[發明專利]一種多要素洪澇監測任務的星地協同優化布局方法

在審

• 申請號: 202010449817.2
• 申請日: 2020-05-25
• 公開（公告）號: CN111639576A
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發明（設計）人: 王珂;吳倩倩;胡楚麗
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06K9/46
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司 42238
• 代理人: 金慧君

本發明提供一種多要素洪澇監測任務的星地協同優化布局方法，包括：明確所需要監測的時空范圍及多個監測要素，并將時間范圍離散化為多個子時段，將空間范圍離散化為多個需求對象；確定可用衛星集合，并計算單個地面測站的最大服務距離以及已有地面測站的靜態有效覆蓋范圍；提取基于離散側擺角的衛星候選觀測條帶集合以及考慮地形條件的待布設地面測站的候選點集，進一步生成候選觀測條帶、待布設地面測站的候選點在不同子時段內與需求對象之間的覆蓋關系；構建面向多要素洪澇監測任務的星地協同最大覆蓋模型并求解，得到所述洪澇監測任務的新增地面測站的布局方案以及不同子時段內可用衛星的側擺角選取方案。

技術領域

本發明涉及地理信息服務技術領域，尤其涉及一種多要素洪澇監測任務的星地協同優化布局方法。

背景技術

多要素洪澇監測任務指需要同時觀測多個要素的洪澇監測任務，比如在洪澇應急監測過程中，需要同時獲取降雨量、洪水淹沒范圍等多個要素觀測值，以滿足洪水趨勢模擬與預測的數據需求。隨著遙感和傳感網技術的發展，洪澇災害的檢測手段已從單一的人工觀測或地面站網觀測，發展為衛星組網與地面站網協同觀測，即星地傳感網協同觀測。衛星和地面傳感器在洪澇監測中具有不同特點，衛星監測可獲得大范圍空間連續、時間不連續的影像數據，地面監測則可獲得單點高精度的時間連續、空間不連續的采樣數據。對于洪澇災害應急場景下的多要素監測任務，觀測時段較短且可用觀測資源有限，需要對以不同要素為觀測對象的星地傳感器進行優化布局，最大化星地傳感器對多個要素的時空覆蓋范圍，以獲得盡可能多相同時空范圍的多種要素信息，為決策者提供數據支持。

洪澇災害依據災害管理周期分預防、準備、響應及恢復四個階段，實際洪災發生后，需立即進行洪澇應急觀測任務，同時監測多種水文要素，氣象部門為及時獲取洪澇地區降水、氣溫等水文氣象要素，通常在洪澇災區增加可機動的移動觀測設備，如自動氣象站、人工輕便觀測設備等，為搶險救援提供及時的信息服務。衛星運行管理部門則立即進行衛星規劃調度收集災區影像，獲取洪水淹沒范圍等觀測要素。在傳統洪澇監測中，地面站網和衛星在獲取任務要素的過程中相互獨立，地面站網布局與衛星規劃調度也是單獨進行，并未考慮星地傳感器間的相互作用對監測任務的影響。然而，這種分離式的布局方法很可能使得星地傳感網觀測得到的各要素信息時空范圍不匹配，即在一些區域或時段內僅有部分要素被觀測到，并未實現多個要素的同步獲取，這種要素信息的“錯位”一方面會造成觀測資源浪費，另一方面因無法為監測任務提供完整的要素信息，不利于洪澇災情現狀及其發展態勢的準確判斷。因此，在多要素監測任務中，需同時考慮地面站網布局與衛星調度規劃，提供洪澇監測任務中各個要素的時空重合覆蓋能力，在盡可能多的時空范圍內提供沒有要素缺失的完整任務信息。

地面水文站網布局需考慮多種影響因素，世界水文組織(WMO)提出了水文站網設計的“金字塔”框架，以水文學知識為基礎，通過統計學方法處理水文觀測的不確定性，采用最優化理論、社會經濟分析、決策理論進行水文站網設計。傳統水文站網設計方法主要集中在以水文測驗為基礎的地基傳感器布局設計方面，從覆蓋能力角度出發對整個站網進行覆蓋優化的研究較少，且沒有考慮星載傳感器任務規劃對地面站網布局的影響。

對地觀測衛星調度規劃問題可分為多星調度問題和單星調度問題兩類，按照觀測目標又可分為面向點目標和面向多邊形區域目標的調度問題，隨著衛星星座，虛擬衛星星座等的發展，多星圖像采集任務規劃備受關注。在大面積區域應急監測任務中，多衛星聯合觀測是整合衛星資源提高觀測效率的重要手段，然而當前針對大面積區域多星圖像采集任務規劃的研究中，存在災后有效數據不能完全覆蓋目標區域的問題，且多以單一的連續時段為觀測時段，缺少多時段連續采集區域影像的衛星任務規劃研究。此外，多數研究的圖像采集規劃僅針對某一要素，并未考慮多要素任務中其他要素傳感器布局對任務規劃的影響。