北斗系统在地震灾情监测中的应用探讨

北斗系统在地震灾情监测中的应用探讨
作者：张凌李亦纲聂高众王建军
来源：《城市与减灾》 2014年第1期
我国是强震多发的国家之一，重特大地震灾害往往造成灾区电力、通信与交通中断，外界
因无法及时获取准确具体的灾情信息而影响救援。

“北斗系统在地震灾情监测中的应用”研究，运用北斗定位和短报文技术优势，探索建立地震灾情监控系统技术，将为震后0?1 小时获取灾
情信息提供有效的技术支撑。

中国地震应急搜救中心张凌李亦纲
中国地震局地质研究所聂高众
中国地震局地壳应力研究所王建军
研究背景
地震发生后，震后0?1 小时内获取灾区基本、准确、具体的灾情信息是国务院和省级抗震
救灾指挥部在第一时间科学决策、部署地震应急救援工作的基础。

近年来，在日本、海地、印尼、台湾等国家和地区发生的重特大地震灾害的应急救援中，都发生了政府组织应急救援救助
行动迟缓，引起灾区群众强烈不满，造成执政党和政府信任危机。

主要原因是政府未能及时掌
握灾区信息，对灾情评估不准，未能迅速有效地对地震重灾区实施全面救援，未能采取科学有
效措施，防止地震次生灾害蔓延。

2008 年汶川特大地震救灾过程中，正是由于对灾区的情况不明，导致无法及时有效地开展救援工作。

而2010 年玉树地震由于在震后4～6 小时内基本把握了灾情规模，使得救援行动迅速，队伍调度及时，救灾成果卓著。

汶川地震惨痛的教训告诉我们，研究针对大震巨灾的现场
灾情获取技术、可靠的灾情传输技术，在潜在地震危险区建立地震灾情监控系统，有利于国家
和各级人民政府从宏观上及时把握较为准确的灾情信息，合理调配救援力量快速有效地开展救援，最大程度地减轻人员伤亡，提高救灾行动的成效和效率，对大震巨灾应急救援科学决策具
有重大的实用价值与战略意义。

随着城市化进程的日益加快，在各类自然灾害中，地震成为城市社区、大型及重要建（构）筑物，以及各类生命线工程的重大威胁。

这种威胁不仅体现在地震给城市社区、大型及重要建（构）筑物，以及各类生命线工程系统可能造成的严重破坏，而且还体现在生命线工程系统的
功能丧失、引发火灾、有毒有害物质泄漏等一系列重大的次生灾害，同时还包括滑坡、崩塌、
泥石流、堰塞湖等其他巨大的次生灾害。

因此，迫切需要在加强地震灾害防范力度的同时，提
高地震现场灾情、次生灾情以及衍生灾情的监测水平，以求最大限度地减轻灾害可能造成的人
员伤亡和经济损失。

目前，我国在震后0?72 小时黄金救灾时段内的灾情获取能力较弱，严重制约了抗震救灾
工作的快速部署和展开，特别是震后0?1 小时灾情获取能力和服务能力的缺失，使应急响应速度、救灾决策的科学性和救援队伍的救援效率受到较大影响。

造成目前灾情获取能力低下的主
要原因是：在地震的突发性强、灾区电力、通信与交通发生中断的情况下，缺乏有效的技术手
段快速、准确获取地震灾情信息。

大地震之后，卫星、航空等手段获取灾情影像的时效性均不
能满足震后0?1、1?2、2?4 小时应急期的需求，到目前为止，还没有一种有效的技术手段快速
获取灾区的灾情信息。

近年来国内外不少学者致力于地震灾情获取方面的研究，提出了一些新方法，也取得了一
定的成果。

Altan O. 采用CCD 摄像机采集地震现场的图像信息，并通过摄影测量的方法获得
准确的地震现场灾情信息，并与GIS 相结合建立了基于现场图像的灾情信息平台。

KuwataY.
提出了一种由数据采集、数据分析、决策支持，以及协调与控制四个部分构成的灾情应急系统，构建了应急救援过程的模型，实现了灾情信息的共享。

曲国胜分析了灾情信息快速获取的重要
作用，研究了卫星定位导航技术在地震应急搜救的信息快速获取、应急响应、救援决策、指挥、搜索与营救等救援行动整个过程中的具体应用。

莫善军分析了地震信息获取方面存在的一些问题，阐述了地震现场灾情信息分类，同时就其收集反馈途径和集成技术实现进行了研究。

上述
方法与手段，仅从地震现场的灾情出发，在次生灾害监测方面存在缺憾。

北斗卫星定位系统介绍
北斗卫星定位导航系统是我国独立研发建设的卫星定位导航系统，采用双星有源导航定位
体制，可以全天候、全天时提供区域卫星定位导航信息。

服务范围包括中国大陆、台湾、南沙
及其他岛屿、中国海、日本海、太平洋部分海域及我国部分周边地区。

系统的主要功能体现在
以下三个方面：一是定位。

快速确定用户所在地的地理位置，向用户及主管部门提供导航信息。

二是通讯。

用户之间、用户与中心控制系统之间均可实现双向简短数字报文通信，用户可以一
次传送多达120 个汉字的短报文信息。

三是授时。

中心控制系统定时播发授时信息，为定时用
户提供时延修正值，同时还可向用户提供20?100 ns（纳秒）时间同步精度。

根据应用环境和
功能的不同点，北斗系统的用户机可划分成基本型、通信型、授时型、指挥型和多模型5 类，
可满足不同类型用户的需求。

北斗卫星定位导航系统具有以下几种应用模式：小型集团监控应用、大型集团监控应用、自主导航应用、通信应用和授时应用等，可广泛应用于船舶运输、公
路交通、铁路运输、海上作业、渔业生产、水文测报、森林防火、环境监测等众多行业。

随着“北斗二号”计划的逐步实现，其应用地域和领域都将进一步拓宽。

美国的GPS 是最早提供定位服务的全球系统，并已经广泛应用于国民经济建设中；俄罗斯
的Glonass 定位系统也已经成军并可以提供类似于GPS 但精度略低的服务；中国的北斗系统，虽然起步较晚，但目前正应用于国民经济的各个领域，并提供了独特的通讯服务。

全球卫星定
位系统在我国已有广泛的应用，由于受到定位精度的限制，主要应用在定位及导航方面；而专
业的高精度的GPS 对地观测系统由于设备昂贵及数据应用保密等原因，难于对普通建筑物位错
监测进行大面积布设。

而应用北斗卫星系统高精度定位和短报文通信功能，研制卫星定位建筑
物位错监测仪，将可对震后建筑物受损状况实现自动监测，为震后0～1 小时获取地震灾情提
供有效的技术手段。

基于北斗的灾情监控系统设想
基于北斗的灾情监控系统主要应由地震灾区灾情监测终端（含灾情综合监测终端和流动灾
测终端）、灾情监控通讯系统、运行监控系统、灾情数据汇集交换系统、灾情数据处理系统、
灾情信息可视化显示系统、地震应急与紧急救援辅助决策系统、地震灾情信息服务系统、数据
库系统以及国家地震灾情监测中心、地震紧急救援灾情信息服务中心和省级地震灾情监测中心
系统平台构成（图1）。

灾情监测系统获取的监测数据通过不同通信方式传送到省级地震灾情监测中心、国家地震
灾情监测中心、地震紧急救援灾情信息服务中心并进入数据库，然后通过指挥部的专用通信网
关进入指挥部技术系统；由灾情数据处理系统实时处理生成相关的灾情信息分布图；由灾情信
息可视化显示系统在国务院抗震救灾指挥部技术系统、省级抗震救灾指挥部技术系统大屏幕显
示灾情信息图件；由地震灾情快速评估系统对地震灾情进行快速评估；由应急与救援辅助决策
系统进行抗震救灾与紧急救援指挥决策。

通过这套监控系统，国务院抗震救灾指挥部技术系统、省级抗震救灾指挥部技术系统能在震后0～1 小时内获取灾区基本准确的具体灾情信息。

地震灾情监测终端
地震灾区灾情监测系统由布设在地面固定灾情监测点构成的灾情综合监测系统以及根据震
情发展需要、地震预测确定的重点监视防御区等临时布设的地震流动灾测系统组成。

所有灾情
监测数据都包含监测点地理位置定位信息。

（1）监测点选址
从效能与成本等多个角度，综合分析与确定地震灾情综合监测站点的选址，监测站点布设
的基本原则是在保证灾情监测效能的基础上，有效降低系统成本，选点原则包括：
地震多发区与强震潜在危险区。

综合考虑区域震情特点，在地震频发、强震危险性高的地
区布设灾情监测系统，一方面尽可能多地发挥其防震减灾与应急救援的效能，另一方面能够有
效地对系统进行检验，积累灾区灾情监测的经验。

大型及重要建（构）筑物，以及重点生命线工程系统。

中强地震发生后可能造成重大生命
财产损失的同时，或对大型及重要建（构）筑物，以及重点生命线工程系统造成严重破坏，进
而导致城市乃至社会功能的混乱。

由于大型及重要建（构）筑物，以及重点生命线工程系统在
城市、社会中的重要作用，因此有必要针对部分大型及重要建（构）筑物，以及重点生命线工
程系统实施地震灾区灾情监测。

次生灾害多发区。

地震所引发的次生灾害，如火灾、有毒有害物质泄漏、滑坡、泥石流、
塌方等，其破坏能力可能甚至远远超过地震灾害本身，因此需要针对次生灾害危险源进行相应
灾害信息的快速采集。

具体监测场点应选择高层建筑、人口密集区、机场、车站、水库、主要交通干线、学校、
医院等重点目标，以及化工厂、油气炼化厂等重大危险源地点。

（2）监测终端功能
此功能应为具有绝对定位、相对定位和绝对相对混合定位能力的定位终端，能实时监测地
震危险区内重点目标建筑物的绝对位移和相对位移，并利用北斗卫星的通讯功能实时传送信息。

该监测设备集成北斗、GPS、Glonass 的定位技术，包括兼容三种技术的定位终端及数据处理算法，以达到高精度的要求。

对于突发位错，能够自动发出指令，利用北斗卫星的通讯功能，快速将位错信息传送给抗震救灾指挥部技术系统。

建筑物位错监测数据可用于分析建筑物的受损程度，为重灾区范围的快速判定提供依据。

运用该监测设备可以在震后0～1小时内获取地震灾区建筑物的受损信息，快速判断重灾区范围。

灾情监控通信系统
地震灾区灾情监控系统的通信主要通过运营商的公网以及卫星通信网络实现。

为了保障灾情数据的实时性，所有监测数据都传送到国家地震灾情监测中心（国务院抗震救灾指挥部技术系统）和省级地震灾情监测中心（省级抗震救灾指挥部技术系统）。

高精度卫星定位建筑物位错监测仪通过北斗卫星系统传送监测数据。

国家地震灾情监测中心和省级地震灾情监测中心配置北斗卫星接收系统以接收监测数据。

运行监控系统
运行监控系统对整个灾情监测系统各个组成部分运行状态进行整体监视和控制，对故障进行判别，实现异常告警、故障报警和监控结果的展示，维护整个监测技术系统的安全、稳定、连续运行。

存储与管理灾情监控系统基本信息、监测点信息、仪器基本信息、观测环境基本信息等。

监控对象包括灾情监测专业仪器设备、通用设备、网络设备、观测数据、观测环境和专业应用等。

运行监控系统布设在各省级抗震救灾指挥部技术系统中，监控信号同时传送给国务院抗震救灾指挥部技术系统。

按照应急响应等级的规定，共享信号、分级管理。

灾情监测数据汇集交换系统
在国家、省抗震救灾指挥部技术系统中建立数据汇集交换系统，依据汇集业务逻辑实时或准实时汇集地震灾情监测系统的观测数据并存储（文件存储和数据库存储）。

解析各类观测设备的通信协议和数据格式，依据规范形成统一的数据格式与专业数据库建立链接；依据交换业务逻辑和交换平台中间件实现数据在地震灾情监控系统内的实时或准实时的数据交换，融合各类需要交换的数据格式，与相关应用系统建立联接。

同时，该系统实现所有数据的管理功能，存储与管理监控系统的观测数据、产品数据、共享数据、监控数据、分析结果数据、参数数据和元数据等。

依据业务需要对相关数据进行备份，对数据层数据进行有效管理和安全维护，为业务应用提供统一的数据服务。

灾情监测数据处理系统
综合运用高性能计算、GIS 以及信息处理等技术，研制地震灾情综合监测数据处理系统。

利用该系统，可在震后30 分钟内，宏观判断灾区范围、等级和烈度，得出第一次的烈度估计分布图。

灾情信息可视化显示系统
在指挥大厅中安装地震灾情信息可视化系统软件，利用国家和省级抗震救灾指挥部技术系统的视频系统，将生成的地震灾情分布图、灾区现场图像、灾害评估结果等在指挥大厅的大屏幕上显示，便于指挥人员分析决策。

地震应急与紧急救援辅助决策系统
地震发生后，依据灾情综合监测数据（含流动灾测数据）和处理系统产出的实际灾情信息
数据，迅速判断灾害级别、灾害影响范围、重要工程震害、灾区建筑物倒塌、交通破坏状况等
情况，自动生成应急对策，相关救援人员与物资需求情况、疏散示意图等。

地震灾情信息服务系统
地震灾情信息服务系统为政府部门、搜索救援机构、相关行业、社会公众、重点企业和重
大工程提供灾情监测数据与信息服务。

数据与信息主要包括：地震灾情与次生灾情实时数据、
峰值加速度分布图、谱烈度分布图、次生灾害灾情分布图、救援重点区域与重点目标分布图以
及地震灾情发展态势图等。

国家地震灾情监测中心平台系统
在国务院抗震救灾指挥部技术系统中布设国家地震灾情监测中心平台，该平台配置网络设
备和计算设备，部署和运行地震灾情数据处理系统、运行监控系统、灾情信息可视化显示系统、地震灾情快速评估系统、应急辅助决策系统和数据库系统等，为国务院抗震救灾指挥部地震应
急决策和指挥服务。

结语
基于北斗定位和短报文技术的优势，通过建筑物位错检测灾情的技术体系，为未来北斗系
统的应用和灾情的快速获取提供了一种新思路。

虽然从目前的技术现状看，这一思路是可行的
并能够很快付诸实施，但仍有一些关键性的技术环节和模型需要解决，如开展地震灾区灾情监
测系统重点监测区域和具体监测点的空间选址技术研究，研究建立基于灾情监测信息的宏观灾
情评估方法和模型、救援重点区域和重点目标确定方法，以及灾害发展态势分析与预警技术、
应急救援决策技术等。

此外，本文提出的建筑物位错幅度与受损程度的关系模型，即通过位错幅度进一步判定建
筑物的受损程度是严重损毁、部分损毁、轻微损毁等受损状况，并快速判定灾情及灾区范围，
还需要进一步的实验和经验关系总结来建立。

而且，GPS 导航定位系统在一定的地理自然环境下，不能导航定位，如在山区峡谷，城市中高楼间的狭窄街道等，这是因为可视天区中的卫星
数量少或卫星的空间分布呈特殊形状。

应发展高精度定位监测的综合处理技术，在同等情况下
能在常规技术不能定位的时候仍能定位，在常规技术定位精度很差的时候能大幅提高定位精度，尤其是在峡谷山坡等特殊地点，如：山区的滑坡及泥石流监测，城市中高楼间的狭窄街道等，
为建筑物位错连续观测和大面积布设提供技术保障。