地质力学学报  2012, Vol. 18 Issue (3): 203-212
引用本文
何凯涛, 李志忠, 汪大明. 基于遥感卫星和北斗卫星的野外地质调查服务与管理系统设计综述[J]. 地质力学学报, 2012, 18(3): 203-212.
HE Kai-tao, LI Zhi-zhong, WANG Da-ming. OVERVIEW ON THE DESIGN OF THE SERVICE AND MANAGEMENT SYSTEM FOR FIELD GEOLOGICAL SURVEY BASED ON THE REMOTE SENSING AND BEIDOU SATELLITES[J]. Journal of Geomechanics, 2012, 18(3): 203-212.
基于遥感卫星和北斗卫星的野外地质调查服务与管理系统设计综述
何凯涛1 , 李志忠2 , 汪大明3     
1. 国土资源部, 北京 100812;
2. 中国地质调查局, 北京 100037;
3. 中国国土资源航空物探遥感中心, 北京 100083
摘要:综合应用国产遥感卫星和北斗导航定位卫星技术,研发符合野外工作需求和特点的地质调查服务与管理系统。该系统通过野外调查手持终端实现了对野外地质调查人员的定位跟踪和实时通讯,保障野外人员的生命安全;通过野外工作态势分析、作业路线管理和空间信息展示平台实现了对野外地质调查工作的一张图管理、指挥调度和应急救援。系统针对野外地质调查工作的管理特点,基于网格模式设计,建立了作业管理中心节点、遥感数据服务中心节点、专业应用中心节点、大区中心节点、野外工作站节点及移动节点等6大类节点,除作业管理中心节点及遥感数据服务中心节点唯一外,其余均为多节点设计,并建立了各类节点的建设标准,利于后续推广应用。该系统在提高地质调查业务工作效率、加强野外地质工作安全保障及提高地质工作信息化管理水平方面具有良好的应用前景。
关键词北斗卫星    国产遥感卫星    地质调查    
OVERVIEW ON THE DESIGN OF THE SERVICE AND MANAGEMENT SYSTEM FOR FIELD GEOLOGICAL SURVEY BASED ON THE REMOTE SENSING AND BEIDOU SATELLITES
HE Kai-tao1 , LI Zhi-zhong2 , WANG Da-ming3     
1. Ministry of Land and Resource of the People's Republic of China, Beijing 100812, China;
2. China Geological Survey, Beijing 100037, China;
3. China Aero Geophysical Survey & Remote Sensing Center, Beijing 100083, China
Abstract: In this paper, the service and management system for field geological survey developed by combining domestic remote sensing satellites with Beidou navigation and positioning satellite technology was discussed. Positioning and real-time communication to the personnel in field geological survey can be achieved through the hand-held terminal to guarantee their safety. Management, command and emergency rescue for field geological survey can be accomplished through field survey situation analysis, operation route administration and the spatial information display platform. According to the management characteristics of field geological survey, and based on the grid pattern design, six kinds of nodes were set up including operation management center node, remote sensing data service center node, professional application center node, regional center node, field station node and mobile node. The operation management center node and remote sensing data service center node were unitary, while the others were multi-node design. The construction standards for various types of nodes were established being favor of the promotion and application of the system in future. The system has a good application prospect in improving the efficiency of geological survey, strengthening security of field operators and raising the level of geological information management.
Key words: Beidou satellite    domestic remote sensing satellite    geological survey    
0 引言

在长期的区域地质调查中,我国主要依赖ETM、ASTER、IRS、ALOS、Hyperion等国外卫星数据,而仅将中巴地球资源卫星、环境减灾卫星等国产卫星数据作为补充与候选信息源[1~2]。2008年5—6月进行“汶川地震次生地质灾害卫星遥感应急调查”时几乎全部利用国外的SPOT-5、World View、Quick Bird、IKONOS、F-2、P5、K-2等卫星数据以及高分辨率雷达数据(Terra SAR、Cosmo-Skymed),仅参考了少量CBERS-1等国产卫星数据[3]。另一方面,野外地质调查人员的导航定位也全部采用GPS卫星定位技术。从国家长远战略角度考虑,作为国家的重要行业,其信息数据受制于国外,存在极大的安全隐患。“北斗”系统是中国自主知识产权的导航定位卫星系统,安全、可靠、稳定、保密性强,非常适合地质领域的应用。通过北斗卫星导航系统与移动通讯技术的结合,可以实现地质外业人员天地无缝通讯网络,提高外业人员的人身安全保障[4]

近年来矿产勘查不断向深部、西部、地质条件复杂地区推进[5],对传统的区域地质调查工作模式和技术方法提出了新的挑战。为此,中国地质调查局组织开展了一系列探索研究和试点示范:一方面在技术方法上充分利用遥感技术,提高了区域地质调查工作的效率和质量。比如,利用遥感技术进行青藏高原1:250000区域地质填图,在昆仑、阿尔金和东天山等基岩裸露区开展了遥感技术应用试验,在东北森林和沼泽区、内蒙古草原覆盖区开展了物化遥信息提取和结合浅钻的综合填图方法试验,在安徽庐枞地区成矿带开展了立体地质填图试点,在环渤海、长三角地区和城市群开展了第四系立体填图试点,在大瑞铁路沿线、南水北调西线工程区开展了填图试点,在东昆仑成矿带开展了高光谱矿物蚀变信息提取方法填图试验等[6~10]。另一方面,探索应用数字填图技术成功开发了区域地质调查数字采集系统,实现了区域地质调查野外数据采集、室内整理和成果输出的主流程信息化[11]。目前该系统已广泛应用于区域地质填图工作,对提高地质填图的速度、质量发挥了重要作用。

随着找矿突破战略行动的逐步展开,矿产勘查不断向西部艰险地区、地质条件复杂的地区推进,大量地质调查人员进入艰险的野外一线实施国家基础性、公益性地质调查任务,野外工作人员的生命安全遇到了挑战。考虑到野外环境艰苦、恶劣,危险性大,中国地质调查局在青藏高原设立了拉萨、西宁、格尔木、乌鲁木齐、喀什5个野外工作站,提供野外安全保障和后勤服务,1999—2006年,5个野外工作站实施野外应急救援51次,接待国家公益性调查野外工作团队741个,100022人次。由于野外地质调查工作具有移动性大、单独工作或2~3人一组、分散性强等特点,急需通过高技术手段加强野外地质工作的安全保障措施。

基于我国遥感卫星和北斗卫星的野外地质调查服务与管理系统建设是在国产卫星高技术产业化专项支持下开展的,系统建设的总体目标是:通过对区域地质填图应用中的遥感数据处理、地质信息识别提取、海量基础数据分发、空间信息承载与展示、北斗系统与GPS兼容应用等重大关键共性技术的突破,将野外地质调查工作现代化、精细化、人性化要求与国产卫星的自主性有机结合,建立基于中国自主卫星的野外地质调查业务运行和综合管理服务体系。通过在青藏高原等艰险地区的示范应用,建立双星保障的野外地质调查数字化填图系统和面向野外队员的卫星数据服务、业务保障系统,实现示范区地质调查工作中国产卫星遥感数据的应用率达到或超过60%,在示范区内北斗系统和GPS兼容应用,并在后续全国地质调查工作中逐步以国产卫星取代国外卫星,实现国产数据应用率达到60%~70%的目标。

1 系统架构 1.1 系统总体部署

系统是一个建立在地调专网环境下的网格架构开放式系统,由6大类节点和外业终端组成,能够实现在双星(遥感卫星和北斗导航卫星)支持下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。系统总体部署框架见图 1,层次划分见图 2图 3

图 1 野外地质矿产调查服务与管理系统总体部署 Figure 1 Deployment of the service and management system for field geological minerals survey

图 2 遥感数据服务系统层次划分图 Figure 2 Hierarchical division of the remote sensing data service system

图 3 作业管理系统层次划分图 Figure 3 Hierarchical division of the operation management system

系统运行状态分为常规状态和应急状态。常规状态下遥感服务中心节点获取卫星遥感数据,并生成各种相关产品,通过地调专网推送到相应的前方节点,而后通过有线连接的方式提供给移动驻地节点和外业终端,为野外地质矿产调查提供遥感数据服务。而通过北斗导航卫星组网的作业管理系统则可以为各节点提供所管辖的外业终端及移动驻地的实时位置信息,并可以进行通讯,作业管理中心可以获得所有信息,从而实现态势分析、路线规划等各种作业管理功能。

系统的应急状态又分为两种,一种是野外作业常见应急状态,另一种是重大地质灾害应急状态。野外作业常见应急状态是指外业人员在艰险工作区常碰到的紧急状态,包括:高原反应、动物咬伤、缺粮缺水、迷路、疾病等。这种应急状态下最急需的是跟距离最近的队友、野外驻地或野外工作站取得联系。本系统将通过北斗组网,实现外业终端到外业终端、外业终端到移动驻地、外业终端到野外工作站、外业终端到各个中心节点之间的通讯,保证最邻近资源马上到达应急地点对外业人员进行救助。重大地质灾害应急状态下,系统一方面可以快速获取灾害区遥感影像,进行快速的数据处理,并通过地调专网或VSAT站直接传输至灾害前方,实现遥感数据应急服务;也可以通过VSAT站实时地将灾害地点的视频、音频信息传输回各中心节点;还可以通过北斗卫星实现外业终端到外业终端、外业终端到移动驻地、外业终端到野外工作站、外业终端到各个中心节点之间的通讯。

1.2 网格模式

系统网格构架中的6类节点分别为:遥感数据服务中心节点、作业管理中心节点、专业应用中心节点、大区中心节点、野外工作站节点以及移动节点。

作业管理中心节点能够获取全部的移动驻地和外业终端信息,并可进行态势分析、作业规划、应急通讯等。该节点在整个系统中是单一节点,由中国地质调查局发展研究中心负责建设。此外,该节点还将结合发展中心现有的中国地质调查信息网格,为系统提供基础地质数据服务。

遥感服务中心节点主要负责在整个系统架构下为野外地质矿产调查提供遥感数据服务,实现遥感卫星数据的获取、存储、高级数据产品生成和发布,并建立相应的遥感信息资源,包括基础遥感影像库和专题信息库等。该节点在整个系统中是单一节点,由中国国土资源航空物探遥感中心负责建设。

大区中心节点建设在全国6大区调中心,部署遥感数据服务系统,可以通过有线网络连接获取遥感服务中心节点的遥感卫星数据,并分发给移动驻地或外业人员;同时部署作业管理系统,对该大区中心所属辖区的外业人员进行作业管理。大区中心节点在整个系统中可有多个,本项目中由西安地调中心及武汉地调中心实施建设,总结出建设模式后可推广至其他大区中心。

专业应用中心节点建设在中国地质调查局直属的各个专业应用单位,部署遥感数据服务系统,可以通过有线网络连接获取遥感服务中心节点的遥感卫星数据,并分发给本单位在野外的移动驻地或外业人员;同时部署作业管理系统,对本单位的外业人员进行作业管理。专业应用中心节点在整个系统中也可有多个,本项目中由中国地质科学院地质力学研究所建设,总结出建设模式后可推广至其他单位。

野外工作站节点建设在中国地质调查局在西北地区建立的5个野外工作站,部署作业管理系统,实现对进入该工作区域的外业人员的作业管理。野外工作站节点在整个系统中可有多个,考虑到各个野外工作站的实际情况,本项目暂由西安地调中心代建,总结出建设模式后可推广至各个野外工作站。

此外,系统中还有一类移动节点,包括移动驻地节点和应急通讯指挥车。移动驻地节点由各单位自行配备,具有简单的遥感数据处理设备(外业笔记本),可满足简单的遥感数据服务和处理,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。应急通讯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。

系统还将针对不同的野外工作需求研发不同的外业终端。目前本项目主要研发了2种终端:一个是数字地质填图终端,主要实现传统地质填图功能,并结合北斗卫星实现作业管理功能,由中国地质调查局发展研究中心研发;另一个是地质矿产遥感调查终端,主要实现遥感异常查证、控制点片采集、光谱曲线采集等遥感地质调查功能,并结合北斗卫星实现作业管理功能,由中国国土资源航空物探遥感中心研发。后续还可根据不同业务需求,研制地质灾害调查、水工环调查的各种终端。

1.3 子系统功能设计 1.3.1 遥感卫星数据服务系统

遥感卫星数据服务系统包括遥感数据服务中心版、专业应用中心版、大区中心版和移动驻地版,各版本功能见表 1

表 1 遥感卫星数据服务系统各版本功能 Table 1 Functions of different versions of the remote sensing data service system
1.3.2 作业管理与安全保障系统

作业管理与安全保障系统包括作业管理中心版、专业应用中心版、大区中心版、野外工作站版和移动驻地版,各版本功能见表 2

表 2 作业管理与安全保障系统各版本功能 Table 2 Functions of different versions of the operation management and security guarantee system
1.3.3 外业手持终端系统

用于数字填图野外数据采集的外业手持终端可实现的功能包括:整合显示地理、地质、遥感等多源地学数据,GPS导航与定位,电子罗盘测量,路线地质调查地质点、地质界线、点间分段路线地质(不定长的)数据描述,产状、素描、化石、照片、地球化学数据、重砂、矿点检查等数据采集,路线信手剖面自动生成,实测地质剖面路线、分层、地质描述等。

用于地质矿产遥感调查的外业终端具有遥感影像与矢量数据显示、GPS导航与定位、遥感数据及矢量数据导入导出、添加编辑观察点属性、控制点片采集、北斗通讯、光谱曲线采集、成果数据导出等功能。

2 节点建设 2.1 基础设施建设

遥感数据服务中心节点和作业管理中心节点配备相同的显示系统(大屏幕墙、视频交换矩阵、音响系统、集中控制设备和高速图像拼接处理器等)、存储设备(50 T存储空间)和处理设备(刀片集群服务器1台);其网络环境和机房配套设施也相同,网络环境包括3大部分,一是本节点内网环境,二是地调专网,三是公网(用于接收北斗运营商综合服务平台全数据推送),机房配套设施包括场地空间、空调等;不同之处在于遥感数据服务中心节点配备2台机架式服务器(1台用于部署遥感数据服务系统服务器端,1台用于部署作业管理系统服务器端)和2台图形工作站(分别连接相应服务器操作遥感数据服务系统和作业管理系统),而作业管理中心节点只配备1台机架式服务器(用于部署作业管理系统)和1台图形工作站(连接服务器操作作业管理系统)。

专业应用中心节点和大区中心节点的配置完全相同,显示系统为一般显示终端,存储设备具有10 T存储空间;机架式服务器2台,1台用于部署遥感数据服务系统专业应用中心版,1台用于部署作业管理系统专业应用中心版;操作终端为2台图形工作站,分别连接相应服务器操作遥感数据服务系统和作业管理系统;网络环境包括2大部分,一是本节点内网环境,二是地调专网;机房配套设施包括场地空间、空调等。

野外工作站节点的显示系统也为一般显示终端,存储设备具有1 T存储空间;配备机架式服务器1台,用于部署作业管理系统;操作终端为1台图形工作站,连接服务器操作作业管理系统;网络环境同样包括2大部分(本节点内网环境和地调专网);机房配套设施包括场地空间、空调等。

2.2 应用设备研制和软件系统开发

遥感数据服务中心节点配备北斗中心指挥机1台,可接收1000终端信号,用于接收所有终端信号;普通北斗指挥机1台,可接收100终端信号,用于接收航遥中心外业队伍信号;移动驻地设备5套,每套包括1台北斗车载指挥机(可接收10终端信号)、1台外业车台加固笔记本、VSAT移动端以及相应的电源、帐篷等;手持终端25个,每5个终端与一套移动驻地设备编队,包括数字地质填图、遥感异常查证、控制点片采集、光谱曲线测量、北斗通讯等功能;VSAT站接收端一个,与综合显示系统连接,支持应急状态下的视频、音频传输。软件系统主要包括双星野外地质调查遥感卫星数据服务系统(遥感数据服务中心版)、双星野外地质调查作业管理与安全保障系统(专业应用中心版和野外驻地版)和外业手持终端软件(地质矿产遥感调查终端系统)。

作业管理中心节点部署的软件系统主要包括双星野外地质调查作业管理与安全保障系统(作业管理中心版)。

专业应用中心节点和大区中心节点各配备普通北斗指挥机1台,可接收100终端信号,接收各自所辖外业队伍信号;移动驻地设备5套,每套包括1台北斗车载指挥机(可接收10终端信号)、1台外业车台加固笔记本、VSAT移动端以及相应的电源、帐篷;手持终端25个,每5个终端与一套移动驻地设备编队,包括数字地质填图、遥感异常查证、控制点片采集、光谱曲线测量、北斗通讯等功能。大区中心节点另外配备VSAT站接收端一个,与综合显示系统连接,支持应急状态下的视频、音频传输。

专业应用节点和大区中心节点分别部署各自版本的双星野外地质调查遥感卫星数据服务系统、双星野外地质调查作业管理与安全保障系统和外业手持终端软件(数字填图系统野外数据采集系统和地质矿产遥感调查终端系统)。

野外工作站节点配备普通北斗指挥机1台,可接收100终端信号,接收航遥中心外业队伍信号;应急通讯指挥车1台,用于重大地质灾害时视频、音频传输,以及各种数据和信息传输等。该节点软件系统为作业管理与安全保障系统(野外工作站版)。

2.3 信息资源建设

遥感数据服务中心节点的数据资源包括3个数据库,分别为基础遥感影像库、作业管理库和成果库。基础遥感影像库提供基础遥感影像产品(试验区2400 km2范围内的遥感影像数据)和专题产品(试验区2400 km2范围内可获得的专题产品)。作业管理库及成果库相关表式由航遥中心制定,各单位在系统应用过程中生成。

作业管理中心节点的数据资源为1个业务专题服务库,结合中国地质调查网格提供试验区2400 km2范围内的业务专题数据,包括地形图、地质图等。

专业应用节点的信息资源包括从遥感数据节点和基础地质数据节点获取的各种基础数据和专题信息数据、基于应用需求自行生成的遥感专题数据以及应用过程中生成的作业管理数据和成果数据。

大区中心节点的信息资源包括获取的各种基础数据及专题信息数据、基于应用需求自行生成的遥感专题数据以及应用过程中生成的作业管理数据和成果数据。

野外工作站节的数据资源为应用所需及生成数据和产品,包括应用过程中生成的作业管理数据和成果数据。

3 应用推广前景

野外地质矿产调查服务与管理系统的建立与应用为传统的野外地质调查工作带来极大便利。通过应用该系统,外业人员可以很方便地进行野外导航与定位,并且其所属单位及大区能及时了解野外队所处地点,这为野外紧急救援提供方便,同时也便于上级单位对野外队的管理。该系统支持视频通话,由此可以请专家帮助解决一些野外作业中遇到的专业问题。另外,野外作业人员之间也可以通过该系统进行信息交流,方便野外工作更快更好地开展。

该系统的应用使野外数据传输更加便捷,外业人员可以通过技术平台查找所在地区的遥感影像资料、地形图资料及前期遥感解译资料,并把最新的野外成果上传至工作站及专业应用单位。该系统手持终端集成了遥感数据加载功能,为野外定位及查找遥感异常点提供了方便;其遥感影像裁切功能也有助于遥感影像标志的建立;而其野外点记录相关功能可以代替传统的野外记录簿,并与其他设备(如光谱仪)关联,便于野外资料整理及查找。

野外地质矿产调查服务与管理系统是中国地质调查局信息化建设的重要组成部分,其在全国的推广应用也将彻底改变传统的野外工作方法,并大大提高工作效率及野外工作安全系数。国土资源航空物探遥感中心为其运行服务中心和遥感数据存储节点,发展中心部署作业管理系统,都为单一节点,不具有推广意义。但专业应用节点、大区中心节点、大区属应用单位节点及野外工作站等4类节点都为多节点,适于向全国推广。因此,该系统研建试点成功后相关数据资源来源有保障,并且在全国地调系统逐步推广后也将逐渐完善。

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