李存东 中国科学院大学2022级博士研究生 培养单位：中科院物理所

前些日子，我看到新闻，用炸药爆破黑龙江江面的冰层，场面可谓是十分壮观啊，放到武侠片里，妥妥的陆地神仙呐。

黑龙江塔河段实施防凌爆破 | 图源自网络

不过说起清理冰面，还得看咱解放军。每年的春天黄河容易发生凌汛，情况危急时便需要解放军使用轰炸机投掷炸弹炸开冰面。

轰炸黄河河冰

先简单介绍一下黄河凌汛。黄河有桃汛、伏汛、秋汛、凌汛。其中凌汛形态特殊，较难防守。

黄河凌汛是一种自然现象，其形成原因比较复杂，一个重要原因是由于黄河上下游地理位置不同，形成较大的温差。另外，也受河道平面形态的影响。

黄河作为哺育中华民族的母亲河，实在是太长了。

图源自网络

黄河自青海省发源，流经中国北方9省，全长5464公里。绵延的黄河东西跨越23个经度，南北相隔10个纬度。河道各段封冻解冻的时间不同，便造成了凌汛灾害。秋季过后，气温降低，河水开始部分结冰，冰凌漂浮于河面上，随河水向下流淌，这便是流凌。随着气温进一步降低，流凌密度不断增大，最终会在河湾、狭窄河段或浅滩河段等处拥塞，相互冻结，逆流上排，使整个河道封冻，等河道全部封冻后，河面全部结为冰面，进入冬季稳定期。

黄河流凌景观 | 图片来源：中国政务网

但等到来年开春，气温回升，河面便开始解冻，这便是开河期。由于黄河流域跨度过大，在某些流域，河道从西南流向东北，上段河道冷的晚，回暖早，结冰气温持续时间短，下段河道封冻早，冰层厚，解冻开河晚，封冻时间长。因此，往往出现上段河道已解冻开河，冰水齐下，而下段河道仍处于冰封状态的现象，极易形成冰坝、冰桥，阻塞水流，产生严重凌洪。开河分为“文开河“与”武开河“，文开河气温回升平稳，上下游河道基本同步融化，武开河上游河道气温回升快，下游河道来不及解冻便被来自上游的大量河水冲击，水鼓冰开，凌汛往往便在这时候发生了。

黄河托克托县段春景 | 图片来源：中国政务网

黄河内蒙古河段，正位于黄河几字弯的最北段，河水从宁夏回族自治区由南向北流入内蒙古自治区后河谷逐渐缩窄，折转向东进入后套平原后变宽。此段河床比降小，水流缓慢，河床淤积，河床逐渐抬高，且改道频繁。到乌拉特前旗西山嘴以东河床缩窄，比较稳定。转向南流后，河谷又逐渐缩窄，两岸石壁陡立，水流湍急。黄河内蒙古段河道宽窄变化很大。由于内蒙古段与甘肃宁夏段纬度相差较大，冬季严寒且漫长，再加上河段比降小，自古便是凌汛的高发河段，解放前几乎每年都会发生凌汛。

经过我们的治理后，内蒙古河段的凌汛已经大为改善，但还是丝毫不能放松警惕，当情况比较危急时，也就是上游即将开河，而下游依旧封冻时，便需要人为干预使下游开河，以防止凌汛发生。因此便有了轰炸机投掷铁炸弹炸开下游河段冰面，强行开河的“胜景“。Ps：猜猜是哪架轰炸机

据水利部消息，3月16日，黄河内蒙古河段全线开河，凌汛洪水安全进入万家寨水库，标志着黄河2022—2023年度防凌工作顺利结束。本年度黄河凌情总体平稳，全河未发生凌汛灾害。

事实上，经过我们的治理，黄河近年来文开河次数越来越多，武开河次数愈来愈少。

消防坦克

不止飞机，坦克在救援中也有应用！消防坦克你见过没？

消防坦克奔赴战场

消防坦克是用坦克底盘改装而成的消防车，既具备坦克的大功率性、高防护性、强通过性，又新增推铲清障破拆功能，还具备水、泡沫消防车的功能。

目前我国的消防坦克主要由某型号主战坦克改装而成（猜猜是哪一型号？），装备有吊车、水炮、清障铲，甲板由特种钢制成，底盘有耐高温的挂胶履带，车舱内有隔热层。配置集体防护装备的消防坦克还安装了滤毒通风装置和核化报警装置等，携带防毒面具和空气呼吸器。

功能强大的消防坦克可以执行多样化的任务。

首先是自然灾害。自然灾害主要是因为地震、雷电、龙卷风等极端气候条件，造成自然环境的改变，产生次生灾害，引发道路坍塌、火灾，危险化学品泄漏等事故。灾害发生后，灾区有可能面临道路不畅，通行困难的问题，这是履带的高通过性便发挥了重要作用，拥有履带的消防坦克可以通过别的救援车辆无法通过的危险地段，面临灾区有可能存在的有毒气体，也能做到对救援人员的充分防护。另一方面，消防坦克还拥有15吨的清障推铲质量，可以快速清障，为别的救援车辆开辟道路。

消防坦克在丘陵间行进

配备集体防护装备的消防坦克在城市化学事故中也可以发挥重要作用，坦克的滤毒通风装置可以有效保护车内人员安全，在这种环境中，消防坦克可以第一时间进入受灾区域，无惧毒烟毒雾。快速处置城市化学事故，能够最大程度避免和减少人民群众财产和生命损失。

配备核化报警装置的消防坦克也是处理核与辐射事故的重要力量。

真·核能预警

森林火灾事故也是消防坦克的主战场。森林火灾火势猛，变化大，但这对消防坦克却不在话下，消防坦克配备隔热层，即便在火场中也是进退自如，集体防护装备也使得消防坦克无惧烟雾，履带车辆对森林山地的地形也有更好的适应性。消防坦克本身携带1.8吨的蓄水，本身具有一定灭火能力。

但需要指出的是，消防坦克在保护车内人员方面是没得说，但本身灭火能力十分有限，1.8吨的蓄水在比较大的火情面前是完全不够用的。实战中消防坦克往往需要配合水车使用。另外消防坦克造价高昂，耗材贵、配件少，基层训练不愿用甚至负担不起；履带车辆通过性虽然高，但单车行驶困难，战时需要用平板车或牵引车运送至现场，耗时严重；消防坦克防护性虽然好，但驾驶室视野差，观察不便。

除了坦克，其实在防灾救援中还有一个大家更熟悉的设备，那就是无人机。无人机的一个重要应用就是利用定位技术和图像迅速建立对应区域的三维电子地图，对火灾等情况还可以利用红外成像建立火势地图。

无人机定位技术

提到定位技术，我们通常想到的是卫星定位技术（Global Navigation Satellite System，GNSS），我们之前在的文中中也讲解过，忘记的同学可以回去看一眼，但民用卫星定位技术即便在室外空旷的地方也有几米的误差，在建立地图方面并不能满足需要。高精度定位可以使用差分卫星定位技术。

我们这里简单介绍一下载波相位差分定位技术，算是填坑了（就是上面那篇文章挖的坑）。

载波相位差分定位技术是基于载波相位的差分定位技术。所谓载波指的是由振荡器产生的被调制后携带由信息的高频电磁波。在全球卫星定位中，卫星发射的载波在穿过大气层时会引入误差，卫星时钟和接受机时钟同样会引入误差，而差分定位技术便可以通过对载波相位做差消除大部分误差，实现高精度定位。

载波相位和卫星几何距离的关系可以表示为：

如果考虑卫星观测中的各种误差，载波相位观测值可以表示为：

式中， 为卫星 的载波相位观测值， 表示载波的实际波长， 为卫星 到GNSS接收机的真实几何距离， 和 分别表示电离层和对流层延时， 是载波的频率， 是接收机的时钟误差， 是卫星时钟误差， 是整周模糊度，是载波相位测量的噪声量，

如果卫星 由移动GNSS接收机m和参考站GNSS接收机 同时跟踪，则m和 对卫星 的载波相位分别产生观测值，我们可以对这两个观测值做差，就能消除一定的误差。

由于卫星时钟误差对两个接收机是一样的，因此做差以后该误差就被消除了，在短基线的情况下，两个接收机的时钟误差相同，电离时延和对流层时延也可以认为是相同的，这里的基线指的是移动接收机和参考站接收机之间的距离，短基线一般指二者距离小于15km。于是，上式可以简化为：

这种将参考站载波相位与移动站接收机载波相位做差叫做单差，式中N表示单差的整周模糊度。

差分定位技术原理图

由于卫星定位系统需要至少需要接受到四颗卫星的信号，也就意味着，参考站接收机和移动站接受机在同一时间可以观测到多个卫星，如果我们将移动站接收机接收到的来自卫星j的载波相位与参考站接收机接受的来自j的载波相位做差，就可以得到来自卫星j的单差载波相位观测值，将来自卫星i的单差载波相位观测值与来自卫星j的单差载波相位观测值做双差处理，便可以进一步消除误差。

经过双差处理后的载波相位观测值中，由于参考站接收机与移动站接收机的时钟差异对于卫星i和卫星j是不同的，因此在双差处理后便可以消除。接下来，只需要结算出双差整周模糊度，便可以利用已知的参考站的精确坐标得到移动站的高精度位置坐标了。

虚拟参考站系统构成

载波相位差分定位中的关键问题就是对整周模糊度的解算。卫星发射载波到接收机时，接收机只能判断相位，而无法准确判断载波在传播中经过了几个整数周期，这便是整周模糊度误差的来源，实现整周模糊度的快速解算，是载波相位差分定位技术实现高精度定位的关键问题。

RTK（Real Time Kinematic）实时动态测量技术，便是以载波相位观测为根据的实时差分定位技术。

传统RTK技术需要提前布置参考站对卫星连续观测，而网络RTK技术的兴起使得RTK定位摆脱了固定的参考站的限制。虚拟参考站（VIrtual Reference Station，VRS）技术是目前应用最为广泛的网络 RTK 方法。

RTK定位精度会随着移动站于参考站的基线距离增加而衰减，如果需要提高定位精度，则需要密集的布设参考站。虚拟参考站技术原理是数据处理中心接收利用各个参考站的观测数据进行基线误差计算，并建立用户位置距离相关误差模型，然后通过移动站发送的单点位置数据选择一个合适的主参考站构成网络基线，并利用基线上的误差值计算出主参考站和流动站之间的距离相关误差，最终在流动站用户位置附近生成一个虚拟的参考站。

虚拟参考站技术不仅提高了RTK的定位精度，还使得RTK技术摆脱了左右距离的限制，应用场景大大增加。

现在的无人机便搭载有RTK模块可以实现快速高精度定位。搭配图像传感器、激光雷达和距离传感器，可以快速建立三维电子地图。大致流程就是，先选定像控点，在规划航线是无人机到达像控点所在坐标，无人机可以利用RTK定位精确到达指定位置，然后使用摄像机拍摄不同角度、不同方向的照片，使用图像传输链路将图片传回数据中心，在经由相应算法解算获得区域三维电子地图。

三维电子地图示例 | 图源自中科图新无人机的其他应用

除了在防灾救援方面，无人机在其他方面也有重要应用。

在农业方面，我们的农业无人机早就可以实现喷洒农药，监控农作物生长，还能播种、授粉、施肥，极大地提高了耕作效率。

植保无人机撒药 | 图源自网络

在测绘方面，传统测绘需要背着全站仪翻山越岭，借助无人机，便可以大大提高效率，现在国家每年的地理信息普查、地籍测量等都会大量使用无人机，不过需要注意，无人机虽然能实现高精度定位，但实际也只是用来粗筛，真正的精确测量还是要利用全站仪等设备。

在能源方面，我们可以利用无人机对电网线路或油气管路巡检，尤其随着无人机技术进步，我们可以首飞一遍，由无人机记录飞行参数，生成飞行线路，让无人机自行巡检，极大地节约了人力。另一方面，搭载了红外热成像的无人机还可以对电力设施进行热成像，筛查故障，尤其是可以监测光伏面板，一旦面板出现热斑，方便技术人员及时处置。

在环保方面，无人机可以搭载空气检测设备，水体检测设备或采样仪，实现对某地区空气质量、水体质量等的检测。也可以拍摄高清图片检查是否存在土地侵占，非法变更土地用途等违法行为，取代传统的卫星成像。

在警用方面，还可以利用多光谱识别不同植物的光谱，判断是否有违法种植罂粟等植物的行为。

当然遛狗放羊送外卖也不在话下……

不过，也正是因为有这些神兵利器，我们的生活才会如此安定美好。 愿生活更加美好。

参考文献： [1]井长虹,李晓. 浅谈黄河凌汛的形成发展及防御对策[C]//《建筑科技与管理》组委会.2018年6月建筑科技与管理学术交流会论文集.[出版者不详],2018:75-76. [2]王瑞峰,宋振超,张云萍,段春燕,郝少悦.浅谈消防坦克集体防护装备的应用[J].中国个体防护装备,2017(02):16-18. [3]李山.消防坦克在灭火救援中的应用[J].消防技术与产品信息,2011(12):60-62. [4]史伟阳. 基于微基准站的便捷式RTK差分定位系统研制[D].桂林电子科技大学,2020. [5]刘新华. 基于卫星导航RTK的精密测量技术研究[D].杭州电子科技大学,2021.

编辑：穆梓

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