自然灾害监测体系研究

自然灾害监测体系研究:重大自然灾害监测评估问题与对策

1自然灾害监测评估对空间数据的需求

1.1自然灾害监测评估技术框架

大多数情况下，自然灾害不以单一灾种出现，往往会以灾害链的形式存在，一种自然灾害会引发一系列的次生灾害现象，形成灾害链。常见的灾害链有4种，即台风-暴雨灾害链、寒潮灾害链、干旱灾害链和地震灾害链（史培军，2002），因此，对致灾因子的监测需要结合灾害链形成演化的特点，对致灾因子的强度、频率、持续时间、区域范围、起始速度、空间扩展、重现期等指标进行监测。承灾体包括自然资源和社会资源，监测的目的是对人类、财产、资源等脆弱性进行评估评价。灾情监测指标包括生命线、生产线、城乡住房、基础设施和生态环境等损失破环情况，为人员受灾情况和灾害直接经济损失、灾害社会影响评估提供空间信息支撑。在以上基础上，利用数据处理、信息挖掘、灾害模拟与仿真、灾害应急监测、空间数据管理和智能决策等技术，通过集成转化空间数据应用处理和服务的先进成果，围绕防灾、抗灾、救灾不同阶段的需求，开展自然灾害风险评估、自然灾害灾情评估、恢复重建规划与评估，开展灾害信息服务和决策支持。

1.2自然灾害监测评估与空间数据需求

传统的地面监测在时效性和覆盖面上局限性比较大，目前，卫星遥感、航空遥感技术已经进入一个能动态、快速、多平台、多时相、高分辨率地提供对地观测数据的新阶段。随着遥感技术在重大自然灾害领域的应用深度不断扩大和延伸，灾害管理对空间技术应用的需求也日益迫切。从灾害管理周期角度分析，在灾害预警与风险评估阶段，利用空间数据可以实现大范围的灾害普查，以及对孕灾环境、致灾因子、承灾体等灾害背景信息的提取与分析，开展灾害脆弱性评估评价，从而对灾害发生的风险等级、灾害高风险区进行划分与评估，为减灾措施的制定提供依据；在灾害应急响应阶段，利用空间数据可以实现对灾情信息的动态监测与评估，为开展必要的灾害应急救助、灾害监测、综合评估，以及次生灾害的风险预警提供重要的空间信息决策依据；在灾后恢复重建，以及减灾阶段，空间数据能够支持灾区恢复重建规划编制，并对恢复重建的进度、效益、质量进行动态的监测评估，为恢复重建，以及减灾设施建设的监督提供准确的决策依据。以2013年4月20日发生的四川省芦山“4.20”7.0级强烈地震为例，空间信息技术在减灾救灾中发挥了不可替代的作用。地震发生后，由于地震造成灾区交通和通讯中断，灾害管理部门迫切需要及时了解地震灾区的受灾情况，为灾害应急救助工作提供直接的决策依据。在地震灾害应急响应阶段，需要开展灾害应急救助、灾害信息监测、灾情综合评估、次生灾害风险预警等工作，包括卫星、有人飞机、无人机在内的航空遥感系统，及时地获取到了地震灾区的灾情信息，为各项减灾救灾工作的顺利开展，提供了客观、科学、准确的决策信息依据。图2所示为利用重大自然灾害无人机合作机制获取的高分辨率无人机影像制作的灾后雅安市芦县宝盛乡房屋倒损、滑坡崩塌、道路损毁的监测评估图。

2空间数据资源分析

2.1国外遥感卫星的发展

自从20世纪60年代人类进入太空时代以来，卫星遥感就成为观察、分析、描述所居住地球环境的行之有效的手段。21世纪，随着卫星遥感技术的发展和日益广泛的应用，越来越多的国家进入民用卫星研制和运行的行列。据不完全统计，仅2006~2008年，全球已经发射或计划发射新的民用航天遥感卫星系统就有18个，其中包括新一代高分辨率卫星，这一领域的国际竞争与合作都在加强。由于空间技术得到世界各国的重视，全球主要发达和发展中国家均发展了各自的遥感卫星系列。目前，卫星遥感技术的发展整体上呈现三大趋势：一是卫星系统由单一系列向星座组网发展，提高重访周期和综合观察能力；二是卫星传感器由中高分辨率向高分辨率延伸，由单一角度观测向多角度和立体测量跨越，由空间维向光谱维拓宽；三是卫星定位精度不断提高，遥感应用由定性向精确定量化发展。

2.2中国遥感卫星的发展

中国作为自然灾害种类较多、发生频繁的国家之一，遥感技术已经在防灾减灾中发挥着重要的作用。为加强我国自然灾害监测预警能力，提高自然灾害风险管理、应急管理和综合评估水平，在不断完善自然灾害监测站网、灾情上报和统计核查系统建设的同时，更加重视对地观测技术在国家防灾减灾中的科学、技术和应用能力建设，目前已经初步形成了由环境与灾害监测预报小卫星星座、气象卫星、海洋卫星、资源卫星和航空遥感系统等构成自然灾害空间基础设施并建成了相应的业务应用系统，在应对近些年来国内外发生的多场重大自然灾害中发挥了不可替代的重要作用。

2.3防灾减灾空间数据资源分析

理论上，任何一个遥感卫星系统都可以用于防灾减灾工作，能够为防灾减灾提供服务的主要遥感卫星系统包括光学遥感、微波遥感等几种卫星系统。目前，国内外在轨运行的遥感卫星包括高、中、低轨卫星系列(星座)，最高空间分辨率达到0.41m，最短重访周期达0.5d，可以用于灾害发生地区的灾情快速、精确提取和科学评估。国内外在轨主要微波遥感卫星覆盖了X，C，L，S等频率的多种极化模式，可以用于多云多雨多雾地区的快速成像、地面目标识别和灾情损失评估等。航空遥感能以较短的反应时间对特定区域进行大范围多次重复观测，提供高时间、高空间、高光谱分辨率的遥感数据。在2008年汶川地震、2010年玉树地震和舟曲特大山洪泥石流灾害、2011年云南盈江县地震、2012年的云南彝良地震及2013年的四川省芦山“4.20”7.0级强烈地震中，民政部国家减灾中心利用最高分辨率达0.1m的航空影像对灾区的灾害范围、基础设施实物量、直接经济损失进行了精细评估，对交通线拥堵、堰塞湖、滑坡泥石流、居民安置点分布与规划、房屋恢复重建等情况进行了监测评估。

3重大自然灾害监测评估的空间数据共享存在的问题

空间技术减灾涉及空间数据的获取、传输、管理、应用和服务等多个环节，空间数据获取是前提，交换共享是保障，海量数据智能管理是基础，集成应用是核心，信息服务是目标。事实上，我国空间基础设施及其空间数据资源分布在多个不同的部门，由于体制机制等多种原因造成空间数据共享不畅，重大自然灾害应急协同意识不强，使得空间数据的优势在提升国家防灾减灾能力过程中不能得到充分发挥。

3.1空间数据获取缺乏统筹协调

我国空间基础设施及其空间数据资源分布在多个不同的部门，在自然灾害发生时，尤其是在重特大自然灾害发生时，各部门均能够在灾害发生后第一时间充分发挥自身的优势和能力，组织协调所拥有的空间数据获取资源，对受灾地区进行应急观测，快速获取灾区空间数据。但是由于缺少以灾情和救灾工作为整体需求的国家空间数据应急获取任务的统筹规划与协调，各部门所制定的应急观测任务存在大量冗余，导致应急获取得到的卫星遥感和航空遥感数据在空间和时间覆盖完备性上存在严重不足，一些灾区被大量重复观测，一些灾区则缺少必要的应急观测数据，同时观测时间上也难以保证必要的持续性、连贯性，不能满足灾害全面系统评估在空间维度上灾区范围全覆盖和时间维度上灾害过程关键时段数据获取的基本需求。

3.2空间数据共享缺乏机制保障

我国空间数据的获取和生产正在大规模开展，国家、部门、地方和单位每天都在获取和生产大量的空间数据和专题应用产品，全国已经建成多个大型空间数据库。由于体制机制、部门利益、狭隘的政绩观、安全保密考虑和缺乏组织协调等多种原因，目前大多是各自为战，许多数据库只是限于本部门、本单位使用，重大自然灾害监测与评估空间数据共享机制建设尚未形成，更难以达到多个系统之间的业务协同，导致一方面空间数据资源严重不足，难以满足实际需要，另一方面重复建设现象严重，有限的空间数据资源大量闲置，不能得到充分利用，限制发挥其应有的作用。于是，一个值得注意的现象是在重大自然灾害发生时，会出现多个部门根据自身所掌握的空间数据生产出的大量信息产品，基本上是互相模仿、低水平重复和灾区的局部信息反映，难以生产出具有综合性、全面性和针对性的能够体现高水平的专题信息产品。同时，空间数据共享机制建设和运行存在重灾时轻平时、重大灾轻小灾的现状，严重地影响了包括灾害科学研究在内的综合减灾能力的提升。

3.3空间数据共享缺乏技术系统支撑

空间数据共享技术系统是指在计算机网络环境下建立的用于空间数据接入、传输、交换、共享的分布式技术系统，横向将同一层级的相关部门数据获取与共享系统互联，纵向实现国家到地方与部门业务相关的多层级数据获取、分发和服务系统互通。空间数据共享需要技术系统作为支撑保障，然而，在国家防灾减灾领域这样的技术系统尚未形成，主要体现在跨部门的数据共享缺乏长效稳定的数据共享链路，特别是军民数据共享链路缺乏技术支撑，在应对重大自然灾害时，在已经建立的共享联络机制保障下，部门间数据共享交换仍以不同存储介质通过人员运送进行，工作量大，时效性差。跨部门、跨层级的空间数据共享平台尚未建立，尽管已经建立了多个与防灾减灾相关的技术支撑系统，相互之间从数据共享标准体系、技术接口、交换共享协议和系统间的连通性均存在较大差距，形成了一个个的封闭孤立技术系统，导致综合利用多源空间数据开展应急处置任务反应速度慢，多系统的整体效益低下，严重地制约了空间数据的共享乃至防灾减灾工作有效的信息支撑保障。因此，迫切需要建立天地一体化的端到端的“一站式”防灾减灾空间数据共享网络和技术平台，以满足减灾与应急工作的需求。

3.4空间数据应用缺乏相互协同支持

防灾减灾领域空间数据应用需要在深入分析空间信息产品与服务需求的基础上，建立产品与服务体系，根据各部门在灾害管理中的职能定位，确定空间信息产品研制、生产和服务的任务分工，建立数据链、信息链和产品链，实现部门间相互支持、协同服务的工作模式。然而，这种工作模式的建立已经在专家层面上有所研究和呼吁，但尚未在工作中实现，这也是造成空间信息服务低水平重复和服务不充分并存的主要原因之一。在《国家综合防灾减灾规划(2011~2015年)》中提出了实施“国家综合减灾与风险管理信息化建设工程”，正是基于这种现状，计划利用信息化手段和多种基础信息资源，建立灾害管理及空间数据减灾应用“系统的系统”和业务协同机制，加强空间数据集成应用能力，实现相关部门之间涉灾业务协同、资源共享和规模化应用，提升自然灾害信息获取、分析、研判、决策能力。

3.5空间数据共享缺乏统一标准规范

标准规范是空间数据共享和协同应用的软环境保障。在基础类标准规范中，目前只有“地球空间数据交换格式”成为国家标准，但缺乏相应的软件工具，国内使用还不普遍。一些重要的数据标准，如空间元数据标准、空间元数据系统运行规范、空间数据共享模型等还停留在方案设计阶段，与真正成为国家标准还有相当大的距离；一些重要的基础性标准，如空间信息系统软件功能标准、空间数据传送协议、空间互操作协议、空间信息查询与服务标准等尚未开始研究。在应用类标准规范中，尚未建立一个行业的空间信息系统技术规范或标准。在行业和工程标准规范中，也没有建立空间信息系统软件质量标准、空间信息应用工程质量标准、工程承担单位资质论证标准、建设标准等。

4解决途径

4.1加强重大自然灾害空间数据共享统筹协调

为加强空间数据共享，促进重大自然灾害应对空间信息服务能力，需要在不断完善国家综合防灾减灾管理体制的基础上，围绕各类自然灾害和灾害管理全过程信息支撑的重大需求，加强国家空间数据资源的顶层设计和统筹规划，建立健全防灾减灾空间数据获取与共享机制，不断强化统筹协调力度，明确和细化空间数据共享和应用各节点责任，固化和发展与国家防灾减灾工作机制相配套的空间数据共享运行流程和程序，确保机制落到实处。防灾减灾空间数据获取与共享机制建设需要与时俱进和不断优化，需要加强防灾减灾领域空间数据获取与服务全社会有序参与的社会动员能力，需要健全部门之间、区域之间、政府和企业之间的协调联动，最大限度避免以往一些机制存在的对接不畅、运行效率不高等问题。需要建立空间技术应对重大自然灾害应急预案，空间数据获取、共享和应用的各关联单位建立应急预案和响应工作规程，注重应急预案可操作性和可应用性，注重各级预案有效衔接，形成应急预案体系并定期开展演练，充分发挥各方力量，提高重大自然灾害应急工作效果。

4.2加强重大自然灾害空间数据基础设施建设

充分利用互联网和国家电子政务网络，加强重大自然灾害空间数据开放共享信息化建设，逐步实现安全互联互通、资源共享公用和业务协同，深化空间数据信息资源的开发利用。充分利用国家正在建设的人口信息资源库、法人单位信息资源库、空间地理信息资源库、宏观经济信息资源库和文化信息资源库等，面向防灾减灾业务要求，加强空间数据与它们之间的集成应用、融合应用和综合应用，发展面向防灾减灾应用的空间分析模型库、方法库和决策支持系统，形成一批防灾减灾空间数据共享应用信息系统和业务支撑系统，实现跨部门、跨区域、跨层级防灾减灾信息系统的协同互动和资源共享，提高对我国大城市、城市群、人口密集区和经济核心区的灾害风险调查与评估能力，提高城乡区域和基层社区的空间信息服务能力，提高重大自然灾害的综合防范和应对能力，提升应急救灾信息预测预警通报、综合分析研判和决策指挥支持能力。加强自然灾害空间数据信息基础设施建设，加强对地观测系统的天地统筹、地面应用系统统筹，全面提升我国卫星遥感和航空遥感数据资源的自主保障能力。完善自然灾害“天、地、现场”一体化立体监测体系，提高综合观测、高分辨率观测、应急观测能力，逐步建成国家统一的卫星遥感数据接收和处理系统，构建物理分散、逻辑集中、共享开放的遥感数据中心和共享服务平台。加强卫星遥感、通信广播和导航定位基础设施融合，提高信息传输与服务能力，纵向上实现多级平台互联互通与协同服务，横向上连通各类用户，实现便捷、及时的一站式空间数据共享服务。健全技术体系，完善服务能力，实现全天候、全天时、全球范围的灾害监测业务运行系统，形成为防灾减灾公共服务提供标准化、规模化和可持续更新的空间信息产品与服务体系，提高跨部门协同的高层次空间数据综合应用服务水平。同时，要积极建立和利用空间技术减灾领域的各种国际合作机制，拓宽空间数据资源获取渠道，在重大自然灾害应急情况下共享尽可能多的实时卫星数据。

4.3加强重大自然灾害空间数据共享软环境建设

目前，国家在空间数据信息共享方面的法律法规建设相对滞后，法律法规体系不完备，关于对地观测数据采集、共享、应用等方面的立法工作仍处于研究论证阶段，需要从国家战略高度，根据空间基础设施持续发展和空间数据开放共享的需要，建立适合我国国情的法律法规体系，完善和制定单项法律法规。在防灾减灾领域现行的相关法律法规基本上都是由各部委牵头制订的单灾种法律法规，相关法律法规的衔接性较差，需要建立一部“总揽全局、立足综合”的综合减灾基本法，并将空间数据获取与共享的相关规定纳入其范畴。在空间数据共享政策方面，需要加强对空间数据共享过程中产权保护的政策创制，提高全社会对空间数据资源及其产品著作权的保护意识，明确空间数据信息的产权归属、产权的具体内容、信息共享中的产权定位，以及产权转让过程中的保密要求，防止出现盗版行为，保障空间数据获取、生产和增值服务投资方获得经济效益和社会效益的权益。按照我国的著作权法，空间数据信息产品中存在的著作权包括发表权、署名权、修改权、保护作品完整权、复制权、发行权、出租权、展览权、表演权、放映权、广播权、信息网络传播权、摄制权、改编权、翻译权、汇编权和应当由著作权人享有的其他权利。在数据政策方面，需要在平等无歧视原则下，制定关于空间数据获取、原始数据共享、国产卫星数据推广、产品分类分级、增值产品服务、数据存档、数据记录、数据检索、数据保密、数据分发、数据共享、数据版权和许可、国际服务等方面的政策，并规定在重大自然灾害事件应急期间，空间数据获取管理单位应该根据国家应急工作实际需要，根据应急等级确定优先目标区域，在保证时间指标和质量指标的前提下开展空间数据共享服务。

在防灾减灾领域空间数据共享标准规范体系方面，需要加快多层次、多专题的数据与服务标准规范制定和完善，从国家层面强化部门、领域空间数据的标准化，建立空间数据标准产品、灾害监测信息产品和灾害预报预警、模拟仿真、评估评价等专题产品，以及资源共享、互联互通、数据整合、网络集成应用等构成的防灾减灾标准规范体系，统一各级空间数据及其减灾专题产品的时空基准、信息编码、数据网络交换协议和元数据标准，既要重视分类建立，也要重视综合集成，形成行业标准和国家标准，与国际标准接轨，促进防灾减灾领域空间数据共享、联动更新、应用集成和协同服务体制机制建设，保障防灾减灾领域空间数据资源开发利用和跨部门、跨地区网络化信息系统的建设与运行。同时，加强防灾减灾领域空间技术应用的人才培养、专业队伍和机构建设，加强专业教育与科学普及、知识评估和知识更新并使之常态化、机制化，也是重大自然灾害空间数据共享软环境建设的重要组成部分。

5结论和讨论

我国建立空间数据资源共享在标准、政策与立法方面还存在许多待解决的问题。需要完善和明确国家减灾空间数据信息共享的指导方针，建立相应的政策体系和法律法规，建立信息共享的管理环境；需要建立完整的国家减灾空间数据信息的标准体系，统一部门间、系统间和不同历史时期数据的标准；需要解决信息封闭、信息壁垒和信息垄断的问题；引入市场机制，合理制定价格，推动信息共享。因此，为了促进数据资源的开发利用、保障国家安全、提升社会管理水平，我国减灾空间信息资源应以共享为核心，以建立减灾空间数据信息共享机制为重点，加强我国对空间信息基础设施发展的宏观协调，打破部门和单位的界限，激活现有资源，提高利用效率，充分利用现代化先进的信息技术，在全面整合、优化现有资源的基础上，建立我国防灾减灾空间数据信息基础设施，为我国防灾减灾服务。

本文作者：范一大 单位：民政部国家减灾中心、民政部减灾和应急工程重点实验室

自然灾害监测体系研究:自然灾害监测系统建设意见

一、充分认识加快共享系统建设的重要性

我市是全国四大滑坡泥石流高发区之一，地形地貌特殊，生态环境脆弱，山洪滑坡泥石流灾害频发，加之地震导致山体松动，自然灾害对人民群众生命财产安全的威胁进一步增大。近两年来，由于灾后重建项目的实施，我市气象、国土、水务、滑坡泥石流预警管理等部门自然灾害监测预警体系建设取得了较大进展，在防灾减灾工作中发挥了重要作用。特大暴洪灾害，由于气象部门预警信息及时，为组织群众撤离现场赢得了宝贵时间，有效减少了人员伤亡和财产损失。但是，当前我市自然灾害监测预警体系建设还存在一些突出问题，表现在各部门之间信息共享工作滞后，多头重复建设严重，监测站点布局不尽合理，造成人力、物力、财力浪费，严重制约着我市自然灾害监测预警整体水平的提升。加快共享系统建设，实现系统软硬件资源共享，对于提高自然灾害监测预警综合能力和水平，保障人民群众生命财产安全具有重要的意义，是当前刻不容缓的一项重要任务。

二、共享系统建设进展情况

市委、市政府高度重视共享系统建设工作，主要领导和分管领导多次作出重要批示，召开专题会议进行研究。经过各县区和相关部门的共同努力，共享系统建设工作取得突破性进展。目前，气象部门和水务部门已经实现了网络互通，共连入共享系统监测站点430个，其中气象部门215个、水务部门215个。但由于部分县区监测站点项目建设进度缓慢，接入共享系统的站点较少，严重影响共享系统正常运行和作用的发挥。水务部门分布在、县的100个自动雨量监测站点，国土资源部门分布在全市的180个监测预警站点仍在建设当中，离市委、市政府的要求还有很大差距。

三、加快项目建设进度，确保按期完成任务

相关县区和单位对以上问题要引起高度重视，加强组织领导，采取有力措施，认真研究解决项目建设工作中存在的困难和问题，加快项目建设进度，确保按时完成任务。

（一）国土资源部门已建成的监测预警站点，要在6月5日前与市气象局衔接并入共享系统网络。长江上游滑坡泥石流预警系统管理局、市水文局要尽快解决当前工作中存在的问题，务必于6月10日前并入共享系统。

（二）国土资源部门，县水务部门在建的监测预警站点项目进度较慢，以上县区和部门要严格按照《市拟建自然灾害监测站点布局表》的要求，强化督促检查，加快建设进度，确保在6月30日前完成建设任务并入共享系统。

（三）气象、水务、国土资源已建成的相互重复的监测站点，要参照《市应迁自动监测站点统计表》，务必在6月15日前完成搬迁任务。

（四）各县区政府，市气象局、市水务局、泥石流预警管理局、市水文局、市国土资源局，于6月15日前将共享系统建设情况上报市政府。对于未能按时完成任务的县区和单位将进行通报批评，由于工作不力、进度缓慢影响防灾抗灾工作造成严重损失的，要追究相关责任。

自然灾害监测体系研究:高空监测自然灾害

7月19日，我国环境一号A／B星及长征二号丙改进型火箭顺利通过出厂审定，即将执行一箭双星发射任务。这两颗卫星是我国“环境与灾害监测预报小卫星星座”的光学卫星，除了具有高时间分辨率外，还有超光谱成像等技术创新点。卫星入轨后，将大大提高我国对环境生态变化、自然灾害发生和发展过程监测的能力。联想到震惊中外的汶川大地震，人们不禁要问：用卫星监测自然灾害的作用何在呢?

卫星监测的独特优势

众所周知，地球上每年都发生诸如台风、风暴潮、洪水、干旱、地震、滑坡、泥石流、冰雹、霜冻、病虫害和森林大火等自然灾害，威胁着人类的安全。我国既是一个幅员辽阔、人口众多的大国，又是一个自然灾害多发的国家。因此，采取措施有效减灾对于保障人民生命和社会财富安全具有十分重要的意义。

目前人类还不能控制和消除自然灾害，但已有能力利用航天高科技手段来监测、预报自然灾害，为及时采取相应措施提供依据以减轻灾害带来的损失。世界上不少国家利用多种卫星在减灾方面取得了大量的实际成果。如1986年7号台风袭击我国东南部沿海地区时，由于气象卫星提前72小时给出预报，各地政府和群众采取相应措施，使此次灾害减少损失达10多亿元。

在空间技术日臻成熟的今天，利用卫星监测地球是一种最经济、能取得最好效果的手段。根据主要监测对象的不同，可分为气象卫星、资源卫星、海洋卫星和国土普查卫星等。综合这些卫星提供的大量遥感图像资料，加上卫星特有的快速、大面积重点连接观测的优点，就可以严密监测地面的一切自然变异，为减灾救灾提供可靠信息。这是其他手段无法达到的。

毋庸置疑，灾害信息还应包括灾害发生的地理位置，为预报灾害出现的具体地点和指挥防灾抗灾、减灾救灾提供依据。虽然多种卫星的遥感图像资料可以预报灾害发生的地理位置，但定位精度只能满足一般要求。为了定位精度更高，能给出灾害具体位置，就需采用美国的导航星全球定位系统、俄罗斯的全球导航卫星系统和我国的北斗卫星导航定位系统。

一旦出现灾难后，灾情上报与指挥调度就成为救灾减灾的重要保障条件。此时的通信联系一般以数据和话音双向通信为主。在地面通信线路遭到破坏的情况下，为保证通信畅通，应主要依靠卫星通信，而以地面微波中继通信和短波通信作为辅助手段。通过通信卫星不仅能向各地电视台播放灾害新闻，而且能取得与奔赴灾区的车载移动通信站的联系，保证救灾人员与指挥部的通信畅通。

当然，上述各种卫星功能的发挥，都离不开地面应用系统的配合。为使读者能够了解这些基本原理，下面我们用卫星抗震救灾的具体事例加以说明。

救灾中发挥重要作用

5月12日四川汶川发生8级地震后，我国启动卫星管理应急模式，动用9种型号15颗卫星为救援行动提供技术支持，显示了航天技术在抗震救灾中的重要作用。

北斗星确保导航定位地震后通信和道路中断，灾区失去了和外界的联系。当首批武警官兵到达重灾区后，便使用北斗用户终端机，通过北斗导航定位卫星，连夜陆续发回实时灾情数据，让指挥部掌握了第一手资料。在地震当日下午，中国卫星导航定位应用管理中心即紧急调拨1000台北斗用户终端机赠给一线救援部队，成为指挥部和前方救援人员最有力的通信助手。北斗星是静止轨道卫星，犹如挂在空中的灯塔。由2颗工作星和1颗备份星组成的北斗卫星导航定位系统，为紧急救援提供了时效保障。

鑫诺星保障灾区通信广大观众从电视上了解地震新闻和信息，都是通过鑫诺一号、二号等静止轨道通信广播卫星开通的电视传输通道而实现的。管理这些卫星的中国直播卫星有限公司，在地震后为多家电视媒体开通14个临时电视传输通道，并及时为中国联通、武警部队等用户紧急提供了卫星资源和扩容宽带资源。与此同时，公司设法调整内部资源，准备了转发器带宽，满足了11辆中国移动应急通信车奔赴灾区现场使用的需求。这使汶川、茂县、绵阳等重灾区迅速恢复了卫星电话联系。开进北川等地区的应急通信车，保障了抗震救灾的通信畅通。

资源星提供监测资料为了对比地震前后的图像和实时监测灾情，这次动用了中巴资源卫星一号02、02B和中国资源卫星二号03三颗太阳同步轨道卫星。超期服役的中巴资源一号02星是2003年10月21日发射升空的，本已停止工作，5月13日9时被重新启动后，才实现了3星协同运行，满足了监测要求。其后，卫星应用中心每天安排1颗资源卫星经过灾区上空并成像，地面工作人员及时把卫星下传数据处理出影像图，为救灾工作提供了决策参考资料。资源卫星图片不仅发现了多处滑坡和堰塞湖，而且为防止次生灾害提供了技术服务。有专家指出，卫星监测数据显示，汶川地震使其所在的龙门山升高了9米，说明龙门山造山运动仍在进行，这是非常值得重视的科学问题。另外，对地观测的北京一号小卫星也传回大量地震影像，为恢复灾区道路、评估灾害损失提供了宝贵资料。

气象星观测灾区风云掌握气象变化情况对震后救援工作非常重要。为此，国家卫星气象中心通过风云一号D太阳同步轨道气象卫星和风云二号C和D两颗静止轨道气象卫星发回地面的资料，仔细分析灾区气象情况，及时为救援工作提供气象服务。

风云二号两颗卫星可对灾区连续进行气象观测，实时将资料发回地面。地面指令两星启动加密预案，它们每隔15分钟交替提供1张卫星云图，为灾区气象部门提供了更加准确的监测数据。此外，地震发生后，我国还得到了欧洲空间局和美国、日本、加拿大等国的卫星数据资料，帮助震区救灾，充分体现了国际空间合作的重要性。

值得期待的两颗新星

监测自然灾害，除了前面讲过的几种卫星以外，有的国家还使用装有合成孔径雷达的微波遥感卫星，简称雷达卫星。这种卫星具有全天候对地观测能力，特别适于对自然灾害的监测，故又将其称为“减灾卫星”。

我国已经使用飞机装载合成孔径雷达监测灾情，并取得良好效果。不过，当受灾面积比较大时，使用这种航空遥感的办法，飞机就得多次起降，工作周期为10天的循环监测便显得费用过高，很不经济。为此，21世纪初，我国成功地研制出星载合成孔径雷达，并实现了对地成像。

两颗新星的有效载荷，可以说既有可见光遥感器，又有微波遥感器，是两者的综合装置。星载可见光的应用虽有局限性，但也有明显优点。如探测云图和植被通常采用0.58～0.68微米谱段的可见光，探测火情则用355～393微米谱段的中红外，合成孔径雷达就难以完成这些任务。星载合成孔径雷达微波遥感器却能利用微波穿透云层和一定地表深度的能力，根据介电常数与雷达回波强度的关系，可探测出地表层下一定深度的土壤水分等情况，还弥补了可见光与红外遥感器不能进行全天候对地观测的不足。综合利用这两类星载遥感器，能够获得精度较高的监测数据，从中提取更多的有用信息，为减灾提供更有效的技术支持。

环境一号A／B星投入使用后，可获得高时间分辨率、中等空间分布率的对地观测数据，对我国大部分地区可实现每天一次重复观测，将大大缓解目前对地观测数据紧缺局面。卫星数据不仅能为环境与减灾业务运行系统提供重要保障，还将成为很多部门日常业务的重要数据源。基于环境卫星数据建立的环境与减灾应用系统，对推动遥感卫星业务服务具有重要的示范作用。就汶川震后的恢复重建来说，两颗新星就可对震区地壳变化情况进行调查，为新的大型建筑和重要交通线路选址提供宝贵资料。

环境一号A／B星还将对推动我国遥感卫星国际合作以及在国际卫星相关事务等方面具有非常重要的作用。不难想象，待我国“环境与灾害监测预报小卫星星座”建成后，该星座系统的作用将会更为巨大。按照预定计划，由8颗卫星组成的“环境与灾害监测小卫星星座”具有高时间分辨率和全天候的观测能力，能够及时准确地对自然灾害、环境污染和生态情况进行大范围、连续动态监测。

自然灾害监测体系研究:高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统网络优化方案

摘要：高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统（以下简称灾害监测系统）是铁路安全保障的重要组成部分，对安全性、稳定性的要求很高，而其安全性、稳定性的实现又很大程度上依赖于其网络子系统。现有灾害监测系统网络方案没有对各个组成部分进行说明，当出现网络故障时，不易分析和定位问题。

关键词：网络优化；设计分析；网络技术指标

本文紧密结合铁路自然灾害及异物侵限监测系统的业务需求及铁路通信系统现状，灵活利用现有技术手段，形成一套安全、可靠、合理、易于实施的网络建设优化方案。

本文主要结合灾害监测系统网络现状，从广域网通信技术，网络拓扑结构和网络安全几个方面入手进行分析，对现有网络方案进行了设计优化，提出优化方案，并给出相应的网络技术指标。

1既有系统网络情况

灾害监测系统包括现场监测设备，监控数据处理设备和终端设备，网络结构也包括了这几个层次。根据对既有线路的网络情况调研，如厦深线，温福线，沪昆客专江西段等，发现如下问题：

各线路网络方案各异，无网络架构规范；

网络指标不明确；

缺乏有效的网络安全防护手段；

网络质量无法监控，出现故障不易定位；

2网络方案设计分析

2.1广域网通信技术选择

铁路自然灾害及异物侵限监测广域网包括线路数据处理中心与基站、终端、路局中心、相邻线路中心之间的网络通信设备及线路。从统一建设、集中维护、节省投资等多方面考虑，自然灾害及异物侵限监测网络应充分利用既有铁路通信专网资源进行构建。目前可供选择铁路通信平台主要有SDH（同步数字体系）、MSTP（多业务传送平台）、IP数据网、工业级IP光纤环网四种。

从业务容量来讲，以上几种通信网络都可以满足本系统的需求；从安全性来讲，IP数据网不适宜；从可靠性上来讲，除IP数据网以外，都有类似环形的保护机制和低延迟切换机制；从性价比来看，工业级IP光纤环网投资性价比较低，且本系统不能够与其共用网络。因此，本系统不适宜采用IP数据网和工业级IP光纤环网进行构建。

相比SDH，MSTP技术显然更适合本系统。因此，应优先采用MSTP方式来构建。在不具备MSTP接入条件的情况下，可采用SDH方式。

2.2网络拓扑结构设计

2.2.1灾害监测系统组网方案

目前，已开通的高速铁路灾害监测系统均采用以太网技术组网，以多业务传送节点（MSTP）魇湎低匙魑信息承载平台，其通信组网方案主要有环型、星型和树型 3 种结构。

环型网的组网原理是利用MSTP传输设备的二层交换功能在每个网元以太网业务处理板的二层交换模块中建立虚拟网桥，利用虚拟网桥互连组建环型网络， 星型网是最简单的组网方式，它利用以太网私有专线（EPL）方式在现场监控设备和监控数据处理设备间建立一个点对点的网络。

树型网采用 EPL与EVPL（以太网虚拟私有专线）相结合，分层汇聚收敛的方式传送防灾安全监控系统信息，构成一个逻辑上是星型但物理上是树形的网络， 通过前面的分析可知，3 种组网方案各有优缺点，如表1 所示。

2.2.2汇聚车站与中心网络构架方案

线路处理中心与汇聚车站是典型的一对多通信模型，适合用MSTP网络承载。考虑到MSTP在物理线路上具有完善的环网保护功能，并可以增加基于MSTP的二层环网保护。这样整个网络中存在两套冗余机制，完全可以满足系统对网络平台安全性的要求。

线路处理中心与基站间的内部逻辑架构建议采用双星型和双环型两种方式：

2.2.3线路中心之间网络构架方案

线路中心之间组网方案取决于业务需求。假设有A1、A2、A3、…An共n个线路中心，这n个线路中心可能有数据交互，也可能没有数据交互。如只有两个线路中心，可以使用MSTP点到点模式直接组建直连双网，如有两个以上线路中心进行互联，则建议采用网络通道采用网状或部分网状构建，带宽根据业务需要设计。

2.2.4路局中心与线路中心之间网络构架方案

路局中心集中接入各个线路中心，以实现统一调度和管理。网络架构采用MSTP构建双网，如果线路中心相对独立，可以直接点对点接入路局中心；如有多个线路中心需要数据交互的情况，则可采用网状或部分网状架构。网络带宽依据所接入的业务需求进行设计即可。

2.3局域网安全设计

网络安全设计主要从防火墙技术、入侵检测技术、网络隔离技术几个方面考虑，设计网络安全方案。

在不同线路中心之间、局中心和线路中心之间、本系统和其他系统之间等边界接口处，应采用硬件防火墙进行数据访问控制。通过在防火墙上部署相应安全策略，阻断未经允许和授权的非法访问，来保证边界访问安全。

在同一系统内部，主要考虑线路数据处理中心与基站、终端之间的访问控制、隔离及相关防病毒措施，具体如下：

1） 为减小广播风暴的影响范围，采用了vlan隔离技术。

2） 服务器、终端、监控主机都启用了操作系统自带的防火墙功能，通过合理的策略设置，来禁止系统内部的非法访问。

3） 服务器和各终端均部署防病毒杀毒软件，并开启威胁实时防护功能，一旦感知到有病毒威胁，则自动采取扫描、隔离、清除等措施，确保病毒无法感染、传播；另外，需定期下载安装最新病毒库，并进行全盘扫描。

4） 各个网络接口处考虑网口防雷方案。

3网络优化方案以及技术指标

3.1数据处理中心网络方案

3.1.1广域网

广域网采用双网冗余架构，并采用延迟小、保护特性完备的传输专网通道，接口为RJ45。终端至数据处理中心广域网采用点对点、双网结构，基站至数据处理中心广域网采用双网、MSTP 点到多点以太网汇聚架构。

应优先采用MSTP方式来构建。在不具备MSTP接入条件的情况下，可采用SDH方式。

3.1.2局域网

局域网采用双网冗余架构：数据处理中心采用2台三层核心交换机，组成A、B两套网络；数据处理中心的服务器配置A、B两块网卡（地址也分为A、B两套，每个网卡上配置一套），分别上联至2台核心交换机上；监控终端同样配置双网卡，分别通过2条通信通道连接至数据处理中心的2台核心交换机。同时，数据库服务器和应用服务器采用双机集群配置，监控软件采用双收双发策略。这样，当其中任意服务器、交换机、网卡、应用软件发生单点故障时，都能保证业务不中断，最大限度地保证了系统的高可用性。

数据处理中心的主要设备连接图如图3所示：

3.2网络拓扑结构方案

通过前面的分析可知，3 种组网方案各有优缺点，如表2 所示。

根据以上分析，网络拓扑结构的设计方案优先考虑树形结构。

汇聚车站与中心的网络架构建议采用双星型和双环型两种方式。

线路中心之间、路局中心与线路中心之间建议采用网状或部分网状构建，带宽根据业务需要设计。

3.3网络示意图

通过以上的分析和设计，形成铁路自然灾害及异物侵限监测系统的网络示意图，具体如下：

3.4网络安全优化设计

3.4.1广播风暴的抑制

解决广播风暴需要从监控和管理两个方面进行解决。

1）保证网络设备及线缆质量

在资金允许的条件下使用较高档次的网络设备及线缆，保证网络通信质量。从硬件上减少故障发生机率。

2）避免出现环路

优先使用星型、树形的网络拓扑结构。

3）做好恶意软件的防控工作

应部署专业的杀毒软件，并及时进行病毒库；原则上应2周升级一次病毒库；加强日常病毒管理和查杀；严格控制U盘和光盘等高风险移动介质的使用。主机应卸载不必要的服务、关闭不必要的端口，以最大限度地减少漏洞，提高系统的安全性和可靠性。

4）充分利用网管软件和工具进行监控和定位

应使用网络管理软件，对整个网络运行状况进行定期有效监控，故障时可迅速定位故障源头。

5）采用VLAN技术

VLAN是一种将局域网从逻辑上划分成一个个网段，从而实现虚拟工作组的数据交换技术。VLAN不能消除广播风暴，但可以有效地隔离广播包的传播，限制和缩小广播风暴的影响范围，因此在工程中得到了广泛应用。它通过在以太网数据帧基础上增加的VLAN ID字段，实现了把物理交换机划分成若干个不同的逻辑交换机的功能。

按照实现方法的不同，可以分为基于交换机端口的VLAN、基于计算机MAC地址的VLAN和基于IP地址的VLAN三类。

在灾害监测系统中应综合使用前两种方式进行VLAN划分。

3.4.2 ARP欺骗的优化及解决

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）是一个位于TCP/IP协议栈中的底层协议，对应于数据链路层，基本功能就是将网络层（IP层，也就是相当于OSI的第三层）地址解析为数据连接层（MAC层，也就是相当于OSI的第二层）的MAC地址，以保证通信的进行。

ARP自身存在着很多安全缺陷，因此成为网络攻击的主要目标之一。

为避免ARP攻击带来的危害，一方面可利用杀毒软件进行ARP病毒的查杀；另一方面，可综合利用交换机设备提供的多种ARP安全特性（如ARP报文限速、ARP Miss消息限速、ARP严格学习、ARP表项限制、ARP表项固化、动态ARP检测等），对ARP的攻击进行防范、检测和应对，从而屏蔽ARP攻击，保障网络设备的安全运行。

上述安全策略各有侧重点，但大多可以互相叠加、协同生效，可根据应用场景特点及设备特性灵活配置。

3.5网络技术指标

1） 应优先采用MSTP方式来构建。在不具备MSTP接入条件的情况下，可采用SDH方式。

2） 灾害监测系统网络拓扑结构宜星型、树型的方式来组网。

3） 对于监测点数量多，分散广，数据量小的子系统（如气象监测、异物监测），考虑到带宽容量和控制以太网广播域大小，为合理节省通信资源，建议优先采用双环型结构，每个2M环内不宜超过10个基站。对于监测点较少、数据量较大的子系统（如地震），可优先按照双星型考虑，每个监测点独享一个2M通道。

4） 灾害监测系统监控数据处理设备处的核心网络交换机采用知名品牌，并按照双路供电配置。

5） 在不同线路中心之间、局中心和线路中心之间、本系统和其他系统之间等边界接口处，应采用硬件防火墙进行数据访问控制。

6） 设备互联网线通过室外h境需考虑防雷方案，室内网线布设距离大于50m时需考虑防雷方案。易发生雷雨天气地区在监控单元接入网络前需考虑防雷方案。

7） 服务器和各终端均部署防病毒杀毒软件，并开启威胁实时防护功能，一旦感知到有病毒威胁，则自动采取扫描、隔离、清除等措施，确保病毒无法感染、传播；另外，需定期下载安装最新病毒库，并进行全盘扫描

8） 灾害监测系统内设备IP根据统一的规范设置。

9） 害监测系统建设需考虑完备的网络监控方案。