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地質遙感任務規劃與調度 版權信息
- ISBN：9787030712073
- 條形碼：9787030712073 ; 978-7-03-071207-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
地質遙感任務規劃與調度 內容簡介
隨著航天事業的高速發展，我國成像衛星的數量和種類日益豐富，對地觀測任務需求日益增多，成像衛星任務規劃與調度問題成為亟待解決的問題。本書以地質監測對遙感資源的需求為焦點，面向中低軌對地觀測衛星任務規劃的應用需求，以作者近年來在成像衛星任務規劃與調度問題上的研究成果為基礎，主要內容包括多星多任務協同規劃、基于沖突分解的數學規劃方法、基于優先級和沖突避免的規劃方法，以及多星聯合調度規劃系統等。本書部分插圖配有彩圖，封底掃二維碼，進入“多媒體”，可查看彩圖。
地質遙感任務規劃與調度 目錄
目錄
第1章 地質遙感基礎 1
1.1 基本概念 1
1.2 遙感工作系統 1
1.2.1 星載分系統 1
1.2.2 地面分系統 2
1.3 遙感分類 3
1.3.1 根據電磁輻射源分類 3
1.3.2 根據電磁波段分類 3
1.3.3 根據遙感平臺分類 4
1.4 傳感器的性能 5
1.4.1 光譜分辨率 5
1.4.2 空間分辨率 5
1.4.3 輻射分辨率 5
1.4.4 時間分辨率 6
1.5 國內外經典地質遙感衛星參數 6
1.5.1 經典衛星光譜波段和分辨率 6
1.5.2 常用商業衛星主要技術參數 7
1.5.3 常用遙感衛星應用范圍 7
1.5.4 光學衛星傳感器波段 8
第2章 地質應用對遙感衛星的需求 10
2.1 地質礦產主體業務需求 10
2.1.1 地質礦產資源調查 10
2.1.2 全球化戰略 16
2.1.3 應急監測服務 18
2.1.4 地質觀測衛星需求 18
2.2 高分辨率遙感衛星的行業應用 21
2.2.1 國土資源 21
2.2.2 測繪制圖 22
2.2.3 地質監測 23
2.2.4 災害監測 25
2.3 我國遙感衛星的地質應用 27
2.3.1 不同層次地質應用的空間分辨率需求 27
2.3.2 資源衛星地質應用需求的初步分析 28
2.3.3 地質應用對資源衛星后續星的需求分析 29
第3章 衛星任務規劃基礎 30
3.1 衛星任務規劃概念 30
3.2 衛星任務規劃調度模型 31
3.2.1 有向圖模型 31
3.2.2 背包問題模型 33
3.2.3 整數規劃模型 33
3.2.4 機器調度問題模型 34
3.2.5 約束滿足模型 34
3.3 衛星任務規劃算法 35
3.3.1 確定性算法 35
3.3.2 啟發式算法 35
3.3.3 調度方案上下界分析法 37
3.4 衛星任務規劃問題的復雜性 38
3.4.1 問題建模復雜度高 39
3.4.2 問題求解復雜度高 39
第4章 多星多任務協同規劃 40
4.1 大規模組合優化問題規劃技術 40
4.1.1 混合整數規劃方法 40
4.1.2 分支定界法 41
4.1.3 割平面法 46
4.1.4 列生成法 47
4.2 點目標調度演化優化 49
4.2.1 智能優化規劃方法 50
4.2.2 問題描述與分析 51
4.2.3 問題求解 52
4.2.4 算法實現流程 54
4.2.5 調度優化 55
4.3 區域目標調度活動選擇 56
4.3.1 區域調度活動選擇模型框架 56
4.3.2 求解框架 57
4.3.3 資源空閑時間窗口編排 63
4.4 調度方案可行解界限分析 65
4.4.1 求解步驟 65
4.4.2 調度方案生成分析 66
4.4.3 調度方案界限計算 66
第5章 基于沖突分解的數學規劃方法 67
5.1 混合整數線性規劃模型構建 67
5.1.1 符號描述 68
5.1.2 優化變量 69
5.1.3 優化目標 69
5.1.4 約束條件 69
5.2 資源有效子區間生成 73
5.3 改進的混合整數線性規劃模型 74
5.4 數值仿真分析 76
5.4.1 測試實例 76
5.4.2 實例分析 77
5.4.3 調度預處理 78
5.4.4 優化結果 81
5.4.5 調度場景定量分析 94
5.4.6 性能分析 95
第6章 基于優先級和沖突避免的規劃方法 96
6.1 多敏捷衛星聯合調度規劃問題分解 96
6.2 非線性約束滿足優化模型構建 97
6.2.1 符號定義 98
6.2.2 復雜操作約束形式化描述 99
6.3 基于優先級和沖突避免的啟發式策略 101
6.3.1 可見時間窗口特征 101
6.3.2 觀測任務選擇策略 104
6.3.3 觀測時間窗口選擇策略 105
6.4 智能優化調度規劃方法 105
6.4.1 基于時間的貪婪算法 105
6.4.2 基于權重的貪婪算法 106
6.4.3 改進的差分進化算法 107
6.4.4 調度方案改進策略 111
6.5 數值仿真分析 112
6.5.1 測試實例 112
6.5.2 優化結果 113
6.5.3 算法求解效率 120
6.5.4 結果討論 122
第7章 多星聯合調度規劃系統 123
7.1 系統開發環境 123
7.2 系統總體框架設計 124
7.2.1 多星聯合調度規劃系統總體框架 126
7.2.2 多星聯合調度規劃系統整體流程 127
7.3 系統實現 128
7.3.1 主控模塊 128
7.3.2 想定管理模塊 130
7.3.3 覆蓋計算模塊 133
7.3.4 調度規劃模塊 134
7.3.5 衛星星座性能評估模塊 136
7.3.6 可視化展現模塊 140
第8章 高分衛星地質應用規劃結果性能分析 142
8.1 基本假定 142
8.2 資源及任務 142
8.2.1 資源及載荷 142
8.2.2 任務定義 143
8.3 高分地質規劃性能分析 143
8.3.1 單星覆蓋結果分析 143
8.3.2 多星覆蓋結果分析 150
參考文獻 152
第1章 地質遙感基礎 1
1.1 基本概念 1
1.2 遙感工作系統 1
1.2.1 星載分系統 1
1.2.2 地面分系統 2
1.3 遙感分類 3
1.3.1 根據電磁輻射源分類 3
1.3.2 根據電磁波段分類 3
1.3.3 根據遙感平臺分類 4
1.4 傳感器的性能 5
1.4.1 光譜分辨率 5
1.4.2 空間分辨率 5
1.4.3 輻射分辨率 5
1.4.4 時間分辨率 6
1.5 國內外經典地質遙感衛星參數 6
1.5.1 經典衛星光譜波段和分辨率 6
1.5.2 常用商業衛星主要技術參數 7
1.5.3 常用遙感衛星應用范圍 7
1.5.4 光學衛星傳感器波段 8
第2章 地質應用對遙感衛星的需求 10
2.1 地質礦產主體業務需求 10
2.1.1 地質礦產資源調查 10
2.1.2 全球化戰略 16
2.1.3 應急監測服務 18
2.1.4 地質觀測衛星需求 18
2.2 高分辨率遙感衛星的行業應用 21
2.2.1 國土資源 21
2.2.2 測繪制圖 22
2.2.3 地質監測 23
2.2.4 災害監測 25
2.3 我國遙感衛星的地質應用 27
2.3.1 不同層次地質應用的空間分辨率需求 27
2.3.2 資源衛星地質應用需求的初步分析 28
2.3.3 地質應用對資源衛星后續星的需求分析 29
第3章 衛星任務規劃基礎 30
3.1 衛星任務規劃概念 30
3.2 衛星任務規劃調度模型 31
3.2.1 有向圖模型 31
3.2.2 背包問題模型 33
3.2.3 整數規劃模型 33
3.2.4 機器調度問題模型 34
3.2.5 約束滿足模型 34
3.3 衛星任務規劃算法 35
3.3.1 確定性算法 35
3.3.2 啟發式算法 35
3.3.3 調度方案上下界分析法 37
3.4 衛星任務規劃問題的復雜性 38
3.4.1 問題建模復雜度高 39
3.4.2 問題求解復雜度高 39
第4章 多星多任務協同規劃 40
4.1 大規模組合優化問題規劃技術 40
4.1.1 混合整數規劃方法 40
4.1.2 分支定界法 41
4.1.3 割平面法 46
4.1.4 列生成法 47
4.2 點目標調度演化優化 49
4.2.1 智能優化規劃方法 50
4.2.2 問題描述與分析 51
4.2.3 問題求解 52
4.2.4 算法實現流程 54
4.2.5 調度優化 55
4.3 區域目標調度活動選擇 56
4.3.1 區域調度活動選擇模型框架 56
4.3.2 求解框架 57
4.3.3 資源空閑時間窗口編排 63
4.4 調度方案可行解界限分析 65
4.4.1 求解步驟 65
4.4.2 調度方案生成分析 66
4.4.3 調度方案界限計算 66
第5章 基于沖突分解的數學規劃方法 67
5.1 混合整數線性規劃模型構建 67
5.1.1 符號描述 68
5.1.2 優化變量 69
5.1.3 優化目標 69
5.1.4 約束條件 69
5.2 資源有效子區間生成 73
5.3 改進的混合整數線性規劃模型 74
5.4 數值仿真分析 76
5.4.1 測試實例 76
5.4.2 實例分析 77
5.4.3 調度預處理 78
5.4.4 優化結果 81
5.4.5 調度場景定量分析 94
5.4.6 性能分析 95
第6章 基于優先級和沖突避免的規劃方法 96
6.1 多敏捷衛星聯合調度規劃問題分解 96
6.2 非線性約束滿足優化模型構建 97
6.2.1 符號定義 98
6.2.2 復雜操作約束形式化描述 99
6.3 基于優先級和沖突避免的啟發式策略 101
6.3.1 可見時間窗口特征 101
6.3.2 觀測任務選擇策略 104
6.3.3 觀測時間窗口選擇策略 105
6.4 智能優化調度規劃方法 105
6.4.1 基于時間的貪婪算法 105
6.4.2 基于權重的貪婪算法 106
6.4.3 改進的差分進化算法 107
6.4.4 調度方案改進策略 111
6.5 數值仿真分析 112
6.5.1 測試實例 112
6.5.2 優化結果 113
6.5.3 算法求解效率 120
6.5.4 結果討論 122
第7章 多星聯合調度規劃系統 123
7.1 系統開發環境 123
7.2 系統總體框架設計 124
7.2.1 多星聯合調度規劃系統總體框架 126
7.2.2 多星聯合調度規劃系統整體流程 127
7.3 系統實現 128
7.3.1 主控模塊 128
7.3.2 想定管理模塊 130
7.3.3 覆蓋計算模塊 133
7.3.4 調度規劃模塊 134
7.3.5 衛星星座性能評估模塊 136
7.3.6 可視化展現模塊 140
第8章 高分衛星地質應用規劃結果性能分析 142
8.1 基本假定 142
8.2 資源及任務 142
8.2.1 資源及載荷 142
8.2.2 任務定義 143
8.3 高分地質規劃性能分析 143
8.3.1 單星覆蓋結果分析 143
8.3.2 多星覆蓋結果分析 150
參考文獻 152
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地質遙感任務規劃與調度 節選
第1章 地質遙感基礎 1.1 基本概念 遙感（remote sensing，RS）：不與目標接觸，從遠處用探測儀器接收來自目標物的電磁波信息，通過對信息的處理和分析研究，確定目標物的屬性與目標物相互間的關系（田淑芳和詹騫，2013）。遙感技術：把從不同遙感平臺上使用遙感傳感器收集到的地物電磁波信息傳輸到地面加以處理，從而達到對地物的識別和監測的全過程。遙感信息（RS information）：利用安裝在遙感平臺上的各種電子和光學遙感器，在高空或遠距離處接收到的來自地面或地面以下一定深度的地物反射或發射的電磁波信息。 遙感地質學：在地質與成礦理論指導下，研究如何應用遙感技術進行地質與礦產資源調查研究的學科，是遙感技術與地球科學相結合的一門交叉學科（田淑芳和詹騫，2013）。 遙感的基本出發點：根據遙感器所接收到的電磁波特征的差異識別不同的物體。遙感的物理基礎：電磁輻射與地物相互作用機理（反射、吸收、透射、發射）。 1.2 遙感工作系統 遙感工作系統分為星載分系統和地面分系統兩大部分。 1.2.1 星載分系統 星載分系統由遙感平臺和傳感器組成，負責從高空收集地物的電磁輻射信息，是遙感工作系統的核心。 1.遙感平臺 遙感平臺主要包括地面平臺、航空平臺和航天平臺三部分。 1）地面平臺 三角架、遙感塔、遙感車和遙感船等與地面接觸的平臺稱為地面平臺或近地面平臺。 它通過地物光譜儀或傳感器來對地面進行近距離遙感，完成測定各種地物波譜特性及影像的實驗研究。 （1）三角架：0.75～2.0 m，用于測定各種地物的波譜特性和進行地面攝影。 （2）遙感塔：固定地面平臺，用于測定固定目標和進行動態監測，高度在6 m 左右。 （3）遙感車、船：高度變化，用于測定地物波譜特性、取得地面圖像。遙感船除了從空中對水面進行遙感，還可以對海底進行遙感。 2）航空平臺 航空平臺包括飛機和氣球。飛機按高度可以分為低空平臺、中空平臺和高空平臺。 （1）低空平臺：2 000 m 以內，位于對流層下層中。 （2）中空平臺：2 000～6 000 m ，位于對流層中層。 （3）高空平臺：12 000 m 左右，位于對流層以上。氣球按高度可分為低空氣球和高空氣球。 （1）低空氣球：凡是發放到對流層中的氣球稱為低空氣球。 （2）高空氣球：凡是發放到平流層中的氣球稱為高空氣球？缮仙12～40 km 的高空。填補了高空飛機升不到、低軌衛星降不到的空中平臺的空白。 3）航天平臺 航天平臺包括衛星、火箭、航天飛機、宇宙飛船。 2.傳感器 傳感器是收集、探測、記錄地物電磁波輻射信息的工具。它的性能決定遙感的能力，即傳感器對電磁波段的響應能力、傳感器的空間分辨率及圖像的幾何特征、傳感器獲取地物信息量大小和可靠程度。按照數據記錄方式的不同，傳感器主要分為成像方式傳感器和非成像方式傳感器。成像傳感器是目前*常見的傳感器類型，其分類如圖1-1 所示。 1.2.2 地面分系統 地面分系統由遙感測試系統和地面控制處理系統兩部分組成。前者負責地物波譜測試研究和地面實況調查，后者負責對星載（機載）分系統的控制、遙感數據接收和處理等具體工作。 遙感測試系統的主要任務是對地物進行波譜測試研究工作，內容如下。 （1）測試地物對太陽輻射的反射特性。 （2）測試地物自身的發射特性。 （3）測試地物的微波輻射特性。 圖1-1 成像傳感器分類 1.3 遙感分類 1.3.1 根據電磁輻射源分類 遙感器探測、記錄的地物電磁輻射能量來源主要有自然輻射源和人工輻射源。根據電磁輻射源的不同，遙感分為被動遙感和主動遙感。 被動遙感（passive RS）：利用太陽等自然輻射源。遙感器探測、記錄地物反射或自身發射的電磁波信息以識別地物特征的遙感方式，如攝影。 主動遙感（active RS）：利用人工輻射源。由遙感器主動地向目標物發射一定能量和一定波長的電磁波，然后再由遙感器探測、記錄從目標物反射回來的一部分電磁波，以這種回波信息識別目標物的遙感方式，如雷達。 1.3.2 根據電磁波段分類 根據電磁波段的不同，遙感分為紫外遙感、可見光遙感、紅外遙感、微波遙感、多光譜（多波段）遙感和高光譜（超多波段）遙感。 1.紫外遙感紫外遙感波譜范圍為近紫外，如攝影！ 2.可見光遙感地物反射的、太陽輻射的可見光（0.38～0.76 μm），如目測、攝影、掃描。 3.紅外遙感 地物反射的近紅外輻射，如攝影、掃描。地物反射的中紅外、發射的遠紅外輻射，如掃描。 4.微波遙感 微波遙感主要分為主動遙感和被動遙感兩類。主動遙感，如側視雷達；被動遙感，如微波輻射測量。 5.多光譜（多波段）遙感 利用多通道遙感器對同一地進行多波段同步成像，遙感器每個通道探測、記錄的電磁波波長不同（每個通道為一個波長范圍的窄波譜帶），這些不同的波段可以從可見光到紅外到微波。 6.高光譜（超多波段）遙感 高光譜遙感（hyperspectral remote sensing ）是在電磁波譜的可見光、近紅外、中紅外和熱紅外波段范圍內，利用成像光譜儀獲取許多非常窄的、光譜連續的影像數據的技術。高光譜遙感在光譜分辨率上具有巨大的優勢，被稱為遙感發展的里程碑。 1.3.3 根據遙感平臺分類 根據遙感平臺分類，遙感分為地面（車載）遙感、航空（機載）遙感和航天（星載）遙感。 1.地面（車載）遙感 遙感器安裝在車、船或高塔等地面平臺，或在地面上，由人工直接操作遙感器，對地面、地下或水下進行的遙感。 2.航空（機載）遙感遙感器安裝在大氣層內飛行的飛行器上，從空中對地面進行的遙感。 3.航天（星載）遙感 利用人造地球衛星、火箭、宇宙飛船、航天飛機等作為運載工具，從外層空間對地面進行的遙感。 1.4 傳感器的性能 傳感器的性能主要通過光譜分辨率（波譜分辨率）、空間分辨率、輻射分辨率和時間分辨率進行度量（田淑芳和詹騫，2013）。 1.4.1 光譜分辨率 光譜分辨率也叫波譜分辨率，是指傳感器在接收目標輻射的波譜時能分辨的*小波長間隔（范藝丹，2013）。間隔越小，分辨率越高。它由遙感探測儀器裝置決定，一般分為全色光譜（黑白光譜）、多光譜和高光譜。多光譜一般只有幾個、十幾個光譜通道。高光譜有多達幾十個甚至上百個光譜通道。一般地，光譜通道越多，其分辨物體的能力越強。傳感器的波段選擇必須考慮目標的光譜特征值才能有好的效果。如感測人體選擇8～12 μm 的波長，探測森林火災應選擇3～5 μm 的波長。 1.4.2 空間分辨率 空間分辨率是指遙感圖像上能詳細區分的*小單元的尺寸或大小，表示像元所代表地面范圍的大小，即地面上多大的地物在圖像上反映為一個像元點。反之，也可以說圖像上的一個像元代表地面上多大的一塊面積。對于攝影成像的圖像來說，地面分辨率取決于膠片的分辨率和攝影鏡頭的分辨率所構成的系統分辨率，以及攝影機焦距和航高。 1.4.3 輻射分辨率 輻射分辨率是指傳感器接收波譜信號時，能分辨的*小輻射度差，即傳感器能分辨的目標反射或輻射的電磁輻射強度的*小變化量。輻射分辨率在遙感圖像上表現為每一像元的輻射量化級。輻射分辨率是傳感器靈敏度的標志。某個波段遙感圖像的總信息量與空間分辨率、輻射分辨率有關。在多波遙感中，遙感圖像總信息量還取決于波段數，在可見光、近紅外波段用噪聲等效反射率表示，在熱紅外波段用噪聲等效溫差、*小可探測溫差和*小可分辨溫差表示。 1.4.4 時間分辨率 時間分辨率是指相鄰兩次對同一目標進行重復探測的時間間隔，即地球上某一點衛星過境探測間距的時間，或者說多少時間可以重復獲得一次新的信息。它對動態監測及分析地物動態變遷等起到重要的作用。例如，在農業遙感中，對作物長勢動態、災害等地表變化快的監測，應使用時間分辨率高的觀測資料。 1.5 國內外經典地質遙感衛星參數 1.5.1 經典衛星光譜波段和分辨率 高分辨率的遙感數據，由于其分辨率高、信息豐富、獲取影像周期短、現勢性強的特點，在測量制圖、土地資源動態監測、林業資源監測等方面得到廣泛的應用。表1-1 是法國的SPOT5 、美國的QuikBird 和IKONOS 三種衛星的主要參數。 表1-1 SPOT5、QuikBird 和IKONOS 衛星光譜波段和分辨率
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