基于圖像識(shí)別技術(shù)的高炮安全射界圖輔助繪制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

孟 輝,路志英,李笑冬,閆靖春,王宏偉,靜恩祺

(1.天津市人工影響天氣辦公室，天津 300074；2.河北省氣象生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050021；3.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072；4.天津市薊州區(qū)氣象局，天津 301900)

引 言

人工影響天氣的一個(gè)重要手段是利用高炮、火箭等進(jìn)行人工增雨、人工消雹等作業(yè)，精確的作業(yè)方位、仰角等參數(shù)信息對(duì)指導(dǎo)人工影響天氣安全作業(yè)具有重要意義。人影作業(yè)中使用的炮彈屬于易爆品，一旦落入商業(yè)、居民生活等人口密集區(qū)或油庫(kù)、化工廠等重要設(shè)施區(qū)域并發(fā)生爆炸，將嚴(yán)重危害人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)，且造成的經(jīng)濟(jì)損失難以估量[1-2]。為避免未爆炸的炮彈落地時(shí)對(duì)地面人員或重要設(shè)施造成損害，有必要預(yù)選出安全區(qū)范圍，即規(guī)定安全射界，并據(jù)此繪制安全射界圖。

安全射界圖是以作業(yè)點(diǎn)為中心，以高炮的有效射程為半徑繪制區(qū)域地圖，在該圖中需要標(biāo)注城鎮(zhèn)、村莊、學(xué)校等人口密集區(qū)域的位置及允許進(jìn)行人工影響天氣作業(yè)的安全區(qū)位置[3]。傳統(tǒng)的安全射界圖繪制方法是先勘察以炮站為中心，半徑10 km范圍內(nèi)所有禁射目標(biāo)，再將禁射目標(biāo)信息人工添加至地圖上，找出安全射界，手工或委托第三方繪制安全射界圖，但該方法效率低、版本多樣且易泄露作業(yè)站點(diǎn)信息。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，炮站周邊環(huán)境改變迅速，當(dāng)其不能滿足安全射界選取要求時(shí)，需及時(shí)修訂安全射界范圍[4-7]，這對(duì)快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)繪制安全射界圖提出了要求。目前有關(guān)省市在安全射界選取和自動(dòng)繪制方面開展了研究，并取得了一些成果。如青島利用高分辨率衛(wèi)星影像,結(jié)合高炮作業(yè)點(diǎn)周邊的實(shí)際情況,按照有關(guān)規(guī)定要求,制作了高炮安全射界圖[8]；內(nèi)蒙古利用遙感、全球定位系統(tǒng)和地理信息技術(shù),設(shè)計(jì)研發(fā)了分析人影高炮、火箭安全射界的技術(shù)系統(tǒng)[9]；吉林省結(jié)合GPS/GSM火箭車定位、通信跟蹤系統(tǒng)，利用地理信息系統(tǒng)(GIS)制作了地面火箭人工增雨作業(yè)安全射界圖[10]；四川、新疆開發(fā)了基于ArcGIS的人影安全射界系統(tǒng)[11-12]。上述方法仍為人工輸入禁射區(qū)信息，且操作人員需具有PhotoShop、ArcGIS等使用基礎(chǔ)，不利于在基層推廣應(yīng)用。因此有必要開發(fā)一套高效、便捷，可供基層人影管理部門使用的安全射界繪制系統(tǒng)。本文利用建筑物衛(wèi)星影像光譜特征整體反射率高、灰度分布較為均勻等特點(diǎn)，依據(jù)《37 mm高炮人工影響天氣作業(yè)點(diǎn)安全射界圖繪制規(guī)范》(QX/T 256—2015)[3]安全射界選取要求，將遙感影像圖上炮彈可能落區(qū)分為安全區(qū)和非安全區(qū)，對(duì)衛(wèi)星影像進(jìn)行去霧、灰度化、分割、去噪等處理后，自動(dòng)識(shí)別非安全區(qū)位置。在此基礎(chǔ)上搭建高炮安全射界圖輔助繪制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安全射界圖的自動(dòng)繪制，極大地方便了縣級(jí)人影管理部門自主繪制安全射界圖，提高安全射界圖繪制效率。

1 安全射界圖繪制要求

1.1 安全射界選取要求

《37 mm高炮人工影響天氣作業(yè)點(diǎn)安全射界圖繪制規(guī)范》(QX/T 256—2015)要求在選擇安全射界時(shí)，應(yīng)采取如下選擇原則：避開城鎮(zhèn)、村莊、學(xué)校等人口密集區(qū)；避開油庫(kù)、化工廠、文物古跡、軍事設(shè)施等重要設(shè)施；同時(shí)安全射界邊界與人口密集區(qū)和重要設(shè)施的距離大于200 m。

安全射界選取還應(yīng)滿足以下條件：當(dāng)作業(yè)點(diǎn)海拔高度≤1500 m時(shí)，其安全射界的最小范圍為1500 m(極坐標(biāo)徑向)×1000 m(極坐標(biāo)切向)；當(dāng)作業(yè)點(diǎn)海拔高度>1500 m時(shí)，其安全射界的最小范圍為2000 m(極坐標(biāo)徑向)×1500 m(極坐標(biāo)切向)。

1.2 安全射界圖繪制要求

安全射界圖應(yīng)繪制底圖、水平距離圈、射擊距離圈、方位線段、方位標(biāo)劃、安全射界圖形等。底圖可明顯分辨城鎮(zhèn)、村莊等地物及其邊界，一般應(yīng)選用1:50000以上比例尺地圖或分辨率不低于5 m的衛(wèi)星遙感影像圖。水平距離圈以作業(yè)點(diǎn)為圓心，以1 km、10 km為半徑繪制閉合圓。射擊距離圈以作業(yè)點(diǎn)為圓心，以45°～80°射擊仰角未爆彈丸最大射程為半徑，按5°間隔繪制閉合同心圓。方位線段是自初始方位角起，順時(shí)針至345°，間隔15°，由作業(yè)點(diǎn)至10 km水平距離圈畫線段。安全射界圖形是為標(biāo)識(shí)安全射界范圍，在底圖上繪制的扇形區(qū)域。

2 安全射界圖輔助繪制系統(tǒng)功能

天津市高炮安全射界圖輔助繪制系統(tǒng)在microsoft visual studio開發(fā)平臺(tái)上，由Access數(shù)據(jù)庫(kù)支持，利用Visual C++開發(fā)語(yǔ)言搭建，包括地圖管理和地圖瀏覽模塊、高炮安全射界繪制模塊、高炮安全射界管理模塊、高炮射界圖打印輸出模塊和安全射界數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。

(1)地圖管理和地圖瀏覽模塊：利用Visual C++及Access數(shù)據(jù)庫(kù)等平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖信息的加載等，并通過對(duì)鼠標(biāo)移動(dòng)位置的捕捉，結(jié)合地理信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示鼠標(biāo)位置的地圖信息，如經(jīng)緯度等。

(2)高炮安全射界繪制模塊：包括初步識(shí)別安全區(qū)域、自動(dòng)繪制安全射界圖、添加安全落區(qū)、修改安全落區(qū)、保存安全射界項(xiàng)目等功能。將作業(yè)點(diǎn)經(jīng)緯度信息加載在衛(wèi)星影像底圖上，通過去霧、灰度化、閾值分割和去噪4個(gè)步驟，初步識(shí)別和推薦安全區(qū)；將實(shí)測(cè)結(jié)果與系統(tǒng)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，如有偏差則修改安全落區(qū)，將標(biāo)有仰角、密位和距離的安全射程圈繪于不同的圖層，根據(jù)需求疊加至衛(wèi)星影像底圖上，將安全射界圖保存至數(shù)據(jù)庫(kù)。

(3)高炮安全射界管理模塊：包括安全射界項(xiàng)目查找、安全射界名稱修改、安全射界項(xiàng)目刪除等功能。通過工具欄按鈕或通過菜單選項(xiàng)瀏覽已經(jīng)建立的安全射界項(xiàng)目，同時(shí)可以通過在搜索欄中輸入項(xiàng)目的全部或部分名稱來(lái)選擇某一項(xiàng)目，也可通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)選擇功能；選擇某一項(xiàng)目后，可對(duì)其進(jìn)行名稱和內(nèi)容的修改；對(duì)于現(xiàn)在不需要的安全射界項(xiàng)目，可以將其刪除。

(4)高炮射界圖打印輸出模塊：在繪制完成安全射界圖后，根據(jù)繪圖者的要求將其保存為不同格式的圖像文件。打印時(shí)可以通過點(diǎn)擊工具欄打印按鈕或通過菜單選項(xiàng)在默認(rèn)打印設(shè)置下進(jìn)行打??；可通過打印設(shè)置和預(yù)覽功能更改打印設(shè)置進(jìn)行打印。

(5)數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊：利用數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能，實(shí)現(xiàn)與高炮安全射界圖有關(guān)的基于Access炮站基本信息數(shù)據(jù)庫(kù)、衛(wèi)星影像圖片數(shù)據(jù)庫(kù)、安全射界圖數(shù)據(jù)庫(kù)的管理。包括如下內(nèi)容：(a)查看全市高炮作業(yè)點(diǎn)的分布，各作業(yè)點(diǎn)地理信息的查看、修改、添加；(b)衛(wèi)星影像圖片存放位置及更新；(c)安全射界圖的管理，如新增安全射界項(xiàng)目等。

3 遙感圖像預(yù)處理

高分辨率遙感衛(wèi)星影像包含信息量大，細(xì)節(jié)豐富，自動(dòng)識(shí)別技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)、氣象等多個(gè)領(lǐng)域[13-18]。但其占用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間較大，影響計(jì)算機(jī)處理速度，為此在進(jìn)行機(jī)器識(shí)別之前先適當(dāng)降低遙感圖像分辨率，再按照安全射界選擇要求定義安全區(qū)和非安全區(qū)。由于城鎮(zhèn)、村莊、學(xué)校、油庫(kù)、化工廠等應(yīng)避開的人口密集區(qū)和重要設(shè)施均為建筑物，其后向散射特性較強(qiáng)，在衛(wèi)星影像圖上多呈亮色調(diào)，灰度較背景明顯偏高，因此把圖上顏色白亮的區(qū)域及其周圍200 m的區(qū)域定義為非安全區(qū)，其他區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)。

從衛(wèi)星影像中提取非安全區(qū)信息，需經(jīng)過4個(gè)步驟：首先對(duì)原始圖像進(jìn)行去霧處理，以改善視覺圖像效果；第二灰度化，將彩色圖像轉(zhuǎn)換為便于機(jī)器識(shí)別的灰度圖像，前兩步是圖像識(shí)別的基礎(chǔ)；第三圖像分割，把具有非安全區(qū)特征的圖像提取出來(lái)；第四去噪，以剔除圖像中無(wú)用的信息。

3.1 圖像去霧處理

由于遙感圖像由衛(wèi)星從高空直接拍攝得到，空氣中存在霧霾等細(xì)小顆粒物的遮擋造成了圖像景物辨識(shí)度下降、信息細(xì)節(jié)不明顯等，因此對(duì)這種圖像直接進(jìn)行識(shí)別不易取得理想效果。為消除這種影響，需要對(duì)圖像進(jìn)行去霧處理。HE等[19]提出的暗通道先驗(yàn)算法，因圖像去霧效果理想而被廣泛應(yīng)用。該算法在原始有霧圖像中按亮度大小選取前0.1%像素點(diǎn)在R、G、B 3個(gè)通道上的最大強(qiáng)度值作為環(huán)境光亮度A，因A值偏高，使得復(fù)原圖像顏色失真、出現(xiàn)大量色斑。因此對(duì)其算法加以改進(jìn)，用R、G、B的平均值作為A值提取村莊等建筑物信息[20-21]，具體實(shí)現(xiàn)過程如下：(1)讀入原始圖像，直接求取每個(gè)像素點(diǎn)R、G、B 3個(gè)顏色通道強(qiáng)度值的最小值存入和原始圖像大小相同的灰度圖中；(2)根據(jù)暗通道圖像窗口大小，選擇合適的濾波半徑對(duì)灰度圖進(jìn)行最小值濾波得到暗通道圖；(3)按照亮度的大小從暗通道圖中提取最亮的前0.1%像素，找到這些像素在原圖像中對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)，分別求得R、G、B分量的平均值作為對(duì)應(yīng)的環(huán)境光亮度A；(4)利用圖像恢復(fù)公式推算無(wú)霧圖像的顏色分量值，完成圖像復(fù)原。

圖1為非安全區(qū)信息提取過程，圖1(a)和圖1(b)為去霧前后圖像對(duì)比。和原始圖像相比，去霧后的圖像更加清晰，為人口密集區(qū)域識(shí)別打下基礎(chǔ)。

3.2 灰度化

圖1(b)可以看出去霧處理后的圖像仍為彩色圖像，其包含信息量大，圖像處理速度慢。圖像灰度化可以在保證圖像整體和局部色彩及亮度等級(jí)分布特征與彩色圖像描述一致的前提下，有效減少圖像處理所需計(jì)算量。圖像灰度化過程既要簡(jiǎn)化圖像，又要保證人口密集區(qū)域和安全區(qū)域之間的對(duì)比度增大，為下一步圖像分割做好準(zhǔn)備。

單一分量法是彩色圖像灰度化的主要方法之一，其方法是將彩色圖像中的R、G、B 3種分量中的一個(gè)亮度值，不做處理直接作為灰度圖像的值，即根據(jù)需要選擇紅、綠、藍(lán)中一個(gè)分量對(duì)圖像進(jìn)行灰度化。對(duì)圖1(b)采用上述方法進(jìn)行處理對(duì)比，發(fā)現(xiàn)藍(lán)色分量所得到的灰度圖像安全區(qū)和非安全區(qū)對(duì)比度最大，即灰度化效果最好，故取彩色衛(wèi)星影像的藍(lán)色分量值作為其灰度值進(jìn)行灰度化。經(jīng)過去霧和灰度化之后，彩色衛(wèi)星影像變成對(duì)比度明顯的灰度圖像[圖1(c)]。

3.3 圖像分割

為區(qū)分非安全區(qū)和安全區(qū)，利用圖像分割技術(shù)對(duì)灰度圖像進(jìn)行分割處理。常用的圖像分割算法中最簡(jiǎn)單快速、應(yīng)用范圍最廣的方法是閾值分割算法[22]，且閾值分割方法還可以細(xì)分為灰度直方圖形狀法、基于聚類法、基于熵法、基于屬性相似性法、基于空間信息法以及基于局部信息法等6類[23-26]。由于非安全區(qū)形態(tài)各異、數(shù)量不確定，且沒有明顯的形狀特征，基于最大熵的圖像閾值分割法分割效果和計(jì)算速度都能滿足實(shí)際要求[27]。該方法就是求得一個(gè)分割閾值將圖像分成目標(biāo)區(qū)和背景區(qū)使得這兩個(gè)區(qū)域的信息熵之和最大。具體實(shí)現(xiàn)方法如下[25]：

(1)

圖1 非安全區(qū)信息提取過程(a)原始圖像，(b)去霧后圖像，(c)灰度化圖像，(d)分割后圖像，(e)去噪后圖像Fig.1 Non-safety firing zone information extraction process(a) original image, (b) after defogging treatment, (c) after gray processing,(d) after segmentation, (e) after denoising processing

式中：HA為目標(biāo)區(qū)信息熵；HB為背景區(qū)信息熵；PT為目標(biāo)區(qū)累積概率。在閾值T下目標(biāo)區(qū)和背景區(qū)信息熵總值為HA+HB，則最大熵分割法的最佳閾值公式為：

T=arg max[HA+HB]

(2)

圖1(d)為利用最大熵分割法分割后生成的二值圖像。其中白色和黑色區(qū)域分別為非安全區(qū)和安全區(qū)。

3.4 去 噪

通過分割前后圖像對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)分割后的圖像存在許多白色噪聲點(diǎn)，這些噪聲點(diǎn)可能會(huì)影響計(jì)算機(jī)的識(shí)別效果，因此要對(duì)分割后的二值圖像進(jìn)行降噪。膨脹和腐蝕是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)去噪方法中最基本的操作。膨脹操作是將某一區(qū)域周圍距離比較近的像素點(diǎn)合并在一起，邊界向外部擴(kuò)張的過程。腐蝕操作與膨脹操作相反，是消除圖像周圍邊界點(diǎn)，使邊界向內(nèi)部收縮的過程。膨脹和腐蝕操作按不同順序進(jìn)行組合，形成開運(yùn)算和閉運(yùn)算。開運(yùn)算是對(duì)圖像先腐蝕后膨脹的運(yùn)算，可以在消除小物體、纖細(xì)處分離物體、平滑較大物體邊界的同時(shí)不明顯改變其面積[28]。閉運(yùn)算則是對(duì)圖像先膨脹后腐蝕的過程，其作用是填充圖像內(nèi)細(xì)小的空洞，消除毛刺及孤立斑點(diǎn)。本文利用開運(yùn)算方法去除圖像處理過程中產(chǎn)生的、對(duì)識(shí)別非安全區(qū)會(huì)產(chǎn)生干擾的小面積白色區(qū)域。

由于去噪方法本身無(wú)法判別小面積白色區(qū)域是否為非安全區(qū)，腐蝕操作有可能把非噪聲區(qū)腐蝕掉，將本該被識(shí)別成人口密集區(qū)的地方識(shí)別成安全區(qū)域，對(duì)人工影響天氣作業(yè)的安全性產(chǎn)生非常不利的影響。為消除這種影響，對(duì)開運(yùn)算方法加以改進(jìn)，即在腐蝕與膨脹中間增加一個(gè)篩選過程，腐蝕操作后的二值圖像如依舊存在零散白色小面積區(qū)域，則判斷其所在位置：如果該區(qū)域位置離較大面積白色區(qū)域位置較遠(yuǎn)，就認(rèn)為它是噪聲，予以剔除，該區(qū)域識(shí)別為安全區(qū)；如果該區(qū)域位置距離較大面積的白色區(qū)域比較近，認(rèn)為它不是噪聲，予以保留，該區(qū)域識(shí)別為非安全區(qū)。將腐蝕后依舊殘留的噪聲點(diǎn)剔除后，再進(jìn)行膨脹操作。

(1)對(duì)分割后的二值圖像進(jìn)行腐蝕操作。

(2)判斷圖像噪聲。先選擇合適大小的正方形框，按照一定的步長(zhǎng)對(duì)腐蝕后的圖像進(jìn)行掃描，掃描的同時(shí)統(tǒng)計(jì)正方形框區(qū)域內(nèi)白色像素點(diǎn)即非安全區(qū)域的個(gè)數(shù)X。

設(shè)定第一閾值δ1和第二閾值δ2，如果X>δ1，即白色像素點(diǎn)個(gè)數(shù)大于第一閾值，說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)非安全區(qū)域面積比較大，跳轉(zhuǎn)到下一區(qū)域繼續(xù)掃描。如果X<δ1，說(shuō)明該正方形區(qū)域非安全面積較小，將該區(qū)域再次等分成幾個(gè)區(qū)域，依次掃描這幾個(gè)區(qū)域內(nèi)白色像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，并與第二閾值δ2進(jìn)行比較：如果X<δ1<δ2，說(shuō)明該區(qū)域不僅遠(yuǎn)離大面積白色區(qū)域，而且該區(qū)域自身面積也比較小，因此該區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域，并將該區(qū)域置黑；若δ2

(3)對(duì)整幅圖像進(jìn)行膨脹操作。

圖1(e)是經(jīng)過改進(jìn)的去噪算法處理結(jié)果，通過對(duì)比可以看出改進(jìn)去噪算法后去噪效果明顯，噪聲點(diǎn)剔除徹底，留下的白色區(qū)域即為非安全區(qū)。

4 安全射界圖繪制實(shí)例

以天津市薊州區(qū)北車道峪炮站07型37高炮為例，繪制安全射界圖首先要通過實(shí)地測(cè)量確定作業(yè)點(diǎn)經(jīng)緯度、海拔高度，結(jié)合衛(wèi)星影像的經(jīng)緯度范圍可以確定作業(yè)點(diǎn)位置，根據(jù)規(guī)范繪制安全射界圖，繪制過程主要分以下幾步。

第一步：安全射界區(qū)域圖邊界的確定。07型37高炮不同射擊仰角未爆彈丸最大射程為3.1963～9.1296 km，考慮實(shí)際截取圖像，留取2～3 km余量。在天津市地區(qū)經(jīng)緯度幅度跨度不是特別大的情況下，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)試驗(yàn)，當(dāng)以炮點(diǎn)坐標(biāo)為基準(zhǔn)經(jīng)向擴(kuò)展0.15°、緯向擴(kuò)展0.11°時(shí)，橫縱向距離均為24～26 km，能夠滿足安全射界范圍的需求，且留有一部分余量。以炮站為中心取方形區(qū)域的衛(wèi)星影像圖為該炮站安全射界底圖。由于高炮作業(yè)一般為4—10月，選用底圖為夏季衛(wèi)星影像。

第三步：劃分扇形網(wǎng)格。以作業(yè)點(diǎn)為圓心，根據(jù)炮彈射擊的最近(3 km)和最遠(yuǎn)距離(10 km)為邊界畫圓環(huán)，每個(gè)圓環(huán)均勻分為M個(gè)子圓環(huán)；同時(shí)以正北方向?yàn)槠鹗冀牵瑢A環(huán)沿順時(shí)針方向按一定角度等分為N個(gè)扇區(qū)，底圖可以被分為M×N個(gè)子扇區(qū)。如設(shè)置劃分間距為500 m，分隔角度為1°，M=14，N=360，地圖被分割成14×360=5040個(gè)子扇區(qū)。

對(duì)每個(gè)子扇區(qū)進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)規(guī)則為：以圓環(huán)正北方向最內(nèi)側(cè)點(diǎn)為x、y軸起點(diǎn)，沿徑向自內(nèi)向外的方向?yàn)閤軸正方向，沿切向順時(shí)針的方向?yàn)閥軸正方向，每個(gè)子扇區(qū)編號(hào)為A(x,y)，其中x=0,1，…，M-1；y=0,1，…，N-1。

第四步：提取安全扇區(qū)。判斷每個(gè)子扇區(qū)內(nèi)是否有白色像素點(diǎn)，如果有，則視為非安全扇區(qū)，標(biāo)記為1；如果沒有，則該區(qū)域視為安全扇區(qū)，標(biāo)記為0。

將扇形網(wǎng)格沿徑向和切向展開，映射為曼哈頓多邊形，在此多邊形中提取合適的安全射界圖形：以A(0,0)為起點(diǎn)，沿y軸正方向掃描找出連續(xù)標(biāo)記為0的扇區(qū)長(zhǎng)度，若其大于安全射界極坐標(biāo)切向最小長(zhǎng)度(1 km)，則對(duì)應(yīng)扇區(qū)為安全區(qū)，涂成綠色。按此方法依次取x=0,1,…,M-1，找到全部安全扇區(qū)，圖2為系統(tǒng)識(shí)別的安全區(qū)和非安全區(qū)。

圖2 系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別的安全區(qū)和非安全區(qū)(圖中圓心為炮站，綠色區(qū)域?yàn)橥扑]安全區(qū)，白色為非安全區(qū))Fig.2 Safety firing zone and non-safety firing zone recognized automatically by the system(The center of the circle indicates the gun station, the green area indicates the safe area, and the white area indicates the non-safe area)

第五步：推薦安全射界。將圖2中的安全扇區(qū)按面積從大到小排序，并將推薦的區(qū)域從0°開始沿順時(shí)針方向進(jìn)行編號(hào)，得到推薦安全射界(圖3)。

第六步：安全射界圖優(yōu)化。繪制安全射界圖既要確保作業(yè)安全，又要使安全區(qū)盡可能大，以擴(kuò)大高炮作業(yè)保護(hù)區(qū)范圍，同時(shí)要便于炮站實(shí)際操作，因此需要將初步識(shí)別的安全射界圖進(jìn)行優(yōu)化，主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)遙感圖像本身原因造成系統(tǒng)誤判：將系統(tǒng)識(shí)別出的非安全區(qū)與原圖進(jìn)行對(duì)比，非安全區(qū)識(shí)別準(zhǔn)確率為70.8%。遙感圖像中，“同物異譜”與“異物同譜”現(xiàn)象導(dǎo)致非安全區(qū)提取精度降低，如圖1(b)中水面上云的倒影(235°～237°，6.0 km)、巖石(83°、9.0 km)等影像的光譜特征與非安全區(qū)目標(biāo)物相似，而深色建筑物屋頂(25°，7.2 km)光譜特征與安全區(qū)相似，容易造成誤判。通過對(duì)高清影像進(jìn)行目視判讀，可有效識(shí)別該類信息。

圖3 系統(tǒng)推薦的安全射界(圖中圓心為炮站，帶編號(hào)的綠色區(qū)域?yàn)橥扑]安全射界)Fig.3 The safety firing zone recommended by the system(The center of the circle indicates the gun station，the numbered green area indicates recommended safety firing zone)

(2)非遙感圖像因素造成識(shí)別目標(biāo)屬性的改變：根據(jù)航空管制部門的相關(guān)要求，空中航線所在區(qū)域?yàn)楦吲诮鋮^(qū)，該范圍屬性由安全區(qū)變?yōu)榉前踩珔^(qū)；根據(jù)實(shí)地調(diào)查結(jié)果改變識(shí)別目標(biāo)屬性(336°～339°，8.3～10.0 km處識(shí)別為非安全區(qū)，根據(jù)實(shí)地調(diào)查為空置房屋，其屬性變?yōu)榘踩珔^(qū)；由于遙感影像更新周期較長(zhǎng)，安全區(qū)內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)新的建筑，將該區(qū)域由安全區(qū)變?yōu)榉前踩珔^(qū))。

優(yōu)化流程為按照空管部門要求刪除有關(guān)區(qū)域，再結(jié)合高清影像圖逐扇區(qū)進(jìn)行目視判讀，并依據(jù)實(shí)勘結(jié)果利用“高炮安全射界繪制模塊”中“添加安全落區(qū)”、“修改安全落區(qū)”功能，完成安全射界圖的優(yōu)化。

第七步：標(biāo)識(shí)距離圈和方位線段。以作業(yè)點(diǎn)為圓心，以3 km為內(nèi)徑、10 km為外徑，間隔1 km繪制距離圈；以正北方向?yàn)槠鹗冀?，沿順時(shí)針方向每隔15°繪制一條方位線段。

第八步：輸出符合《37 mm高炮人工影響天氣作業(yè)點(diǎn)安全射界圖繪制規(guī)范》(QXT 256—2015)要求的安全射界圖。在圖上標(biāo)注作業(yè)點(diǎn)名稱、作業(yè)點(diǎn)編號(hào)、經(jīng)緯度、海拔高度、地圖比例尺或衛(wèi)星影像分辨率、適用彈型、繪制人、審核人、繪制單位和繪制時(shí)間等信息(圖4)。

圖4 安全射界圖樣圖(圖中圓心為炮站，帶編號(hào)的綠色區(qū)域?yàn)橥扑]安全射界)Fig.4 Sample of safety firing zone(Center of the circle indicates the gun station，the numbered green area indicates recommended safety firing zone)

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)通過去霧、灰度化、閾值分割和去噪4個(gè)步驟，初步識(shí)別出人口密集區(qū)域的位置，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)“高炮安全射界圖輔助繪制系統(tǒng)”，繪制出安全射界圖。用傳統(tǒng)方法繪制完成1幅安全射界圖需要2～3 d，用“高炮安全射界圖輔助繪制系統(tǒng)”可在1 d內(nèi)繪制完成10幅符合要求的安全射界圖。安全射界圖繪制效率更高，對(duì)提升人工影響天氣作業(yè)的安全性有很大的幫助。

(2)本例非安全區(qū)識(shí)別準(zhǔn)確率為70.8%。遙感影像中經(jīng)常出現(xiàn)的“同物異譜”和“異物同譜”現(xiàn)象，是影響識(shí)別準(zhǔn)確性的主要因素；同時(shí)遙感圖像成像條件、識(shí)別目標(biāo)自身結(jié)構(gòu)等均會(huì)影響識(shí)別結(jié)果。通過對(duì)高清影像進(jìn)行目視判讀，結(jié)合實(shí)勘結(jié)果，完成安全射界圖的優(yōu)化，準(zhǔn)確繪制安全射界圖。下一步將改進(jìn)算法，綜合考慮識(shí)別目標(biāo)的光譜、形態(tài)和紋理等特征，提高系統(tǒng)對(duì)非安全區(qū)信息提取準(zhǔn)確度。