空天地一体化对地观测传感网的理论与方法

项目名称：空天地一体化对地观测传感网的理论与方法首席科学家：张良培武汉大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部湖北省科技厅二、预期目标(一)总体目标系统研究对地观测传感网的理论与方法，通过多学科联合攻关，解决空天地多平台观测系统事件感知与协同观测机理、对地观测传感网数据同化与信息融合、对地观测传感网聚焦服务模型等关键科学问题，系统地揭示从事件感知到聚焦服务的转化机理，建立从空天地传感网数据实现地球陆表监测的科学理论与方法体系，为我国空天地协同对地观测系统的建立奠定理论与技术基础。(二)五年预期目标1.科学目标空天地一体化对地观测理论和方法：为建立主动的、任务驱动的、动态自适应的、协同的空天地一体化观测系统奠定理论基础。对地观测传感网多源多维数据一体化处理方法：围绕对地观测传感网的观测数据，集成数据融合与同化、智能化信息提取等技术，提供多源异质数据一体化处理、信息提取以及变化检测的新理论与新方法。面向任务的对地观测传感网信息聚焦服务：按需提供聚合多传感器、数据、计算和决策的服务。典型地区陆表环境综合观测与信息模拟：模拟我国典型地区陆表环境多源信息，建立多传感器综合观测实验方案，提供决策支持和应急快速反应服务。2.国家目标围绕我国典型地区陆表环境安全进行空天地一体化观测实验，研究空天地一体化对地观测传感网的理论与方法，提升我国对地观测能力与服务水平，为我国环境安全与自然灾害监测提供技术与方法支撑。3.技术水平经过五年研究，在对地观测传感网架构和运行机制、空天地多传感器协同观测模型、多传感器源数据同化与融合、对地观测传感网信息聚焦服务模型等相关理论与方法方面取得突破性进展，达到国际先进水平；在事件智能感知模型、面向对象参数提取、动态变化分析等若干研究点上达到国际领先水平。4．技术指标（1）实现50个以上的传感器信息描述；（2）数据融合与同化方法能够支持10种以上传感器；（3）提供传感器规划、观测获取、事件通知、数据处理、信息提取等10种以上服务。5．人才培养造就一批具有国际影响力的青年学术带头人，培养博士研究生30名，硕士研究生30名。6．论文著作完成有关专著3部，在国内外主要学术刊物上发表论文160篇以上，其中SCI（包括SCIE）论文不少于50篇。三、研究方案（一）总体学术思路1、从系统论角度进行优化布局与整体攻关从系统论观点出发，空天地一体化对地观测传感网可看成是具有事件感知、异构传感器互联、多系统协同和灵性服务的自组织和自适应的复杂观测网络系统。应该将资源全局组织、多传感器协同观测和聚焦决策服务作为一个有机的整体展开研究，重点解决空天地一体化对地观测传感网时空信息获取、传输、同化及决策中的共性问题，实现事件感知-异构传感器观测-聚焦决策服务的转化。从而更加充分合理地利用观测资源，使人们能够透明、高效、可定制地使用观测资源，满足长期监测与快速应急响应等日益多样的观测需求，为观测资源的科学布局提供依据。2、面向任务驱动实现多层次理论与方法的突破从服务科学角度出发，传感器、观测数据、分析处理过程和决策支持模型资源可看成是一系列空间信息服务。面向特定陆表监测与应急响应任务，运用本体论、运筹学和控制论的相关方法，建立各类资源与服务之间的关联，结合面向服务的思想和架构，建立对地观测传感网内各类传感器资源、观测资源、处理资源、模型资源的网络化灵性服务；通过任务按需聚合与自主协调，适应内外部环境变化，实现多层次聚焦型服务。通过聚焦服务理论方法与典型用例验证为纽带，带动和实现观测资源、信息模型与处理以及应用方法的有机关联，突破对地观测信息模型、多源传感器数据融合和同化、时空数据获取与处理实时化、决策支持服务智能化转变机理等不同层次上的重大关键理论与方法，为陆表监测与应急响应服务系统建立奠定理论与方法基础。3、以国家重大需求为研究导向以国家急需的环境与灾害事件监测为牵引，选取典型区域对建立的空天地一体化对地观测传感网理论、方法与服务模型进行模拟验证，实现理论与具体应用的结合、观测与数值模拟结合、信息提取与决策支持服务的结合。本项目计划选取水、气、地环境问题突出的三峡地区为典型实验区域，进行大气、水体和陆地信息综合观测与信息模拟研究。针对该地区的地表形变与沉降等自然灾害问题及人类活动引起的水体、大气污染问题，基于地基、车载、机载和星载传感器的协同与耦合，完成组网观测、数据同化、信息提取、数值模拟与聚焦服务的整体验证。研究结果可直接服务于国家的重大需求。（二）技术路线1.对地观测传感网耦合模型与建模理论基于空天地一体化对地观测传感网中的卫星、航空、地面传感器，建立信息模型，将语义网引入传感网领域，根据传感网资源服务的应用需求，设计基于语义的最优观测观测模型，支持事件的协同观测。具体实施技术途径为：（1）对地观测传感网系统耦合架构对地观测传感网系统耦合架构是本课题研究的总体框架，其研究方案首先借鉴面向服务的体系架构、面向资源的体系架构、事件驱动的体系架构等主流的体系架构，划分系统间的层次关系、分析系统任务执行的基本流程、确立系统间的边界关系，形成系统的概念模型。以此为基础，结合长期渐变和瞬时突变的对地协同观测需求，确立卫星平台（气象卫星、大气卫星、测绘卫星和环境与减灾卫星等）、低空平台（无人机、飞艇、气球等）、地面传感器（大气、温度、湿度等）和地面数据服务系统间的相互关系和交互机制，定义主要的接口和协议，保证系统间交互的轻量、安全、可靠与可扩展。进一步结合地表水环境安全监测、大气环境安全监测、地表移动与形变环境安全监测等应用领域，分析系统的运行机制，设计具体的对地观测传感网系统，验证系统架构的可行性。同时结合本课题提出的最优观测模型，利用多次迭代的设计方法，修正和完善系统架构，以实现支持不同系统规模和用户需求的对地观测传感网系统耦合架构。（2）对地观测传感网资源描述模型针对典型遥感卫星、机载观测平台和地面传感器，分析传感器平台、观测机理、处理过程、定位信息以及技术要求，特别是对观测仪器信息和观测结果信息进行系统分析，形成传感器分类体系。分析空天地传感器在观测模式和成像机理等方面的差异，结合现有传感器元数据、数据交换标准和传感器建模现状的基础，建立起能够描述传感器系统、部件、参考系、处理方法、时空位置的传感器资源描述模型，实现传感器资源共享。分析地表水环境安全监测、大气环境安全监测和地表移动与形变环境安全监测的传感器资源，结合传感器快速建模方法，建立起三类典型传感器的信息模型。分析地表水环境安全监测、大气环境安全监测和地表移动与形变环境安全监测的传感器观测数据，根据不同的采样模式和编码规则，建立起三类典型传感器的观测数据编码。（3）对地观测传感网资源语义动态建模方法对地观测传感网资源语义动态建模以对地观测传感网资源描述模型的研究为基础，利用本体建模理论，运用机器学习和统计等方法，结合领域专家知识设计半自动（自动化）化的本体构建方法，归纳传感网资源的概念、划分其类别、梳理其相互关系，建立顾及传感网资源时空特征、尺度特征的顶层本体模型，结合地球陆表监测与决策响应等应用领域知识，建立领域本体模型。基于上述本体模型实现对地观测传感网资源的语义标注；结合聚焦服务语义注册信息模型和交互协议的设计，实现对地观测传感网资源的语义注册。并以一阶逻辑理论为指导，实现轻量级的语义相似度匹配算法，提供完整的语义查询机制；进一步基于语义模式匹配的方法实现多版本传感网观测资源的访问。（4）多传感器最优观测模型结合对地观测传感网信息聚焦服务，分析典型任务的观测任务和观测系统中异构传感器的能力信息，针对对地观测网空天地传感器的动态性和相关性等基本特征，建立起观测需求和能力信息的映射模型。分析传感器结构反应的敏感性与系统鲁棒性的矛盾，基于先验知识和传感器动态信息，结合非线性规划问题的求解方法，推导出多传感器的观测模型，使观测模型能够最大程度地反映对地观测传感网系统信息和适应对地观测传感网系统结构的变化。分析观测模型对观测任务时间、空间、精度和实时性等方面要求的满足程度，提出观测模型评价指标，促进多传感观测模型的优化。分析地表水环境安全监测、大气环境安全监测和地表移动与形变环境安全监测中的典型观测任务，以及卫星、航空、地面观测平台的不同特点，发展启发式的传感器布点优化算法，提供优化的传感器布局。2.事件驱动的空天地多传感器协同观测方法基于卫星、航空、地面三类典型异构传感器，开展事件驱动的空天地多传感协同观测方法研究，具体实施技术途径为：（1）多传感器智能感知模型与方法研究针对事件自动识别与特征提取的事件划分机制，然后依据该机制进行事件类型划分，为事件感知模型的建立提供基础。在事件划分机制与分类的基础上，对不同类事件引发的感知信息特征进行研究，建立不同类事件的感知模型。在对卫星传感器观测数据在轨处理的工作模式和处理流程进行研究的基础上，重点研究数据存储速度匹配模式、数据在轨组帧方法、观测数据在轨处理容错算法等卫星观测数据在轨处理关键技术。在上述基础上，形成卫星传感器在轨变化检测方法。在事件感知模型研究的基础上，针对典型遥感卫星、机载观测平台和地面传感器，研究基于多种平台、多种传感器信息进行事件自动识别的技术与方法，实现对事件特征自动提取与分类。（2）空天地协同规划模型与算法通过分析目前卫星规划、地面传感器规划和存档数据预订系统的特点，开展事件驱动的卫星联合规划和多传感器协同规划模型和算法研究，支持面向典型事件和典型任务的传感网空天地一体化规划。具体研究内容包括空天地多传感器统一规划方法、单星网络化规划模型与算法、多星规划模型与算法、多传感器规划模型与算法。（3）对地观测传感网资源自适应组网方法空天地传感器网络的构建，跟网络结构、协议和功耗等密切相关。研究分析合适的网络结构、异质传感器类型、探测范围、功耗、相邻距离、测量环境、干扰因素等关键参数，分析多功能、多种传输速率的自组织传感器网络的组建模式，研究分布式、大规模异质传感器网络的构建方法，为自适应组建传感器网络提供支撑。分析异构传感器数据传输的波段、信道、带宽和路由特点，研究大规模异质传感器网络节点数量、带宽分配、时间同步观测机制、异构互连的拓扑结构方式、自适应频谱分配、按需路由等网络资源的配置方法。研究基于路由、节点度、方向和邻近拓扑图的自适应控制方法，研究分布式、大规模异质传感器网络的协作模式和分布式协调管理方法，实现适应需求变化的大规模多功能异质传感器网络的自适应配置方法。基于认知无线电技术，分析大规模多功能异质传感器网络，感知传感器网络的可用频谱，限制和降低传感器之间冲突的发生。研究自适应网关透明信息访问方法，以事件为中心，保证信息在传感器网络节点之间通畅传输，避免出现数据传输瓶颈。基于常规观测的全局资源分配与潜在事件观测需求，实现任务的优化分配，减低资源消耗、倾向潜在事件与延长观测时间，为传感网常规优化观测提供理论与方法支撑；并针对应急事件响应，控制和协调空天地典型传感器进行协同运行，扩展空天地传感网协同观测范围，增强观测实时性，保障传感网应急观测的数据传输通畅的需求，为应急情况下传感器组网完成局部重点地区聚焦观测任务提供理论和方法支撑。3.对地观测传感网一体化数据融合与同化方法基于对地观测传感网环境下的空天地多源观测数据，发展面向陆表监测的数据同化与信息融合方法，具体实施技术途径为：（1）离群点分布模型与高精度亚像素配准方法主要针对离群点检测测度、离群点位置与配准参数的联合求解、离群点分布模型的建立、群集智能求解等方面展开研究，实现高精度的亚像素配准。首先发展离群点检测的几何测度和辐射测度，通过判断配准影像之间的空间对应关系、辐射相异性，建立稳健的离群点检测方法，为实现剔除离群点影响的高精度配准奠定基础；然后对配准参数和离群点位置进行联合迭代求解，根据初始配准参数对多源数据进行离群点检测，检测结果又用于对配准参数的更新，如此循环往复，实现配准参数和离群点同步优化；通过理论推导和模拟验证，建立离群点的概率分布模型，并根据实际误差分布，利用最大似然方法对离群点的模型参数进行拟合，求解模型的标准偏差