多源信息融合数字模型

1、科技前沿与学术评论多源信息融合数字模型研究员、博导岳天祥研究员、博导刘纪远（中国科学院地理学与资源研究所， 北京100101摘 要：研究结果表明，在目前基础条件下，多源信息融合数字模型的实现需要解决现行数字地面 模型和空间插值模型的误差问题、点一面信息有效融合问题 、多尺度转换问题和多维 GIS面临的理论问题。建立多源信息融合数字模型的基本步骤可归纳为:（a）建立基于曲面论数字模型的基本方程,（b）运用遥感数据反演数字模型的首次近似表达形式,（c）如果有更新信息，重复以上过程，直至理论模型与实际需求完全相符。关键词：曲面论遥感反演多源信息融合数字模型科技前沿与学术评论科技前沿与学术评论A Di

2、gital Model for MultiSourceslnformation Fusion科技前沿与学术评论科技前沿与学术评论Professor YUE TianxiangProfessor LIU Jiyuan(In stitute of Geographical Sciencesand Natural Resources Research, CAS, Beiji ng 100101)Abstract: Our researchresult showsthat realization of the digital model for multi-soures information fus

3、ion needsto solveproblemsof errors of existingdigital terrain modeland spatial interpolation model, virtual fusion of po intan d surface in formati on, in formati ontran sformationat variousscales, an d multi-dime nsionGS . The basicste)s of c on struct in gthe digital model in clude, ( a) establish

4、 in gbasicequati on sof the digital model by meansof surfacetheory , ( b) retrieving first approximateformulation using remotesensingdata , ( c) if there aremoreavailableinformation, the steo aboveis repeateduntil requirementis reached .Key words :surfacetheory , remotesnsing retrieval , information

5、 fusion, digital model科技前沿与学术评论科技前沿与学术评论1引言七十年代初，美国研究机构发现,利用计算机技术对多 个独立的连续声纳信号进行融合后，可以自动检 测岀敌方潜艇的位置1。这一发现使信息融合作为一门独立的技术首 先在军事应用中得到青睐，美国相继研究开发了几十个军事 融合系统。进入八十年代,研制岀了应用于大型战略系统、海洋监视系统和小型战术系统的第一代信息融合系 统，它们包括军用分析系统（TCAC、多平台多传感器跟踪信息相关处 理系统（INCA）、全员分析系统（PAAS、海军战争状态分析显 示系统（TOP、辅助空中作战命令分析专家系统（DAGR、空 中目标确定和截击

6、武器选择专家系统 （TATR、自动多传感 器 部队识别系统（AMSU）和目标获取与武器输送系统（TF- WDS。九十年代研制的主要数据融 合系统包括全源信息分科技前沿与学术评论科技前沿与学术评论中国科学院知识创新工程项目（No. kza2 - 308- 02）科技前沿与学术评论科技前沿与学术评论23卷5期cumPublishing Hou科技前沿与学术评论析系统(ASAS、战术陆军与空军指挥员自动情报保障系统 (LENSCE和敌态势分 析系统(ENSCS。随着计算机技术和 地理信息系统的发展，许多算法的复杂性不再成为开发新型 信息融合模型的障 碍。新的融合方法将不仅仅限于军事问 题，它有更普遍

7、 的作用和意义。然而,要实现多源信息融合 模型,需要解决三方面问题。2从根本上解决数字地面模型和空间插值模 型的误差问题2.1空间插值模型在观测点覆盖地区内，估计非观测点或非抽样点属性值 的过程，称为空间插值法。目前，主要的空间插值法包括边 界线勾画法、趋势面分析法、样条函数法、滑动平均法和Kriging 插值法。根据景观特征勾画景观单元轮廓的边界线勾画法是最 简单的插值 法，例如，土壤、地质、植被和土地 利用等专题地 图以及影像分析中的边界搜寻算法等 。通过多元回归模拟空间渐变的趋势面分析法也是一种 便于理解的简单方法，它可以用来处理线性趋势面上的概括 性特征，但很难用于二次以上的高次多项式

8、所表达的趋势 面。因此，趋势面分 析的主要用途通常不是插值，而是在使 用其它插值方法之前，提取数据的整体性特征。样条函数(splinefunctions是活动 曲线规(flexible rule)的 数学表达，它们是少量数据点精确拟合的函数片段,并假定 各曲线片段之间是 连续的。这就意味着不需要重新运算整 条曲线就可以用样条函数修正曲线的一个片段，这对趋势面分析法是不可能的。但样条插值存在着以下缺点:(1)选择 已知观测点作为样条函数的重合点得岀的结论与选择已知 观测点作为样条函数 的间隔点得岀的结论大相径庭;(2)样 条插值的误差不能直接估计;(3)在三维插值中，如何把斑块 缝合在一起形成一

9、个完整的表面仍是亟待解决的实际问题。滑动平均法是一种非常简单的插值法，它通过非观测点 邻域中已知点的平 均值来估计非观测点的值。其中加权滑 动平均法是较常用的一种滑动平均法，已知数据点距插值点 的距离越近，其权重越大。滑动平均法的缺 点包括:(1)估计 值由其估计函数及其 参数主导;(2)插值点的正确性取决于 已知数据点的数据质 量；(3插值点随所取邻域面积的大小 而发生变化，尤其在已知点分布不规则的情况下，每个插值 点都可能有不同 的大小和形状，因此，插值点的准确性是很 值得怀疑的;(4)在许多情况下，已知数据点很不规则，滑动 平均所得岀的曲面很可能不通过一些已知点,这些点常常 被直接输岀，

10、因此导致了插值面中的 奇点。为了克服滑动平均 法的缺点，法国地质数学家G. Mathero n和南非采矿工程师 D.G.Krige为采矿业 发展了 一种最优插值法，它是随机表面 的最佳线性无偏估计(Best Linear UnbiasedEstimatp。后来成 为GIS中大众化的空间数据内插法，人们称其为Kriging插值 法3 。Kriging插值法有 三个重要的前提条件:(1)区域变量 可表达为与均值有关的结构成分、与空间有关的随机成分和 随机噪音三部分 之和;(2)所研究区域是均质的;(3)对景观 的不同部分应 使用 不同的半变 图(semivariogram。然而，GIS 软件的使用

11、者往往忽视了这三个重要的 前提条件，因此得岀 的结论可信度很差。其根源在于Kriging模型在理论上不够 完善，有待进一步研究；与此同时，到目前为止，在非线性插 值和非Gaussian过程方面还没 有任何 可用的研究成果，这将 是我们要深入探讨的主要问题 。2.2数字地面模型数字地面模型(DTM)被定义为描述地面属性空间分布 的有序数据阵列45。数字高程模型(DEM)是DTM最重要 的基础模型，它被定义为描述高程空间分布的有序数字阵 列。DEM由通过离散点上 抽样获取的高程数据组成。构建 DEM的方法主要有三种:(a基于不规则三角网(TIN)的DEM 常常通过地面特定点 的抽样,形成以为坐标的

12、不规则点网， 其网格是由三个相邻点 构成的不规则多边形;(b)基于规则 栅格网(RGN的DEM与所研究区域的尺度密切相关 ，其网格 是由三个或四个相邻点构 成的正三角形或正方形;(C基于 等高线网(CBN的DEM由数字化等高线组成，其格网是由相 邻等高线围成的不规则多边形 。目前，在GIS中应用 较广泛的DEM是基于RGN的DEM 和基于TIN的DEM。然而，RGN的运算结果 缺乏精确性:(1) 不易处理高程的陡峭 变化,(2)网格的大小影响运算结果和 计算效率，(3在水文分析中，其运算得出的斜坡流路为不符 合现实的锯齿 形。TIN与RGN相比，使用起来比较灵活，但 由于其网格的不规则性，使得

13、实际操 作和属性运算都比较 困 难。也就是说，在上述三种方法中，基于CBN的DEM是最有 优势的模型，但它对数字高程数据的 数量和质量都有比较 高 的要求，没有考虑插值点组合的任何曲 面性质。2.3误差问题空间插值模型和数字地面模型的误差问题在二十世纪 六十年代末就引起 了有关专家的重视6,在近30年的研究 中，产生了许多 误差检测方法和评价指标78。例如,使用 滤波方法提高DEM数据的质量、基于趋势面的误差检测、基 于坡度信息的误差检测、基于等高线拓扑关系的误差检测 和DEM原始数据误差检测等，量度误差的均方根指数 (RMSE、标准差(SD)、误差直方图和空间自相关系数等。有 关误差研究方法

14、可概 括为三类:(1)评价和比较各种内插算 法的误差,(2)分析和评价原始数据误差,(3研究数字地面 模型主要变量和参数的不完备性所引起的误差。2世界科技研究与发展?1994-2015 China Academic Journal Elcuiranic Publishing HoiiSCk All rights reserved. h(tpj/我们认为，现有的空间插值模型和数字地面模型获取内 插点的数值时，将采样点或观测点视为相互独立的点,使得 已知点之间的相互关系造到破坏，最终导致比较大的误差甚 至错误的结论【9。虽然在以往的研 究,Evans已认识至帔面、 坡向和曲率是反 映局部规律的重要

15、变量10,但他并没有将 它们用于表达数字地面模型。事实上,根据微分几何学理 论，坡面、坡向和曲率只是地面剖面线的 决定要素，数字地面的决定要素是曲面的第一类基本量和第二类基本量。3实现点-面信息的有效融合目前,探测地表 过程和生态过程的主要方式有两种：一 是单点定位观测或空 间采样；二是利用遥感数据进行反演。 单点定位观测或空间采 样能较为准确地获取高时间分辨率 的点上观测数据。但定位观测或空间采样只局限于离散、稀 疏的有限空间点，不能直接得到区域尺度的有关参数，只能 根据点数据进行 估计，或以点代面,或利用简单的插值方法 估算。而由于地理系统 和生态系统在空间属性上的非均匀 性，利用点数据直

16、接描述区域属性不 能真实反映空间分布规 律。遥感方法能频繁和持久地提供地理过程和生态过程的 面状信息，相对于单纯依靠地面站点 定位观测是一个革命性 的变化。但遥感描述并不能直接获得过程 参数，需要通过遥 感信息(光谱信号和雷达信号)结合地表特性进行反演。传 统的解决方法是利用简单内插把离散数据 空间化，但是这样 处理的结果精度较差，大大影响了遥感反演的精度。提高离 散参数空间化精度的一个有效途径是引入 新的、有力的数学 工具，设计全新的数字模型，建立高精度 的非线性内 插模型。 也就是说，运用曲面论基本定理使模 型的内插点 能够准确 反 映局部规律；引入遥感参数，使模型能够包容整体规律和采 样

17、点或观测点之间 的有机联系。基于遥感反演和曲面论基 本定理的离散点数据空 间化数字模型是实现点面信息有效 融合的有效途径。4解决多维GIS面临的理论问题和多尺度转换 问题地理信息系统软件平台发展到今天仍是面向二维的空 间数据，对三维空 间数据和时序数据缺乏有效的数字模型， 更难以组织和处理包括空间数据在内 的多维数据。目前，虽 然有三维地理信息系统问世，但理论完善的数字模型一直没 有解决，其功能远远不能满足实际问题的需要 。对地球表面上被定义为生态系统的任 何大小的斑块，都 有一系列外部因素影响其功能行为，进而产生了生态系统与 其外部环境的能流和物流 。在每个尺度，为了刻划生态系统 类型的范围

18、、压力、状况、价值和趋势 以及土地利 用格局和基 本的生态系统结构特征，需要确定一套空间尺度明确的指 标。在较大尺度进行的 研究包含了这些能流和物流的较详 细信息，然而却损失了政策制定者常常所需要的地域特性。 也就是说，不管在那 个单一尺度，都不可能系统地认识土地 利用和土地覆被动态的所有细节 。因此，多尺度转换模型研 究势在必行。在某种意义上，尺度转换问题可以看作是点- 面信息融合的一个特例。例如，一个AVHRR像元可以描述 为由269个MSS像元组成的曲面；一个MSS像元可 描述为5 个TM像元组成 的曲面；一个TM像元可描述为由36个IRS 像元组成的曲面。5结论从理论上讲，曲面论和遥感

19、反演方法的结合可以彻底解 决多源空间信息融合原型系统所面临的上述问题。微分几何的出发点是微积分，微积分在几何上的应用演 变为曲线论和曲 面论。Gauss是微分几何学的创始人，他将 欧氏几何推广 到了曲面几何上，建立了曲面论。曲面论【11 是微分几何学的核心内容之一 ，也是自然要素数字模型的 理 论基础。曲面论基本定理可概述为:则除运动不计外，空间 曲面由第一基本形式和第二基本形式完全确定。在卫星遥感中，反演是指利用卫星探测数据对含有特定 信息微分方程求 解、确定特定参数的过程。在反演过程中， 必须合理地添加有用的信息，同时应尽量避免浪费有用的 信 息12。目前，在遥感反演方法和模型方面已有许多

20、研究成 果。例如，线性 混合 像元模型(inversion of linearmixture mod e) 13,迭代 反演法(iterative inversion approach 14 ,经验散射 模型(empirical scatteringmode) 1C,基于人工神 经网络的反演 方法(inversionapproachbasedon artificial neural neWork) 161 ,基 于分形的 相 干散 射 模 型(fracta- based coherentscattering mod e) 17,基于数 理统计 的反 演方 法(inversion approac

21、hbased on statistic和基于半经验后向散射模型的反演方法(inversionmethod basedon semiempiricalbackscatteimodel19。建立多源信息融合数字模型的基本 步骤可归纳为:运用 微分几何学曲 面论基本定理,建立数字模型的基本方程;运 用遥感数据，反演数字模型的一次近似表达形式；根据点上 的采样数据或观测数据,修正遥感反演模型,实现数字模型 的第二次近似表达形式；如果有更新的遥感数据和点上的采 样数据或观测 数据,重复以上过程，直至理论模型与实际情 况完全相符。二十一世纪信息处理技术的首要任务是应用 现代信息技术提高信息的生产力，解决决

22、策中的复杂性问 题。信息融合是为了实现上述任务目标的一种重要方法。 虽然信息融合方法的初衷是军事问题，但是它在非军事领域 的应用是它的必然 趋势。作者欲通过研 究开发多源空间信 息融合数字模型原型系统，弥合军事应用和非军事应用之间 的带沟，促进军事信息技术和非军事 信息技术之间的相互转 换。参考文献1 康耀红.数据融合理 论与应用.西安：西安电子科 学大学出版 社,19972 岳天祥，刘纪远.第四代地理信息系统研究中的尺度转换数字模型.中国图象图形学报,2001, 6A(9 : 907- 9113 Stein M L. Interpolation of Spatial Data. New Yo

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