一種作戰(zhàn)區(qū)數(shù)字地圖快速生成方法探討?

（火箭軍工程大學 西安 710025）

1 引言

隨著導彈部隊信息化進程的不斷深入，無依托機動發(fā)射模式成為未來導彈作戰(zhàn)的主要樣式［1］。導彈分隊機動、發(fā)射的前提是對作戰(zhàn)區(qū)內道路信息及潛在發(fā)射點點位信息的掌控，在此基礎上，才能有效地實現(xiàn)作戰(zhàn)任務規(guī)劃和導彈機動作戰(zhàn)，而高精度、高時效性的作戰(zhàn)區(qū)數(shù)字地圖是保障上述作戰(zhàn)行動順利實施的關鍵［2］。

目前，導彈部隊主要依靠攝影測量車的信息采集系統(tǒng)進行作戰(zhàn)區(qū)的數(shù)字地圖保障及數(shù)字化建設。攝影測量車的信息采集主要通過車載攝影測量方式進行，具有持續(xù)時間長、圖像采集穩(wěn)定、數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)點，但也存在信息采集范圍窄、對道路的依賴性大、不夠靈活等缺點；近年來逐漸成熟的無人機航測技術，在進行對地攝影測量時具有活動范圍大、機動靈活等優(yōu)點，但也存在續(xù)航時間短、信息采集精度較差等缺點［3］。本文提出了導彈作戰(zhàn)區(qū)數(shù)字地圖快速生成方法，設計車/機組合方案，最大程度發(fā)揮攝影測量車與測繪無人機的優(yōu)勢，促進二者的優(yōu)勢互補，在優(yōu)化資源配置的同時，能夠對導彈作戰(zhàn)區(qū)全區(qū)域進行有效的信息采集；然后，運用多源數(shù)據(jù)融合方法將多平臺采集的多種地理信息數(shù)據(jù)進行融合校正；最后，利用融合校正后的數(shù)據(jù)生成導彈作戰(zhàn)區(qū)數(shù)字地圖，滿足導彈作戰(zhàn)及戰(zhàn)場數(shù)字化建設的需求［4］。

2 作戰(zhàn)區(qū)數(shù)字地圖保障的特征

無依托機動發(fā)射是未來導彈武器作戰(zhàn)模式發(fā)展的方向［5］。新型導彈多采用無依托機動發(fā)射的作戰(zhàn)樣式，其將脫離導彈部隊原有的依托固定發(fā)射井或預建發(fā)射陣地的發(fā)射模式。信息保障的內容、時效和模式都必須與新的作戰(zhàn)樣式相適應。基于無依托機動發(fā)射的數(shù)字地圖保障需求，主要從多元性、時效性、精準性三個方面對作戰(zhàn)區(qū)數(shù)字地圖保障的特征進行分析［6］。

2.1 多元性

導彈作戰(zhàn)區(qū)多位于山區(qū)，地理環(huán)境復雜，對導彈部隊機動作戰(zhàn)的影響極其重大。因此，數(shù)字地圖保障的內容必須涵蓋影響導彈作戰(zhàn)的多元地理信息，具體內容如圖1所示。

圖1 作戰(zhàn)區(qū)保障內容分類

導彈在作戰(zhàn)區(qū)內要實現(xiàn)隱蔽、待機、機動、發(fā)射等各項重要的作戰(zhàn)活動以及伴隨各項作戰(zhàn)活動所帶來的通信保障、躲避偵察、發(fā)射陣地選擇等，都將依賴地形、地貌等地理信息［7］。

道路信息是導彈部隊最為關心的作戰(zhàn)區(qū)信息。各個導彈分隊，尤其是發(fā)射分隊，裝配重型裝備，其在作戰(zhàn)區(qū)內的機動極其依賴各類道路，因此道路信息的保障極為重要。道路交通信息主要有公共道路信息、專用道路信息、道路“三限”（限高、限寬、限重）信息、橋梁隧道信息和非標準道路信息。

其他特殊信息主要包括影響導彈作戰(zhàn)的作戰(zhàn)區(qū)內車流信息、人流信息、作戰(zhàn)區(qū)損毀信息和道路硬度信息等。車流信息和人流信息將影響導彈作戰(zhàn)分隊的行動效率和行動隱蔽性。戰(zhàn)區(qū)損毀信息是指在作戰(zhàn)條件下，作戰(zhàn)區(qū)內預置的各類陣地和相關設施的損壞情況。道路硬度信息則會影響發(fā)射陣地的選擇［8］。

2.2 時效性

戰(zhàn)場突發(fā)事件會對導彈部隊的作戰(zhàn)指揮、行動及任務實施帶來不可預知的影響，迅速對變化的戰(zhàn)場環(huán)境進行感知，是作戰(zhàn)制勝的重要保障。因此，作戰(zhàn)區(qū)的數(shù)字地圖保障必須考慮其時效性。根據(jù)各類信息的重要性和變化周期，開展時效性分析。考慮到數(shù)字地圖保障能力的限制，將時效性歸類為四個等級。第一個等級為常量信息，這類信息主要指不隨時間推移而變化的地形高程信息、水系信息等。這些信息在一次測量后，即可長期使用，無需反復測量。第二個等級為長時效性信息，這類信息主要指隨時間推移有所變化，但變化不是十分顯著，主要包括植被信息、人文地物信息、地表影像信息、建筑物信息等。這些信息在短時間內不會發(fā)生顯著變化，但當時間推移達到月余時，可能就會有明顯變化。第三個等級為短時效性信息，這類信息主要是指內容較為固定，但是其發(fā)生變化的時間較短，如毀損信息、道路橋梁信息等。這些信息發(fā)生變化的時間較短，可能在幾分鐘甚至幾秒鐘內就發(fā)生了變化。第四個等級為實時信息，這類信息隨時間推移極其靈敏的發(fā)生著變化，如車流、人流信息等。這些信息沒有固定的狀態(tài)，始終處于變化中。對于這四類信息，其時效性等級決定了信息采集、更新的周期。

2.3 精準性

數(shù)字地圖保障的精準度是數(shù)字地圖保障的核心內容，準確無誤的信息是提高武器系統(tǒng)作戰(zhàn)、發(fā)射分隊機動和指揮機構決策效率的重要保障。錯誤的信息甚至會延誤作戰(zhàn)進程，導致軍事行動失敗。然而，精準性的提高又會帶來保障效率的降低等問題，甚至導致無可行保障方案。因此，適當?shù)木珳市允亲鲬?zhàn)區(qū)數(shù)字地圖保障的重要基礎之一。

3 作戰(zhàn)區(qū)數(shù)字地圖快速生成方法探討

在導彈部隊無依托機動發(fā)射的發(fā)展模式下，掌握作戰(zhàn)區(qū)的戰(zhàn)場信息對于導彈作戰(zhàn)具有重要意義。基于無人機航測理論與近景攝影測量理論，本文提出了能夠滿足導彈部隊機動作戰(zhàn)需求的數(shù)字地圖快速生成方法。通過分析作戰(zhàn)區(qū)數(shù)字地圖保障的特征，在實現(xiàn)測繪無人機與攝影測量車優(yōu)勢互補的基礎上，構建一體化地理信息采集處理平臺；同時，結合設備性能特點及保障需求，優(yōu)化設計測量車與無人機的協(xié)同作業(yè)方案；在獲取不同地理信息的基礎上，運用多源數(shù)據(jù)融合方法，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合校正，擴大各數(shù)據(jù)源信息的應用范圍。綜合上述內容構建能夠滿足導彈部隊機動作戰(zhàn)需求的數(shù)字地圖快速生成系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 數(shù)字地圖快速生成系統(tǒng)

3.1 車機組合方案

高效科學的地理信息采集設備是快速成圖的關鍵，本文基于成熟的航空攝影測量與近景攝影測量理論，形成由測繪無人機與攝影測量車組合而成的數(shù)字地圖快速生成系統(tǒng)。主要目的是實現(xiàn)二者的優(yōu)勢互補，提高作戰(zhàn)區(qū)信息采集能力。

總體的組合方案設計不僅跟攝影測量車和測繪無人機的性能相關，而且同導彈型號以及作戰(zhàn)方式有著密切的聯(lián)系。對于不同的武器型號和作戰(zhàn)任務而言，對數(shù)字地圖的保障需求有著巨大的差別。再考慮到攝影測量車與測繪無人機自身性能參數(shù)的限制，實際上很難設計出一套能夠適合所有導彈型號的車/機組合方案。因此，本文重點探討了一車多機的組合方案。

從車輛與無人機的空間布局方面進行分析，依據(jù)車輛空間，在確保攝影測量車載重、車輛平衡符合要求的前提下，進行車輛改裝和布局各系統(tǒng)設備。要求：1）設計可靈活裝卸的無人機配套設施的存儲架；2）載貨空間與工作空間分離；3）至少適宜兩人同時工作的工作臺；4）整體設計緊湊，空間布局合理；5）對安裝系統(tǒng)設備專用的機架進行減振處理。根據(jù)實際情況，可考慮一車一機、一車多機以及兩車一機等多種情況；從集成化、一體化以及靈活性等方面考慮，本文主要考慮一臺攝影測量車搭載若干臺不同類型的測繪無人機，如圖3所示。

圖3 車/機組合示意圖

3.2 車/機軟硬件集成設計

無人機整合至攝影測量車中，將給系統(tǒng)空間分配帶來較大問題，如何高效組織各個系統(tǒng)是一個需要重點考慮的問題。無人機系統(tǒng)包括飛行平臺、飛控系統(tǒng)、相機系統(tǒng)、監(jiān)控站、供電系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成部分；攝影測量車系統(tǒng)包括車輛、影像采集系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、電子全站儀以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成部分。在考慮車載載重、配電系統(tǒng)載荷、系統(tǒng)聯(lián)接的前提下，設計組合方案，達到最佳目標。在攝影測量車裝備了電腦裝備，可以統(tǒng)一作為攝影測量車的數(shù)據(jù)解算平臺、無人機數(shù)據(jù)傳輸與預處理平臺。通過測試，安裝到攝影測量車內解算平臺的相關軟件與航測數(shù)據(jù)傳輸與預處理軟件不產生沖突，可以實現(xiàn)平臺的共用。

在硬件集成化研究方面，主要考慮硬件的空間組合、處理系統(tǒng)硬件整合、供電系統(tǒng)的共用等方面；在軟件集成化研究方面，主要考慮軟件系統(tǒng)的共用兼容、系統(tǒng)接口、基準統(tǒng)一等問題。通過充分的試驗工作，驗證了在空間整合、電力供應、軟件兼容等方面都能滿足要求，不會出現(xiàn)瓶頸性問題，為戰(zhàn)場快速成圖的實現(xiàn)打下了基礎。

3.3 車/機協(xié)同任務規(guī)劃

攝影測量車與測繪無人機在作業(yè)前均需進行有效的作業(yè)規(guī)劃，為實現(xiàn)系統(tǒng)的集成化、一體化，需要對攝影測量車與測繪無人機的作業(yè)任務進行綜合規(guī)劃。測繪無人機作業(yè)過程主要包括航攝設計、相機標定、航線設計、航高計算、外業(yè)航拍實施、像控點布設與測量、內業(yè)數(shù)據(jù)處理與成圖等步驟任務；攝影測量車作業(yè)過程包括制定拍攝計劃、選設控制點、影像拍攝、區(qū)域網平差、成圖編輯等步驟任務。測量車與無人機都有自己的任務規(guī)劃系統(tǒng)，為發(fā)揮測量車與無人機的組合性能優(yōu)勢，需要將兩套獨立的任務規(guī)劃系統(tǒng)進行優(yōu)化組合，提升系統(tǒng)的整體性能。在研究任務規(guī)劃系統(tǒng)時，還須考慮影像分辨率、作業(yè)時間、覆蓋范圍等諸多因素；因此，測量車與無人機的協(xié)同作業(yè)規(guī)劃問題是一個多目標任務規(guī)劃問題，需要應用多目標優(yōu)化方法對兩者的作業(yè)路徑、作業(yè)范圍、作業(yè)時間等進行有效規(guī)劃，達到信息采集速度、質量的最優(yōu)化。

任務規(guī)劃算法是任務規(guī)劃中的關鍵環(huán)節(jié)，是保障各數(shù)據(jù)采集平臺任務分配、作業(yè)路徑以及作業(yè)時間最優(yōu)的重要支撐，算法的優(yōu)劣直接決定任務規(guī)劃的質量，決定數(shù)字地圖的成圖速度以及質量。在多目標任務規(guī)劃算法方面，目前的研究成果主要有A*算法、粒子群優(yōu)化算法、禁忌搜索算法、遺傳算法和基于合同網的方法等［4］。禁忌搜索（簡稱TS）的思想最早由Glover教授于1986年提出［5］，TS算法是模擬人類對事物進行選擇的過程，通過記錄已出現(xiàn)的解，從而跳出局部最優(yōu)，進而進行下一步的搜索，屬于智能算法。TS算法主要采用禁忌表和特赦準則來實現(xiàn)對解的禁忌和解禁，通過對解的禁忌避免重復搜索，通過對解的解禁保留較優(yōu)的解。目前，TS算法已得到深入的研究，并在多目標優(yōu)化問題、車輛調度問題、運輸問題等方面有著廣泛的應用［6］。因此，本文選擇TS算法對測量車和無人機進行協(xié)同任務規(guī)劃。

3.4 基于多源數(shù)據(jù)融合的數(shù)字地圖生成方法

未來戰(zhàn)場將是眾多傳感器匯集的場所，多種傳感器將將給部隊帶來海量的信息，信息融合處理將是獲取有效、準確信息的必然途徑。本文主要涉及無人機航空攝影測量數(shù)據(jù)、近景影像數(shù)據(jù)以及作戰(zhàn)區(qū)基礎地理數(shù)據(jù)等三類數(shù)據(jù)的融合問題。首先將三類地理信息數(shù)據(jù)進行預處理，完成數(shù)據(jù)基準、格式以及模型的統(tǒng)一［7］；然后從導彈部隊作戰(zhàn)需要出發(fā)，依據(jù)各類數(shù)據(jù)的質量及屬性，運用常規(guī)融合、加權融合以及主成份分析融合等方法，實現(xiàn)相關作戰(zhàn)區(qū)域地理信息的匹配融合；最后，在對相關地理信息進行更新的基礎上，快速生成作戰(zhàn)區(qū)數(shù)字地圖，保障導彈部隊機動作戰(zhàn)對數(shù)字地圖的需求。其生成過程如圖4所示。

圖4 基于數(shù)據(jù)融合的數(shù)字地圖生成方法

4 實驗驗證

利用實驗室配備的測繪無人機和攝影測量車，在學校附近選取了一塊面積約為4km2（2km×2km）的區(qū)域進行了實驗。在本實驗中選取了一車三機的組合模式，即一輛攝影測量車搭載三臺無人機進行信息采集。在實驗時，一臺無人機在高空作業(yè)，另外兩臺在低空作業(yè)，在任務規(guī)劃系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)劃下三臺無人機同步進行航測；同時，攝影測量車沿道路勻速行駛，負責采集目標區(qū)域的道路橋梁信息等。信息采集完畢后，利用多源數(shù)據(jù)融合方法對采集到的信息進行融合校正，最終生成作戰(zhàn)區(qū)的數(shù)字地圖。在本次實驗中，數(shù)字地圖的生成時間、質量、精度等均滿足作戰(zhàn)要求，并且較以往有明顯改進，證明了本文提出的數(shù)字地圖快速生成方法的可行性。因保密需要，具體的實驗數(shù)據(jù)不予公開，敬請諒解。

5 結語

對戰(zhàn)場環(huán)境的快速感知是未來導彈作戰(zhàn)的重要保障內容，傳統(tǒng)的測繪保障無論在速度還是成果形式方面，都難于滿足未來作戰(zhàn)的需求。針對這一特點，本文提出了基于攝影測量理論的作戰(zhàn)區(qū)數(shù)字地圖快速生成方法，通過對作戰(zhàn)區(qū)數(shù)字地圖保障特征、地理信息采集設備組合方案、攝影測量車與無人機的協(xié)同任務規(guī)劃以及基于多源數(shù)據(jù)融合的數(shù)字地圖生成方法的分析與探討，整體上打通了作戰(zhàn)區(qū)數(shù)字地圖快速生成的理論路線，為未來導彈作戰(zhàn)區(qū)數(shù)字地圖保障提供了一種可行方法。