備工作后，應(yīng)急測繪前線勘測系統(tǒng)開赴現(xiàn)場。

(2) 到達現(xiàn)場，根據(jù)應(yīng)急前線指揮部和國家應(yīng)急測繪中心的指令開展應(yīng)急測繪前線勘測工作，并通過視頻系統(tǒng)及時匯報溝通應(yīng)急狀況，接收新的應(yīng)急指令。

(3) 根據(jù)災(zāi)種的不同和受災(zāi)程度，開展應(yīng)急基準恢復、地形測量與工程測量、形變監(jiān)測、三維信息采集與測量、小面積航空災(zāi)情信息采集與測量、地下設(shè)施測量等工作。同時向國家應(yīng)急前線指揮部、國家應(yīng)急前線各專業(yè)救援力量提供在線、離線的應(yīng)急地理信息服務(wù)。

(4) 利用數(shù)據(jù)處理設(shè)備，結(jié)合災(zāi)前數(shù)據(jù)成果，對現(xiàn)場獲取的數(shù)據(jù)就地處理，形成應(yīng)急測繪數(shù)據(jù)產(chǎn)品、專題圖產(chǎn)品等應(yīng)急前線測繪保障成果及災(zāi)情專題分析報告，以在線提供或離線數(shù)據(jù)拷貝的形式提供給國家應(yīng)急前線指揮部、國家應(yīng)急前線各專業(yè)救援力量使用。

(5) 提取急需的應(yīng)急勘測原始數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)、重要數(shù)據(jù)，以及現(xiàn)場視頻、圖片和勘測人員、車輛狀態(tài)信息，通過衛(wèi)星通信傳輸至國家應(yīng)急前線指揮部、國家應(yīng)急前線各專業(yè)救援力量和國家應(yīng)急測繪中心應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)，并與國家應(yīng)急測繪中心應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)、國家應(yīng)急前線指揮部等保持視頻會商、進展通報和重要信息采集上報。

(6) 將應(yīng)急測繪數(shù)據(jù)產(chǎn)品、專題圖產(chǎn)品等應(yīng)急前線測繪保障成果及災(zāi)情專題分析報告現(xiàn)場打印為圖紙，提供給國家應(yīng)急前線指揮部及國家應(yīng)急前線各專業(yè)救援力量使用。

(7) 應(yīng)急測繪前線勘測任務(wù)完成后，將前線應(yīng)急服務(wù)過程中存儲的災(zāi)區(qū)應(yīng)急前線現(xiàn)場勘測成果整理入庫至保障分隊應(yīng)急資源數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)， 由該系統(tǒng)通過電子政務(wù)內(nèi)網(wǎng)與國家應(yīng)急測繪資源共享平臺保持日常數(shù)據(jù)的更新維護。

2.3 系統(tǒng)組成與接口設(shè)計

依據(jù)應(yīng)急測繪前線勘測的工作內(nèi)容、成果類型等的需求，設(shè)計了一套國家應(yīng)急測繪前線勘測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一臺前線勘測多功能工作方艙和一臺前線勘測生活保障車組成。按照系統(tǒng)總體功能設(shè)計要求，將應(yīng)急勘測多功能工作方艙細化成7個分系統(tǒng)[9]，具體組成如圖2所示。

考慮應(yīng)急測繪前線勘測系統(tǒng)與國家應(yīng)急測繪中心、機動至前線的國家航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)、省級應(yīng)急測繪中心、國家應(yīng)急前線指揮部、國家應(yīng)急前線救援力量的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，設(shè)計了系統(tǒng)間接口[10]，接口設(shè)計如圖3所示。

3 分系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計

3.1 運載平臺

主要承擔國家應(yīng)急測繪保障分隊前線勘測設(shè)備的運載任務(wù)，為開展應(yīng)急測繪前線勘測數(shù)據(jù)處理、傳輸、會商等提供工作環(huán)境保障。運載平臺的選型重點考慮安全性、越野性、穩(wěn)定性和小型化等因素，選擇各方面性能均突出的德國MAN二類底盤進行改裝。開展溫控子系統(tǒng)、供電子系統(tǒng)、通風照明子系統(tǒng)、安全監(jiān)控子系統(tǒng)選型與改裝，形成滿足應(yīng)急測繪要求的可靠的應(yīng)急測繪前線勘測運載平臺。

3.2 前線勘測設(shè)備

包括常規(guī)測繪使用的GNSS、單兵圖傳、全站儀、水準儀、輕小型無人機等利舊設(shè)備，以及超戰(zhàn)儀、長測程三維激光掃描儀、短測程三維激光掃描儀、探地雷達、遠程微變監(jiān)測系統(tǒng)(地基InSAR)等專業(yè)化、高精度前線勘測設(shè)備[11]，設(shè)備組成如圖4所示。

3.3 前線數(shù)據(jù)處理

包括無人機影像處理、點云數(shù)據(jù)處理，其他勘測數(shù)據(jù)處理軟件，以及加固型高性能圖形處理工作站、加固型服務(wù)器、加固型磁盤陣列、萬兆以太網(wǎng)交換機等處理硬件。

3.4 前線數(shù)據(jù)傳輸

包括車載靜中通衛(wèi)星通信設(shè)備和通信保障設(shè)備兩部分[12]。經(jīng)過衛(wèi)星參數(shù)、車載站天饋、主站天饋、天線晴天鏈路余量、信息帶寬、轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬等計算衛(wèi)星鏈路，1.2 m車載天線，功放功率25 W能滿足語音業(yè)務(wù)最大可達64 Kbps/路、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)最大可達8192 Kbps/路、視頻業(yè)務(wù)最大可達2048 Kbps/路的實時通信能力。

衛(wèi)星電話、短波通信設(shè)備、4G網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備、超短波集群通信設(shè)備和語音綜合管理平臺等通信保障設(shè)備可確保在各種環(huán)境下實現(xiàn)遠程實時通信。語音綜合管理應(yīng)用如圖5所示。

3.5 應(yīng)急地理信息服務(wù)

主要為一套基于影像特征的地理空間信息應(yīng)急服務(wù)軟硬件管理保障區(qū)域范圍基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)。以7×24 h應(yīng)急地理信息數(shù)據(jù)庫為支撐，以三維立體方式直觀瀏覽地形地貌，顯示地理空間位置、各級道路的通達情況，以及河流、水庫的分布；通過基于三維系統(tǒng)的空間查詢，從多比例尺度掌握各類應(yīng)急資源的空間分布及其救災(zāi)人力、物資儲備狀況，為災(zāi)前預警分析、災(zāi)中緊急救助應(yīng)急勘測調(diào)度、災(zāi)情評估、災(zāi)后重建提供輔助決策支持[13-15]。

3.6 現(xiàn)場圖紙圖件輸出

包含應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)快速制印軟件和B0幅面繪圖儀[16]。利用軟件處理出圖所需的電子數(shù)據(jù)，利用制圖輸出設(shè)備打印輸出各類型圖紙、圖表、災(zāi)情影像鑲嵌圖、災(zāi)情專題影像圖等電子數(shù)據(jù)成果。

3.7 遠程視頻會商

包括視頻采集、顯示、音視頻切換、錄音錄像和集中控制等設(shè)備，主要用于應(yīng)急勘測前線與國家應(yīng)急測繪中心、前線應(yīng)急指揮部、其他部門應(yīng)急指揮系統(tǒng)(平臺)進行視頻會商。

3.8 野外生活保障

集成通信、應(yīng)急電源供應(yīng)、宿營、飲食、盥洗等功能的生活保障車，適應(yīng)高海拔、高低溫等環(huán)境，能夠在第一時間趕赴應(yīng)急現(xiàn)場，保障10人72 h的野外生活需要。

3.9 集成設(shè)計

重點考慮音視頻信號、射頻信號、控制信號、數(shù)據(jù)信號的流轉(zhuǎn)，各分系統(tǒng)間的信號流與數(shù)據(jù)流設(shè)計如圖6所示。

(1) 前線數(shù)據(jù)傳輸：靜中通衛(wèi)星天線與衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器通過射頻口連接，調(diào)制解調(diào)器通過網(wǎng)口連接路由交換設(shè)備，接入局域網(wǎng)，實現(xiàn)視頻會商、現(xiàn)場視頻、圖片等數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)。語音管理平臺將多種語音方式集成在1個語音通信平臺上，通過網(wǎng)口、PSTN口等與超短波車載臺、短波電臺、VOIP語音網(wǎng)關(guān)、電話機、4G網(wǎng)絡(luò)接入終端連接。

(2) 遠程視頻會商：通過網(wǎng)口、視頻口與前線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備連接，實現(xiàn)視頻信號傳輸。音視頻切換設(shè)備通過HDMI、BNC等音視頻口連接車內(nèi)視頻會商攝像機、車頂前后高清攝像機、視頻會議終端、單兵接收機、調(diào)音臺，接入車內(nèi)音視頻信號，通過HDMI接口連接多聯(lián)顯示器實現(xiàn)視頻切換顯示，通過HDMI、BNC接口連接視頻會議終端和音視頻編解碼器，實現(xiàn)會商視頻、現(xiàn)場視頻輸出。

(3) 應(yīng)急地理信息服務(wù)：服務(wù)平臺部署前線應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫管理軟件，通過網(wǎng)口接入車內(nèi)局域網(wǎng)，發(fā)送應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，接收應(yīng)急勘測原始數(shù)據(jù)、應(yīng)急勘測處理成果。

(4) 現(xiàn)場圖紙圖件輸出：通過網(wǎng)口接入車內(nèi)局域網(wǎng)，實現(xiàn)應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、應(yīng)急勘測處理成果圖打印出圖。

(5) 前線數(shù)據(jù)處理：高性能圖形處理工作站部署無人機、點云等數(shù)據(jù)處理軟件，通過U口、SATA口讀取外部應(yīng)急勘測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)管理服務(wù)器通過HBA口與磁盤陣列連接，通過網(wǎng)口連接車內(nèi)局域網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，完成應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、應(yīng)急勘測專題成果存儲。

4 主要成果及技術(shù)指標設(shè)計

國家級應(yīng)急測繪前線勘測系統(tǒng)能按照應(yīng)急救援的不同階段提供不同的成果，與現(xiàn)有能力相比，系統(tǒng)形成的成果更加豐富，性能指標有較大提升。

(1) 響應(yīng)速度：2 h內(nèi)可完成前線應(yīng)急數(shù)據(jù)準備、設(shè)備準備、人員集結(jié)；在通達條件允許的情況下，通過自身裝備能力，必要時借助外部力量，8 h可到達現(xiàn)場。

(2) 前線現(xiàn)場勘測與數(shù)據(jù)處理能力：具備應(yīng)急基準恢復、地形測量、形變監(jiān)測、三維信息采集與專題制圖、小面積航空災(zāi)情信息采集與測量、地下設(shè)施測量的能力。支持地震、地質(zhì)災(zāi)害、氣象、洪澇、森林大火等多種突發(fā)事件。每套系統(tǒng)可支持10人以上專業(yè)測繪隊伍同步開展各項應(yīng)急測繪工作。

a. 4 h內(nèi)搭建完成應(yīng)急流動基準站系統(tǒng)，并提供24 h不間斷CORS服務(wù)，服務(wù)保障面積不小于1000 km2；15 d內(nèi)搭建完成應(yīng)急臨時基準站系統(tǒng)，20 d內(nèi)提供服務(wù)，服務(wù)保障面積不小于10 000 km2。

b. 1 h可完成30 km2的重點區(qū)域災(zāi)情航空遙感影像，影像分辨率0.05～0.3 m。

c. 3 h可完成1 km2災(zāi)害區(qū)域點云數(shù)據(jù)采集，3 h內(nèi)完成點云數(shù)據(jù)處理并輸出初步成果，包括生成等高線、計算土石方量、生成各種剖面圖和三維模型等。

d. 48 h內(nèi)提供滿足道路、水利、電力、通信設(shè)施等各種搶險工程所需的距離、高度、寬度、面積、范圍等工程測量數(shù)據(jù)，以及滿足現(xiàn)場救援要求的重點局部大比例尺地形圖。

e. 可連續(xù)72 h作業(yè)，對高危地質(zhì)災(zāi)害隱患點形變趨勢進行實時高精度的監(jiān)測；可同時連續(xù)對4個目標進行形變監(jiān)測。

f. 3～7 d內(nèi)提供滿足臨時安置工程建設(shè)，道路、通信等重要基礎(chǔ)設(shè)施緊急恢復，次生災(zāi)害防治與普查、疫情防治等的需要局部區(qū)域1∶500—1∶1000比例尺地形圖、影像圖、專題圖、各類工程施工測量圖等。

g. 2～3個月內(nèi)提供滿足重建規(guī)劃需求1∶500—1∶2000比例尺重建規(guī)劃圖、三維實景影像、三維可視化影像地圖等。

(3) 前線應(yīng)急地理信息服務(wù)能力：構(gòu)建全國范圍的應(yīng)急三維地理信息數(shù)據(jù)庫，包括遙感影像、數(shù)字高程模型、地名、行政境界、路網(wǎng)水系等基礎(chǔ)地理信息框架，滿足7×24 h連續(xù)長時間無故障的高效運行。

(4) 前線數(shù)據(jù)傳輸能力：衛(wèi)星實時通信的語音業(yè)務(wù)最大可達64 Kbps/路、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)最大可達8192 Kbps/路、視頻業(yè)務(wù)最大可達2048 Kbps/路。

(5) 前線圖紙圖件保障能力：打印圖件幅面不小于112 cm，制圖輸出效率達到50 m2/h。

(6) 遠程視頻會商能力：可在全國范圍內(nèi)視頻會商，視頻圖像清晰穩(wěn)定、聲音清晰。

(7) 野外生活保障能力：10人72 h野外運輸、炊事、凈水、盥洗、淋浴、宿營和野外安全監(jiān)控等自我生活保障。

5 建設(shè)數(shù)量與布局

系統(tǒng)優(yōu)先考慮已有測繪技術(shù)裝備、應(yīng)急測繪保障人員配置和應(yīng)急測繪保障經(jīng)驗等情況，首要保證應(yīng)急測繪保障工作覆蓋全國陸地國土范圍；其次，保證能在第一時間達到現(xiàn)場開展突發(fā)事件應(yīng)急前線勘測任務(wù)。因此，布局設(shè)計時以自然資源部直屬測繪地理信息局為依托，組建3支國家級應(yīng)急測繪保障分隊，從保障區(qū)域、人員儲備、分布式布局等方面出發(fā)，在3支國家應(yīng)急測繪保障分隊之下設(shè)立了若干支應(yīng)急測繪保障小隊，以提高極端情況下突發(fā)事件“第一時間”現(xiàn)場信息快速獲取、分析、處理、服務(wù)和共享能力。每支國家級應(yīng)急測繪保障分隊按照二級應(yīng)急響應(yīng)的級別構(gòu)建相關(guān)硬軟件裝備，負責一定范圍內(nèi)應(yīng)急前線勘察測繪相關(guān)工作。當發(fā)生一級應(yīng)急響應(yīng)時，調(diào)動一切資源，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，共同完成應(yīng)急測繪響應(yīng)。各分隊和小隊的依托單位、裝備數(shù)量、保障區(qū)域覆蓋范圍等見表2。

表2 應(yīng)急測繪前線勘測系統(tǒng)建設(shè)數(shù)量與布局

6 結(jié) 語

本文以滿足8 h抵達現(xiàn)場、72 h自我保障的能力為目標，首次設(shè)計并初步建設(shè)了可覆蓋全國的一站式、一體化的國家級應(yīng)急測繪前線勘測生產(chǎn)生活保障裝備，填補了國家級應(yīng)急測繪前線勘測技術(shù)裝備的空白。

從應(yīng)急測繪前線勘測實際工作需求出發(fā)，采用超戰(zhàn)儀、長短測程三維激光掃描儀、探地雷達、地基InSAR等設(shè)備，可為當前急需的地下設(shè)施勘測、城市高精度勘測、災(zāi)害體高精度遠程形變監(jiān)測等應(yīng)急測繪前線勘測工作提供專業(yè)化、智能化、高精度的設(shè)備保障。

下一步將重點開展設(shè)備的集成度研究，使作業(yè)隊伍與裝備盡快形成合力；通過應(yīng)急演練，進一步完善應(yīng)急測繪前線勘測的工藝流程、作業(yè)標準和技術(shù)指標體系，有效指導應(yīng)急測繪前線勘測的各項工作，以應(yīng)對實戰(zhàn)。