一種作戰區數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，無依托機動發射模式成為未來導彈作戰的主要樣式［1］。導彈分隊機動、發射的前提是對作戰區內道路信息及潛在發射點點位信息的掌控，在此基礎上，才能有效地實現作戰任務規劃和導彈機動作戰，而高精度、高時效性的作戰區數字地圖是保障上述作戰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進行作戰區的數字地圖保障及數字化建設。攝影測量車的信息采集主要通過車載攝影測量方式進行，具有持續時間長、圖像采集穩定、數據精度高等優點，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、機動靈活等優點，但也存在續航時間短、信息采集精度較差等缺點［3］。本文提出了導彈作戰區數字地圖快速生成方法，設計車/機組合方案，最大程度發揮攝影測量車與測繪無人機的優勢，促進二者的優勢互補，在優化資源配置的同時，能夠對導彈作戰區全區域進行有效的信息采集；然后，運用多源數據融合方法將多平臺采集的多種地理信息數據進行融合校正；最后，利用融合校正后的數據生成導彈作戰區數字地圖，滿足導彈作戰及戰場數字化建設的需求［4］。

2 作戰區數字地圖保障的特征

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

2.1 多元性

導彈作戰區多位于山區，地理環境復雜，對導彈部隊機動作戰的影響極其重大。因此，數字地圖保障的內容必須涵蓋影響導彈作戰的多元地理信息，具體內容如圖1所示。

圖1 作戰區保障內容分類

導彈在作戰區內要實現隱蔽、待機、機動、發射等各項重要的作戰活動以及伴隨各項作戰活動所帶來的通信保障、躲避偵察、發射陣地選擇等，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區信息。各個導彈分隊，尤其是發射分隊，裝配重型裝備，其在作戰區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的作戰區內車流信息、人流信息、作戰區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分隊的行動效率和行動隱蔽性。戰區損毀信息是指在作戰條件下，作戰區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射陣地的選擇［8］。

2.2 時效性

戰場突發事件會對導彈部隊的作戰指揮、行動及任務實施帶來不可預知的影響，迅速對變化的戰場環境進行感知，是作戰制勝的重要保障。因此，作戰區的數字地圖保障必須考慮其時效性。根據各類信息的重要性和變化周期，開展時效性分析。考慮到數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。這些信息發生變化的時間較短，可能在幾分鐘甚至幾秒鐘內就發生了變化。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生著變化，如車流、人流信息等。這些信息沒有固定的狀態，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

數字地圖保障的精準度是數字地圖保障的核心內容，準確無誤的信息是提高武器系統作戰、發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，適當的精準性是作戰區數字地圖保障的重要基礎之一。

3 作戰區數字地圖快速生成方法探討

在導彈部隊無依托機動發射的發展模式下，掌握作戰區的戰場信息對于導彈作戰具有重要意義。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需求的數字地圖快速生成方法。通過分析作戰區數字地圖保障的特征，在實現測繪無人機與攝影測量車優勢互補的基礎上，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，優化設計測量車與無人機的協同作業方案；在獲取不同地理信息的基礎上，運用多源數據融合方法，實現多源數據的融合校正，擴大各數據源信息的應用范圍。綜合上述內容構建能夠滿足導彈部隊機動作戰需求的數字地圖快速生成系統，如圖2所示。

圖2 數字地圖快速生成系統

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字地圖快速生成系統。主要目的是實現二者的優勢互補，提高作戰區信息采集能力。

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方式有著密切的聯系。對于不同的武器型號和作戰任務而言，對數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）對安裝系統設備專用的機架進行減振處理。根據實際情況，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，將給系統空間分配帶來較大問題，如何高效組織各個系統是一個需要重點考慮的問題。無人機系統包括飛行平臺、飛控系統、相機系統、監控站、供電系統以及數據處理系統等組成部分；攝影測量車系統包括車輛、影像采集系統、衛星定位系統、電子全站儀以及數據處理系統等組成部分。在考慮車載載重、配電系統載荷、系統聯接的前提下，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，可以統一作為攝影測量車的數據解算平臺、無人機數據傳輸與預處理平臺。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據傳輸與預處理軟件不產生沖突，可以實現平臺的共用。

在硬件集成化研究方面，主要考慮硬件的空間組合、處理系統硬件整合、供電系統的共用等方面；在軟件集成化研究方面，主要考慮軟件系統的共用兼容、系統接口、基準統一等問題。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，不會出現瓶頸性問題，為戰場快速成圖的實現打下了基礎。

3.3 車/機協同任務規劃

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

任務規劃算法是任務規劃中的關鍵環節，是保障各數據采集平臺任務分配、作業路徑以及作業時間最優的重要支撐，算法的優劣直接決定任務規劃的質量，決定數字地圖的成圖速度以及質量。在多目標任務規劃算法方面，目前的研究成果主要有A*算法、粒子群優化算法、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，通過記錄已出現的解，從而跳出局部最優，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的解。目前，TS算法已得到深入的研究，并在多目標優化問題、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同任務規劃。

3.4 基于多源數據融合的數字地圖生成方法

未來戰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據、近景影像數據以及作戰區基礎地理數據等三類數據的融合問題。首先將三類地理信息數據進行預處理，完成數據基準、格式以及模型的統一［7］；然后從導彈部隊作戰需要出發，依據各類數據的質量及屬性，運用常規融合、加權融合以及主成份分析融合等方法，實現相關作戰區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，快速生成作戰區數字地圖，保障導彈部隊機動作戰對數字地圖的需求。其生成過程如圖4所示。

圖4 基于數據融合的數字地圖生成方法

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，另外兩臺在低空作業，在任務規劃系統的統一規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，負責采集目標區域的道路橋梁信息等。信息采集完畢后，利用多源數據融合方法對采集到的信息進行融合校正，最終生成作戰區的數字地圖。在本次實驗中，數字地圖的生成時間、質量、精度等均滿足作戰要求，并且較以往有明顯改進，證明了本文提出的數字地圖快速生成方法的可行性。因保密需要，具體的實驗數據不予公開，敬請諒解。

5 結語

對戰場環境的快速感知是未來導彈作戰的重要保障內容，傳統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區數字地圖快速生成方法，通過對作戰區數字地圖保障特征、地理信息采集設備組合方案、攝影測量車與無人機的協同任務規劃以及基于多源數據融合的數字地圖生成方法的分析與探討，整體上打通了作戰區數字地圖快速生成的理論路線，為未來導彈作戰區數字地圖保障提供了一種可行方法。