一种应急救灾水源寻找系统

摘要

本发明提供一种应急救灾水源寻找系统，由一个后台数据中心和多个分布在相关区域内各分区的应急寻水站构成；每个应急寻水站配置至少一台移动通信和数据中心，一套无人机多传感器平台与空中通信保障平台，多台操作终端；后台数据中心用于设置后台数据库，存储相关区域中所有的地质数据以及与水源相关的地理信息数据；每个分区的移动通信和数据中心用于设置移动数据库，存储与后台数据库中相应分区内容同步的数据，同时提供现场网络服务和通信服务；无人机多传感器平台与空中通信保障平台采用无人机搭载了光学相机、红外热成像、激光雷达和多种传感器，支持对相应采集数据综合分析，为水源确定提供判断依据；并提供无线电台中继和无线通信中继。

说明书

技术领域

本发明涉及应急救灾技术领域，具体涉及一种应急救灾水源寻找系统。

背景技术

自然灾害虽难以避免，但是一旦发生灾害后，提高应急救援的效率和能力可以大大减少国家和人民的损失。应急救灾中，水源的保障是一个重要内容。由于灾后往往面临着通讯、交通、电力等一系列的障碍，因此应急救灾中的水源寻找比一般情况下更为困难，时间要求也更为紧迫。

水源的寻找通常是通过电法等地质勘测手段来完成。但是在应急救灾中，时间要求紧迫，而电法勘测布设周期较长，一旦探测失败，则会造成时间延误，因此必须使用更为先进的方法确定水源地概略位置，然后再实施地面勘测。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明将现代信息手段、无人机技术、现代通信技术、多传感器技术等融合，有效提高了应急救灾中的水源寻找速度和准确度。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案包括一种应急救灾水源寻找系统，由一个后台数据中心和多个分布在相关区域内各分区的应急寻水站构成；每个应急寻水站配置至少一台移动通信和数据中心，一套无人机多传感器平台与空中通信保障平台，多台操作终端；

后台数据中心用于设置后台数据库，存储相关区域中所有的地质数据以及与水源相关的地理信息数据；

每个分区的移动通信和数据中心用于设置移动数据库，存储与后台数据中心的后台数据库中相应分区内容同步的数据，同时提供现场网络服务和通信服务；

无人机多传感器平台与空中通信保障平台采用无人机搭载了光学相机、红外热成像、激光雷达和多种传感器，支持对相应采集数据综合分析，为水源确定提供判断依据；并提供无线电台中继和无线通信中继，所述多种传感器包括温度、湿度、气压、核磁共振传感器。

而且，所述移动通信和数据中心通过设置WIFI热点、无线电台中继以及移动通信中继提供现场网络服务和通信服务；所述移动通信中继包括2G或3G或4G或5G通信模块。

而且，所述移动通信和数据中心中移动通信中继的上行天线，安装在高处，指向基站。

而且，无人机多传感器平台与空中通信保障平台的无线通信中继包括2G或3G或4G或5G通信模块。

而且，将无线电台中继和无线通信中继的收发天线都改为定向天线，用金属网增加隔离。

而且，后台数据中心在数据更新时，计算生成地表水分布以及地下水分布图。

而且，进行数据综合分析时，地表水以及地下水分布图计算实现如下，

其中，S为地表水或者地下水分布概率，n为现有数据库图层数，

而且，当出现灾情的时候，寻水团队携带移动通信和数据中心、无人机多传感器平台与空中通信保障平台03，操作终端奔赴现场，经过数据采集分析后，确定水源，并将地表水准确位置或者地下水打井位置报告给提水或者打井团队。

而且，数据采集分析时，采用以下步骤，

0)架设现场的移动通信和数据中心，通过移动网络或者卫星网络连接到互联网；

1)利用操作终端，从移动通信和数据中心的现有数据库中寻找在灾区附近的地表水，如果有，执行步骤3)，如果没有，执行步骤2)；

2)利用操作终端，从现有数据库中寻找在灾区附近的地下水，如果有，执行步骤4)，如果没有，执行步骤5)；

3)制定无人机飞行计划，覆盖现有数据库中地表水的区域，用机载传感器确定地表水源详情；白天通过光学图像确定地表水的准确性以及范围，夜晚通过红外热成像以及激光雷达作业；如果确认地表水可用，则执行步骤7)，否则执行2)；

4)制定无人机飞行计划，覆盖现有数据库中地下水的区域，用机载传感器进一步确定地下水源详情；白天通过光学图像中的地貌、植被、红外热成像、温度、湿度、气压传感器辅助判断地下水的正确性，夜晚用红外热成像、温度、湿度、气压、核磁共振传感器辅助判断地下水的正确性；无人机载飞行过程中实时将获取到的数据传回地面的操作终端，操作终端结合现有数据库，将新获取的光学、红外热成像、激光雷达数据更新进入移动数据库，并且将获取的温度、湿度、气压数据形成温度场、湿度场、气压场数据层加入移动数据库，然后根据更新、增加后的移动数据库重新计算生成地下水分布图；然后执行6)；

5)利用操作终端，根据现有数据库，计算灾区地下水分布概率，并根据分布概率结果绘制地下水分布概率等值线图，制定无人机飞行计划，覆盖概率较高的区域，用机载传感器进一步确定地下水源详情；白天通过光学图像中的地貌、植被、红外热成像、温度、湿度、气压、核磁共振传感器辅助判断地下水的正确性，夜晚用红外热成像、温度、湿度、气压传感器辅助判断地下水的正确性；无人机载飞行过程中实时将获取到的数据传回地面的操作终端，操作终端结合现有数据库，将新获取的光学、红外热成像、激光雷达数据更新进入移动数据库，并且将获取的温度、湿度、气压数据形成温度场、湿度场、气压场数据层、核磁共振结果加入移动数据库，然后根据更新、增加后的数据库重新计算生成地下水分布图，然后进入步骤6)；

6)利用操作终端，根据新生成的地下水分布图，找到有水概率最高的区域，实施地面电法勘测，确定地下水源确定位置；如能确定，则执行7)，否则，扩大探测区域，返回步骤1)重新执行；

7)向取水团队报告水源位置进行取水；寻水完成。

本发明将数据库，无人机空中勘查，地面仪器勘查，这三种手段形成完整的水源定位链，并以通信做保障，保证了水源寻找的时效性与准确性。首先由数据库获得水源概略位置(公里级别)，然后由无人机空中勘查，将水源位置定位到百米级别或十米级别，最后，由地面勘查仪器将水源确定到十米甚至米级精度。

本发明方案实施简单方便，实用性强，解决了相关技术存在的实用性低及实际应用不便的问题，能够提高用户体验，具有重要的市场价值。

附图说明

图1为本发明实施例的原理示意图。

其中有01：后台数据中心，02：应急寻水站，03：移动通信和数据中心，04：无人机多传感器平台与空中通信保障平台，05：操作终端

图2为本发明实施例的应灾流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例具体说明本发明的技术方案。

参见图1，本发明实施例中提出，应急救灾水源寻找系统由一个后台数据中心01和多个分布在相关区域内各分区(例如全国区域内各地)的应急寻水站02构成。每个应急寻水站02配置至少一台移动通信和数据中心03，一套无人机多传感器平台与空中通信保障平台04，多台操作终端05。具体实施时，可以利用用户自带的移动设备作为操作终端05，例如手机、平板设备作为操作终端。

后台数据中心01中设置后台数据库，存储着相关区域中所有的地质数据以及与水源相关的地理信息数据(具体实施时相关区域范围可以达到全国甚至全球)。

每个分区的移动通信和数据中心03中分别设置移动数据库，存储与后台数据心01的后台数据库中相应分区内容同步的数据，同时具备WIFI热点、无线电台中继、以及2G/3G/4G/5G等通信中继功能。在存储容量允许的情况下，优选存储相关区域内所有数据，支持携带到不同分区灵活使用。

无人机多传感器平台与空中通信保障平台04采用无人机搭载了光学相机、红外热成像、激光雷达、温度、湿度、气压、核磁共振等传感器，并搭载了无线电台中继、以及2G/3G/4G/5G等通信中继。

1，通过操作终端05，相关人员可以访问和修改数据库内容，以及查看无人机上的各种传感器数据。

以下具体介绍应急救灾水源寻找系统的各个组成部分实现方式：

1.1后台数据中心

后台数据中心的功能是存储所有和水源相关的数据，并可以供全国甚至全球的用户调用、更新。是数据库的根本保障，所有在外作业的团队均需依赖后台数据库的数据。后台数据中心存储着所有可以得到的地质数据以及其他与水源有可能相关的地理信息数据，这些数据包括且不限于：红外遥感图像、光学遥感图像、合成孔径雷达成像数据、红外热成像数据、地形数据、地貌数据、植被数据、交通道路信息、地表水信息、地下水信息、电法勘测结果、核磁共振勘测结果、近期历史气象数据等，各种数据分层编码存储。

后台数据中心的计算机类型以及操作系统、数据库系统不作限制。

后台数据中心应当满足存储容量、互联网网络访问带宽、容灾要求。应该采取异地容灾备份。

后台数据中心应该有严格的帐户管理规则和手段，以保障数据的安全。

后台数据中心与移动通信和数据中心之间，以及后台数据中心与操作终端之间的通信应当加密传输，以保证数据安全。

1.2移动通信和数据中心

移动通信和数据中心的作用有两个，首先，是存储相应分区所有和水源相关的地理信息数据，供现场人员在发生灾情后，数据链路断开而无法访问后台数据中心的时候调用、更新，并可以在数据通信链路正常的时候自动将更新后的数据发送到后台数据中心。另外，移动通信和数据中心还具备无线电台中继、WIFI热点以及2G/3G/4G/5G等通信中继的功能，具体实施时可以集成设置相应现有技术中已有模块，例如5G模块。可以在现场搭建局域网，为现场人员提供网络服务和通信服务。

移动通信和数据中心应当运行着与后台数据库中心相应分区的完全同步的数据库，在寻找水源现场，由于灾后的通讯设施有可能受损，或者现场处于偏远地区，自身通讯条件不良，难以与后台数据中心建立可靠、快速的数据链路。因此，可以将移动通信和数据中心携带至现场，现场的操作终端、电脑等其他设备均可以访问该数据库，获取、更新数据。具体实施时，该部分可由一台低功耗、高可靠性、紧凑型电脑完成，例如军工级三防电脑，可利用移动车辆携带。

移动通信和数据中心具备无线电台中继功能，可以为附近的对讲机提供中继业务，保证即时语音通信，以便支持紧急应用场景。无线电台中继应具备数字编解码功能，以便提供数字语音以及位置显示、存储服务。这部分可使用商用模拟数字双模中继实现，例如摩托罗拉MOTOTRBO系统或者其他系统。

移动通信和数据中心具备WIFI热点的功能，以便附近的操作终端可以通过WIFI连接到数据库，访问数据库和更新数据库。这一部分可以用电信级别的AP来实现。例如华为的相关产品。

移动通信和数据中心具备2G/3G/4G/5G等移动通信中继的功能，以便将远处的基站信号中继到现场，为现场提供更好的通讯条件。这一部分可以使用华为等电信产品实现。

移动通信和数据中心还可扩展具备卫星数据通信的功能，以保证在其他数据通信失效时可以与后台数据中心保持联网。

具体实施时，移动通信和数据中心可以集成各部分的相应产品，提供一定的工装支持。无线电台中继、WIFI热点、移动通信中继的天线均应该优选安装在高处，以增加覆盖范围。特别是移动通信的上行天线，一般应安装在车顶，指向基站。

1.3无人机多传感器平台与空中通信保障平台

无人机多传感器平台与空中通信保障平台的作用也有两个，首先采用无人机搭载了光学相机、红外热成像、激光雷达、温度、湿度、气压、核磁共振等传感器等载荷，无人机可以先于地面人员到达现场，利用光学相机和激光雷达对交通、地形地貌进行调查，也可以利用红外热成像设备对植被、地面温度做勘查，利用温度反演湿度得到理论值，同时支持采集现场的温度、湿度、气压等实际数据，将一系列数据综合分析，为水源确定，特别是打井位置的确定提供必要的判断依据。另一方面，无人机多传感器平台与空中通信保障平台同时还在无人机上搭载了无线电台中继以及2G/3G/4G/5G无线通信中继，由于无人机可以悬停在数百米的高度，通视条件比地面好得多，因此可以在恶劣条件下保障现场的通信。

该部分的组成由无人机、载荷(包含而且不限于光学相机、红外热成像、激光雷达、温度、湿度、气压等传感器)以及无线通信设备构成。具体实施时，优选将各种载荷均采用模块化方式实现，可以自由组合，以便适应不同的使用条件，又可以尽量减小无人机的负载，延长飞行时间。

优选建议的实现方式如下；

无人机可以采用大疆的行业机型6旋翼飞机M600，其负载能力强，性能优异。

光学相机可以选用大疆的禅思系列，红外热成像可以使用高德红外的无人机专用红外热成像载荷，激光雷达可以使用Livox系列。各种传感器的数据均需要统一采集，并经过无线通信设备实时传回地面。

温度、湿度、气压等传感器可基于传感器与嵌入式系统研发，其数据也需要通过无线通信设备实时传回地面。

相比地面设备而言，空中通信保障平台部分需要低功耗、小体积、轻便的设备。具体实施时，无线电台中继建议自制或者定制。无线通信中继则可基于现有的商用无线通信中继改装，本发明进一步提出将无线电台中继和无线通信中继的收发天线全部改为定向天线，用金属网增加隔离，一方面提高效率，更重要的是避免自激。

1.4操作终端

操作终端可以直接使用手机等已有用户终端，具体实施时可以预先安装相应的定制软件以便支持本发明实施。利用操作终端，可以通过互联网或者局域网访问后台数据中心或者移动通信和数据中心上的数据库，从中获取数据、更新数据，并可以接收无人机传送的各种传感器的数据，辅助打井定位决策。

2，日常运行模式

日常运行模式中，最主要的是不断更新后台数据中心的数据库，并且同步到移动通信和数据中心的数据库中。

由于几乎每天都有新的勘测数据产生，这些数据对水源的判定十分关键，因此一旦有新的数据，需要立即录入到后台数据中心的数据库中。

一旦有新的数据录入，即根据新的数据，按照每一层数据的权重，计算生成地表水分布以及地下水分布图。例如地表水计算中，多光谱遥感图像、红外遥感图像的权重以及合成孔径雷达的权重和红外热成像的权重应设置为占绝对优势，而地形数据、近期气象数据次之。而计算地下水的分布时，地质数据、电法勘测数据、核磁共振勘测数据、地形数据等数据的权重应占绝对优势。新生成的地表水分布以及地下水分布数据各形成一个新的数据层进行存储。地表水分布图层以及地下水分布图层的计算的建模可以反复验证改进优化，实施例提出的计算公式和各个参数的取得方法为当前建议的优选方案，仅供参考。

实施例的地表水以及地下水分布图计算公式：

其中，S为地表水或者地下水分布概率，n为现有数据库图层数，

本系统所需要的地形图图层通常需要包含高程、地貌水文属性，而地貌水文属性需要包含地面特征(土壤/岩石/植被/流动水系/湖泊等)，地面特征的详细属性(例如湖泊，需要包含水量，调查时间等)，另外，湖泊的蓄水量是动态变化的，其值与近期气象等条件有关，因此还需要关联历史气象数据，才可以得到量化值，除此之外，其权重随着地形图的测绘日期与当前日期的时间差变长而逐渐降低。

首先对地面特征属性量化，流动水系(江河)的稳定性较大，因此其属性值最大，如果以满幅是100计，则流动水系的属性值可以设置为100，但由于流动水系的水量和季节、气象有直接关系，因此还需要将时间因素、气象因素考虑进去，因此对于地形图图层，其量化总值应为如下形式：

α＝100×ε

ε为图层属性权重：

ε＝(y+J/γ-Z/δ)/λ

其中，γ、δ、λ为权重调整系数，其取值和采用了哪些图层有关，初始值可以设置为1，后期在具体实施中可根据每次应用的成功率，再进行动态优化调整。

其中，y是时间因素系数：

y＝0.0225x

上式中，x表示月份(1-12)，y表示根据月份计算得到的时间系数。此公式为经验统计值推导得来。

J为计算时刻前一周内的降水量，Z为前一周内的蒸发量。

同时，移动通信和数据中心在日常运行模式下是放置在有互联网的环境中的，通过网络，移动通信和数据中心每天自动与后台数据中心同步数据(包含各个基础数据层以及计算得到的地表水分布以及地下水分布数据层)。随着日积月累，后台数据中心的数据量越来越大，移动通信和数据中心的存储能力有可能无法满足完全与后台数据中心同步，这时可优选采取分片负责的替代方案，例如只同步当前分区，或者同步附近若干分区(例如三个省区)的数据。或者，可以对移动通信和数据中心的存储能力进行补充扩容。

3，应急救灾模式

当出现灾情的时候，寻水团队携带移动通信和数据中心、无人机多传感器平台与空中通信保障平台，操作终端奔赴现场，组网构建当地应急寻水站，经过数据采集分析后，确定水源，并将地表水准确位置或者地下水打井位置报告给提水或者打井团队。以下步骤，如无特别说明，则顺序执行下一步。操作终端在访问数据库的时候，如果当地无线通信网络良好，则可以直接通过互联网访问后台数据中心，否则连接现场的移动通信和数据中心中的数据库。

参见图2，具体实施时，建议采用的流程如下：

3.0架设现场的移动通信和数据中心，通过移动网络或者卫星网络连接到互联网。

3.1利用操作终端，从移动通信和数据中心的现有数据库(即移动数据库的当前内容)中寻找在灾区附近的地表水，如果有，执行步骤3.3，如果没有，执行步骤3.2。

3.2利用操作终端，从现有数据库中寻找在灾区附近的地下水，如果有，执行步骤3.4，如果没有，执行步骤3.5。

3.3制定无人机飞行计划，覆盖现有数据库中地表水的区域，用机载传感器确定地表水源详情。白天可以通过光学图像确定地表水的准确性以及范围，夜晚可以通过红外热成像以及激光雷达作业。如果确认地表水可用，则执行步骤3.7，否则执行3.2。

3.4制定无人机飞行计划，覆盖现有数据库中地下水的区域，用机载传感器进一步确定地下水源详情。白天可以通过光学图像中的地貌、植被、红外热成像、温度、湿度、气压等传感器辅助判断地下水的正确性，夜晚可用红外热成像、温度、湿度、气压、核磁共振等传感器辅助判断地下水的正确性。无人机载飞行过程中实时将获取到的数据传回地面的操作终端，操作终端结合现有数据库，将新获取的光学、红外热成像、激光雷达等数据更新进入移动数据库，并且将获取的温度、湿度、气压数据形成温度场、湿度场、气压场数据层加入移动数据库，然后根据更新、增加后的移动数据库重新计算生成地下水分布图。然后执行3.6。

3.5利用操作终端，根据现有数据库，由公式1计算灾区地下水分布概率，并根据分布概率结果绘制地下水分布概率等值线图，制定无人机飞行计划，覆盖概率较高的区域，用机载传感器进一步确定地下水源详情。白天可以通过光学图像中的地貌、植被、红外热成像、温度、湿度、气压、核磁共振等传感器辅助判断地下水的正确性，夜晚可用红外热成像、温度、湿度、气压等传感器辅助判断地下水的正确性。无人机载飞行过程中实时将获取到的数据传回地面的操作终端，操作终端结合现有数据库，将新获取的光学、红外热成像、激光雷达等数据更新进入移动数据库，并且将获取的温度、湿度、气压数据形成温度场、湿度场、气压场数据层、核磁共振结果加入移动数据库，然后根据更新、增加后的移动数据库重新计算生成地下水分布图，然后进入步骤3.6。

3.6利用操作终端，根据新生成的地下水分布图，找到有水概率最高的区域，实施地面电法勘测，确定地下水源确定位置。如能确定，则执行3.7，否则，扩大探测区域，返回至步骤3.1重新执行。

3.7向取水团队报告水源位置进行取水。寻水完成。

具体实施时，可以利用移动通信和数据中心的处理器由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，实现流程的系统装置例如计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。