基于物元分析的遙感影像查詢多屬性決策模型

楊 曉 霞，周 艷，楊 容 浩

(1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059；2.四川省應(yīng)急測(cè)繪與防災(zāi)減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610041；3.國(guó)土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；4.電子科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 611731)

基于物元分析的遙感影像查詢多屬性決策模型

楊 曉 霞1,2,3，周 艷4，楊 容 浩1,2,3

(1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059；2.四川省應(yīng)急測(cè)繪與防災(zāi)減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610041；3.國(guó)土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；4.電子科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 611731)

通過(guò)構(gòu)建物元模型將遙感影像的查詢問(wèn)題轉(zhuǎn)化為多屬性決策問(wèn)題。設(shè)計(jì)了基于拓?fù)浜投攘筷P(guān)系相結(jié)合的關(guān)聯(lián)函數(shù)，定量評(píng)價(jià)遙感影像各屬性與用戶需求的關(guān)聯(lián)度;利用熵權(quán)法確定權(quán)重反映用戶興趣在遙感影像元數(shù)據(jù)項(xiàng)上的側(cè)重，從而得到個(gè)性化的評(píng)價(jià)結(jié)果。實(shí)例評(píng)價(jià)結(jié)果證明了該方法的合理性與可行性。

遙感影像查詢；多屬性決策；物元模型

0 引言

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出明顯的大數(shù)據(jù)特征，遙感影像日益多元化,影像數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)；數(shù)據(jù)獲取的速度加快，更新周期縮短，時(shí)效性越來(lái)越強(qiáng)[1]。然而，遙感資源和用戶迅速增加的同時(shí)，也出現(xiàn)了“信息過(guò)載”問(wèn)題[2]，用戶很難準(zhǔn)確獲得所需的信息，信息利用率反而下降。現(xiàn)有的遙感數(shù)據(jù)共享平臺(tái)大多提供若干查詢條件，然后返回查詢結(jié)果由用戶瀏覽下載，但用戶對(duì)查詢結(jié)果的滿意度普遍較低。原因在于：1)遙感影像具有多源、多維、多尺度、多時(shí)態(tài)特征，需要在多個(gè)屬性上對(duì)用戶需求的滿足程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；2)缺少個(gè)性化機(jī)制，對(duì)于不同用戶提供的相同查詢條件，系統(tǒng)都返回相同的結(jié)果。解決上述問(wèn)題的途徑在于進(jìn)一步提升查詢結(jié)果的準(zhǔn)確率和個(gè)性化，需要解決以下難題：1)多屬性的遙感影像對(duì)用戶需求滿足程度的定量綜合評(píng)價(jià)；2)反映用戶差異的個(gè)性化信息的獲取與應(yīng)用。

遙感影像不同于普通的文本數(shù)據(jù)或網(wǎng)頁(yè)信息，不僅具有空間特征、空間關(guān)系特征、非結(jié)構(gòu)化特征等，還表現(xiàn)為多尺度、多時(shí)態(tài)特征，因此，現(xiàn)有的面向文檔和網(wǎng)頁(yè)的個(gè)性化搜索方法[3,4]并不能很好應(yīng)用于遙感影像。遙感影像元數(shù)據(jù)用于描述數(shù)據(jù)集的內(nèi)容、質(zhì)量、表示方式、空間參考、管理方式及其他特征信息。目前遙感數(shù)據(jù)共享平臺(tái)對(duì)遙感影像的查詢往往通過(guò)對(duì)元數(shù)據(jù)的查詢來(lái)完成，查詢條件主要包括：空間范圍、時(shí)間范圍、頻譜范圍、空間分辨率范圍、傳感器類(lèi)型等。在OGIS、SQL3等空間查詢的標(biāo)準(zhǔn)中,針對(duì)空間問(wèn)題的查詢操作可以歸納為幾何操作、拓?fù)洳僮鳌⒖臻g分析操作3類(lèi)[5],通過(guò)從距離關(guān)系、方向關(guān)系、拓?fù)潢P(guān)系及空間關(guān)系相似性等方面進(jìn)行分析，可以針對(duì)用戶需求得到相關(guān)區(qū)域的空間數(shù)據(jù)[6-9]。遙感影像的查詢結(jié)果由空間范圍、時(shí)間、頻譜、分辨率等多個(gè)屬性共同決定，因此，遙感影像查詢可以轉(zhuǎn)化為多屬性決策問(wèn)題,解決方法有傳統(tǒng)的TOPSIS方法[10]、改進(jìn)的TOPSIS方法[11]、集對(duì)分析法[12]等，目前已在城市交通、水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面得到廣泛應(yīng)用。

本文通過(guò)構(gòu)建物元模型將遙感影像的查詢問(wèn)題轉(zhuǎn)化為多屬性決策問(wèn)題。將查詢條件中涉及的核心元數(shù)據(jù)以區(qū)間數(shù)的形式表達(dá)：空間范圍以面的形式表達(dá)，頻譜范圍以線的形式表達(dá)，成像時(shí)間、分辨率等以點(diǎn)的形式表達(dá)。采用物元分析方法建立遙感影像物元模型，設(shè)計(jì)了基于拓?fù)浜投攘肯嘟Y(jié)合的關(guān)聯(lián)函數(shù)定量計(jì)算遙感影像與用戶需求的關(guān)聯(lián)度。根據(jù)用戶查詢歷史數(shù)據(jù)，采用熵權(quán)法確定各核心元數(shù)據(jù)的權(quán)重，反映用戶興趣在遙感影像各元數(shù)據(jù)項(xiàng)上的側(cè)重。最后，利用上述關(guān)聯(lián)度和權(quán)重計(jì)算效用度，實(shí)現(xiàn)對(duì)查詢結(jié)果的個(gè)性化定量評(píng)價(jià)，從而使不同用戶查詢后得到最符合自己需求的排序結(jié)果。

1 多屬性決策問(wèn)題描述

多屬性決策是利用一定的函數(shù)關(guān)系對(duì)有限個(gè)備選方案在有限個(gè)決策屬性下的信息值進(jìn)行綜合集成，進(jìn)而對(duì)方案進(jìn)行排序和擇優(yōu)的過(guò)程[13]。若將用戶需求作為理想方案，將遙感影像查詢初選結(jié)果數(shù)據(jù)集A={a1,a2,…,am}作為備選方案集，將元數(shù)據(jù)項(xiàng)X={x1,x2,…,xn}作為決策屬性集，則矩陣Y=(yij)m×n表示m個(gè)備選方案對(duì)n個(gè)決策屬性的決策矩陣。從決策理論的角度看，效用度是指?jìng)溥x方案與理想方案的相對(duì)貼近程度，通常效用度越大說(shuō)明該方案越接近理想方案，越能滿足用戶需求[13]。本文依據(jù)效用度的大小對(duì)所有備選方案進(jìn)行排序擇優(yōu)，以確定最終的查詢結(jié)果列表次序。效用度計(jì)算公式如下：

(1)

式中：zij為第i個(gè)備選方案ai與理想方案在第j個(gè)元數(shù)據(jù)項(xiàng)xj上的關(guān)聯(lián)度，wj為 xj的權(quán)重，ai的效用度ui即為各個(gè)元數(shù)據(jù)項(xiàng)關(guān)聯(lián)度的加權(quán)和。

可見(jiàn)，解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于對(duì)備選方案在各個(gè)元數(shù)據(jù)項(xiàng)上關(guān)聯(lián)度的定量評(píng)價(jià)與權(quán)重的確定。

2 遙感影像多屬性決策物元模型

物元分析法是一種多元數(shù)據(jù)量化決策的新方法，適合于多因子、多屬性的評(píng)價(jià)問(wèn)題[14]。遙感影像多屬性決策物元模型的建模思路為：首先根據(jù)用戶提出的查詢條件建立理想物元，然后將查詢初選結(jié)果作為備選方案并構(gòu)建多維物元，設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算出備選物元與理想物元的關(guān)聯(lián)度，最后通過(guò)計(jì)算效用度對(duì)各方案進(jìn)行排序并確定最優(yōu)結(jié)果。

2.1 遙感影像物元模型

物元指描述事物的基本元，它可以用三元組R=(N,c,v)表示，其中N表示事物，c表示特征的名稱，v表示N關(guān)于c所取的量值，這三者稱為物元的三要素。若一個(gè)事物由多個(gè)特征元組成，則用n維物元描述[14]，物元模型的一般形式如下。

(2)

(3)

式中:yi代表ai的物元模型，xj為決策屬性的第j個(gè)元數(shù)據(jù)項(xiàng)，yij為ai在xj上的區(qū)間范圍。

2.2 理想物元

理想物元R*是各屬性值均達(dá)到最優(yōu)值構(gòu)成的物元，一般形式如下：

(4)

2.3 設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)度

由于遙感影像各個(gè)元數(shù)據(jù)的含義不同，不同元數(shù)據(jù)項(xiàng)屬性值的計(jì)算方法也不同，使得物元模型各個(gè)特征的量綱各異。為使評(píng)價(jià)結(jié)果具有公度性，本文通過(guò)構(gòu)造關(guān)聯(lián)函數(shù)將各屬性進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

常用的關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有距離和夾角余弦，但是這兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)更適合于衡量單點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)度。然而衡量遙感影像是否滿足用戶需求的標(biāo)準(zhǔn)在于是否包含或者重疊了用戶查詢范圍，而不是距離上的接近。本文設(shè)計(jì)了關(guān)聯(lián)函數(shù)，基于拓?fù)渑c度量關(guān)系分析對(duì)備選物元與理想物元的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

(5)

式中:zi1代表yi1與r1的關(guān)聯(lián)度，yi1∩r1為yi1與r1的重疊區(qū)間。

表1 r2與yi2在二維區(qū)間上的拓?fù)潢P(guān)系Table 1 The topological relationship between r2and yi2

根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系，設(shè)計(jì)二維區(qū)間的關(guān)聯(lián)函數(shù)如下：

(6)

式中:zi2代表yi2與r2的關(guān)聯(lián)度，area()為求面積的函數(shù)。

考慮到地球是一個(gè)近似的旋轉(zhuǎn)橢球體，因此由兩條子午線(經(jīng)線)和兩條平行圈(緯線)圍成的橢球表面是一個(gè)橢球面梯形，其面積的計(jì)算公式如下[16]:

(7)

式中: L1和L2為經(jīng)度范圍，B1和B2為緯度范圍;b和e2為橢球元素值，因我國(guó)1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系采用1975年國(guó)際橢球，其參考橢球在我國(guó)境內(nèi)與大地水準(zhǔn)面最為密合，故采納1975年橢球元素值，b=6 356 755.2881575287m和e2=0.006694384999588。

(8)

3 挖掘用戶興趣確定權(quán)重

用戶興趣隱藏于檢索歷史中，檢索頻率越高的元數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)于用戶興趣的貢獻(xiàn)就越大，反之則越小。本文用權(quán)重wj描述不同元數(shù)據(jù)項(xiàng)xj對(duì)用戶興趣的貢獻(xiàn)，反映不同元數(shù)據(jù)項(xiàng)之間的相對(duì)重要性。權(quán)重對(duì)搜索結(jié)果排序有著重要影響，熵權(quán)法確定的權(quán)重較客觀且符合實(shí)際[17]。按照信息論基本原理，熵代表該屬性在該問(wèn)題中提供有效信息量的多少，如果屬性的信息熵越小，則該屬性所提供的信息量越大，在綜合評(píng)價(jià)中所起作用理當(dāng)越大，相應(yīng)權(quán)重則越高。本文將用戶對(duì)不同元數(shù)據(jù)項(xiàng)的檢索次數(shù)作為信息熵指標(biāo)，直接根據(jù)指標(biāo)的原始信息通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方法獲得權(quán)重，盡量消除各指標(biāo)權(quán)重的主觀性。

根據(jù)檢索歷史，將用戶在過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)的檢索記錄分為k組，分別統(tǒng)計(jì)每一組內(nèi)對(duì)n個(gè)元數(shù)據(jù)項(xiàng)的檢索次數(shù)，并且用一個(gè)矩陣B=(bij)k×n記錄，其中bij表示第i組檢索記錄中用戶對(duì)元數(shù)據(jù)項(xiàng)xj的檢索次數(shù)。

利用熵權(quán)法確定權(quán)重，需經(jīng)過(guò)以下3個(gè)步驟：

(1)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理:

(9)

式中:sij為用戶第i組檢索記錄中對(duì)元數(shù)據(jù)項(xiàng)xj檢索次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化值，bij表示第i組檢索記錄中對(duì)元數(shù)據(jù)項(xiàng)xj的檢索次數(shù)；min(bpj) 和max(bpj)(p=1,2,…,k)分別為k組檢索記錄中元數(shù)據(jù)項(xiàng)xj被檢索次數(shù)的最小值和最大值。

(2)計(jì)算各元數(shù)據(jù)項(xiàng)的信息熵。按照信息論基本原理，信息熵的定義如下：

(10)

(11)

(3)計(jì)算元數(shù)據(jù)項(xiàng)權(quán)重。令元數(shù)據(jù)項(xiàng)xj的權(quán)重為wj，則：

(12)

4 模型評(píng)價(jià)結(jié)果

本文將文獻(xiàn)[18，19]中方案 1-6 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為備選方案集，并模擬生成了近一段時(shí)間用戶對(duì)遙感影像的檢索記錄，對(duì)本文提出的模型和方法進(jìn)行驗(yàn)證。

步驟1：將用戶的查詢條件作為理想物元：

步驟2：建立備選方案1-6的物元模型：

步驟3：根據(jù)關(guān)聯(lián)函數(shù)式(5-8)得到備選方案的關(guān)聯(lián)度物元模型：

步驟4：采用熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重，模擬生成近一段時(shí)間用戶對(duì)遙感影像的7組檢索記錄，由式(10-12)得各元數(shù)據(jù)項(xiàng)的權(quán)重向量為：

W=(0.1120，0.4799，0.1737， 0.2344)T

步驟5：由式(1)得6種備選方案的效用度為：

u1= 0.533，u2= 0.298 ，u3= 0.298，

u4=0.414，u5= 0.408，u6=0.209

效用度越高則與用戶需求的關(guān)聯(lián)程度越高，所以返回給用戶的查詢結(jié)果列表a1> a4> a5> a2> a3> a6，方案1為最佳方案。通過(guò)與文獻(xiàn)[18]對(duì)比分析可知，該評(píng)價(jià)結(jié)果可信，評(píng)價(jià)方法可行。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在考慮遙感影像特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于拓?fù)浜投攘筷P(guān)系的關(guān)聯(lián)函數(shù),定量計(jì)算各核心元數(shù)據(jù)與用戶需求的關(guān)聯(lián)程度，采用多屬性決策方法提高了遙感影像查詢的查準(zhǔn)率和個(gè)性化水平。本文只針對(duì)4項(xiàng)核心元數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，今后繼續(xù)對(duì)其他元數(shù)據(jù)(如傳感器、軌道號(hào)、產(chǎn)品級(jí)別、數(shù)據(jù)質(zhì)量等)進(jìn)行研究。此外，關(guān)聯(lián)函數(shù)還有待于進(jìn)一步優(yōu)化，以空間分辨率為例，由于低分辨率的影像可由高分辨率影像重采樣而來(lái)，因此分辨率高于查詢條件的遙感影像的關(guān)聯(lián)度應(yīng)大于分辨率低于查詢條件的遙感影像的關(guān)聯(lián)度。這就要求在設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)函數(shù)時(shí)除了考慮區(qū)間覆蓋的拓?fù)潢P(guān)系外，還應(yīng)該與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)聯(lián)，才能不斷提升遙感影像共享的應(yīng)用水平。

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Multi-attribute Decision Making Model of Remotely Sensed Image Query Based on Matter-Element Analysis

YANG Xiao-xia1,2,3,ZHOU Yan4,YANG Rong-hao1,2,3

(1.EarthSciencesSchool,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059;2.SichuanEngineeringResearchCenterforEmergencyMapping&DisasterReduction,Chengdu610041;3.KeyLaboratoryofGeoscienceSpatialInformationTechnology,MinistryofLandandResourcesoftheP.R.China,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059; 4.SchoolofResourcesandEnvironment,UniversityofElectricScienceandTechnologyofChina,Chengdu611731,China)

The growth in the remotely sensed image available has led to information overload,as navigating through and finding relevant information has become more and more challenging.In this paper,a multiple attribute decision model is proposed to assist the user in his/her quest for accurate data.By constructing a matter-element model,the solutions of the remotely sensed image query can be converted into the solutions of multiple attribute decision of an alternative scheme.In addition,correlation functions combining topology with metrization are proposed to evaluate the similarity degree between user′s requirement and data quantitatively.The entropy-weight method is used to calculate the weight from user early search record,which reflects user preference on different metadata of remotely sensed image.Therefore,the advantages and disadvantages of different schemes can be compared.Finally,an example is given to show the usability of the presented model.

remote sensing information query;multi-attribute decision making;matter-element model

2015-10-21；

2016-01-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41201440；41471332；41101354)；教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20125122120014)；四川省應(yīng)急測(cè)繪與防災(zāi)減災(zāi)工程技術(shù)研究中心開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(K2015B002，K2014B001)；四川省教育廳理科重點(diǎn)項(xiàng)目(15ZA0078)

楊曉霞(1977-)，女，博士，講師，研究方向?yàn)榈乩硇畔⒎?wù)。E-mail:yangxx2003@126.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.02.006

P208

A

1672-0504(2016)02-0027-05