戴光明,王茂才,陳曉宇
(中國地質(zhì)大學(xué)計算機學(xué)院,湖北 武漢 430074)
衛(wèi)星遙感是開展自然資源監(jiān)管和地質(zhì)調(diào)查工作不可或缺的重要手段之一[1,2],長期以來,地質(zhì)調(diào)查所用的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)主要來自于國外[3,4]。而隨著國產(chǎn)衛(wèi)星,尤其是我國高分系列衛(wèi)星的空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率和數(shù)據(jù)覆蓋能力的極大提升,我國的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)已逐步取代同等分辨率的國外衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),在自然資源監(jiān)管和地質(zhì)調(diào)查中發(fā)揮著重大的作用[5,6]。
地質(zhì)礦產(chǎn)資源遙感監(jiān)測是指利用遙感信息源和信息提取技術(shù)[7,8],來開展中大尺度地質(zhì)、礦產(chǎn)等資源現(xiàn)狀[9]和構(gòu)造穩(wěn)定性[10]、地質(zhì)調(diào)查[11],以及重點礦區(qū)[12]、礦業(yè)秩序不穩(wěn)定地區(qū)的礦產(chǎn)開發(fā)[13,14]等的綜合調(diào)查。
衛(wèi)星在軌運行和對地觀測時仍然處于高速運動狀態(tài),同時星載傳感器都有一定的視場范圍,所以衛(wèi)星每次觀測動作在地面上形成的都是一個具有一定幅寬的觀測條帶。如果觀測條帶覆蓋了地面的某個目標(biāo),就表示對該目標(biāo)進行了觀測[15,16]。由于衛(wèi)星軌道固定,衛(wèi)星經(jīng)過某一個區(qū)域上方的時間相應(yīng)也確定,稱衛(wèi)星訪問區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的可觀測時間段為衛(wèi)星對目標(biāo)的觀測時間窗口[17,18]。中低軌衛(wèi)星對某一目標(biāo)的觀測時間窗口是一個很短的值,通常只有幾秒鐘到幾十秒鐘,使得衛(wèi)星對目標(biāo)的訪問時間有限,當(dāng)區(qū)域內(nèi)有多個時間交叉的待觀測目標(biāo)時,只能選擇部分目標(biāo)進行觀測。
另外,衛(wèi)星所能夠觀測的區(qū)域是一個以星下點軌跡為中線的帶狀區(qū)域,具有普查性質(zhì)的寬幅衛(wèi)星和電子衛(wèi)星只要飛臨相應(yīng)區(qū)域上空,即可對覆蓋范圍內(nèi)的帶狀區(qū)域?qū)嵤┯^測;詳查型成像衛(wèi)星由于幅寬限制,每次只能對覆蓋區(qū)域的一部分進行成像,為擴大觀測范圍,通常需要擺動一定的角度進行觀測,稱之為側(cè)視觀測[19]。衛(wèi)星側(cè)視觀測對衛(wèi)星能量和動作切換等載荷約束提出了新的挑戰(zhàn),從而也增加了任務(wù)規(guī)劃的復(fù)雜度。
地質(zhì)礦產(chǎn)資源衛(wèi)星監(jiān)測問題被描述為一組已知可用衛(wèi)星資源集合R、觀測任務(wù)集合M、可分配(成像)時間窗口集合TW數(shù)據(jù),以及滿足復(fù)雜成像約束下的大規(guī)模組合優(yōu)化問題[20,21]。相關(guān)定義如下:
1)調(diào)度周期。任務(wù)被規(guī)劃的仿真時間段[SBeg,SEnd]。
2)任務(wù)集合M={M1,M2,…,Mn}。每個任務(wù)對應(yīng)一個帶約束的點目標(biāo),任務(wù)最小執(zhí)行時長為Di,需要在[Ei,Li]時間段內(nèi)被連續(xù)觀測,同時每個任務(wù)都對應(yīng)一個執(zhí)行收益值Wi。
3)資源集合R={R1,R2,…,Rm}。仿真周期內(nèi),每個資源都有一個最大觀測時長Aj。
4)可視時間窗口集合TW=,每個可視窗口都有一個最早開始時間Begki,j和最晚結(jié)束時間Endki,j。TW表示仿真周期內(nèi)所有可用資源Rj可被分配到任務(wù)Mi上的可分配時間窗口集合。通過計算每個資源上的可視時間窗口的交集,可以得到相應(yīng)資源在仿真周期內(nèi)可用時間區(qū)間集合RTWj=。對于所有的,如果Mi∈M(Rj),都有twki,j∈RTWj。
5)對于任意的任務(wù)Mi∈M,RM()i表示所有可以被安排在Mi上的資源集合。對于任意的資源Rj∈R,MR()j表示可以被資源Rj執(zhí)行的任務(wù)集合。
1)任務(wù)Mi在資源Rj上的第k個可見時間窗口上的被執(zhí)行狀態(tài)記為布爾變量xki,j,xki,j=1表示任務(wù)被分配在可見時間窗口twki,j上。
2)任務(wù)Mi的開始觀測時間記為ti,如果任務(wù)不被分配資源,則該變量無意義。
1)最大化任務(wù)完成總個數(shù)為
2)最大化任務(wù)執(zhí)行總效益為
地質(zhì)礦產(chǎn)資源的遙感監(jiān)測是一種典型的區(qū)域目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃問題。首先計算資源對區(qū)域目標(biāo)的時間窗口,然后基于時間窗口對區(qū)域目標(biāo)進行劃分,從而將區(qū)域目標(biāo)調(diào)度問題轉(zhuǎn)換為一個約束滿足規(guī)劃問題,即搜索問題。主要包括三個階段:初始解構(gòu)造、局部搜索以及后續(xù)處理,如圖1所示。
圖1 地質(zhì)礦產(chǎn)資源監(jiān)測任務(wù)規(guī)劃求解過程Fig.1 Process of Task Planning to Monitor Geological and Mineral Resource
1)初始解構(gòu)造是算法的起始階段,它的主要任務(wù)是按照某種規(guī)則構(gòu)造出一個可行解作為搜索的起點,初始解的構(gòu)造方法有很多,不同的算法需要不同的初始解的構(gòu)造,有些算法需要一個空的初始解,有些算法需要一些初始化規(guī)則得到一個性能較差的可行解。初始解的構(gòu)造是算法的起點。初始解的好與差有些時候會極大地影響算法的效率。
2)局部搜索階段是模型求解的主要和核心階段。它是一個反復(fù)迭代的過程。該階段的過程是首先根據(jù)搜索算法的需求以及不同階段優(yōu)化目標(biāo)來選擇合適的鄰域結(jié)構(gòu),然后根據(jù)鄰域結(jié)構(gòu)和當(dāng)前解生成鄰域,再按照某種選擇策略從鄰域中選擇出一個解作為當(dāng)前解,并更新最優(yōu)候選解,最后將相關(guān)的變量進行同步更新,循環(huán)上述過程,直至可以滿足某種停止規(guī)則為止。
3)后續(xù)處理階段的主要任務(wù)是對最優(yōu)解候選集中的解進行處理。首先選擇一個候選解,將其冗余活動剔除,直至所有的候選解中的冗余活動全部去除為止。所謂冗余活動是指完成該活動與不完成該活動對區(qū)域目標(biāo)的覆蓋率沒有任何影響的活動。然后再從最優(yōu)解候選集中選擇一個觀測成本最小的解作為最優(yōu)解。
地質(zhì)礦產(chǎn)資源監(jiān)測任務(wù)的衛(wèi)星規(guī)劃算法流程如下:
Step1:計算場景中每個任務(wù)在整個仿真周期內(nèi)在所有可用資源上的時間窗口集;
Step2:對于衛(wèi)星Si,i∈[1,2,…,m],令所有可以在該資源上成像任務(wù)的時間為Tij,j∈[1,2,…,n],計算Tij,j∈[1,2,…,n]集合中所有任務(wù)可見時間窗口集的并集;
Step3:i∈[1,2,…,m],計算衛(wèi)星Si上最大可成像任務(wù)個數(shù)ni,以及衛(wèi)星Si上當(dāng)前實際成像任務(wù)個數(shù)mi;
Step4:將mi-ni的結(jié)果按由小到大進行排序;
Step5:若mi≤ni,記錄在衛(wèi)星Si上分配的所有成像任務(wù),去除在其他衛(wèi)星上也包含了的這些任務(wù),并重新計算這些衛(wèi)星的mi,i=i+1,轉(zhuǎn)Step4;若mi>ni,則按照某種方式(任務(wù)的權(quán)重,執(zhí)行優(yōu)先等級、任務(wù)執(zhí)行時長或單位時長的權(quán)重…)對任務(wù)進行排序,刪除任務(wù)列表中“效益值”最小的任務(wù),轉(zhuǎn)Step1。(當(dāng)mi≤ni時,另一種操作方式:如果ni在此過程中不會隨之變化,則可以先排序,然后刪除任務(wù)列表中“效益值”最小的任務(wù),直至mi≤ni成立,然后,去除在其他衛(wèi)星上也包含了的這些任務(wù),并重新計算這些衛(wèi)星的mi,i=i+1,轉(zhuǎn)Step4)。
實驗以高分衛(wèi)星中可應(yīng)用于地質(zhì)應(yīng)用的五顆衛(wèi)星及其載荷作為任務(wù)規(guī)劃與性能分析的資源,衛(wèi)星分辨率的單位為m。
1)1m/4m分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星
2)2m/8m分辨率多光譜成像衛(wèi)星A星
3)2m/8m分辨率多光譜成像衛(wèi)星B星
4)1m分辨率C頻段多極化SAR(Synthetic Aperture Radar,合成孔徑雷達)成像衛(wèi)星
衛(wèi)星對應(yīng)的五種傳感器信息如下:
1)1m/4m衛(wèi)星:1m/4m相機
2)2m/8m衛(wèi)星:2m/8m相機、3m-5m/10m-12m相機
3)SAR成像衛(wèi)星:合成孔徑雷達
4)高光譜衛(wèi)星:高光譜相機
覆蓋分析的4個探測目標(biāo)區(qū)域的信息如表1所示。
表1 探測目標(biāo)區(qū)域Table 1 Detected target area
多星對長三角示范區(qū)規(guī)劃后的覆蓋結(jié)果如表2所示。
表2 多星對長三角示范區(qū)規(guī)劃后的覆蓋結(jié)果與對比分析Table 2 Coverage results and comparative analysis of multiple satellites in the Yangtze River Delta Demonstration Zone after planning
多星對各示范區(qū)規(guī)劃后的覆蓋結(jié)果如表3所示。
表3 多星對各示范區(qū)規(guī)劃后的覆蓋結(jié)果分析Table 3 Analysis of coverage results for each demonstration area in multiple satellites after planning
續(xù)表2
由表2、表3的結(jié)果可知,多星協(xié)同規(guī)劃調(diào)度后,目標(biāo)區(qū)域的覆蓋能力,尤其是時效性能力得到了顯著提高。其中,長三角的100%覆蓋能力由1m/4m衛(wèi)星、2m/8mA星、2m/8mB星、SAR衛(wèi)星的9天、23天、12天、9天,提高到4天;伊寧的100%覆蓋能力,由1m/4m衛(wèi)星、2m/8mA星、2m/8mB星、SAR衛(wèi)星的10天、8天、31天、20天,提高到4天;六盤水的100%覆蓋能力,由1m/4m衛(wèi)星、2m/8mA星、2m/8mB星、SAR衛(wèi)星的7天、4天、14天、8天,提高到4天;三江源的100%覆蓋能力由1m/4m衛(wèi)星、2m/8mA星、2m/8mB星、SAR衛(wèi)星的9天、23天、12天、9天,提高到4天。綜上所述,相比單星的覆蓋能力,達到100%覆蓋率時,多星協(xié)同所需的時間由單衛(wèi)星最長的31天提升到4天,單星的平均天數(shù)12.75天提升到4天。
隨著我國高分系列衛(wèi)星空間分辨率和光譜分辨率的不斷提高,遙感在地質(zhì)礦產(chǎn)監(jiān)測與勘查中應(yīng)用日益廣泛。本文針對地質(zhì)礦產(chǎn)資源監(jiān)測中多星協(xié)同規(guī)劃調(diào)度問題進行了研究,構(gòu)建了衛(wèi)星規(guī)劃的多目標(biāo)模型,設(shè)計了衛(wèi)星調(diào)度算法,并針對4個典型示范區(qū)的地質(zhì)礦產(chǎn)資源監(jiān)測與勘查進行了應(yīng)用實踐。實驗結(jié)果表明,通過對高分衛(wèi)星進行規(guī)劃和調(diào)度,4天即可實現(xiàn)對伊寧、六盤水、三江源、長三角區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)資源監(jiān)測的完全覆蓋,相比單衛(wèi)星的覆蓋能力,多星協(xié)同達到100%覆蓋率的時效性由最長31天提升到4天,從單衛(wèi)星的平均12.75天提升到4天,驗證了多星協(xié)同規(guī)劃調(diào)度能夠顯著地提升地質(zhì)礦產(chǎn)資源監(jiān)測的時效性。項目的成果已應(yīng)用于高分衛(wèi)星地質(zhì)應(yīng)用驗證和相關(guān)專業(yè)的課程教學(xué)中。