閆奕名 張曄 高鳳嬌
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)圖像與信息技術(shù)研究所,黑龍江哈爾濱150001)
隨著遙感信息獲取技術(shù)的發(fā)展,對(duì)地觀測(cè)精細(xì)程度要求也不斷提高,獲取的信息主要面向城市規(guī)劃、三維可視化電子地圖制作和軍事偵察等方面[1-3].傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感或航空遙感單次拍攝獲取的地物信息已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用要求,因?yàn)檎趽鯁?wèn)題及投影變化會(huì)造成較大的信息損失,單一觀測(cè)點(diǎn)獲取的信息量是很有限的,三維目標(biāo)的各個(gè)側(cè)面信息不可能完全被獲得,而這往往又是人們更想得到的信息.例如,在遙感正投影圖中,三維結(jié)構(gòu)和屋頂信息相同但側(cè)面紋理信息不同的兩個(gè)建筑物是很難區(qū)分開(kāi)的.為實(shí)現(xiàn)地物三維空間描述及高真實(shí)感可視化,進(jìn)行多時(shí)相多角度觀測(cè)是十分必要的.然而遙感多時(shí)相觀測(cè)成本相對(duì)較高,尤其是無(wú)人機(jī)(UAV)遙感觀測(cè)之前,觀測(cè)方案的規(guī)劃是必備的環(huán)節(jié).傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)規(guī)劃技術(shù)主要局限于動(dòng)態(tài)飛行器的航跡規(guī)劃[4-6],主要面向地面動(dòng)目標(biāo)的搜索跟蹤[7-8]等應(yīng)用,少數(shù)針對(duì)觀測(cè)角度的規(guī)劃技術(shù)主要是以地物目標(biāo)的三維信息計(jì)算為拍攝角度的約束條件[9].為了進(jìn)一步獲取目標(biāo)更全面的側(cè)面紋理信息,需要對(duì)不同拍攝角度下的信息獲取量進(jìn)行深入的分析和有效的規(guī)劃,然而遙感較為復(fù)雜的觀測(cè)條件和不同的應(yīng)用背景約束,使得針對(duì)觀測(cè)角度與信息獲取量關(guān)系的分析模型,在當(dāng)前遙感領(lǐng)域是十分匱乏的.因而文中面向目標(biāo)全方位信息獲取優(yōu)化技術(shù),提出了一種基于多面化分解的目標(biāo)信息獲取量分析模型,根據(jù)不同的遙感觀測(cè)條件,分析不同觀測(cè)角度下的目標(biāo)信息獲取情況,為觀測(cè)角度優(yōu)化規(guī)劃提供評(píng)估標(biāo)準(zhǔn);進(jìn)而通過(guò)優(yōu)化算法對(duì)該模型進(jìn)行優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)獲取最大化信息量的觀測(cè)角度規(guī)劃.
文中采用的無(wú)人機(jī)遙感多時(shí)相觀測(cè)角度規(guī)劃系統(tǒng)流程圖如圖1所示,首先為仿真無(wú)人機(jī)遙感圖像獲取情況,分析遙感觀測(cè)時(shí)的約束關(guān)系并作為信息獲取模型構(gòu)建的依據(jù);進(jìn)而采用文中提出的多面化分解模型,針對(duì)不同觀測(cè)角度下所獲取的目標(biāo)信息量進(jìn)行分析;最后以最大化信息獲取量或最小化信息損失為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則,利用蜂群算法搜索模型最優(yōu)解,獲取最佳規(guī)劃方案.提高遙感觀測(cè)效率,實(shí)現(xiàn)以最少的觀測(cè)數(shù)獲取目標(biāo)最大化的信息,為目標(biāo)真實(shí)感三維可視化及精確識(shí)別提供可靠保證.
圖1 無(wú)人機(jī)遙感多時(shí)相觀測(cè)角度規(guī)劃系統(tǒng)Fig.1 Observing-angle planning system for multi-temporal UAV remote sensing
不同于衛(wèi)星遙感的正視圖像,無(wú)人機(jī)遙感可充分獲取目標(biāo)的側(cè)面紋理信息,這些信息是對(duì)目標(biāo)進(jìn)行真實(shí)感三維可視化描述的關(guān)鍵.在一些城市規(guī)劃軟件中,可利用地面近距離拍攝目標(biāo)側(cè)面,然而在軍事偵察領(lǐng)域,則只能通過(guò)無(wú)人偵察機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)盡可能近的距離拍攝.而且考慮到無(wú)人機(jī)的飛行高度的限制及領(lǐng)空權(quán)限等因素[7],拍攝俯仰角φ、方位角θ的約束必然存在,而傳感器的俯仰角和方位角則直接決定了其觀測(cè)方向,二者是決定遙感觀測(cè)時(shí)信息獲取量的關(guān)鍵因素.
(1)遮擋 目標(biāo)自身遮擋是造成特定角度觀測(cè)時(shí)信息損失的主要因素.為獲取目標(biāo)的側(cè)面紋理信息,分析不同觀測(cè)角度與相應(yīng)的遮擋情況是必要的.如圖2所示,建筑a左側(cè)面朝向矢量為n,當(dāng)傳感器S以觀測(cè)方向Va去觀測(cè)時(shí),兩矢量必須滿足:
該側(cè)面紋理信息才可能被觀測(cè)到,否則會(huì)被遮擋.
圖2 傾斜觀測(cè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of oblique observation
(2)傳感器的俯仰角約束 傳感器的觀測(cè)俯仰角取值是決定獲取目標(biāo)側(cè)面信息量的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),而一般情況下,由于遙感載荷自身飛行能力的約束,俯仰角的范圍是有限的,因而設(shè)定俯仰角φ的最大取值為 φmax,有
(3)傳感器方位角約束 傳感器觀測(cè)方位角的約束通常是由飛行路線限制引起的,在以目標(biāo)為中心的360°全方位內(nèi),可能存在一個(gè)或多個(gè)禁入方位角區(qū)域Γlimit,方位角θ的約束為
(4)傳感器觀測(cè)角的靈敏度 傳感器的俯仰角和方位角的可調(diào)精度是有限的,在實(shí)際飛行中,往往會(huì)因風(fēng)速影響而難以達(dá)到很高的精度,即
由于文中研究針對(duì)的是理想觀測(cè)角度的規(guī)劃,因而經(jīng)規(guī)劃后在進(jìn)行實(shí)際觀測(cè)時(shí),觀測(cè)角度應(yīng)盡可能根據(jù)規(guī)劃方案實(shí)施,于是設(shè)置較高的觀測(cè)角度可調(diào)精度為Δθ=Δφ=1°.
目標(biāo)的三維結(jié)構(gòu)和各個(gè)側(cè)面紋理圖像信息構(gòu)成了其三維可視化所需的全部信息,對(duì)于一般目標(biāo)來(lái)說(shuō),三維結(jié)構(gòu)是能夠通過(guò)兩幅或多幅圖像重構(gòu)出來(lái)的,或者可以通過(guò)激光測(cè)距雷達(dá)捕獲.因而評(píng)定觀測(cè)角度優(yōu)劣是以獲取目標(biāo)側(cè)面紋理信息為重點(diǎn).為此,文中提出基于多面化分解的目標(biāo)信息獲取量描述模型,以各側(cè)面紋理信息獲取量組合向量的形式來(lái)描述目標(biāo)的完整信息,以保證目標(biāo)各個(gè)側(cè)面的紋理信息獲?。?/p>
從不同觀測(cè)角度下目標(biāo)單個(gè)側(cè)面的信息獲取量出發(fā),考慮到遙感圖像拍攝時(shí)的多種復(fù)雜限制因素以及熵對(duì)于信息量的描述能力,文中提出基于一種圖像熵比率(IER)的統(tǒng)計(jì)模型來(lái)評(píng)估某一觀測(cè)角下獲取單側(cè)面的信息量.定義某一個(gè)側(cè)面的IER值R(α,β)為式中,h為灰度階次,Eort為被觀測(cè)面正視圖的熵,E(α,β)為在觀測(cè)方向與被觀測(cè)面水平和垂直夾角分別為 α、β 時(shí)獲取的圖像的熵,Pαβ-i、Port-i分別為兩幅圖像中各個(gè)灰度級(jí)的分布概率.在計(jì)算圖像熵時(shí),將圖像背景統(tǒng)一設(shè)置成255灰度,以保證熵主要隨目標(biāo)側(cè)面部分的變化而變化.根據(jù)約束關(guān)系,如果不滿足式(1),則 R(α,β)=0.而對(duì)于單個(gè)側(cè)面來(lái)說(shuō),正視圖信息往往最大,即一般情況下R(α,β)≤1.
當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)以(θ,φ)去觀測(cè)目標(biāo)時(shí),根據(jù)被觀測(cè)面的朝向,容易將(θ,φ)轉(zhuǎn)化為(α,β),并計(jì)算出相應(yīng)的R(θ,φ)來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)前側(cè)面的信息獲取量的評(píng)估.R(θ,φ)具有一定的一般性,因而不會(huì)隨著被觀測(cè)目標(biāo)的變化而大幅變化.
R(θ,φ)的顯示表達(dá)式是難以推導(dǎo)的,實(shí)驗(yàn)中先通過(guò)圖像獲取仿真系統(tǒng)獲取一定數(shù)量的實(shí)測(cè)訓(xùn)練數(shù)據(jù),然后采用一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的擬合技術(shù)來(lái)獲得 R(θ,φ)的近似值.
確定單側(cè)面與拍攝角度的關(guān)系R(θ,φ)后,可進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)當(dāng)以角度(θ,φ)觀測(cè)目標(biāo)時(shí)獲得的總信息量.文中采用基于面拆分的目標(biāo)信息獲取量分析技術(shù),將一個(gè)具有n個(gè)側(cè)面的目標(biāo)的信息獲取總量,以其所有側(cè)面的IER向量組合的形式來(lái)表示,即
式中:RSi(θ,φ)為第 i個(gè)側(cè)面 Si的 R(θ,φ).
對(duì)于一種采用k個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的多時(shí)相觀測(cè)方案Θ,其各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)獲取信息可表示為
一方面,旅游危機(jī)事件網(wǎng)絡(luò)輿情系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以客觀存在的行為主體、行為客體、行為結(jié)果、行為途徑和行為環(huán)境為基礎(chǔ)。旅游危機(jī)事件的客觀存在是產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)輿情的基本前提,事件當(dāng)事人或利益攸關(guān)方、新聞媒體、官方代表及其他網(wǎng)民等輿情主體、傳播媒介及外圍因素等是實(shí)現(xiàn)旅游危機(jī)事件網(wǎng)絡(luò)輿情傳播的現(xiàn)實(shí)條件。旅游危機(jī)事件的線下進(jìn)展是決定線上網(wǎng)絡(luò)輿情傳播走向的根本依據(jù);輿情主體、傳播媒介和外圍因素是旅游危機(jī)事件網(wǎng)絡(luò)輿情傳播不可或缺的作用要素。
其中可能存在某一個(gè)側(cè)面被多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)同時(shí)觀測(cè)到的情況,而各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)對(duì)于該側(cè)面的IER值不盡相同,于是選擇其中最大的IER來(lái)描述當(dāng)前側(cè)面被獲取的信息量,則該觀測(cè)方案所能夠獲取的目標(biāo)總信息量的描述矢量Δ為
在多面化分解模型的基礎(chǔ)上,目標(biāo)信息獲取優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)多變量模型求解最值或在一定約束條件下的極值問(wèn)題.文中采用擅長(zhǎng)多變量?jī)?yōu)化的蜂群算法來(lái)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)解的搜索.蜂群算法由Karaboga等[10]提出,其改進(jìn)算法[11-12]是一種模擬野生蜜蜂采蜜行為的算法,將采蜜蜂群分成E蜂、O蜂、S蜂.E蜂主要負(fù)責(zé)全局范圍內(nèi)的優(yōu)化,O蜂主要負(fù)責(zé)針對(duì)E蜂找到的各個(gè)解的進(jìn)一步局部鄰域精細(xì)搜索,S蜂則是為避免算法陷入局部最優(yōu)而生成新解.假設(shè)蜂群種群數(shù)為NP,蜂群采蜜追求最多的花蜜獲取量.基本蜂群算法參考的蜂群采蜜流程可描述如下:首先由NP/2個(gè)E蜂找到NP/2個(gè)蜜源,并且將各個(gè)蜜源的信息返回給蜂巢,然后NP/2個(gè)O蜂衡量所有蜜源的花蜜量,以更大概率去采集花蜜量多的蜜源,以較小概率去采集花蜜量較少的蜜源.當(dāng)某一蜜源接近枯竭時(shí),相應(yīng)的E蜂轉(zhuǎn)職成S蜂,隨機(jī)搜索新的蜜源.
文中將k個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)角組合向量D(D=(θ1,φ1,θ2,φ2,…,θk,φk))作為待優(yōu)化量,對(duì)應(yīng)于蜜蜂搜索到的某一蜜源的位置;將獲取的信息總量Q或信息缺失量E作為評(píng)價(jià)函數(shù),對(duì)應(yīng)于當(dāng)前蜜源的花蜜量情況.
在確定觀測(cè)點(diǎn)數(shù)k后,D的長(zhǎng)度則為2k.可根據(jù)客觀拍攝的各種限定條件,調(diào)整設(shè)置輸入角度的取值范圍,使得D中各元素根據(jù)約束條件(2)、(3)來(lái)進(jìn)行取值.
蜂群算法中E蜂和O蜂對(duì)D中各個(gè)元素的優(yōu)化公式為
式中,t為迭代次數(shù),i為當(dāng)前蜜蜂序號(hào),m為其它任意一個(gè)蜜蜂序號(hào).根據(jù)式(9)可以看出,算法利用當(dāng)前解與其它蜜蜂對(duì)應(yīng)的解乘以一個(gè)[0,1]區(qū)間內(nèi)的隨機(jī)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)前解的優(yōu)化.而S蜂則是在D中各元素的取值范圍內(nèi),隨機(jī)生成一個(gè)新的D向量.根據(jù)約束條件(4),需對(duì)式(9)結(jié)果進(jìn)行取整,以保證每次優(yōu)化后D中元素精度為1°.
為驗(yàn)證文中方法的有效性,搭建了無(wú)人機(jī)遙感觀測(cè)目標(biāo)仿真系統(tǒng),以獲得用于擬合R(θ,φ)的測(cè)試數(shù)據(jù).目標(biāo)仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如圖3(a)所示各類目標(biāo)的仿真.文中對(duì)多種目標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證,主要以如圖3(b)所示建筑物為例展示實(shí)驗(yàn)流程.首先獲取不同角度下的目標(biāo)圖像,計(jì)算在觀測(cè)角(θ,φ)下目標(biāo)不同朝向的各個(gè)側(cè)面的IER值.仿真圖像分辨率為0.5m/像素,考慮到成像幾何失真是有利于三維信息繁衍的信息,而規(guī)劃任務(wù)是面向理想的最大化信息獲取量,因而在無(wú)特殊應(yīng)用約束前提下,不需要將幾何失真作為一項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo).
圖3 仿真無(wú)人機(jī)獲取的圖像Fig.3 Simulated images collected by UAV
接著根據(jù)式(6)-(8)計(jì)算每種規(guī)劃方案的信息獲取描述向量Δ,再根據(jù)式(9)計(jì)算每種規(guī)劃方案的Q值或E值,從而獲得反映當(dāng)前方案所能獲取的總信息量情況.結(jié)合不同的觀測(cè)約束條件,規(guī)劃實(shí)驗(yàn)針對(duì)兩種情況進(jìn)行.
首先只考慮無(wú)人機(jī)的飛行能力限制和觀測(cè)俯仰角限制,設(shè)置俯仰角最大值φmax=70°.為了找到較為合理的觀測(cè)點(diǎn)數(shù),對(duì)不同觀測(cè)點(diǎn)數(shù)的規(guī)劃方案優(yōu)化前后所獲得的Q值進(jìn)行比較,結(jié)果如圖4所示.從圖4可知,隨著觀測(cè)點(diǎn)數(shù)的增加,Q值會(huì)逐漸增大,而利用文中方法優(yōu)化后的規(guī)劃方案較均勻方位規(guī)劃方案可獲得大幅度的Q值增長(zhǎng),8種觀測(cè)點(diǎn)數(shù)下利用文中方法優(yōu)化后的規(guī)劃方案較均勻方位規(guī)劃方案的最大Q值平均提高了58.5%;同時(shí),當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)數(shù)超過(guò)5時(shí),文中方法所得Q值增加幅度不大,說(shuō)明對(duì)于形如圖3所示的長(zhǎng)方體目標(biāo),利用5或6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)是較為合理和高效的,超過(guò)6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)是比較浪費(fèi)的規(guī)劃方式.
圖4 不同規(guī)劃方案獲取的信息量比較Fig.4 Comparison of information collected with different number of observing points
不同觀測(cè)點(diǎn)數(shù)下文中規(guī)劃方案的優(yōu)化結(jié)果如表1所示.
表1 不同觀測(cè)點(diǎn)數(shù)下文中規(guī)劃方案的優(yōu)化結(jié)果Table 1 Optimization results obtained by the proposed method with different number of observing points
進(jìn)而分析觀測(cè)點(diǎn)數(shù)k=5時(shí)不同蜂群種群數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響.蜂群算法參數(shù)如下:種群NP=4,6,8,10,S 蜂觸發(fā)變量為100,最大迭代數(shù)為1000.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,可見(jiàn)種群數(shù)越大時(shí),算法收斂速度越快,但最終得到的最小信息缺失量差異不大,對(duì)于文中實(shí)驗(yàn),NP=6時(shí)的優(yōu)化結(jié)果相對(duì)比較理想.5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)下獲取的圖像如圖6所示,該目標(biāo)的各側(cè)面紋理信息都被充分獲取了.
圖5 k=5時(shí)不同種群數(shù)下的優(yōu)化結(jié)果Fig.5 Optimization results with different population when k=5
圖6 5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)獲取的圖像Fig.6 Images collected at five optimized observing points
最后加入方位角限制進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn).如圖7所示,一定范圍的方位角是禁止觀測(cè)的.設(shè)定俯仰角最大值 φmax=70°,方位角限制范圍 Γlimit?[0°,180°],實(shí)驗(yàn)分析當(dāng) Γlimit從18°增加到162°時(shí),規(guī)劃方案優(yōu)化前后不同規(guī)劃方案最小信息缺失量的變化情況.
圖7 受限制方位角示意圖Fig.7 Schematic diagram of limited azimuth angles
如圖8所示,隨著Γlimit的增大,如果不采用優(yōu)化的規(guī)劃方案,只是采用一種隨機(jī)的均勻分布策略去觀測(cè),即使利用5個(gè)觀測(cè)點(diǎn),所獲取的信息量不及利用3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化方案的觀測(cè)結(jié)果;經(jīng)過(guò)優(yōu)化后,在Γlimit較小時(shí),利用5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)可獲得更理想的信息獲取量,而在Γlimit較大時(shí),增加觀測(cè)點(diǎn)并不能大幅提高信息獲取量.
圖8 不同受限制方位角范圍的優(yōu)化結(jié)果Fig.8 Optimization results with different limited ranges of azimuth angle
針對(duì)目標(biāo)信息獲取優(yōu)化技術(shù),面向無(wú)人機(jī)多時(shí)相遙感觀測(cè)展開(kāi)實(shí)驗(yàn).通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)遙感獲取可見(jiàn)光圖像的諸多約束條件分析,設(shè)置仿真環(huán)境,獲取仿真圖像,利用一種基于圖像熵比率的信息獲取量度量函數(shù),并采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式對(duì)該函數(shù)進(jìn)行隱式表達(dá)式擬合.進(jìn)而提出一種基于多面化分解的目標(biāo)信息獲取量分析模型,并利用蜂群算法進(jìn)行最佳規(guī)劃方案的搜索,主要根據(jù)不同限制條件進(jìn)行了兩部分實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,文中提出的目標(biāo)信息獲取優(yōu)化技術(shù)是十分有效的.文中提出的多面化分析模型對(duì)于典型遙感觀測(cè)目標(biāo)是可靠的,然而當(dāng)觀測(cè)較為復(fù)雜的目標(biāo)時(shí),需要引入較多的分解面,數(shù)據(jù)處理量和處理時(shí)間會(huì)比較大,今后將針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)目標(biāo)展開(kāi)研究.
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