北斗系统在野外地质调查中的应用

· 文|中国地质调查局油气资源调查中心 李志忠 汪大明

国土资源部科技司 何凯涛

中国地质科学院地质力学研究所 胡道功 郭 涛

中国国土资源航空物探遥感中心 杨日红

中科院上海技术物理研究所光电遥感中心 郑鸿瑞

北斗系统在野外地质调查中的应用

· 文|中国地质调查局油气资源调查中心 李志忠 汪大明

国土资源部科技司 何凯涛

中国地质科学院地质力学研究所 胡道功 郭 涛

中国国土资源航空物探遥感中心 杨日红

中科院上海技术物理研究所光电遥感中心 郑鸿瑞

北斗卫星导航系统由中国自行研制，拥有完全自主知识产权，具有快速定位、精密授时及其特有的双向通信三大功能。本文介绍了中国地质调查局组织实施的“安全生产管理保障系统”和“基于我国卫星的野外地质调查应用高技术产业化示范工程”等项目成果，不仅包含了“安全生产管理平台”中北斗在应急救援中的相关应用，还包含了在野外地质调查时北斗卫星发挥的关键作用等应用，对北斗卫星在野外地质调查中的应用分析总结得更为全面，本文从系统设计、节点建设、系统建设和实用性验证等角度对北斗卫星的野外地质调查应用进行了详细论述。

一、引言

随着我国经济社会快速发展，工业化、城镇化、信息化和农业现代化进程持续推进，矿产资源和油气资源刚性需求大幅攀升，供需形势日益严峻。中央高度重视资源的勘探与开发工作，因此未来一段时间内基础地质调查工作将长期持续开展。目前区域地质调查、地球物理调查、地球化学调查、战略性矿产勘查等基础性地质调查工作程度偏低，全国1∶5万区域地质调查在重点成矿区带覆盖率仅为1/3，同时重点成矿区带的中、大比例尺基础资料严重不足。因此地面地质调查有大量的工作任务需要承担，但传统的调查工作方式在地质条件复杂，生存条件恶劣地区受到了验证流程、技术手段等的限制，采用新技术、新方法加快地质找矿工作效率成为了加快促进地质找矿战略行动目标实现的重要手段[1]。

北斗导航卫星具有快速定位、短报文通信和精密授时三大主要功能。快速定位功能可快速确定用户所在地理位置，定位误差小于10m；短报文通信功能是北斗终端间、终端与地面控制中心间可双向传输最多120个汉字信息，是北斗相比于其他卫星导航系统所特有的功能[2]。 北斗导航卫星所提供的服务已能很好地满足和支持地质调查工作，并在地质调查领域发挥出了重要作用。

二、北斗系统在野外地质调查中的应用

中国地质调查局十分重视国产卫星技术在地质调查领域的应用和推广，于2011年组织开展基于北斗系统和电子地图的地质调查安全生产管理保障系统研究，旨在提高地质调查安全管理水平和突发事件应急处置能力，保障野外地质调查工作者生命和财产安全。安全生产管理保障系统于2012年完成调试并正式部署运行，并在青海、西藏、新疆以及大兴安岭等艰险地区实现野外作业项目组100％配备北斗终端，为该地区地质调查人员提供了更加全面的保障[3]。

在“十一五”期间，中国地质调查局承担了国家发展改革委高技术产业化示范工程专项——“基于我国卫星的野外地质调查应用高技术产业化示范工程”项目，对国产遥感卫星和北斗导航卫星在野外地质调查服务与管理应用系统技术体系相关方面进行了研究，发挥行业优势，对与地质调查工作息息相关的遥感数据处理、地质信息识别提取、海量基础数据分发、空间信息承载和展示平台、北斗系统与GPS兼容技术及应用等重大关键技术进行研究，形成了一套服务于野外地质调查的“双星野外地质调查服务与管理系统”[4]。该系统集成北斗终端、GPS定位和PDA地质填图系统，完善现有中国地质调查信息网格平台、开发遥感卫星数据服务系统，实现基于卫星遥感、导航定位、地理信息系统技术的野外作业人员的态势管理、作业任务管理、指挥调度、应急保障等，并在多个野外实验区进行了应用示范，取得了预期成果，初步形成了基于北斗卫星导航试验系统的野外地质调查管理与安全保障技术体系，进一步加强地质调查野外作业人员的安全保障力度[5]。

1.北斗地质调查应用系统结构

“双星野外地质调查服务与管理系统”构成网格构架，是一个建立在地调专网环境下的网格架构的开放式系统，由六大类节点和外业终端组成，能够实现在遥感卫星和北斗导航卫星（双星）支持下的面向野外地质矿产调查的遥感卫星数据服务和作业管理功能，该系统结构如图1。其中，北斗导航卫星主要通过“双星野外地质调查服务与管理系统”中的“野外地质调查作业管理与安全保障系统”和野外手持终端向用户终端各个节点提供服务，因此在后文的系统层次划分、数据流程和系统功能部分将以“野外地质调查作业管理与安全保障系统”为例进行介绍。

图1 野外地质调查服务与管理系统结构图

双星野外地质调查服务与管理系统根据野外地质调查发生的风险类型和紧急程度分为常规状态和应急状态运行。常规状态下，作业管理中心可以获得所有管辖终端信息，从而实现态势分析、路线规划等各种作业管理功能。当系统以紧急状态运行时，根据风险对象进一步将应急状态分为野外作业常见应急状态和重大地质灾害应急状态。前者主要是指外业人员在艰险工作中碰到的紧急状态，包括：高原反应、动物咬伤、缺粮缺水、迷路、疾病等；后者是指野外地质调查人员在作业时可能会遇到的地震、滑坡、泥石流等重大地质灾害。在这两种应急状态下北斗终端用户能通过组网向其他用户、移动驻地、野外工作站或各中心节点进行通信或位置信息传输，便于应急救援小组或中心节点指挥部了解险情发生位置、类型、等级，能根据这些信息制定更有效的应急救援方案。

2.节点构成部署

系统具有六类节点，分别为：遥感数据服务中心节点、作业管理中心节点、专业应用节点、大区中心节点、野外工作站节点以及移动节点。

其中，移动节点包括移动驻地节点和应急通信指挥车两种类型。移动驻地节点具有简单的遥感数据处理设备，能进行简单的遥感数据服务和处理工作，并配有北斗车载指挥机，能够对本驻地周围的外业队伍进行作业管理。应急通信指挥车主要是在发生重大地质灾害时使用，除了配备简单的遥感数据处理设备和北斗车载指挥机外，还配备VSAT移动端，用于向系统各节点传输灾害现场的视频和音频信号，并进行遥感数据实时传输。

3.野外地质调查作业管理与安全保障系统层次划分

系统主要分为作业管理中心、大区中心和外业人员三个层次，各层之间基本数据信息可通过地面网络或有线方式传输，实时定位和通信信息则通过北斗卫星进行传输。

作业管理中心主要功能是为野外作业管理和应急通信提供保障。因管理的单位及人员众多，因此采用无人值守模式，在紧急状态下发出警报，协助开展应急救援等工作。日常状态下可人工调取、查看野外作业态势；大区中心与野外作业人员保持动态联系，具有动态野外作业管理和应急通信保障功能。通过大区中心可与外业人员进行双向信息交互，及时了解掌握野外工作状态；外业人员主要以手持双模终端为主要设备，通过北斗卫星进行与其他人员及上级单位进行联系，并反馈位置信息。

4.野外地质调查作业管理与安全保障系统数据流程

野外地质调查作业管理保障系统中的各节点均可通过北斗卫星进行定位信息及短报文的信息交互。而作业管理中心、大区中心、专业应用中心及野外工作站是网格构架下的有线连接，可通过有线连接进行各种数据和信息的交互，具体数据流程见图2。

图2 野外作业管理与安全保障系统数据流程

5.野外地质调查作业管理与安全保障系统功能

野外地质调查作业管理与安全保障系统按照业务类型又进一步划分为常规作业管理子系统和安全保障子系统。常规作业管理子系统具有综合平台显示、空间分析、野外工作信息管理、野外路线信息管理以及北斗定位和通信功能。安全保障子系统具有野外应急视频音频传输、野外应急遥感数据传输、北斗应急通信和应急态势分析功能。

在常规作业管理子系统中，野外路线信息管理又分为踏勘路线和路径规划、野外作业管理、作业指挥调度三个功能。踏勘路线和路径规划是利用系统开发的基本标绘工具和距离测量和坡度量算工具，制定规划踏勘路线，并以矢量图的形式输出。野外作业管理主要是利用北斗传回的定位数据，对野外工作人员实际作业路径分析后综合生成作业区工作路线，后方专家根据这些信息跟踪工作进度，分析是否遗漏重点调查地区，并为野外作业人员提供补测方案。系统通过定位监控设置和定位监控控制两个部分对移动目标定位进行管理。定位监控设置包括监控方式设置、显示轨迹设置、信息显示设置；定位监控控制包括定位开始监控和定位停止监控，分别实现对监控目标监控的开始和停止操作，实现对监控目标的选择性监控。监控目标显示，是把监控目标的所在坐标及其他需要显示的信息显示在信息列表里，并且把监控目标显示在监控端地图上；区域显示控制、路径显示控制、导航提示控制可以对监控目标进行监控，并在目标偏航时进行提示并显示相关偏航信息。作业指挥调度功能主要是利用北斗卫星提供的通信功能对监控单位发布命令，被监控目标也可通过北斗卫星向指挥监控端汇报情况，实现指挥中心对野外作业终端的远程指挥调度。北斗定位通信功能主要可以获取终端用户信息，包括终端的属性信息和定位信息。其中定位分为主机申请定位和终端申请定位。通信功能为文本信息互传和定位信息传送提供了可能。

在安全保障子系统中，北斗主要起到应急通信的功能。当外业人员在艰险工作区遇到紧急状态或发生重大地质灾害时，可通过本系统的北斗组网，实现外业终端间、外业终端和移动驻地、外业终端和野外工作站、外业终端和各中心节点间的紧急通信。

6.系统部署

中国地质调查局组织开发“双星野外地质调查服务与管理系统”，部署作业管理系统的浏览器端，并从北斗综合信息服务平台获得所有外业终端的全数据推送。局属单位航遥中心负责开发并部署“地质调查遥感卫星数据服务系统”，作为整个野外地质矿产调查服务与管理系统运行支撑节点。西安地调中心和该中心的野外工作站也部署了作业管理系统的浏览器端，主要实施该地调中心所属辖区地勘单位外业人员的作业管理。发展中心负责双模高精度移动终端设备和野外卫星数字化填图综合平台的部署。地质力学所负责野外应用示范，基于野外地质矿产调查服务与管理系统进行野外试验，重点从遥感数据服务、作业管理支持和应急服务三个方面检验系统的正确性和实效性。

三、应急救援示范应用

2011年3月29日，一架航空物探飞行作业的飞机失踪。7月，地调局组织有关专家展开“3·29”飞机失踪事件地面搜寻工作，因搜寻区域均位于手机信号盲区，常规手段无法保证信息的互联互通。其次，该地区属于高海拔山区，部分区域终年积雪，部分区域因夏季化雪造成了大片积水难以通行，自然条件十分恶劣，地面工作十分艰难，野外作业风险很大，迫切需要采用高新技术手段保障野外搜寻人员的安全。因此，搜救人员在天山地区搜救期间配备了北斗终端，以实战的方式检验了“双星野外地质调查服务与管理系统”在人员野外作业时能起到安全保障作用，证明了北斗导航卫星应用在地质调查应用中的适用性。

1.系统在搜寻过程中发挥的作用

北斗系统在“3·29”第二阶段地面搜寻过程中，起到的主要作用是：一方面利用该系统保障野外搜寻组野外安全，一方面利用该系统进行作业轨迹监控。通过北斗通信功能，野外搜寻组可与管理指挥中心之间进行实时通信，帮助管理指挥中心了解搜寻现场大概环境和搜寻状况，并在野外搜寻组遇到意外情况时向附近其他搜寻人员提供该组位置信息和意外状况类型，便于对其进行救援，从而有力地保障了野外搜寻组的安全。通过北斗的定位功能，可以对野外所有搜寻组进行实时定位并在管理指挥中心平台显示，通过监控搜寻组的作业轨迹，实现重点区域漏查提醒，避免对同一地区不同搜寻组的反复搜救，保障搜寻工作高效开展。

2.搜寻工作北斗系统作业规范建立

结合野外搜救工作实际，针对不同的节点分别制定了管理中心作业规范和野外搜寻组作业规范。管理中心作业规范要求管理中心在地面搜寻全过程中打开北斗外业终端，全程实时监控外业搜寻组作业情况及安全，并在管理中心设定值班小组，随时与外业搜寻组沟通联系。

野外搜寻组作业规范要求野外搜寻组每天早晨出队前通过北斗外业终端向值班小组组长汇报当天搜寻计划；每次到达疑似点时，要通过北斗外业终端发回定位信息，并汇报排查情况；在向疑似点进发过程中，要通过北斗外业终端在关键路线点上发回定位信息；每天工作完成后，要通过北斗外业终端向值班小组组长汇报当天搜寻结果，并报平安。

3.系统应用成果

在“3·29”第二阶段地面搜救过程中，使用“双星野外地质调查服务与管理系统”有效地保障了野外人员的安全，并随时与管理中心沟通，进行了野外作业轨迹监控。在整个过程中，按照系统作业规范，共传回北斗定位坐标178个，每个坐标信息包括：终端ID、定位时间、经度、纬度、高程、卫星数、定位方式和有效性。

四、总结

北斗系统是中国具有自主知识产权的卫星导航系统，不仅能够进行定位，还能进行短报文通信，具有很大的业务需求和应用潜力。中国地质调查局高度重视国产遥感卫星和北斗卫星在地质调查领域的应用及推广，在组织研发地质调查安全生产管理保障系统的基础上承接了国家发展改革委高技术产业化示范工程专项“基于我国卫星的野外地质调查应用高技术产业化示范工程”项目，并在项目中根据野外地质调查作业需求和流程，结合北斗卫星提供的定位和短报文通信服务，设计并实现了“双星野外地质调查服务与管理系统”等主要以北斗卫星为支撑的先进系统，并根据项目安排设计建设了各应用节点，对系统中的关键技术进行了研发。并实际验证了北斗终端在野外地面作业中为作业人员提供安全保障，实现了从理论上和实际上验证了北斗系统在地质调查应用中的广泛作用，证明了北斗系统能满足野外地质调查的需要。随着北斗卫星导航系统的建设，北斗卫星将在地质调查领域发挥更加重要和不可替代的作用。

[1] 熊珍银．关于地质找矿工作几个问题的思考[J]．地球，2014（6）：8.

[2] 唐金元，于潞，王思臣．北斗卫星导航定位系统应用现状分析[J] ．全球定位系统，2008（2）：26-30.

[3] 温静，汪大明，孟月玥，等．北斗卫星导航系统在地质调查领域应用综述[J]．地质力学学报，2012，18（3）：213-222.

[4] 汪大明，白云鹏，方洪宾，等．野外地质调查作业管理与安全保障系统设计与实现[J]．地质力学学报，2012，18（3）：224-234.

[5] 蒋红成.多幅遥感图像自动裁剪镶嵌与色彩均衡研究[D]．北京：中国科学院研究生院，2004.