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自然災害監測體系研究:重大自然災害監測評估問題與對策

1自然災害監測評估對空間數據的需求

1.1自然災害監測評估技術框架

大多數情況下，自然災害不以單一災種出現，往往會以災害鏈的形式存在，一種自然災害會引發一系列的次生災害現象，形成災害鏈。常見的災害鏈有4種，即臺風-暴雨災害鏈、寒潮災害鏈、干旱災害鏈和地震災害鏈（史培軍，2002），因此，對致災因子的監測需要結合災害鏈形成演化的特點，對致災因子的強度、頻率、持續時間、區域范圍、起始速度、空間擴展、重現期等指標進行監測。承災體包括自然資源和社會資源，監測的目的是對人類、財產、資源等脆弱性進行評估評價。災情監測指標包括生命線、生產線、城鄉住房、基礎設施和生態環境等損失破環情況，為人員受災情況和災害直接經濟損失、災害社會影響評估提供空間信息支撐。在以上基礎上，利用數據處理、信息挖掘、災害模擬與仿真、災害應急監測、空間數據管理和智能決策等技術，通過集成轉化空間數據應用處理和服務的先進成果，圍繞防災、抗災、救災不同階段的需求，開展自然災害風險評估、自然災害災情評估、恢復重建規劃與評估，開展災害信息服務和決策支持。

1.2自然災害監測評估與空間數據需求

傳統的地面監測在時效性和覆蓋面上局限性比較大，目前，衛星遙感、航空遙感技術已經進入一個能動態、快速、多平臺、多時相、高分辨率地提供對地觀測數據的新階段。隨著遙感技術在重大自然災害領域的應用深度不斷擴大和延伸，災害管理對空間技術應用的需求也日益迫切。從災害管理周期角度分析，在災害預警與風險評估階段，利用空間數據可以實現大范圍的災害普查，以及對孕災環境、致災因子、承災體等災害背景信息的提取與分析，開展災害脆弱性評估評價，從而對災害發生的風險等級、災害高風險區進行劃分與評估，為減災措施的制定提供依據；在災害應急響應階段，利用空間數據可以實現對災情信息的動態監測與評估，為開展必要的災害應急救助、災害監測、綜合評估，以及次生災害的風險預警提供重要的空間信息決策依據；在災后恢復重建，以及減災階段，空間數據能夠支持災區恢復重建規劃編制，并對恢復重建的進度、效益、質量進行動態的監測評估，為恢復重建，以及減災設施建設的監督提供準確的決策依據。以2013年4月20日發生的四川省蘆山“4.20”7.0級強烈地震為例，空間信息技術在減災救災中發揮了不可替代的作用。地震發生后，由于地震造成災區交通和通訊中斷，災害管理部門迫切需要及時了解地震災區的受災情況，為災害應急救助工作提供直接的決策依據。在地震災害應急響應階段，需要開展災害應急救助、災害信息監測、災情綜合評估、次生災害風險預警等工作，包括衛星、有人飛機、無人機在內的航空遙感系統，及時地獲取到了地震災區的災情信息，為各項減災救災工作的順利開展，提供了客觀、科學、準確的決策信息依據。圖2所示為利用重大自然災害無人機合作機制獲取的高分辨率無人機影像制作的災后雅安市蘆縣寶盛鄉房屋倒損、滑坡崩塌、道路損毀的監測評估圖。

2空間數據資源分析

2.1國外遙感衛星的發展

自從20世紀60年代人類進入太空時代以來，衛星遙感就成為觀察、分析、描述所居住地球環境的行之有效的手段。21世紀，隨著衛星遙感技術的發展和日益廣泛的應用，越來越多的國家進入民用衛星研制和運行的行列。據不完全統計，僅2006~2008年，全球已經發射或計劃發射新的民用航天遙感衛星系統就有18個，其中包括新一代高分辨率衛星，這一領域的國際競爭與合作都在加強。由于空間技術得到世界各國的重視，全球主要發達和發展中國家均發展了各自的遙感衛星系列。目前，衛星遙感技術的發展整體上呈現三大趨勢：一是衛星系統由單一系列向星座組網發展，提高重訪周期和綜合觀察能力；二是衛星傳感器由中高分辨率向高分辨率延伸，由單一角度觀測向多角度和立體測量跨越，由空間維向光譜維拓寬；三是衛星定位精度不斷提高，遙感應用由定性向精確定量化發展。

2.2中國遙感衛星的發展

中國作為自然災害種類較多、發生頻繁的國家之一，遙感技術已經在防災減災中發揮著重要的作用。為加強我國自然災害監測預警能力，提高自然災害風險管理、應急管理和綜合評估水平，在不斷完善自然災害監測站網、災情上報和統計核查系統建設的同時，更加重視對地觀測技術在國家防災減災中的科學、技術和應用能力建設，目前已經初步形成了由環境與災害監測預報小衛星星座、氣象衛星、海洋衛星、資源衛星和航空遙感系統等構成自然災害空間基礎設施并建成了相應的業務應用系統，在應對近些年來國內外發生的多場重大自然災害中發揮了不可替代的重要作用。

2.3防災減災空間數據資源分析

理論上，任何一個遙感衛星系統都可以用于防災減災工作，能夠為防災減災提供服務的主要遙感衛星系統包括光學遙感、微波遙感等幾種衛星系統。目前，國內外在軌運行的遙感衛星包括高、中、低軌衛星系列(星座)，最高空間分辨率達到0.41m，最短重訪周期達0.5d，可以用于災害發生地區的災情快速、精確提取和科學評估。國內外在軌主要微波遙感衛星覆蓋了X，C，L，S等頻率的多種極化模式，可以用于多云多雨多霧地區的快速成像、地面目標識別和災情損失評估等。航空遙感能以較短的反應時間對特定區域進行大范圍多次重復觀測，提供高時間、高空間、高光譜分辨率的遙感數據。在2008年汶川地震、2010年玉樹地震和舟曲特大山洪泥石流災害、2011年云南盈江縣地震、2012年的云南彝良地震及2013年的四川省蘆山“4.20”7.0級強烈地震中，民政部國家減災中心利用最高分辨率達0.1m的航空影像對災區的災害范圍、基礎設施實物量、直接經濟損失進行了精細評估，對交通線擁堵、堰塞湖、滑坡泥石流、居民安置點分布與規劃、房屋恢復重建等情況進行了監測評估。

3重大自然災害監測評估的空間數據共享存在的問題

空間技術減災涉及空間數據的獲取、傳輸、管理、應用和服務等多個環節，空間數據獲取是前提，交換共享是保障，海量數據智能管理是基礎，集成應用是核心，信息服務是目標。事實上，我國空間基礎設施及其空間數據資源分布在多個不同的部門，由于體制機制等多種原因造成空間數據共享不暢，重大自然災害應急協同意識不強，使得空間數據的優勢在提升國家防災減災能力過程中不能得到充分發揮。

3.1空間數據獲取缺乏統籌協調

我國空間基礎設施及其空間數據資源分布在多個不同的部門，在自然災害發生時，尤其是在重特大自然災害發生時，各部門均能夠在災害發生后第一時間充分發揮自身的優勢和能力，組織協調所擁有的空間數據獲取資源，對受災地區進行應急觀測，快速獲取災區空間數據。但是由于缺少以災情和救災工作為整體需求的國家空間數據應急獲取任務的統籌規劃與協調，各部門所制定的應急觀測任務存在大量冗余，導致應急獲取得到的衛星遙感和航空遙感數據在空間和時間覆蓋完備性上存在嚴重不足，一些災區被大量重復觀測，一些災區則缺少必要的應急觀測數據，同時觀測時間上也難以保證必要的持續性、連貫性，不能滿足災害全面系統評估在空間維度上災區范圍全覆蓋和時間維度上災害過程關鍵時段數據獲取的基本需求。

3.2空間數據共享缺乏機制保障

我國空間數據的獲取和生產正在大規模開展，國家、部門、地方和單位每天都在獲取和生產大量的空間數據和專題應用產品，全國已經建成多個大型空間數據庫。由于體制機制、部門利益、狹隘的政績觀、安全保密考慮和缺乏組織協調等多種原因，目前大多是各自為戰，許多數據庫只是限于本部門、本單位使用，重大自然災害監測與評估空間數據共享機制建設尚未形成，更難以達到多個系統之間的業務協同，導致一方面空間數據資源嚴重不足，難以滿足實際需要，另一方面重復建設現象嚴重，有限的空間數據資源大量閑置，不能得到充分利用，限制發揮其應有的作用。于是，一個值得注意的現象是在重大自然災害發生時，會出現多個部門根據自身所掌握的空間數據生產出的大量信息產品，基本上是互相模仿、低水平重復和災區的局部信息反映，難以生產出具有綜合性、全面性和針對性的能夠體現高水平的專題信息產品。同時，空間數據共享機制建設和運行存在重災時輕平時、重大災輕小災的現狀，嚴重地影響了包括災害科學研究在內的綜合減災能力的提升。

3.3空間數據共享缺乏技術系統支撐

空間數據共享技術系統是指在計算機網絡環境下建立的用于空間數據接入、傳輸、交換、共享的分布式技術系統，橫向將同一層級的相關部門數據獲取與共享系統互聯，縱向實現國家到地方與部門業務相關的多層級數據獲取、分發和服務系統互通。空間數據共享需要技術系統作為支撐保障，然而，在國家防災減災領域這樣的技術系統尚未形成，主要體現在跨部門的數據共享缺乏長效穩定的數據共享鏈路，特別是軍民數據共享鏈路缺乏技術支撐，在應對重大自然災害時，在已經建立的共享聯絡機制保障下，部門間數據共享交換仍以不同存儲介質通過人員運送進行，工作量大，時效性差。跨部門、跨層級的空間數據共享平臺尚未建立，盡管已經建立了多個與防災減災相關的技術支撐系統，相互之間從數據共享標準體系、技術接口、交換共享協議和系統間的連通性均存在較大差距，形成了一個個的封閉孤立技術系統，導致綜合利用多源空間數據開展應急處置任務反應速度慢，多系統的整體效益低下，嚴重地制約了空間數據的共享乃至防災減災工作有效的信息支撐保障。因此，迫切需要建立天地一體化的端到端的“一站式”防災減災空間數據共享網絡和技術平臺，以滿足減災與應急工作的需求。

3.4空間數據應用缺乏相互協同支持

防災減災領域空間數據應用需要在深入分析空間信息產品與服務需求的基礎上，建立產品與服務體系，根據各部門在災害管理中的職能定位，確定空間信息產品研制、生產和服務的任務分工，建立數據鏈、信息鏈和產品鏈，實現部門間相互支持、協同服務的工作模式。然而，這種工作模式的建立已經在專家層面上有所研究和呼吁，但尚未在工作中實現，這也是造成空間信息服務低水平重復和服務不充分并存的主要原因之一。在《國家綜合防災減災規劃(2011~2015年)》中提出了實施“國家綜合減災與風險管理信息化建設工程”，正是基于這種現狀，計劃利用信息化手段和多種基礎信息資源，建立災害管理及空間數據減災應用“系統的系統”和業務協同機制，加強空間數據集成應用能力，實現相關部門之間涉災業務協同、資源共享和規模化應用，提升自然災害信息獲取、分析、研判、決策能力。

3.5空間數據共享缺乏統一標準規范

標準規范是空間數據共享和協同應用的軟環境保障。在基礎類標準規范中，目前只有“地球空間數據交換格式”成為國家標準，但缺乏相應的軟件工具，國內使用還不普遍。一些重要的數據標準，如空間元數據標準、空間元數據系統運行規范、空間數據共享模型等還停留在方案設計階段，與真正成為國家標準還有相當大的距離；一些重要的基礎性標準，如空間信息系統軟件功能標準、空間數據傳送協議、空間互操作協議、空間信息查詢與服務標準等尚未開始研究。在應用類標準規范中，尚未建立一個行業的空間信息系統技術規范或標準。在行業和工程標準規范中，也沒有建立空間信息系統軟件質量標準、空間信息應用工程質量標準、工程承擔單位資質論證標準、建設標準等。

4解決途徑

4.1加強重大自然災害空間數據共享統籌協調

為加強空間數據共享，促進重大自然災害應對空間信息服務能力，需要在不斷完善國家綜合防災減災管理體制的基礎上，圍繞各類自然災害和災害管理全過程信息支撐的重大需求，加強國家空間數據資源的頂層設計和統籌規劃，建立健全防災減災空間數據獲取與共享機制，不斷強化統籌協調力度，明確和細化空間數據共享和應用各節點責任，固化和發展與國家防災減災工作機制相配套的空間數據共享運行流程和程序，確保機制落到實處。防災減災空間數據獲取與共享機制建設需要與時俱進和不斷優化，需要加強防災減災領域空間數據獲取與服務全社會有序參與的社會動員能力，需要健全部門之間、區域之間、政府和企業之間的協調聯動，最大限度避免以往一些機制存在的對接不暢、運行效率不高等問題。需要建立空間技術應對重大自然災害應急預案，空間數據獲取、共享和應用的各關聯單位建立應急預案和響應工作規程，注重應急預案可操作性和可應用性，注重各級預案有效銜接，形成應急預案體系并定期開展演練，充分發揮各方力量，提高重大自然災害應急工作效果。

4.2加強重大自然災害空間數據基礎設施建設

充分利用互聯網和國家電子政務網絡，加強重大自然災害空間數據開放共享信息化建設，逐步實現安全互聯互通、資源共享公用和業務協同，深化空間數據信息資源的開發利用。充分利用國家正在建設的人口信息資源庫、法人單位信息資源庫、空間地理信息資源庫、宏觀經濟信息資源庫和文化信息資源庫等，面向防災減災業務要求，加強空間數據與它們之間的集成應用、融合應用和綜合應用，發展面向防災減災應用的空間分析模型庫、方法庫和決策支持系統，形成一批防災減災空間數據共享應用信息系統和業務支撐系統，實現跨部門、跨區域、跨層級防災減災信息系統的協同互動和資源共享，提高對我國大城市、城市群、人口密集區和經濟核心區的災害風險調查與評估能力，提高城鄉區域和基層社區的空間信息服務能力，提高重大自然災害的綜合防范和應對能力，提升應急救災信息預測預警通報、綜合分析研判和決策指揮支持能力。加強自然災害空間數據信息基礎設施建設，加強對地觀測系統的天地統籌、地面應用系統統籌，全面提升我國衛星遙感和航空遙感數據資源的自主保障能力。完善自然災害“天、地、現場”一體化立體監測體系，提高綜合觀測、高分辨率觀測、應急觀測能力，逐步建成國家統一的衛星遙感數據接收和處理系統，構建物理分散、邏輯集中、共享開放的遙感數據中心和共享服務平臺。加強衛星遙感、通信廣播和導航定位基礎設施融合，提高信息傳輸與服務能力，縱向上實現多級平臺互聯互通與協同服務，橫向上連通各類用戶，實現便捷、及時的一站式空間數據共享服務。健全技術體系，完善服務能力，實現全天候、全天時、全球范圍的災害監測業務運行系統，形成為防災減災公共服務提供標準化、規模化和可持續更新的空間信息產品與服務體系，提高跨部門協同的高層次空間數據綜合應用服務水平。同時，要積極建立和利用空間技術減災領域的各種國際合作機制，拓寬空間數據資源獲取渠道，在重大自然災害應急情況下共享盡可能多的實時衛星數據。

4.3加強重大自然災害空間數據共享軟環境建設

目前，國家在空間數據信息共享方面的法律法規建設相對滯后，法律法規體系不完備，關于對地觀測數據采集、共享、應用等方面的立法工作仍處于研究論證階段，需要從國家戰略高度，根據空間基礎設施持續發展和空間數據開放共享的需要，建立適合我國國情的法律法規體系，完善和制定單項法律法規。在防災減災領域現行的相關法律法規基本上都是由各部委牽頭制訂的單災種法律法規，相關法律法規的銜接性較差，需要建立一部“總攬全局、立足綜合”的綜合減災基本法，并將空間數據獲取與共享的相關規定納入其范疇。在空間數據共享政策方面，需要加強對空間數據共享過程中產權保護的政策創制，提高全社會對空間數據資源及其產品著作權的保護意識，明確空間數據信息的產權歸屬、產權的具體內容、信息共享中的產權定位，以及產權轉讓過程中的保密要求，防止出現盜版行為，保障空間數據獲取、生產和增值服務投資方獲得經濟效益和社會效益的權益。按照我國的著作權法，空間數據信息產品中存在的著作權包括發表權、署名權、修改權、保護作品完整權、復制權、發行權、出租權、展覽權、表演權、放映權、廣播權、信息網絡傳播權、攝制權、改編權、翻譯權、匯編權和應當由著作權人享有的其他權利。在數據政策方面，需要在平等無歧視原則下，制定關于空間數據獲取、原始數據共享、國產衛星數據推廣、產品分類分級、增值產品服務、數據存檔、數據記錄、數據檢索、數據保密、數據分發、數據共享、數據版權和許可、國際服務等方面的政策，并規定在重大自然災害事件應急期間，空間數據獲取管理單位應該根據國家應急工作實際需要，根據應急等級確定優先目標區域，在保證時間指標和質量指標的前提下開展空間數據共享服務。

在防災減災領域空間數據共享標準規范體系方面，需要加快多層次、多專題的數據與服務標準規范制定和完善，從國家層面強化部門、領域空間數據的標準化，建立空間數據標準產品、災害監測信息產品和災害預報預警、模擬仿真、評估評價等專題產品，以及資源共享、互聯互通、數據整合、網絡集成應用等構成的防災減災標準規范體系，統一各級空間數據及其減災專題產品的時空基準、信息編碼、數據網絡交換協議和元數據標準，既要重視分類建立，也要重視綜合集成，形成行業標準和國家標準，與國際標準接軌，促進防災減災領域空間數據共享、聯動更新、應用集成和協同服務體制機制建設，保障防災減災領域空間數據資源開發利用和跨部門、跨地區網絡化信息系統的建設與運行。同時，加強防災減災領域空間技術應用的人才培養、專業隊伍和機構建設，加強專業教育與科學普及、知識評估和知識更新并使之常態化、機制化，也是重大自然災害空間數據共享軟環境建設的重要組成部分。

5結論和討論

我國建立空間數據資源共享在標準、政策與立法方面還存在許多待解決的問題。需要完善和明確國家減災空間數據信息共享的指導方針，建立相應的政策體系和法律法規，建立信息共享的管理環境；需要建立完整的國家減災空間數據信息的標準體系，統一部門間、系統間和不同歷史時期數據的標準；需要解決信息封閉、信息壁壘和信息壟斷的問題；引入市場機制，合理制定價格，推動信息共享。因此，為了促進數據資源的開發利用、保障國家安全、提升社會管理水平，我國減災空間信息資源應以共享為核心，以建立減災空間數據信息共享機制為重點，加強我國對空間信息基礎設施發展的宏觀協調，打破部門和單位的界限，激活現有資源，提高利用效率，充分利用現代化先進的信息技術，在全面整合、優化現有資源的基礎上，建立我國防災減災空間數據信息基礎設施，為我國防災減災服務。

本文作者：范一大 單位：民政部國家減災中心、民政部減災和應急工程重點實驗室

自然災害監測體系研究:自然災害監測系統建設意見

一、充分認識加快共享系統建設的重要性

我市是全國四大滑坡泥石流高發區之一，地形地貌特殊，生態環境脆弱，山洪滑坡泥石流災害頻發，加之地震導致山體松動，自然災害對人民群眾生命財產安全的威脅進一步增大。近兩年來，由于災后重建項目的實施，我市氣象、國土、水務、滑坡泥石流預警管理等部門自然災害監測預警體系建設取得了較大進展，在防災減災工作中發揮了重要作用。特大暴洪災害，由于氣象部門預警信息及時，為組織群眾撤離現場贏得了寶貴時間，有效減少了人員傷亡和財產損失。但是，當前我市自然災害監測預警體系建設還存在一些突出問題，表現在各部門之間信息共享工作滯后，多頭重復建設嚴重，監測站點布局不盡合理，造成人力、物力、財力浪費，嚴重制約著我市自然災害監測預警整體水平的提升。加快共享系統建設，實現系統軟硬件資源共享，對于提高自然災害監測預警綜合能力和水平，保障人民群眾生命財產安全具有重要的意義，是當前刻不容緩的一項重要任務。

二、共享系統建設進展情況

市委、市政府高度重視共享系統建設工作，主要領導和分管領導多次作出重要批示，召開專題會議進行研究。經過各縣區和相關部門的共同努力，共享系統建設工作取得突破性進展。目前，氣象部門和水務部門已經實現了網絡互通，共連入共享系統監測站點430個，其中氣象部門215個、水務部門215個。但由于部分縣區監測站點項目建設進度緩慢，接入共享系統的站點較少，嚴重影響共享系統正常運行和作用的發揮。水務部門分布在、縣的100個自動雨量監測站點，國土資源部門分布在全市的180個監測預警站點仍在建設當中，離市委、市政府的要求還有很大差距。

三、加快項目建設進度，確保按期完成任務

相關縣區和單位對以上問題要引起高度重視，加強組織領導，采取有力措施，認真研究解決項目建設工作中存在的困難和問題，加快項目建設進度，確保按時完成任務。

（一）國土資源部門已建成的監測預警站點，要在6月5日前與市氣象局銜接并入共享系統網絡。長江上游滑坡泥石流預警系統管理局、市水文局要盡快解決當前工作中存在的問題，務必于6月10日前并入共享系統。

（二）國土資源部門，縣水務部門在建的監測預警站點項目進度較慢，以上縣區和部門要嚴格按照《市擬建自然災害監測站點布局表》的要求，強化督促檢查，加快建設進度，確保在6月30日前完成建設任務并入共享系統。

（三）氣象、水務、國土資源已建成的相互重復的監測站點，要參照《市應遷自動監測站點統計表》，務必在6月15日前完成搬遷任務。

（四）各縣區政府，市氣象局、市水務局、泥石流預警管理局、市水文局、市國土資源局，于6月15日前將共享系統建設情況上報市政府。對于未能按時完成任務的縣區和單位將進行通報批評，由于工作不力、進度緩慢影響防災抗災工作造成嚴重損失的，要追究相關責任。

自然災害監測體系研究:高速鐵路自然災害及異物侵限監測系統網絡優化方案

摘要：高速鐵路自然災害及異物侵限監測系統（以下簡稱災害監測系統）是鐵路安全保障的重要組成部分，對安全性、穩定性的要求很高，而其安全性、穩定性的實現又很大程度上依賴于其網絡子系統。現有災害監測系統網絡方案沒有對各個組成部分進行說明，當出現網絡故障時，不易分析和定位問題。

關鍵詞：網絡優化；設計分析；網絡技術指標

本文緊密結合鐵路自然災害及異物侵限監測系統的業務需求及鐵路通信系統現狀，靈活利用現有技術手段，形成一套安全、可靠、合理、易于實施的網絡建設優化方案。

本文主要結合災害監測系統網絡現狀，從廣域網通信技術，網絡拓撲結構和網絡安全幾個方面入手進行分析，對現有網絡方案進行了設計優化，提出優化方案，并給出相應的網絡技術指標。

1既有系統網絡情況

災害監測系統包括現場監測設備，監控數據處理設備和終端設備，網絡結構也包括了這幾個層次。根據對既有線路的網絡情況調研，如廈深線，溫福線，滬昆客專江西段等，發現如下問題：

各線路網絡方案各異，無網絡架構規范；

網絡指標不明確；

缺乏有效的網絡安全防護手段；

網絡質量無法監控，出現故障不易定位；

2網絡方案設計分析

2.1廣域網通信技術選擇

鐵路自然災害及異物侵限監測廣域網包括線路數據處理中心與基站、終端、路局中心、相鄰線路中心之間的網絡通信設備及線路。從統一建設、集中維護、節省投資等多方面考慮，自然災害及異物侵限監測網絡應充分利用既有鐵路通信專網資源進行構建。目前可供選擇鐵路通信平臺主要有SDH（同步數字體系）、MSTP（多業務傳送平臺）、IP數據網、工業級IP光纖環網四種。

從業務容量來講，以上幾種通信網絡都可以滿足本系統的需求；從安全性來講，IP數據網不適宜；從可靠性上來講，除IP數據網以外，都有類似環形的保護機制和低延遲切換機制；從性價比來看，工業級IP光纖環網投資性價比較低，且本系統不能夠與其共用網絡。因此，本系統不適宜采用IP數據網和工業級IP光纖環網進行構建。

相比SDH，MSTP技術顯然更適合本系統。因此，應優先采用MSTP方式來構建。在不具備MSTP接入條件的情況下，可采用SDH方式。

2.2網絡拓撲結構設計

2.2.1災害監測系統組網方案

目前，已開通的高速鐵路災害監測系統均采用以太網技術組網，以多業務傳送節點（MSTP）魘湎低匙魑信息承載平臺，其通信組網方案主要有環型、星型和樹型 3 種結構。

環型網的組網原理是利用MSTP傳輸設備的二層交換功能在每個網元以太網業務處理板的二層交換模塊中建立虛擬網橋，利用虛擬網橋互連組建環型網絡， 星型網是最簡單的組網方式，它利用以太網私有專線（EPL）方式在現場監控設備和監控數據處理設備間建立一個點對點的網絡。

樹型網采用 EPL與EVPL（以太網虛擬私有專線）相結合，分層匯聚收斂的方式傳送防災安全監控系統信息，構成一個邏輯上是星型但物理上是樹形的網絡， 通過前面的分析可知，3 種組網方案各有優缺點，如表1 所示。

2.2.2匯聚車站與中心網絡構架方案

線路處理中心與匯聚車站是典型的一對多通信模型，適合用MSTP網絡承載。考慮到MSTP在物理線路上具有完善的環網保護功能，并可以增加基于MSTP的二層環網保護。這樣整個網絡中存在兩套冗余機制，完全可以滿足系統對網絡平臺安全性的要求。

線路處理中心與基站間的內部邏輯架構建議采用雙星型和雙環型兩種方式：

2.2.3線路中心之間網絡構架方案

線路中心之間組網方案取決于業務需求。假設有A1、A2、A3、…An共n個線路中心，這n個線路中心可能有數據交互，也可能沒有數據交互。如只有兩個線路中心，可以使用MSTP點到點模式直接組建直連雙網，如有兩個以上線路中心進行互聯，則建議采用網絡通道采用網狀或部分網狀構建，帶寬根據業務需要設計。

2.2.4路局中心與線路中心之間網絡構架方案

路局中心集中接入各個線路中心，以實現統一調度和管理。網絡架構采用MSTP構建雙網，如果線路中心相對獨立，可以直接點對點接入路局中心；如有多個線路中心需要數據交互的情況，則可采用網狀或部分網狀架構。網絡帶寬依據所接入的業務需求進行設計即可。

2.3局域網安全設計

網絡安全設計主要從防火墻技術、入侵檢測技術、網絡隔離技術幾個方面考慮，設計網絡安全方案。

在不同線路中心之間、局中心和線路中心之間、本系統和其他系統之間等邊界接口處，應采用硬件防火墻進行數據訪問控制。通過在防火墻上部署相應安全策略，阻斷未經允許和授權的非法訪問，來保證邊界訪問安全。

在同一系統內部，主要考慮線路數據處理中心與基站、終端之間的訪問控制、隔離及相關防病毒措施，具體如下：

1） 為減小廣播風暴的影響范圍，采用了vlan隔離技術。

2） 服務器、終端、監控主機都啟用了操作系統自帶的防火墻功能，通過合理的策略設置，來禁止系統內部的非法訪問。

3） 服務器和各終端均部署防病毒殺毒軟件，并開啟威脅實時防護功能，一旦感知到有病毒威脅，則自動采取掃描、隔離、清除等措施，確保病毒無法感染、傳播；另外，需定期下載安裝最新病毒庫，并進行全盤掃描。

4） 各個網絡接口處考慮網口防雷方案。

3網絡優化方案以及技術指標

3.1數據處理中心網絡方案

3.1.1廣域網

廣域網采用雙網冗余架構，并采用延遲小、保護特性完備的傳輸專網通道，接口為RJ45。終端至數據處理中心廣域網采用點對點、雙網結構，基站至數據處理中心廣域網采用雙網、MSTP 點到多點以太網匯聚架構。

應優先采用MSTP方式來構建。在不具備MSTP接入條件的情況下，可采用SDH方式。

3.1.2局域網

局域網采用雙網冗余架構：數據處理中心采用2臺三層核心交換機，組成A、B兩套網絡；數據處理中心的服務器配置A、B兩塊網卡（地址也分為A、B兩套，每個網卡上配置一套），分別上聯至2臺核心交換機上；監控終端同樣配置雙網卡，分別通過2條通信通道連接至數據處理中心的2臺核心交換機。同時，數據庫服務器和應用服務器采用雙機集群配置，監控軟件采用雙收雙發策略。這樣，當其中任意服務器、交換機、網卡、應用軟件發生單點故障時，都能保證業務不中斷，最大限度地保證了系統的高可用性。

數據處理中心的主要設備連接圖如圖3所示：

3.2網絡拓撲結構方案

通過前面的分析可知，3 種組網方案各有優缺點，如表2 所示。

根據以上分析，網絡拓撲結構的設計方案優先考慮樹形結構。

匯聚車站與中心的網絡架構建議采用雙星型和雙環型兩種方式。

線路中心之間、路局中心與線路中心之間建議采用網狀或部分網狀構建，帶寬根據業務需要設計。

3.3網絡示意圖

通過以上的分析和設計，形成鐵路自然災害及異物侵限監測系統的網絡示意圖，具體如下：

3.4網絡安全優化設計

3.4.1廣播風暴的抑制

解決廣播風暴需要從監控和管理兩個方面進行解決。

1）保證網絡設備及線纜質量

在資金允許的條件下使用較高檔次的網絡設備及線纜，保證網絡通信質量。從硬件上減少故障發生機率。

2）避免出現環路

優先使用星型、樹形的網絡拓撲結構。

3）做好惡意軟件的防控工作

應部署專業的殺毒軟件，并及時進行病毒庫；原則上應2周升級一次病毒庫；加強日常病毒管理和查殺；嚴格控制U盤和光盤等高風險移動介質的使用。主機應卸載不必要的服務、關閉不必要的端口，以最大限度地減少漏洞，提高系統的安全性和可靠性。

4）充分利用網管軟件和工具進行監控和定位

應使用網絡管理軟件，對整個網絡運行狀況進行定期有效監控，故障時可迅速定位故障源頭。

5）采用VLAN技術

VLAN是一種將局域網從邏輯上劃分成一個個網段，從而實現虛擬工作組的數據交換技術。VLAN不能消除廣播風暴，但可以有效地隔離廣播包的傳播，限制和縮小廣播風暴的影響范圍，因此在工程中得到了廣泛應用。它通過在以太網數據幀基礎上增加的VLAN ID字段，實現了把物理交換機劃分成若干個不同的邏輯交換機的功能。

按照實現方法的不同，可以分為基于交換機端口的VLAN、基于計算機MAC地址的VLAN和基于IP地址的VLAN三類。

在災害監測系統中應綜合使用前兩種方式進行VLAN劃分。

3.4.2 ARP欺騙的優化及解決

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析協議）是一個位于TCP/IP協議棧中的底層協議，對應于數據鏈路層，基本功能就是將網絡層（IP層，也就是相當于OSI的第三層）地址解析為數據連接層（MAC層，也就是相當于OSI的第二層）的MAC地址，以保證通信的進行。

ARP自身存在著很多安全缺陷，因此成為網絡攻擊的主要目標之一。

為避免ARP攻擊帶來的危害，一方面可利用殺毒軟件進行ARP病毒的查殺；另一方面，可綜合利用交換機設備提供的多種ARP安全特性（如ARP報文限速、ARP Miss消息限速、ARP嚴格學習、ARP表項限制、ARP表項固化、動態ARP檢測等），對ARP的攻擊進行防范、檢測和應對，從而屏蔽ARP攻擊，保障網絡設備的安全運行。

上述安全策略各有側重點，但大多可以互相疊加、協同生效，可根據應用場景特點及設備特性靈活配置。

3.5網絡技術指標

1） 應優先采用MSTP方式來構建。在不具備MSTP接入條件的情況下，可采用SDH方式。

2） 災害監測系統網絡拓撲結構宜星型、樹型的方式來組網。

3） 對于監測點數量多，分散廣，數據量小的子系統（如氣象監測、異物監測），考慮到帶寬容量和控制以太網廣播域大小，為合理節省通信資源，建議優先采用雙環型結構，每個2M環內不宜超過10個基站。對于監測點較少、數據量較大的子系統（如地震），可優先按照雙星型考慮，每個監測點獨享一個2M通道。

4） 災害監測系統監控數據處理設備處的核心網絡交換機采用知名品牌，并按照雙路供電配置。

5） 在不同線路中心之間、局中心和線路中心之間、本系統和其他系統之間等邊界接口處，應采用硬件防火墻進行數據訪問控制。

6） 設備互聯網線通過室外h境需考慮防雷方案，室內網線布設距離大于50m時需考慮防雷方案。易發生雷雨天氣地區在監控單元接入網絡前需考慮防雷方案。

7） 服務器和各終端均部署防病毒殺毒軟件，并開啟威脅實時防護功能，一旦感知到有病毒威脅，則自動采取掃描、隔離、清除等措施，確保病毒無法感染、傳播；另外，需定期下載安裝最新病毒庫，并進行全盤掃描

8） 災害監測系統內設備IP根據統一的規范設置。

9） 害監測系統建設需考慮完備的網絡監控方案。

自然災害監測體系研究:高空監測自然災害

7月19日，我國環境一號A／B星及長征二號丙改進型火箭順利通過出廠審定，即將執行一箭雙星發射任務。這兩顆衛星是我國“環境與災害監測預報小衛星星座”的光學衛星，除了具有高時間分辨率外，還有超光譜成像等技術創新點。衛星入軌后，將大大提高我國對環境生態變化、自然災害發生和發展過程監測的能力。聯想到震驚中外的汶川大地震，人們不禁要問：用衛星監測自然災害的作用何在呢?

衛星監測的獨特優勢

眾所周知，地球上每年都發生諸如臺風、風暴潮、洪水、干旱、地震、滑坡、泥石流、冰雹、霜凍、病蟲害和森林大火等自然災害，威脅著人類的安全。我國既是一個幅員遼闊、人口眾多的大國，又是一個自然災害多發的國家。因此，采取措施有效減災對于保障人民生命和社會財富安全具有十分重要的意義。

目前人類還不能控制和消除自然災害，但已有能力利用航天高科技手段來監測、預報自然災害，為及時采取相應措施提供依據以減輕災害帶來的損失。世界上不少國家利用多種衛星在減災方面取得了大量的實際成果。如1986年7號臺風襲擊我國東南部沿海地區時，由于氣象衛星提前72小時給出預報，各地政府和群眾采取相應措施，使此次災害減少損失達10多億元。

在空間技術日臻成熟的今天，利用衛星監測地球是一種最經濟、能取得最好效果的手段。根據主要監測對象的不同，可分為氣象衛星、資源衛星、海洋衛星和國土普查衛星等。綜合這些衛星提供的大量遙感圖像資料，加上衛星特有的快速、大面積重點連接觀測的優點，就可以嚴密監測地面的一切自然變異，為減災救災提供可靠信息。這是其他手段無法達到的。

毋庸置疑，災害信息還應包括災害發生的地理位置，為預報災害出現的具體地點和指揮防災抗災、減災救災提供依據。雖然多種衛星的遙感圖像資料可以預報災害發生的地理位置，但定位精度只能滿足一般要求。為了定位精度更高，能給出災害具體位置，就需采用美國的導航星全球定位系統、俄羅斯的全球導航衛星系統和我國的北斗衛星導航定位系統。

一旦出現災難后，災情上報與指揮調度就成為救災減災的重要保障條件。此時的通信聯系一般以數據和話音雙向通信為主。在地面通信線路遭到破壞的情況下，為保證通信暢通，應主要依靠衛星通信，而以地面微波中繼通信和短波通信作為輔助手段。通過通信衛星不僅能向各地電視臺播放災害新聞，而且能取得與奔赴災區的車載移動通信站的聯系，保證救災人員與指揮部的通信暢通。

當然，上述各種衛星功能的發揮，都離不開地面應用系統的配合。為使讀者能夠了解這些基本原理，下面我們用衛星抗震救災的具體事例加以說明。

救災中發揮重要作用

5月12日四川汶川發生8級地震后，我國啟動衛星管理應急模式，動用9種型號15顆衛星為救援行動提供技術支持，顯示了航天技術在抗震救災中的重要作用。

北斗星確保導航定位地震后通信和道路中斷，災區失去了和外界的聯系。當首批武警官兵到達重災區后，便使用北斗用戶終端機，通過北斗導航定位衛星，連夜陸續發回實時災情數據，讓指揮部掌握了第一手資料。在地震當日下午，中國衛星導航定位應用管理中心即緊急調撥1000臺北斗用戶終端機贈給一線救援部隊，成為指揮部和前方救援人員最有力的通信助手。北斗星是靜止軌道衛星，猶如掛在空中的燈塔。由2顆工作星和1顆備份星組成的北斗衛星導航定位系統，為緊急救援提供了時效保障。

鑫諾星保障災區通信廣大觀眾從電視上了解地震新聞和信息，都是通過鑫諾一號、二號等靜止軌道通信廣播衛星開通的電視傳輸通道而實現的。管理這些衛星的中國直播衛星有限公司，在地震后為多家電視媒體開通14個臨時電視傳輸通道，并及時為中國聯通、武警部隊等用戶緊急提供了衛星資源和擴容寬帶資源。與此同時，公司設法調整內部資源，準備了轉發器帶寬，滿足了11輛中國移動應急通信車奔赴災區現場使用的需求。這使汶川、茂縣、綿陽等重災區迅速恢復了衛星電話聯系。開進北川等地區的應急通信車，保障了抗震救災的通信暢通。

資源星提供監測資料為了對比地震前后的圖像和實時監測災情，這次動用了中巴資源衛星一號02、02B和中國資源衛星二號03三顆太陽同步軌道衛星。超期服役的中巴資源一號02星是2003年10月21日發射升空的，本已停止工作，5月13日9時被重新啟動后，才實現了3星協同運行，滿足了監測要求。其后，衛星應用中心每天安排1顆資源衛星經過災區上空并成像，地面工作人員及時把衛星下傳數據處理出影像圖，為救災工作提供了決策參考資料。資源衛星圖片不僅發現了多處滑坡和堰塞湖，而且為防止次生災害提供了技術服務。有專家指出，衛星監測數據顯示，汶川地震使其所在的龍門山升高了9米，說明龍門山造山運動仍在進行，這是非常值得重視的科學問題。另外，對地觀測的北京一號小衛星也傳回大量地震影像，為恢復災區道路、評估災害損失提供了寶貴資料。

氣象星觀測災區風云掌握氣象變化情況對震后救援工作非常重要。為此，國家衛星氣象中心通過風云一號D太陽同步軌道氣象衛星和風云二號C和D兩顆靜止軌道氣象衛星發回地面的資料，仔細分析災區氣象情況，及時為救援工作提供氣象服務。

風云二號兩顆衛星可對災區連續進行氣象觀測，實時將資料發回地面。地面指令兩星啟動加密預案，它們每隔15分鐘交替提供1張衛星云圖，為災區氣象部門提供了更加準確的監測數據。此外，地震發生后，我國還得到了歐洲空間局和美國、日本、加拿大等國的衛星數據資料，幫助震區救災，充分體現了國際空間合作的重要性。

值得期待的兩顆新星

監測自然災害，除了前面講過的幾種衛星以外，有的國家還使用裝有合成孔徑雷達的微波遙感衛星，簡稱雷達衛星。這種衛星具有全天候對地觀測能力，特別適于對自然災害的監測，故又將其稱為“減災衛星”。

我國已經使用飛機裝載合成孔徑雷達監測災情，并取得良好效果。不過，當受災面積比較大時，使用這種航空遙感的辦法，飛機就得多次起降，工作周期為10天的循環監測便顯得費用過高，很不經濟。為此，21世紀初，我國成功地研制出星載合成孔徑雷達，并實現了對地成像。

兩顆新星的有效載荷，可以說既有可見光遙感器，又有微波遙感器，是兩者的綜合裝置。星載可見光的應用雖有局限性，但也有明顯優點。如探測云圖和植被通常采用0.58～0.68微米譜段的可見光，探測火情則用355～393微米譜段的中紅外，合成孔徑雷達就難以完成這些任務。星載合成孔徑雷達微波遙感器卻能利用微波穿透云層和一定地表深度的能力，根據介電常數與雷達回波強度的關系，可探測出地表層下一定深度的土壤水分等情況，還彌補了可見光與紅外遙感器不能進行全天候對地觀測的不足。綜合利用這兩類星載遙感器，能夠獲得精度較高的監測數據，從中提取更多的有用信息，為減災提供更有效的技術支持。

環境一號A／B星投入使用后，可獲得高時間分辨率、中等空間分布率的對地觀測數據，對我國大部分地區可實現每天一次重復觀測，將大大緩解目前對地觀測數據緊缺局面。衛星數據不僅能為環境與減災業務運行系統提供重要保障，還將成為很多部門日常業務的重要數據源。基于環境衛星數據建立的環境與減災應用系統，對推動遙感衛星業務服務具有重要的示范作用。就汶川震后的恢復重建來說，兩顆新星就可對震區地殼變化情況進行調查，為新的大型建筑和重要交通線路選址提供寶貴資料。

環境一號A／B星還將對推動我國遙感衛星國際合作以及在國際衛星相關事務等方面具有非常重要的作用。不難想象，待我國“環境與災害監測預報小衛星星座”建成后，該星座系統的作用將會更為巨大。按照預定計劃，由8顆衛星組成的“環境與災害監測小衛星星座”具有高時間分辨率和全天候的觀測能力，能夠及時準確地對自然災害、環境污染和生態情況進行大范圍、連續動態監測。