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一种面向应急任务的天基传感器观测组合方法

胡楚丽 刘一冬 张翔

胡楚丽, 刘一冬, 张翔. 一种面向应急任务的天基传感器观测组合方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(10): 1313-1318. doi: 10.13203/j.whugis20140895
引用本文: 胡楚丽, 刘一冬, 张翔. 一种面向应急任务的天基传感器观测组合方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(10): 1313-1318. doi: 10.13203/j.whugis20140895
HU Chuli, LIU Yidong, ZHANG Xiang. An Emergency Mission Oriented Evaluating Method for Space-based Satellite Sensors' Observation Combination[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(10): 1313-1318. doi: 10.13203/j.whugis20140895
Citation: HU Chuli, LIU Yidong, ZHANG Xiang. An Emergency Mission Oriented Evaluating Method for Space-based Satellite Sensors' Observation Combination[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(10): 1313-1318. doi: 10.13203/j.whugis20140895

一种面向应急任务的天基传感器观测组合方法

doi: 10.13203/j.whugis20140895
基金项目: 

国家重点基础研究计划 No. 2011CB707101

国家高技术研究发展计划 No. 2013AA01A608

国家自然科学基金 Nos. 41171315, 41601431

中国博士后科学基金面上项目 No. 2014M552116

城市空间信息工程北京重点实验室开放基金 No. 2014208

详细信息
    作者简介:

    胡楚丽,博士,副教授,主要从事地理空间传感网建模、智慧城市资源集成管理的理论与方法研究。andyhuli@tom.com

  • 中图分类号: P237.9;P208

An Emergency Mission Oriented Evaluating Method for Space-based Satellite Sensors' Observation Combination

Funds: 

The National Basic Research Program of China No. 2011CB707101

the National High Technology Research and Development Program of China No. 2013AA01A608

the National Nature Science Foundation of China Nos. 41171315, 41601431

the China Postdoctoral Science Foundation No. 2014M552116

the Beijing Key Laboratory of Urban Spatial Information Engineering Foundation No. 2014208

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出版历程
  • 收稿日期:  2015-05-28
  • 刊出日期:  2016-10-05

一种面向应急任务的天基传感器观测组合方法

doi: 10.13203/j.whugis20140895
    基金项目:

    国家重点基础研究计划 No. 2011CB707101

    国家高技术研究发展计划 No. 2013AA01A608

    国家自然科学基金 Nos. 41171315, 41601431

    中国博士后科学基金面上项目 No. 2014M552116

    城市空间信息工程北京重点实验室开放基金 No. 2014208

    作者简介:

    胡楚丽,博士,副教授,主要从事地理空间传感网建模、智慧城市资源集成管理的理论与方法研究。andyhuli@tom.com

  • 中图分类号: P237.9;P208

摘要: 根据应急任务的观测需求,确定了天基传感器在应急任务时的观测组合问题模型。从允许按需调整观测需求要素的权值角度出发,提出了一种面向应急任务的天基传感器观测组合评定方法,实现了对天基传感器观测组合的定量评定。实验结果表明,此方法用于天基传感器观测组合方案的优势程度选取是可行的。

English Abstract

胡楚丽, 刘一冬, 张翔. 一种面向应急任务的天基传感器观测组合方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(10): 1313-1318. doi: 10.13203/j.whugis20140895
引用本文: 胡楚丽, 刘一冬, 张翔. 一种面向应急任务的天基传感器观测组合方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(10): 1313-1318. doi: 10.13203/j.whugis20140895
HU Chuli, LIU Yidong, ZHANG Xiang. An Emergency Mission Oriented Evaluating Method for Space-based Satellite Sensors' Observation Combination[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(10): 1313-1318. doi: 10.13203/j.whugis20140895
Citation: HU Chuli, LIU Yidong, ZHANG Xiang. An Emergency Mission Oriented Evaluating Method for Space-based Satellite Sensors' Observation Combination[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(10): 1313-1318. doi: 10.13203/j.whugis20140895
  • 当前空天地一体化对地观测中的在轨天基卫星,美国有160多个,中国有60个,预计2020年有120~140颗[1],它们分别搭载了数量与类型各异的传感器。然而,在面对特定应急任务时,全球的天基卫星传感器呈现出一种既“多”又“少”的局面[2]。为了将现有的天基传感器观测系统更好地耦合到一起,实现协同观测,需要建立一种科学的面向应急任务的天基传感器观测组合评定方法,以满足应急观测时的天基传感器科学规划[3]

    针对应急事件的多样性,天基传感器对地观测的各方面要求在不断提升,包括时间及时性、覆盖全面性与数据准确性等。利用多星传感器对指定目标区域进行协同观测,拥有观测时间短、覆盖范围广等多方面的优势,可以弥补单星的不足。对于天基卫星传感器观测组合的研究已经多年,其主要的研究及成果有:以能耗为首要考虑因子[4],在考虑多星对目标区域覆盖达到最低限度的前提下,选取耗时最短的观测组合[5];将空间覆盖面积作为决定因素[6, 7],在众多卫星传感器观测组合中,选取观测范围对目标区域覆盖最为全面的组合;从系统工具角度,美国 AGI 公司的 STK工具[8]支持天基传感器空间观测覆盖仿真,日本的Satellite Tracker 3D工具[9]支持所有在轨可用的天基传感器实时在线观测覆盖模拟。目前天基传感器观测规划主要集中在考虑单一方面(时或空)因素[10],如将观测组合看成一个集合覆盖问题,较少综合考虑多个观测因子,没有考虑任务的动态需求,忽视了不同任务的不同观测需求与动态观测因子的侧重点。针对时-空-谱的综合需求,以及具有动态演化特征的应急任务,目前缺乏一种天基传感器观测组合的科学评定方法。

    本文以应急任务的综合与动态观测需求为出发点,提出一种天基传感器观测组合评定的方法,旨在辅助快速评定灾区的天基卫星传感器观测组合方案,推进应急观测的多星规划组合合理化与更优化,为灾区应急的天基传感器协同观测提供可信的规划依据。

    • 面向应急任务的天基传感器观测组合可以描述为:针对特定应急观测任务Ta,从泛在卫星传感器集合S中选取卫星传感器组合X,使得X中拥有相应观测能力V(包括对地覆盖率、完成时间、空间分辨率等)的天基传感器能协同完成Ta的观测要求。由于应急观测任务具有观测及时性与空间覆盖准确性、全面性的特点。通常应急任务Ta涉及一个包含多要素的观测需求集合R={r1,r2,…,rn},如ri(i∈(0,n))可以为空间覆盖率、观测时间、空间分辨率等。考虑的要素越多(即集合R的基数n越大),观测组合求解越困难。随着应急任务本身的动态演化,R随观测需求动态变化,且ri的关注度动态可变,传感器应急查询者应可以动态调整各个ri的需求权重,并能明确或模糊地要求ri的观测需求取值。因此,应急观测任务对天基传感器观测组合规划提出了更高的要求。

      天基传感器观测组合的基础问题模型为:

      (1)

      其定义如下。

      1) 输入条件

      R=[r1,r2,r3,r4,…,rm]:R为观测任务Ta对应的观测需求集合,ri为不同的单项观测要素;

      V=[v1 v2 v3 v4vm]TV为候选的卫星传感器集合所拥有的m项观测能力的性能矩阵;

      vi=[vi1 vi2 vi3 vi4 vin]:vi代表n颗卫星传感器在特定相同观测性能i上的值集。

      2) 输出结果

      X=[x1 x2 x3 x4 xn](xt∈{0,1}):X为天基传感器组合方式,其中xt取0时表示不选用天基卫星传感器t,取1时则表示选用t

      对于观测需求要素项ri确定的应急任务,上述模型可以顺利求解出一系列观测组合X,但是缺少对X的优劣评定。

    • 要评定所输出的观测组合X优劣程度,首先需要对组合X的任务适应度进行评定,这里增加以下定义。

      fm(X)为待评定组合X在特定观测要素rm上的适合度;wm为观测要素rm在应急任务中所占关注比重。针对“明确”与“模糊”的观测任务需求,本文观测组合评定过程如下。

      1) 确定待评定对象与观测要素rm的定性或定量需求。假设天基传感器组合X中有t颗传感器,则X的组合方式有2t-1种。不同的组合体现在向量X=[x1 x2 x3 x4 xt]中xi(i∈(0,t))的取值不同,当xi取值为1时,表示传感器i为组合成员;若为0时,表示i为非组合成员。其次,明确观测任务需求集合R={r1,r2,r3,r4,rm}中的ri(i∈(0,m))的值:若ri对应的要素为“空间分辨率”,且指定ri取值为250 m,则该观测需求为“明确”;若ri被要求是max(即越高越好)或min(越低越好),则该观测任务需求为“模糊”。

      2) 确定X在特定应急观测任务时的观测性能矩阵及单项观测性能值计算方式。V为性能矩阵,vij表示第j颗天基传感器在第i项性能的能力定量值。

      (2)

      单项观测性能的计算如下:

      (3)

      式(3) 中符号“+”的逻辑运算有以下几种情形:

      (1) 直接求和。当不同传感器在特定性能i上不相互影响或不存在关联时,可直接进行求和运算。例如计算条带数或总耗能等。

      (2) 去重求和。当不同传感器在特定性能i上存在覆盖或重叠关系时,需要排除重复部分。例如计算覆盖面积及总耗时等。

      (3) 取最大或最小。当性能i符合短板效应时,结果应为组合中所有传感器中最小或者最大的值。例如组合的影像分辨率及任务完成时间等。

      3) 确定单项评定得分。

      (1) 若任务Ta对观测要素ri需求“明确”,即ri取值可量化,则有:

      (4)

      式中,vi*X为组合在观测要素ri上的完成情况:vi*Xri表示此组合未达到rm的要求,因此该项性能评定值为0;vi*Xri时,说明此组合能够按照需求ri完成任务,因此该项性能评定值为1。

      (2) 若任务Ta对观测要素ri需求“模糊”,即ri取值只能定性化,则评定值计算方法为:

      (5)

      vi*X的值反映了组合X的观测性能结果,因此可以利用它对组合的优劣程度进行判断。考虑到在ri需求“明确”时的情况,其单项评定值为0或1,即为了数值统一化,本文采取综合排序打分法,根据vi*X的值进行所有组合的排序,当ri取最大时,按照正排序原则进行排序;相反,当ri取最小时,按照倒排序原则进行排序。然后用该组合从劣到优排所得到的次序值除以所有参与评定组合的总数(式(5) ),最终值fix即为该组合中单项评定值。

      4) 确定不同观测需求要素的动态权值约束。在综合评定中,评定因素的权重向量为:

      (6)

      式中,。权值应根据应急任务对观测要素ri的实际需求,其值由人工动态设定。

      5) 确定综合评定。如式(7) 所示,组合X的最终综合评定值为所有单项评定值之和:

      (7)

      当组合中某单项评定值为0时,则该组合不符合观测任务要求。Fitness值满分为1,其取值区间为0,1,取值越高表示该卫星传感器组合对观测任务的满足度越高;反之,分值低代表该卫星传感器组合对观测任务的满足度低。

    • 目前,在对地球陆表应急监测中[11],遥感技术在地表形变监测、洪涝监测、泥石流监测等方面发挥了巨大作用,成为对地应急观测的重要手段。本文根据§2所述方法,对EO-1_Hyperion、SPOT-5_HRG、AQUA_MODIS、Landsat5_TM、EnviSAT_ASAR、FY-3B_MERSI-1以及TRMM_TMI等7颗天基传感器在对地应急监测中的观测组合进行评定。

      根据§1讨论,应急任务有响应及时性、空间覆盖准确性与协同性的要求。在本实验中,应急任务Ta的观测需求R所考虑的观测要素ri主要包括观测时间、目标覆盖率、空间分辨率。由于受强降雨影响,兰海高速重庆段(29°27′ N~30°59′ N,108°18′ E~109°19′ E)于2014年4月14日11点38分起陆续发生山体滑坡灾害。表 1所示的7颗天基传感器均在4月14日12点至18点之间经过该区域上空。

      表 1  特定应急任务下卫星传感器参数表

      Table 1.  Sensor Performance Parameters under Certain Emergency Mission

      卫星-传感器名称经过时间空间分辨率/m覆盖率/%
      EO-1_Hyperion2014/4/14 12:18:413026
      SPOT-5_HRG2014/4/14 13:36:053065
      AQUA_MODIS2014/4/14 16:24:3225070
      Landsat5_TM2014/4/14 17:00:065030
      EnviSAT_ASAR2014/4/14 15:33:23523
      FY-3B_MERSI-12014/4/14 14:08:0410048
      TRMM_TMI2014/4/14 16:48:555055

      该滑坡应急任务要求及时、较高空间分辨率的遥感影像,以观测滑坡流体及其次生灾害细节。如表 2所示,具体任务需求为:空间分辨率在100 m以内,事件发生后尽早完成观测,覆盖范围尽量广且卫星扫描条带数尽量少。“尽早”、“Max”、“Min”表现为定性的模糊需求,“≤100”表现为定量的明确需求。

      表 2  滑坡应急任务需求表

      Table 2.  Observation Request of Landslide Emergency Task

      时间T分辨率R覆盖率C条带数N
      尽早≤100MaxMin

      针对观测事件的不同演化阶段、决策者的不同观测目标需求,以及观测资源的实际情况等,表 3为给定的观测权值设定参考经验。观测分辨率决定了对观测目标现象的观测精度,不同的目标现象需要不同的精度,因此,设定观测分辨率权值主要取决于不同阶段实际的观测目标现象。条带数权值的设定则是根据卫星资源调度权限或重复调度成本等实际情况而定,本实验主要给出观测时间和覆盖率的权值设定参考区间。

      表 3  权值设定参考经验

      Table 3.  Weight Setting Experience

      发展阶段权值设定经验遵循原则
      观测时间T权值(WT)观测分辨率R权值(WR)观测覆盖率C权值(WC)条带数N权值(WN)
      事件孕育期较低 (0~0.2) 据实际而定一般(0.2~0.4) 据实际而定 权值和满足
      事件应急期较高(0.4~1) 据实际而定一般(0.2~0.4) 据实际而定
      事件演化后期一般(0.2~0.4) 据实际而定较高(0.4~1)据实际而定

      滑坡经验取值主要参照以下方面:正处于孕育期的滑坡事件对观测及时性需求较低,对滑坡体土壤湿度要求较高的观测精度;而对于滑坡体的植被覆盖情况,一般的或较低的影像观测分辨率就能满足要求;刚被触发的滑坡应急事件则要求进行及时的山体观测;事件演化后期的评估、恢复重建阶段对覆盖率有较高要求;当存在卫星资源调度权限受限时,则给决策者满足观测需求的卫星资源选择权有限,即条带数权值设定为较低区间甚至为0。

      设定两组观测要素权重进行实验。第一组背景为该滑坡事件处于演化的后期,决策者想尽快地了解到哪些区域受到了破坏,可规划的卫星传感器资源不受限。因此,决策者对观测时间、分辨率、覆盖率和条带数都有要求,但主要关注时间和覆盖率,权重如表 4所示。

      表 4  权值设定表 1

      Table 4.  Weight Setting 1

      时间T分辨率R覆盖率C条带数N
      0.30.10.50.1

      由以上权重计算得到评定结果,见表 5

      表 5  天基传感器组合评定结果1

      Table 5.  The First Evaluation Result for Sensor Combination

      TNRCFitness组合
      0.286(16:48:55) 0.429(5) 1(100) 0.764(95%)0.611EO-1_Hyperion,SPOT-5_HRG,EnviSAT_ASAR,FY-3B_MERSI-1,TRMM_TMI
      0.714 (14:08:04) 0.857 (2) 1 (100) 0.268 (82%) 0.534 SPOT-5_HRG,FY-3B_MERSI-1
      0.286(16:48:55) 0.571(4) 1(50) 0.535(91%)0.511EO-1_Hyperion SPOT-5_HRG,EnviSAT_ASAR,TRMM_TMI
      0.143(17:00:06) 0.143(7) 0(250) 1(99%)0EO-1_Hyperion SPOT-5_HRG,AQUA_MODIS Landsat5_TM, EnviSAT_ASAR,FY-3B_MERSI-1 TRMM_TMI

      评定时,先由组合的单项要素排序得到单项得分,如表 5中第一列数据,组合观测完成时间T为16:48:55,在所有7种完成时间中排序第6,即倒数第2,由于任务要求是尽早完成,根据前文所述排序评分法(式(5) ),时间T单项得分为2/7=0.286。同理可求此组合其他几项要素得分。第一行组合的综合得分按照式(7) 可得:

      同理可求其他组合得分。

      表 4中可以看出,决策者更加重视覆盖率,希望得到该任务监测区域的完整影像。对比表 5中的第1行、第2行数据,其得分符合决策者的关注特点,第1行数据虽然在时间和条带数上得分不如第2行数据,但是在更关注覆盖率的情况下,第1行的组合综合评分更高。可通过单项得分差乘权重的累加进行定量分析:

      其结果大于0,即第1行组合覆盖率大的优势足以弥补其与第2行组合对比中时间和条带数评分上所体现出来的劣势。

      相反,如果优势不够大,在综合得分上也得不到较高的分数,例如第2行、第3行数据:

      其结果小于0,导致覆盖率较高的第3条组合综合得分低于第2条组合。

      如果某组合某项观测要素不满足给定观测需求,其得分为0,表示不适合此观测任务,如表 5中最后一行数据,空间分辨率为250 m,不符合需求所规定的分辨率。

      第二组测试的权重设置如表 6所示,背景为该滑坡事件处于应急响应期,我们重点关注其引起的突发次生灾害,如建筑倒塌。此时,决策者对观测及时性有更高要求,覆盖率要求可以适当降低,但权值仍然相对较高;由于可规划的卫星传感器存在调度困难而对条带数不再作要求。

      表 6  权值设定表 2

      Table 6.  Weight Setting 2

      时间T分辨率R覆盖率C条带数N
      0.5 0.1 0.4 0

      则得到的评分结果也随之而变,具体得分情况如表 7

      表 7  天基传感器组合评定结果2

      Table 7.  The Second Evaluation Result for Sensor Combination

      TNRCFitness组合
      0.714(14:08:04) 0.714(3) 1(100) 0.378(87%)0.608EO-1_Hyperion SPOT-5_HRG FY-3B_MERSI-1
      0.571(15:33:23) 0.714(3) 1(100) 0.354(86%)0.527SPOT-5_HRG EnviSAT_ASAR FY-3B_MERSI-1
      0.286(16:48:55) 0.714(3) 1(50) 0.567(92%)0.470SPOT-5_HRG FY-3B_MERSI-1 TRMM_TMI
      0.143(17:00:06) 0.143(7) 0(250) 1(99%)0EO-1_Hyperion SPOT-5_HRG AQUA_MODIS Landsat5_TM EnviSAT_ASAR FY-3B_MERSI-1 TRMM_TMI

      从以上两组实验数据可以看出,该方法不仅兼容“明确”与“模糊”的观测需求任务,而且可以通过设置权重的方式来动态调整观测任务Ta对各单项要素ri的需求度wi,从而满足天基传感器应急查询者/决策者对观测组合的按需规划。此评定方法适用于在时间维度上具有观测响应及时性、空间维度覆盖准确性与全面性等要求的应急观测任务。本方法也可以扩展到观测需求集合R基数n更大的情形,以满足于更复杂的应急观测任务。

    • 本文在分析应急任务观测需求的基础上,提出了一种面向应急任务的天基传感器观测组合评定方法,以天基传感器观测能力的性能参数为输入,通过设定应急任务的观测需求要素,并根据实际需求动态设定观测需求要素的权重,利用综合排序打分法,计算出不同观测组合中各观测要素的得分,并进一步实现了天基传感器观测组合的统一量化评定。与目前常见的天基传感器观测组合方法相比,本文方法顾及应急任务观测响应及时性、空间覆盖准确性、全面性以及任务动态性等特点,实现了多天基传感器观测组合的统一评定,为天基传感器观测组合提供了科学的量化评定方法;通过以评定值排序的方式确定不同天基传感器的观测组合优劣程度,并以此辅助决策者选取最佳的天基传感器观测组合方案,为天基异构传感器的协同观测提供可信的规划依据。今后将研究本方法在顾及时空的同时,顾及频谱要求,使得方法进一步适用于特定专题应急任务,如洪水淹没范围提取、水体富营养化监测等。

参考文献 (11)

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