信息獲取與傳輸技術(shù)在水利立體監(jiān)測中應(yīng)用與構(gòu)想

王慧斌，譚國平，李臣明，朱躍龍

（河海大學(xué)，江蘇 南京 211100）

信息獲取與傳輸技術(shù)在水利立體監(jiān)測中應(yīng)用與構(gòu)想

王慧斌，譚國平，李臣明，朱躍龍

（河海大學(xué)，江蘇 南京 211100）

構(gòu)建水利立體監(jiān)測體系是新時期水利信息化的重要建設(shè)內(nèi)容，水利立體監(jiān)測技術(shù)涉及到多平臺聯(lián)合、多元融合和匯聚及精準獲取等方面，需要解決好監(jiān)測的動態(tài)適應(yīng)性及異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通問題等。分析信息獲取與傳輸技術(shù)的最新發(fā)展特點，以及國外水利應(yīng)用情況，提出基于動態(tài)反饋的立體監(jiān)測參考框架，并探討立體監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)的制定，最后對水利立體監(jiān)測應(yīng)用前景進行展望。

信息獲取；通信技術(shù)；立體監(jiān)測；動態(tài)反饋；協(xié)議標準

0 引言

在當前我國新老水問題相互交織，水安全形勢日益嚴峻背景下，水利業(yè)務(wù)以防汛抗旱防災(zāi)、水資源合理配置和高效利用、水資源保護與河湖健康等建設(shè)為核心，迫切需要采集廣譜、要素豐富、信息準確完整的水利監(jiān)測新技術(shù)支撐，以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化、靈活接入、安全可靠的泛在先進水利通信網(wǎng)絡(luò)保障。構(gòu)建水利全要素立體監(jiān)測體系與技術(shù)成為需解決的關(guān)鍵問題之一。在《全國水利信息化發(fā)展十三五規(guī)劃》中明確提出：將“建成天地一體的水利立體監(jiān)測體系，支撐水環(huán)境水生態(tài)要素采集、供用水計量、大型工程/重點工程在線監(jiān)管等應(yīng)用”等作為新時期水利信息化建設(shè)的重要任務(wù)。

水利信息廣泛存在于自然水循環(huán)、水利活動和其他涉水相關(guān)領(lǐng)域。同時，國民經(jīng)濟、社會生活乃至網(wǎng)絡(luò)虛擬空間，亦蘊含著豐富的水利信息。立體監(jiān)測的主要目的就是要通過不同位置、時相、精度、尺度的信息采集和傳輸，拓展監(jiān)測的時空連續(xù)性，提高監(jiān)測精度，全面獲取水利信息。因此，水利立體監(jiān)測技術(shù)涉及到空-天-地聯(lián)合方式、多元融合和匯聚模式、全要素精準獲取方法等方面，既有對各種監(jiān)測平臺及技術(shù)的整合應(yīng)用問題，也有各種通信網(wǎng)絡(luò)融合問題，還需考慮對社會經(jīng)濟、公共網(wǎng)絡(luò)空間資源的有效利用問題等。

近年來，信息技術(shù)的快速發(fā)展，及其在國外水利領(lǐng)域的應(yīng)用，為我國水利立體監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用提供了新方法。本文對信息獲取與傳輸技術(shù)的最新發(fā)展趨勢進行了總結(jié)，并介紹了相關(guān)技術(shù)在國外水利應(yīng)用情況。在此基礎(chǔ)上，對我國水利立體監(jiān)測技術(shù)體系構(gòu)建提出了設(shè)想。

1 信息獲取與傳輸技術(shù)最新發(fā)展特點

1.1 衛(wèi)星遙感、水下探測等信息獲取技術(shù)取得了較快速發(fā)展

衛(wèi)星遙感方面，陸續(xù)發(fā)射了大量高分辨率光譜/微波遙感衛(wèi)星，在已實現(xiàn)電磁波譜全波段覆蓋的基礎(chǔ)上，積極發(fā)展以多星組網(wǎng)、多網(wǎng)協(xié)同方式，形成高中低空間分辨率配置、多種觀測手段優(yōu)化組合的綜合全球觀測技術(shù)?；谛l(wèi)星遙感平臺的多波段融合、變化檢測、分類識別及基于遙感大數(shù)據(jù)分析解譯技術(shù)也得到發(fā)展和應(yīng)用。水下探測方面，推出了 AUV（Autonomous Underwater Vehicle）和 ROV（Remote Operated Vehicle）等系列平臺，已發(fā)展形成以水聲成像、光電成像探測為主的水下成像探測技術(shù)，同時，積極開展新型固定式水下網(wǎng)絡(luò)探測技術(shù)。目前，通過多譜段融合、多傳感器協(xié)作以增強水下探測感知能力是最新趨勢。

1.2 高速率、高可靠和低延遲的新一代無線通信技術(shù)成為主流

無線傳輸設(shè)計新方案主要依賴于超密集組網(wǎng)、毫米波通信和大規(guī)模 MIMO 技術(shù)[1]。超密集組網(wǎng)技術(shù)以縮小小區(qū)覆蓋面積的組網(wǎng)方式，如微微蜂窩基站（范圍≤ 100 m）和毫微蜂窩基站（范圍≤10 m），能夠顯著提升頻譜復(fù)用效率，使系統(tǒng)容量增加 10～100 倍；毫米波通信技術(shù)能夠有效利用頻率范圍為30～300 GHz 的空閑頻譜資源，在短距離、高速率（e.g.峰值速率為 1～10 GB/s）和低延遲的通信中具有明顯優(yōu)勢，已成為未來無線通信系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向；大規(guī)模 MIMO 技術(shù)能使現(xiàn)有系統(tǒng)的頻譜效率提升 10 倍以上，可提供無處不在的高容量無縫覆蓋，是未來 5G 系統(tǒng)的核心技術(shù)。

1.3 集成先進傳感、通訊、計算機和控制技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)，是信息獲取與傳輸?shù)淖钚录夹g(shù)形態(tài)

目前，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用主要依賴于射頻識別與追蹤技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)和霧計算（Fog Computing）等。研發(fā)具有擴頻傳輸?shù)挠性?RFID 系統(tǒng)、與 WSN集成是 RFID 技術(shù)的最新發(fā)展重點[2]。另外，物聯(lián)網(wǎng)涉及到 WSN，WMN，WLAN 等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備信息交換，研發(fā)新型網(wǎng)關(guān)和制定統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議和標準是當前發(fā)展主流。相關(guān)協(xié)議標準主要包括 RFID，NFC，IEEE802.11（WLAN），IEEE 802.15.4（ZigBee），IEEE 802.15.1（藍牙），IETF 低功率無線個域網(wǎng)（6LoWPAN），M2M 及 IPv6 等技術(shù)。霧計算是一種將計算、控制、存儲和網(wǎng)絡(luò)功能分配到更接近終端用戶設(shè)備的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[3]，能實現(xiàn)智能控制無線接入、組織和管理本地移動自組網(wǎng)及與基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的集成等功能降低傳感器終端能耗，提升信息采集和傳輸?shù)膶崟r性和可靠性等性能。

信息技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用深刻影響并極大促進了包括水利在內(nèi)的社會各領(lǐng)域和行業(yè)的發(fā)展。

2 相關(guān)技術(shù)的國外水利應(yīng)用情況

2.1 衛(wèi)星、航空遙感遙測技術(shù)應(yīng)用

衛(wèi)星遙感遙測技術(shù)方面：利用新一代衛(wèi)星遙感技術(shù)對水循環(huán)的各個環(huán)節(jié)進行更高精度、更加有效的監(jiān)控和模擬?；诟吖庾V、高分辨率、SAR 等成像技術(shù)，開展了多源遙感數(shù)據(jù)融合、多波段產(chǎn)品融合、衛(wèi)星組網(wǎng)觀測等技術(shù)研究和應(yīng)用。主要應(yīng)用有：

1）全球降水觀測計劃 GPM，采用包括 GPM核心觀測平臺（GPM Core Observatory），TRMM，NOAA-18/19，GCOM-W1 和 DMSP 等多顆衛(wèi)星的多普勒雙頻降雨雷達、微波成像儀、可見光/紅外等數(shù)據(jù)組成全球觀測網(wǎng)絡(luò)，提供全球高時空分辨率的降水產(chǎn)品[4-5]。

2）全球土壤濕度主被動反演計劃 SMAP，同時搭載 L 波段的主動微波雷達和被動微波輻射計，實現(xiàn)主被動微波相結(jié)合的土壤水分觀測和制圖。SMAP的發(fā)射為全球提供更高時空分辨率的土壤水分產(chǎn)品，包括 3 km 的逐日主動雷達產(chǎn)品，36 km 的逐日被動微波輻射計產(chǎn)品，以及 9 km 的逐日主被動合成產(chǎn)品[6-7]。

3）地表水及海洋地形檢測計劃 SWOT，核心設(shè)備包括：Ka 或 Ku 波段雷達、Ku 波段測高儀、微波輻射計。主要目的之一是觀測陸地的水循環(huán)[8]。

4）地球重力場檢測及氣候監(jiān)控計劃 GRACE，包括 2 顆在同一極地軌道運行，距地面約 450 km，相隔約 200 km 的衛(wèi)星，通過搭載的微波測距系統(tǒng)（Microwave Ranging System）和 GPS 等儀器，精確測量（精度在 10 μm 以內(nèi)）2 顆衛(wèi)星之間的距離變化，從而反演地球重力場由于質(zhì)量分布所引起的變化。2017 年將要發(fā)射的 GRACE Follow-on 將通過軌道參數(shù)的重新設(shè)置，提高 GRACE 的時空分辨率并縮短數(shù)據(jù)發(fā)布時間[9-10]。

除此之外，還有蒸散發(fā)遙感反演衛(wèi)星的水利應(yīng)用，代表性數(shù)據(jù)產(chǎn)品有：1）基于中分辨率成像光譜儀（MODIS）LAI 的全球蒸散產(chǎn)品（MOD16），其空間分辨率為 1 km，時間分辨率為 8 d，數(shù)據(jù)時間跨度為 2000 年至當前[11]；2）基于美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）改進型甚高分辨率輻射儀（AVHRR） NDVI 的全球蒸散產(chǎn)品，空間分辨率為8 km，時間分辨率為月，數(shù)據(jù)時間跨度從 1981 年至今[12]。

利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global NavigationSatellite System，GNSS）的水利應(yīng)用。例如，用GNSS L 波段微波地表反射信號，即 GNSS 定位應(yīng)用中的“多路徑誤差”，進行土壤水分估算[13]。美國基于板塊邊界觀測計劃（Plate Boundary Observatory，PBO）的 GPS 觀測站網(wǎng)，發(fā)展了西部多個站點的長時間序列土壤/植被水分產(chǎn)品[14-16]。美國、荷蘭等國還利用星載雷達干涉測量技術(shù) INSAR（Synthetic Aperture Radar Interferometry）和 GNSS 聯(lián)合協(xié)同反演進行毫米級的形變檢測，構(gòu)建防洪堤動態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)。

另外，在利用航空遙感遙測技術(shù)方面，美國克萊姆森大學(xué)開展了高分辨率地面穿透雷達成像分析，監(jiān)測滲流區(qū)的動態(tài)水文條件[17]。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

水利行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的典型應(yīng)用是由 IBM 開發(fā)的智慧水管理系列項目。以智慧河流和港灣項目研究最具代表性。基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧河流是在美國在紐約州哈德遜河（Hudson River）開展。采用了分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了對河流斷面水量、水質(zhì)及氣象等多參數(shù)的立體監(jiān)測，全面提高了對河流物理、化學(xué)、生物信息的實時監(jiān)測能力。基于對河流全要素在線分析和海量數(shù)據(jù)的多維關(guān)聯(lián)分析，揭示河流生態(tài)系統(tǒng)跨時空演變及人類活動對其影響。在愛爾蘭戈爾韋灣（Galway Bay）開展的智慧港灣（Smart Bay）研究，主要用于海灣區(qū)域水資源健康管理。采用“智能浮標”全面收集海洋、天氣參數(shù)，基于大型海量數(shù)據(jù)收集與分布式智能系統(tǒng)分析海洋健康狀況，并提供基于云的信息服務(wù)。另外，愛爾蘭的Smart Coast 系統(tǒng)[18]和澳大利亞的 Lake Net 系統(tǒng)[19]，也都是針對湖泊設(shè)計的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合無線通訊和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，多個傳感器節(jié)點間以ZigBee 技術(shù)實現(xiàn)直接通訊，系統(tǒng)可對湖泊中的磷酸鹽濃度監(jiān)測，同時也能實現(xiàn)溫度、水位等信息的在線采集、分析等。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)田灌溉和城市用水管理方面也有應(yīng)用。例如，美國馬里蘭大學(xué)的 LICHTENBERG等[20-21]利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建了一個集成水利灌溉管理系統(tǒng)，可實時監(jiān)測水分狀況，提高灌溉效率；新加坡南洋理工大學(xué)聯(lián)合美國的 MIT 在 2011 年啟動了無線水哨兵計劃（Wireless Water Sentinel Project，WWSP）[22]，該項目利用無線傳感網(wǎng)構(gòu)建一個實時監(jiān)控供水系統(tǒng)的液壓和水質(zhì)等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提供了能夠檢測突發(fā)泄露等事故的有效方法，可以顯著提高大型城市供水系統(tǒng)的日常運行效率；美國田納西大學(xué)聯(lián)合 MIT 的相關(guān)機構(gòu)[23]，針對地下供水管道泄露監(jiān)測問題，開展了精準實時定位研究。

2.3 新型非接觸式水面、水下測量技術(shù)應(yīng)用

近年來，基于聲學(xué)、光學(xué)、雷達等明渠流速及流量的測量儀器取得了發(fā)展，更新?lián)Q代的速度也比較快。典型的有基于聲學(xué)（如 ADCP）及雷達（如電波流速儀）的流速監(jiān)測設(shè)備。同時，大尺度粒子圖像測速技術(shù) LSPIV 在流速測量中得到快速發(fā)展[24-25]，該技術(shù)采用圖像分析技術(shù)估計布撒到被測流體中的示蹤粒子微團或單個粒子在光流場圖像中的位移，通過速度矢量計算獲得分析區(qū)域內(nèi)局部流體的運動規(guī)律，從而提高各種復(fù)雜流動的測量能力。另外，超聲波、水下射線、超聲波測深[26]結(jié)合衛(wèi)星定位等水下非接觸無損檢測技術(shù)（NDT）及設(shè)備也不斷涌現(xiàn)。這些技術(shù)在含沙量及懸沙動力過程測量、淤泥層測定、庫容量監(jiān)測、水工結(jié)構(gòu)檢測等水利工程檢測中進行了應(yīng)用。

3 水利立體監(jiān)測技術(shù)體系研究構(gòu)想

水利立體監(jiān)測是充分利用各種天-空-地平臺及先進傳感、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，將衛(wèi)星觀測、航空遙測、地面監(jiān)測相結(jié)合，從宏觀、介觀和微觀的角度，連續(xù)獲取水利領(lǐng)域內(nèi)點-線-面的多時空、高分辨率、高精度信息，實現(xiàn)水利信息全面感知的一個復(fù)雜系統(tǒng)。各監(jiān)測平臺協(xié)同下的數(shù)據(jù)精準獲取及數(shù)據(jù)互聯(lián)互通是重要環(huán)節(jié)，目前還沒有成熟可供借鑒的支撐系統(tǒng)運行的技術(shù)體系，需要在理論方法和技術(shù)應(yīng)用上開展大量研究工作。

3.1 研究建立以動態(tài)自適應(yīng)機制為核心的立體監(jiān)測框架

構(gòu)建集成一體化的水利立體監(jiān)測體系，是從系統(tǒng)的角度對水利要素進行多角度、多途徑和多尺度的監(jiān)測。必須著眼于業(yè)務(wù)應(yīng)用與監(jiān)測要素之間的關(guān)系，在立體監(jiān)測框架與外部環(huán)境的聯(lián)系、作用和制約等相互關(guān)系中綜合、精確地考察監(jiān)測要素，以尋求實現(xiàn)最優(yōu)立體監(jiān)測的方法和途徑。信息-物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）理念則能比較合理闡述這種關(guān)系，為立體監(jiān)測有效運行提供較好策略。CPS 是綜合計算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過計算機、通信、控制技術(shù)的有機融合與深度協(xié)作，可實現(xiàn)實時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)。CPS 關(guān)注資源的合理整合利用與調(diào)度優(yōu)化，可使系統(tǒng)更加可靠、高效、實時協(xié)同。因此，水利立體監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取的信息流不能僅僅是由物理世界到虛擬世界的單向流，更應(yīng)該是信息的雙向交流和互動，這樣才能滿足水利各種業(yè)務(wù)的精準監(jiān)測需求。下面給出一個基于動態(tài)反饋機制的水利立體監(jiān)測參考框架，該框架的原理如圖 1 所示。

圖 1 基于動態(tài)反饋機制的水利立體監(jiān)測參考框架

該參考框架主要由 3 個部分組成：由大、中、小 3 種不同尺度監(jiān)測系統(tǒng)組成的水利信息多尺度立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的匯聚處理模塊；由像素級、特征級和決策級多尺度信息分析處理、數(shù)據(jù)源管理和監(jiān)測質(zhì)量評價構(gòu)成的水利立體監(jiān)測信息分析系統(tǒng)。該參考框架最大的特點是：根據(jù)水利各業(yè)務(wù)應(yīng)用的動態(tài)需求，在大數(shù)據(jù)分析平臺支撐下，由分析系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為具體的數(shù)據(jù)源管理和監(jiān)測質(zhì)量評價規(guī)則，通過反饋通道控制立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)匯聚處理模塊，達到根據(jù)實時動態(tài)監(jiān)測信息以自適應(yīng)調(diào)整相關(guān)決策目的，從而提供實時的自適應(yīng)服務(wù)，滿足水利業(yè)務(wù)應(yīng)用對實時性、精準性的需求。

3.2 研究制定統(tǒng)一的立體監(jiān)測應(yīng)用通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)

實現(xiàn)各監(jiān)測平臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，需重點研究和考慮協(xié)議層劃分、通信網(wǎng)絡(luò)性能度量方法和行業(yè)標準。

1）遵循通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層的原理，設(shè)計統(tǒng)一的協(xié)議構(gòu)架?？捎酶兄獙?、傳輸層、應(yīng)用層描述。感知層包括數(shù)據(jù)采集、傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和協(xié)同信息處理等子層。其中，傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和協(xié)同信息處理子層包括：低速及中高速近距離傳輸、自組織、協(xié)同信息處理、傳感器中間件等技術(shù)；傳輸層包括各種通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)形成的融合網(wǎng)絡(luò)，含互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、移動通信網(wǎng)絡(luò)等；應(yīng)用層主要承擔(dān)的任務(wù)是智能計算和分析，服務(wù)于水利業(yè)務(wù)應(yīng)用。

2）為支撐水利立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與分析、管理與運營，需研究建立監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)的定量性能測量與度量方法?？梢钥紤]采用超密集組網(wǎng)技術(shù)、大規(guī)模 MIMO、毫米波通信等新技術(shù)，以網(wǎng)絡(luò)信息論為基礎(chǔ)，探索協(xié)同通信、無碼率編碼和機會通信等新方法，研究監(jiān)測通信網(wǎng)性能評價體系、度量模型與方法，研究網(wǎng)絡(luò)容量、拓撲、時延、吞吐量、覆蓋的性能度量等。

3）實現(xiàn)各種監(jiān)測系統(tǒng)、設(shè)備之間的互連互通，需研究制定統(tǒng)一的水利立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的接口、協(xié)議和行業(yè)標準。從用戶、網(wǎng)絡(luò)提供者、應(yīng)用開發(fā)者、服務(wù)提供者等多視角構(gòu)建水利立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，研究進行精確描述的形式化方法。

4 結(jié)語

隨著信息獲取與通信技術(shù)的發(fā)展和水利應(yīng)用，立體化、全過程、高精度的水利信息獲取技術(shù)，泛在化的通信技術(shù)及各項基礎(chǔ)設(shè)施的逐步完善，將推動水利各項業(yè)務(wù)信息化的快速發(fā)展。1）新一代衛(wèi)星、遙感遙測及水下探測技術(shù)發(fā)展，將不斷完善水利立體化監(jiān)測體系構(gòu)建，擴展水利要素采集的時空完整性和連續(xù)性，及數(shù)據(jù)傳輸實時性和應(yīng)急性；2）新型測量技術(shù)和設(shè)備開發(fā)應(yīng)用，將不斷完善各種復(fù)雜環(huán)境/條件下水利測量的手段和方式，提高測量精準度；3）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入水利建設(shè)和管理過程，將促進水利各項業(yè)務(wù)實現(xiàn)全過程優(yōu)化和控制，助推智慧水利建設(shè)。

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Application and conception of information acquisition and transmission technology in water conservancy stereo monitoring

WANG Huibin, TAN Guoping, LI Chenming, ZHU Yuelong
(Hohai University, Nanjing 211100, China)

The construction of water conservancy stereo monitoring system is the signi fi ciant construction content of water conservancy informatization in the new time period. The water conservancy stereo monitoring technology involves multiple platforms joint, multi-source fusion and convergence, and accurate acquisition, etc. Also monitoring dynamic adaptive problems and heterogeneous network interconnection problems need to be solved. This paper introduces the latest development of information acquisition and transmission technology with application in foreign countries, and proposes a stereo monitoring reference frame based on dynamic feedback. And the paper analyzes communication network protocol architecture of the stereomonitoring. Finally, the application outlook of water conservancy stereo monitoring system is concluded.

information acquire; communication technology; stereo monitoring; dynamic feedback; protocol standard

TN914；TV21

A

1674-9405(2017)04-0011-06

10.19364/j.1674-9405.2017.04.003

2017-05-04

國家自然科學(xué)基金面上項目（61671201，61263029，61370091）；水資源高效開發(fā)利用重點專項（2016YFC0402710）；國家科技支撐計劃課題（2015BAB07B01）

王慧斌（1967-），男，山西陽泉人，博士生導(dǎo)師，研究方向：信息獲取與智能系統(tǒng)，通信網(wǎng)與專用通信系統(tǒng)，光電成像與圖像處理及復(fù)雜系統(tǒng)建模與優(yōu)化。