中國地震應急搜救中心 張凌 李亦綱

中國地震局地質研究所 聶高眾

中國地震局地殼應力研究所 王建軍

北斗系統(tǒng)在地震災情監(jiān)測中的應用探討

Discussion on application of COMPASS system in monitoring of earthquake disaster situation

中國地震應急搜救中心 張凌 李亦綱

中國地震局地質研究所 聶高眾

中國地震局地殼應力研究所 王建軍

我國是強震多發(fā)的國家之一，重特大地震災害往往造成災區(qū)電力、通信與交通中斷，外界因無法及時獲取準確具體的災情信息而影響救援?！氨倍废到y(tǒng)在地震災情監(jiān)測中的應用”研究，運用北斗定位和短報文技術優(yōu)勢，探索建立地震災情監(jiān)控系統(tǒng)技術，將為震后0～1小時獲取災情信息提供有效的技術支撐。

研究背景

地震發(fā)生后，震后0～1小時內獲取災區(qū)基本、準確、具體的災情信息是國務院和省級抗震救災指揮部在第一時間科學決策、部署地震應急救援工作的基礎。近年來，在日本、海地、印尼、臺灣等國家和地區(qū)發(fā)生的重特大地震災害的應急救援中，都發(fā)生了政府組織應急救援救助行動遲緩，引起災區(qū)群眾強烈不滿，造成執(zhí)政黨和政府信任危機。主要原因是政府未能及時掌握災區(qū)信息，對災情評估不準，未能迅速有效地對地震重災區(qū)實施全面救援，未能采取科學有效措施，防止地震次生災害蔓延。

2008年汶川特大地震救災過程中，正是由于對災區(qū)的情況不明，導致無法及時有效地開展救援工作。而2010年玉樹地震由于在震后4～6小時內基本把握了災情規(guī)模，使得救援行動迅速，隊伍調度及時，救災成果卓著。汶川地震慘痛的教訓告訴我們，研究針對大震巨災的現(xiàn)場災情獲取技術、可靠的災情傳輸技術，在潛在地震危險區(qū)建立地震災情監(jiān)控系統(tǒng)，有利于國家和各級人民政府從宏觀上及時把握較為準確的災情信息，合理調配救援力量快速有效地開展救援，最大程度地減輕人員傷亡，提高救災行動的成效和效率，對大震巨災應急救援科學決策具有重大的實用價值與戰(zhàn)略意義。

隨著城市化進程的日益加快，在各類自然災害中，地震成為城市社區(qū)、大型及重要建（構）筑物，以及各類生命線工程的重大威脅。這種威脅不僅體現(xiàn)在地震給城市社區(qū)、大型及重要建（構）筑物，以及各類生命線工程系統(tǒng)可能造成的嚴重破壞，而且還體現(xiàn)在生命線工程系統(tǒng)的功能喪失、引發(fā)火災、有毒有害物質泄漏等一系列重大的次生災害，同時還包括滑坡、崩塌、泥石流、堰塞湖等其他巨大的次生災害。因此，迫切需要在加強地震災害防范力度的同時，提高地震現(xiàn)場災情、次生災情以及衍生災情的監(jiān)測水平，以求最大限度地減輕災害可能造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失。

目前，我國在震后0～72小時黃金救災時段內的災情獲取能力較弱，嚴重制約了抗震救災工作的快速部署和展開，特別是震后0～1小時災情獲取能力和服務能力的缺失，使應急響應速度、救災決策的科學性和救援隊伍的救援效率受到較大影響。造成目前災情獲取能力低下的主要原因是：在地震的突發(fā)性強、災區(qū)電力、通信與交通發(fā)生中斷的情況下，缺乏有效的技術手段快速、準確獲取地震災情信息。大地震之后，衛(wèi)星、航空等手段獲取災情影像的時效性均不能滿足震后0～1、1～2、2～4小時應急期的需求，到目前為止，還沒有一種有效的技術手段快速獲取災區(qū)的災情信息。

近年來國內外不少學者致力于地震災情獲取方面的研究，提出了一些新方法，也取得了一定的成果。Altan O.采用CCD攝像機采集地震現(xiàn)場的圖像信息，并通過攝影測量的方法獲得準確的地震現(xiàn)場災情信息，并與GIS相結合建立了基于現(xiàn)場圖像的災情信息平臺。Kuwata Y.提出了一種由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、決策支持，以及協(xié)調與控制四個部分構成的災情應急系統(tǒng)，構建了應急救援過程的模型，實現(xiàn)了災情信息的共享。曲國勝分析了災情信息快速獲取的重要作用，研究了衛(wèi)星定位導航技術在地震應急搜救的信息快速獲取、應急響應、救援決策、指揮、搜索與營救等救援行動整個過程中的具體應用。莫善軍分析了地震信息獲取方面存在的一些問題，闡述了地震現(xiàn)場災情信息分類，同時就其收集反饋途徑和集成技術實現(xiàn)進行了研究。上述方法與手段，僅從地震現(xiàn)場的災情出發(fā)，在次生災害監(jiān)測方面存在缺憾。

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)介紹

北斗衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)是我國獨立研發(fā)建設的衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)，采用雙星有源導航定位體制，可以全天候、全天時提供區(qū)域衛(wèi)星定位導航信息。服務范圍包括中國大陸、臺灣、南沙及其他島嶼、中國海、日本海、太平洋部分海域及我國部分周邊地區(qū)。系統(tǒng)的主要功能體現(xiàn)在以下三個方面：一是定位?？焖俅_定用戶所在地的地理位置，向用戶及主管部門提供導航信息。二是通訊。用戶之間、用戶與中心控制系統(tǒng)之間均可實現(xiàn)雙向簡短數(shù)字報文通信，用戶可以一次傳送多達120個漢字的短報文信息。三是授時。中心控制系統(tǒng)定時播發(fā)授時信息，為定時用戶提供時延修正值，同時還可向用戶提供20～100 ns（納秒）時間同步精度。根據(jù)應用環(huán)境和功能的不同點，北斗系統(tǒng)的用戶機可劃分成基本型、通信型、授時型、指揮型和多模型5類，可滿足不同類型用戶的需求。北斗衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)具有以下幾種應用模式：小型集團監(jiān)控應用、大型集團監(jiān)控應用、自主導航應用、通信應用和授時應用等，可廣泛應用于船舶運輸、公路交通、鐵路運輸、海上作業(yè)、漁業(yè)生產(chǎn)、水文測報、森林防火、環(huán)境監(jiān)測等眾多行業(yè)。隨著“北斗二號”計劃的逐步實現(xiàn)，其應用地域和領域都將進一步拓寬。

美國的GPS是最早提供定位服務的全球系統(tǒng)，并已經(jīng)廣泛應用于國民經(jīng)濟建設中；俄羅斯的Glonass定位系統(tǒng)也已經(jīng)成軍并可以提供類似于GPS但精度略低的服務；中國的北斗系統(tǒng)，雖然起步較晚，但目前正應用于國民經(jīng)濟的各個領域，并提供了獨特的通訊服務。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在我國已有廣泛的應用，由于受到定位精度的限制，主要應用在定位及導航方面；而專業(yè)的高精度的GPS對地觀測系統(tǒng)由于設備昂貴及數(shù)據(jù)應用保密等原因，難于對普通建筑物位錯監(jiān)測進行大面積布設。而應用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)高精度定位和短報文通信功能，研制衛(wèi)星定位建筑物位錯監(jiān)測儀，將可對震后建筑物受損狀況實現(xiàn)自動監(jiān)測，為震后0～1小時獲取地震災情提供有效的技術手段。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用示意圖

基于北斗的災情監(jiān)控系統(tǒng)設想

基于北斗的災情監(jiān)控系統(tǒng)主要應由地震災區(qū)災情監(jiān)測終端（含災情綜合監(jiān)測終端和流動災測終端）、災情監(jiān)控通訊系統(tǒng)、運行監(jiān)控系統(tǒng)、災情數(shù)據(jù)匯集交換系統(tǒng)、災情數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、災情信息可視化顯示系統(tǒng)、地震應急與緊急救援輔助決策系統(tǒng)、地震災情信息服務系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及國家地震災情監(jiān)測中心、地震緊急救援災情信息服務中心和省級地震災情監(jiān)測中心系統(tǒng)平臺構成（圖1）。

災情監(jiān)測系統(tǒng)獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過不同通信方式傳送到省級地震災情監(jiān)測中心、國家地震災情監(jiān)測中心、地震緊急救援災情信息服務中心并進入數(shù)據(jù)庫，然后通過指揮部的專用通信網(wǎng)關進入指揮部技術系統(tǒng)；由災情數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實時處理生成相關的災情信息分布圖；由災情信息可視化顯示系統(tǒng)在國務院抗震救災指揮部技術系統(tǒng)、省級抗震救災指揮部技術系統(tǒng)大屏幕顯示災情信息圖件；由地震災情快速評估系統(tǒng)對地震災情進行快速評估；由應急與救援輔助決策系統(tǒng)進行抗震救災與緊急救援指揮決策。通過這套監(jiān)控系統(tǒng)，國務院抗震救災指揮部技術系統(tǒng)、省級抗震救災指揮部技術系統(tǒng)能在震后0～1小時內獲取災區(qū)基本準確的具體災情信息。

圖1 基于北斗系統(tǒng)的災情監(jiān)控系統(tǒng)技術框架圖

地震災情監(jiān)測終端

地震災區(qū)災情監(jiān)測系統(tǒng)由布設在地面固定災情監(jiān)測點構成的災情綜合監(jiān)測系統(tǒng)以及根據(jù)震情發(fā)展需要、地震預測確定的重點監(jiān)視防御區(qū)等臨時布設的地震流動災測系統(tǒng)組成。所有災情監(jiān)測數(shù)據(jù)都包含監(jiān)測點地理位置定位信息。

（1）監(jiān)測點選址

從效能與成本等多個角度，綜合分析與確定地震災情綜合監(jiān)測站點的選址，監(jiān)測站點布設的基本原則是在保證災情監(jiān)測效能的基礎上，有效降低系統(tǒng)成本，選點原則包括：

地震多發(fā)區(qū)與強震潛在危險區(qū)。綜合考慮區(qū)域震情特點，在地震頻發(fā)、強震危險性高的地區(qū)布設災情監(jiān)測系統(tǒng)，一方面盡可能多地發(fā)揮其防震減災與應急救援的效能，另一方面能夠有效地對系統(tǒng)進行檢驗，積累災區(qū)災情監(jiān)測的經(jīng)驗。

大型及重要建（構）筑物，以及重點生命線工程系統(tǒng)。中強地震發(fā)生后可能造成重大生命財產(chǎn)損失的同時，或對大型及重要建（構）筑物，以及重點生命線工程系統(tǒng)造成嚴重破壞，進而導致城市乃至社會功能的混亂。由于大型及重要建（構）筑物，以及重點生命線工程系統(tǒng)在城市、社會中的重要作用，因此有必要針對部分大型及重要建（構）筑物，以及重點生命線工程系統(tǒng)實施地震災區(qū)災情監(jiān)測。

次生災害多發(fā)區(qū)。地震所引發(fā)的次生災害，如火災、有毒有害物質泄漏、滑坡、泥石流、塌方等，其破壞能力可能甚至遠遠超過地震災害本身，因此需要針對次生災害危險源進行相應災害信息的快速采集。

具體監(jiān)測場點應選擇高層建筑、人口密集區(qū)、機場、車站、水庫、主要交通干線、學校、醫(yī)院等重點目標，以及化工廠、油氣煉化廠等重大危險源地點。

（2）監(jiān)測終端功能

此功能應為具有絕對定位、相對定位和絕對相對混合定位能力的定位終端，能實時監(jiān)測地震危險區(qū)內重點目標建筑物的絕對位移和相對位移，并利用北斗衛(wèi)星的通訊功能實時傳送信息。該監(jiān)測設備集成北斗、GPS、Glonass的定位技術，包括兼容三種技術的定位終端及數(shù)據(jù)處理算法，以達到高精度的要求。對于突發(fā)位錯，能夠自動發(fā)出指令，利用北斗衛(wèi)星的通訊功能，快速將位錯信息傳送給抗震救災指揮部技術系統(tǒng)。建筑物位錯監(jiān)測數(shù)據(jù)可用于分析建筑物的受損程度，為重災區(qū)范圍的快速判定提供依據(jù)。運用該監(jiān)測設備可以在震后0～1小時內獲取地震災區(qū)建筑物的受損信息，快速判斷重災區(qū)范圍。

災情監(jiān)控通信系統(tǒng)

地震災區(qū)災情監(jiān)控系統(tǒng)的通信主要通過運營商的公網(wǎng)以及衛(wèi)星通信網(wǎng)絡實現(xiàn)。為了保障災情數(shù)據(jù)的實時性，所有監(jiān)測數(shù)據(jù)都傳送到國家地震災情監(jiān)測中心（國務院抗震救災指揮部技術系統(tǒng)）和省級地震災情監(jiān)測中心（省級抗震救災指揮部技術系統(tǒng)）。

高精度衛(wèi)星定位建筑物位錯監(jiān)測儀通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)傳送監(jiān)測數(shù)據(jù)。國家地震災情監(jiān)測中心和省級地震災情監(jiān)測中心配置北斗衛(wèi)星接收系統(tǒng)以接收監(jiān)測數(shù)據(jù)。

運行監(jiān)控系統(tǒng)

運行監(jiān)控系統(tǒng)對整個災情監(jiān)測系統(tǒng)各個組成部分運行狀態(tài)進行整體監(jiān)視和控制，對故障進行判別，實現(xiàn)異常告警、故障報警和監(jiān)控結果的展示，維護整個監(jiān)測技術系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、連續(xù)運行。存儲與管理災情監(jiān)控系統(tǒng)基本信息、監(jiān)測點信息、儀器基本信息、觀測環(huán)境基本信息等。監(jiān)控對象包括災情監(jiān)測專業(yè)儀器設備、通用設備、網(wǎng)絡設備、觀測數(shù)據(jù)、觀測環(huán)境和專業(yè)應用等。

運行監(jiān)控系統(tǒng)布設在各省級抗震救災指揮部技術系統(tǒng)中，監(jiān)控信號同時傳送給國務院抗震救災指揮部技術系統(tǒng)。按照應急響應等級的規(guī)定，共享信號、分級管理。

災情監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集交換系統(tǒng)

在國家、省抗震救災指揮部技術系統(tǒng)中建立數(shù)據(jù)匯集交換系統(tǒng)，依據(jù)匯集業(yè)務邏輯實時或準實時匯集地震災情監(jiān)測系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)并存儲（文件存儲和數(shù)據(jù)庫存儲）。解析各類觀測設備的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，依據(jù)規(guī)范形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式與專業(yè)數(shù)據(jù)庫建立鏈接；依據(jù)交換業(yè)務邏輯和交換平臺中間件實現(xiàn)數(shù)據(jù)在地震災情監(jiān)控系統(tǒng)內的實時或準實時的數(shù)據(jù)交換，融合各類需要交換的數(shù)據(jù)格式，與相關應用系統(tǒng)建立聯(lián)接。同時，該系統(tǒng)實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的管理功能，存儲與管理監(jiān)控系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、共享數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)、分析結果數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)等。依據(jù)業(yè)務需要對相關數(shù)據(jù)進行備份，對數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)進行有效管理和安全維護，為業(yè)務應用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務。災情監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

綜合運用高性能計算、GIS以及信息處理等技術，研制地震災情綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，可在震后30分鐘內，宏觀判斷災區(qū)范圍、等級和烈度，得出第一次的烈度估計分布圖。

災情信息可視化顯示系統(tǒng)

在指揮大廳中安裝地震災情信息可視化系統(tǒng)軟件，利用國家和省級抗震救災指揮部技術系統(tǒng)的視頻系統(tǒng)，將生成的地震災情分布圖、災區(qū)現(xiàn)場圖像、災害評估結果等在指揮大廳的大屏幕上顯示，便于指揮人員分析決策。

地震應急與緊急救援輔助決策系統(tǒng)

地震發(fā)生后，依據(jù)災情綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)（含流動災測數(shù)據(jù)）和處理系統(tǒng)產(chǎn)出的實際災情信息數(shù)據(jù)，迅速判斷災害級別、災害影響范圍、重要工程震害、災區(qū)建筑物倒塌、交通破壞狀況等情況，自動生成應急對策，相關救援人員與物資需求情況、疏散示意圖等。

地震災情信息服務系統(tǒng)

地震災情信息服務系統(tǒng)為政府部門、搜索救援機構、相關行業(yè)、社會公眾、重點企業(yè)和重大工程提供災情監(jiān)測數(shù)據(jù)與信息服務。數(shù)據(jù)與信息主要包括：地震災情與次生災情實時數(shù)據(jù)、峰值加速度分布圖、譜烈度分布圖、次生災害災情分布圖、救援重點區(qū)域與重點目標分布圖以及地震災情發(fā)展態(tài)勢圖等。

國家地震災情監(jiān)測中心平臺系統(tǒng)

在國務院抗震救災指揮部技術系統(tǒng)中布設國家地震災情監(jiān)測中心平臺，該平臺配置網(wǎng)絡設備和計算設備，部署和運行地震災情數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、運行監(jiān)控系統(tǒng)、災情信息可視化顯示系統(tǒng)、地震災情快速評估系統(tǒng)、應急輔助決策系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等，為國務院抗震救災指揮部地震應急決策和指揮服務。

結語

基于北斗定位和短報文技術的優(yōu)勢，通過建筑物位錯檢測災情的技術體系，為未來北斗系統(tǒng)的應用和災情的快速獲取提供了一種新思路。雖然從目前的技術現(xiàn)狀看，這一思路是可行的并能夠很快付諸實施，但仍有一些關鍵性的技術環(huán)節(jié)和模型需要解決，如開展地震災區(qū)災情監(jiān)測系統(tǒng)重點監(jiān)測區(qū)域和具體監(jiān)測點的空間選址技術研究，研究建立基于災情監(jiān)測信息的宏觀災情評估方法和模型、救援重點區(qū)域和重點目標確定方法，以及災害發(fā)展態(tài)勢分析與預警技術、應急救援決策技術等。

此外，本文提出的建筑物位錯幅度與受損程度的關系模型，即通過位錯幅度進一步判定建筑物的受損程度是嚴重損毀、部分損毀、輕微損毀等受損狀況，并快速判定災情及災區(qū)范圍，還需要進一步的實驗和經(jīng)驗關系總結來建立。而且，GPS導航定位系統(tǒng)在一定的地理自然環(huán)境下，不能導航定位，如在山區(qū)峽谷，城市中高樓間的狹窄街道等，這是因為可視天區(qū)中的衛(wèi)星數(shù)量少或衛(wèi)星的空間分布呈特殊形狀。應發(fā)展高精度定位監(jiān)測的綜合處理技術，在同等情況下能在常規(guī)技術不能定位的時候仍能定位，在常規(guī)技術定位精度很差的時候能大幅提高定位精度，尤其是在峽谷山坡等特殊地點，如：山區(qū)的滑坡及泥石流監(jiān)測，城市中高樓間的狹窄街道等，為建筑物位錯連續(xù)觀測和大面積布設提供技術保障。