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淺析數(shù)據(jù)融合技術(shù)及其在林業(yè)中的應(yīng)用
摘要:介紹了數(shù)據(jù)融合技術(shù)的基本概念和內(nèi)容,分析了該技術(shù)在森林防火、森林蓄積特征的估計(jì)和更新、森林資源調(diào)查等方面的應(yīng)用,提出該技術(shù)可應(yīng)用于木材無(wú)損檢測(cè)及精確林業(yè)。融合機(jī)器視覺(jué)、X射線(xiàn)等單一傳感器技術(shù)檢測(cè)木材及木制品,可以更準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)檢測(cè)出木材的各種缺陷;集成GPS、GIS、RS及各種實(shí)時(shí)傳感器信息,利用智能決策支持系統(tǒng)以及可變量技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)基于自然界生物及其賴(lài)以生存的環(huán)境資源的時(shí)空變異性的客觀現(xiàn)實(shí),建立基于信息流融合的精確林業(yè)系統(tǒng)。關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)融合 傳感器 無(wú)損檢測(cè) 精確林業(yè) 應(yīng)用
多傳感器融合系統(tǒng)由于具有較高的可靠性和魯棒性,較寬的時(shí)間和空間的觀測(cè)范圍,較強(qiáng)的數(shù)據(jù)可信度和分辨能力,已廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航天、交通管制、機(jī)器人、海洋監(jiān)視和管理、目標(biāo)跟蹤和慣性導(dǎo)航等領(lǐng)域[1,2]。筆者在分析數(shù)據(jù)融合技術(shù)概念和內(nèi)容的基礎(chǔ)上,對(duì)該技術(shù)在林業(yè)工程中的應(yīng)用及前景進(jìn)行了綜述。
1 數(shù)據(jù)融合
1.1 概念的提出
1973年,數(shù)據(jù)融合技術(shù)在美國(guó)國(guó)防部資助開(kāi)發(fā)的聲納信號(hào)理解系統(tǒng)中得到了最早的體現(xiàn)。70年代末,在公開(kāi)的技術(shù)文獻(xiàn)中開(kāi)始出現(xiàn)基于多系統(tǒng)的信息整合意義的融合技術(shù)。1984年美國(guó)國(guó)防部數(shù)據(jù)融合小組(DFS)定義數(shù)據(jù)融合為:“對(duì)多源的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行多方的關(guān)聯(lián)、相關(guān)和綜合處理,以更好地進(jìn)行定位與估計(jì),并完全能對(duì)態(tài)勢(shì)及帶來(lái)的威脅進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估”。
1998年1月,Buchroithner和Wald重新定義了數(shù)據(jù)融合:“數(shù)據(jù)融合是一種規(guī)范框架,這個(gè)框架里人們闡明如何使用特定的手段和工具來(lái)整合來(lái)自不同渠道的數(shù)據(jù),以獲得實(shí)際需要的信息”。
Wald定義的數(shù)據(jù)融合的概念原理中,強(qiáng)調(diào)以質(zhì)量作為數(shù)據(jù)融合的明確目標(biāo),這正是很多關(guān)于數(shù)據(jù)融合的文獻(xiàn)中忽略但又是非常重要的方面。這里的“質(zhì)量”指經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)融合后獲得的信息對(duì)用戶(hù)而言較融合前具有更高的滿(mǎn)意度,如可改善分類(lèi)精度,獲得更有效、更相關(guān)的信息,甚至可更好地用于開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的資金、人力資源等[3]。
1.2 基本內(nèi)容
信息融合是生物系統(tǒng)所具備的一個(gè)基本功能,人類(lèi)本能地將各感官獲得的信息與先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行綜合,對(duì)周?chē)h(huán)境和發(fā)生的事件做出估計(jì)和判斷。當(dāng)運(yùn)用各種現(xiàn)代信息處理方法,通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)這一功能時(shí),就形成了數(shù)據(jù)融合技術(shù)。
數(shù)據(jù)融合就是充分利用多傳感器資源,通過(guò)對(duì)這些多傳感器及觀測(cè)信息的合理支配和使用,把多傳感器在空間或時(shí)間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某些準(zhǔn)則進(jìn)行組合,以獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述。數(shù)據(jù)融合的內(nèi)容主要包括:
(1)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。確定來(lái)自多傳感器的數(shù)據(jù)反映的是否是同源目標(biāo)。
(2)多傳感器ID/軌跡估計(jì)。假設(shè)多傳感器的報(bào)告反映的是同源目標(biāo),對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合,改進(jìn)對(duì)該目標(biāo)的估計(jì),或?qū)φ麄�(gè)當(dāng)前或未來(lái)情況的估計(jì)。
(3)采集管理。給定傳感器環(huán)境的一種認(rèn)識(shí)狀態(tài),通過(guò)分配多個(gè)信息捕獲和處理源,最大限度地發(fā)揮其性能,從而使其操作成本降到最低。傳感器的數(shù)據(jù)融合功能主要包括多傳感器的目標(biāo)探測(cè)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、跟蹤與識(shí)別、情況評(píng)估和預(yù)測(cè)[4]。
根據(jù)融合系統(tǒng)所處理的信息層次,目前常將信息融合系統(tǒng)劃分為3個(gè)層次:
(l)數(shù)據(jù)層融合。直接將各傳感器的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)后,送入融合中心,完成對(duì)被測(cè)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)。其優(yōu)點(diǎn)是保持了盡可能多的原始信號(hào)信息,但是該種融合處理的信息量大、速度慢、實(shí)時(shí)性差,通常只用于數(shù)據(jù)之間配準(zhǔn)精度較高的圖像處理。
(2)特征層融合。從原始數(shù)據(jù)中提取特征,進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和歸一化等處理后,送入融合中心進(jìn)行分析與綜合,完成對(duì)被測(cè)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)。這種融合既保留了足夠數(shù)量的原始信息,又實(shí)現(xiàn)了一定的數(shù)據(jù)壓縮,有利于實(shí)時(shí)處理,而且由于在特征提取方面有許多成果可以借鑒,所以特征層融合是目前應(yīng)用較多的一種技術(shù)。但是該技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)健性和系統(tǒng)的容錯(cuò)性與可靠性有待進(jìn)一步改善。
(3)決策層融合。首先每一傳感器分別獨(dú)立地完成特征提取和決策等任務(wù),然后進(jìn)行關(guān)聯(lián),再送入融合中心處理。這種方法的實(shí)質(zhì)是根據(jù)一定的準(zhǔn)則和每個(gè)決策的可信度做出最優(yōu)的決策。其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)通訊量小、實(shí)時(shí)性好,可以處理非同步信息,能有效地融合不同類(lèi)型的信息。而且在一個(gè)或幾個(gè)傳感器失效時(shí),系統(tǒng)仍能繼續(xù)工作,具有良好的容錯(cuò)性,系統(tǒng)可靠性高,因此是目前信息融合研究的一個(gè)熱點(diǎn)。但是這種技術(shù)也有不足,如原始信息的損失、被測(cè)對(duì)象的時(shí)變特征、先驗(yàn)知識(shí)的獲取困難,以及知識(shí)庫(kù)的巨量特性等[5,6]。
1.3 處理模型
美國(guó)數(shù)據(jù)融合工作小組提出的數(shù)據(jù)融合處理模型[7],當(dāng)時(shí)僅應(yīng)用于軍事方面,但該模型對(duì)人們理解數(shù)據(jù)融合的基本概念有重要意義。模型每個(gè)模塊的基本功能如下:
數(shù)據(jù)源。包括傳感器及其相關(guān)數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)庫(kù)和人的先驗(yàn)知識(shí)等)。
源數(shù)據(jù)預(yù)處理。進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)篩選和數(shù)據(jù)分配,以減輕融合中心的計(jì)算負(fù)擔(dān),有時(shí)需要為融合中心提供最重要的數(shù)據(jù)。目標(biāo)評(píng)估。融合目標(biāo)的位置、速度、身份等參數(shù),以達(dá)到對(duì)這些參數(shù)的精確表達(dá)。主要包括數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、跟蹤和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、辨識(shí)。
態(tài)勢(shì)評(píng)估。根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境推斷出檢測(cè)目標(biāo)與事件之間的關(guān)系,以判斷檢測(cè)目標(biāo)的意圖。威脅評(píng)估。結(jié)合當(dāng)前的態(tài)勢(shì)判斷對(duì)方的威脅程度和敵我雙方的攻擊能力等,這一過(guò)程應(yīng)同時(shí)考慮當(dāng)前的政治環(huán)境和對(duì)敵策略等因素,所以較為困難。
處理過(guò)程評(píng)估。監(jiān)視系統(tǒng)的性能,辨識(shí)改善性能所需的數(shù)據(jù),進(jìn)行傳感器資源的合理配置。人機(jī)接口。提供人與計(jì)算機(jī)間的交互功能,如人工操作員的指導(dǎo)和評(píng)價(jià)、多媒體功能等。
2 多傳感器在林業(yè)中的應(yīng)用
2.1 在森林防火中的應(yīng)用
在用MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)數(shù)據(jù)測(cè)定森林火點(diǎn)時(shí)的20、22、23波段的傳感器輻射值已達(dá)飽和狀態(tài),用一般圖像增強(qiáng)處理方法探測(cè)燃燒區(qū)火點(diǎn)的結(jié)果不理想。余啟剛運(yùn)用數(shù)據(jù)融合技術(shù),在空間分辨率為1 000 m的熱輻射通道的數(shù)據(jù)外加入空間分辨率為250 m的可見(jiàn)光通道的數(shù)據(jù),較好地進(jìn)行了不同空間分辨率信息的數(shù)據(jù)融合,大大提高了對(duì)火點(diǎn)位置的判斷準(zhǔn)確度[8]。為進(jìn)一步提高衛(wèi)星光譜圖像數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性與可靠性,利用原有森林防火用的林區(qū)紅外探測(cè)器網(wǎng),將其與衛(wèi)星光譜圖像數(shù)據(jù)融合,可以使計(jì)算機(jī)獲得GPS接收機(jī)輸出的有關(guān)信息通過(guò)與RS實(shí)現(xiàn)高效互補(bǔ)性融合,從而彌補(bǔ)衛(wèi)星圖譜不理想的缺失區(qū)數(shù)據(jù)信息,大大提高燃燒區(qū)火點(diǎn)信息準(zhǔn)確度和敏感性。
2.2 森林蓄積特征的估計(jì)
Hampus Holmstrom等在瑞典南部的試驗(yàn)區(qū)將SPOT-4×S衛(wèi)星數(shù)據(jù)和CARABAS-II VHFSAR傳感器的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合,采用KNN(k nearest neighbor )方法對(duì)森林的蓄積特征(林分蓄積、樹(shù)種組成與年齡)進(jìn)行了估計(jì)[9]。
KNN方法就是采用目標(biāo)樣地鄰近k個(gè)(k=10)最
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