发明内容
有鉴于此,本发明提出了一种空天地一体化观测资源协同调度方法与系统,用于解决空天地观测资源无法快速协同调度的问题。
本发明第一方面,公开一种空天地一体化观测资源协同调度方法,所述方法包括:
获取遥感卫星、无人机、地面传感器的资源信息、应急事件任务类型和区域地理信息;
基于遥感卫星、无人机、地面传感器的资源信息建立观测资源能力描述模型;
基于应急事件任务类型和区域地理信息建立应急任务统一描述模型;
基于观测资源能力描述模型、应急任务统一描述模型和不同灾害观测资源能力需求的先验知识,进行观测资源与观测任务的匹配,生成观测资源协同调度规划方案;
获取观测情况反馈,在出现观测资源故障或外部因素导致观测资源无法按期完成任务的情况下,对规划方案进行动态重规划。
在以上技术方案的基础上,优选的,所述遥感卫星、无人机、地面传感器的资源信息包括遥感卫星类型、卫星分辨率、卫星参数、地面传感器类型、地面传感器分布位置、无人机基站位置、无人机搭载相机型号数据。
在以上技术方案的基础上,优选的,所述观测资源能力描述模型的关键能力指标包括空间分辨率及其观测范围、时间分辨率及其响应时间、定位精度、光谱范围及分辨率和环境适应性。
在以上技术方案的基础上,优选的,所述应急任务统一描述模型的要素主要包括:任务描述、空间位置信息、时间信息、光谱信息、环境信息、观测质量和观测数据量;
所述应急任务统一描述模型表示为:
其中:表示为全部观测任务集合;/>代表地j个观测任务,j=1,2,…,N,N为观测任务总数;/>为任务描述,用于说明任务的基本信息,包括应急事件类型、任务提交时间;/>为空间位置信息,用于说明执行任务的空间位置要求;/>为时间信息,用于描述观测资源执行任务的时间要求,包括任务开始时间,截止时间,响应时间和更新频率;/>为光谱信息,用于描述任务需求的影像信息种类,包括光学影像,红外图像,雷达图像,高光谱影像和超光谱影像;/>为环境信息,主要包括天气状况、任务观测区域地理信息、风力和路况;为观测质量,用于描述任务需求的信息质量,包括空间分辨率和定位精度;/>为观测数据量,用于描述该任务完成会产生多大的数据量。
在以上技术方案的基础上,优选的,所述进行观测资源与观测任务的匹配从遥感数据质量约束、遥感数据类型约束、时空观测能力约束三个方面进行;
其中,遥感数据质量约束是指对观测任务需求和观测资源的空间分辨率指标进行匹配;遥感数据类型约束是指对观测任务需求和观测资源的传感器类型进行匹配;时空观测能力约束是指对观测任务需求和观测资源的空间覆盖范围进行匹配。
在以上技术方案的基础上,优选的,所述基于观测资源能力描述模型、应急任务统一描述模型和不同灾害观测资源能力需求的先验知识,进行观测资源与观测任务的匹配,生成观测资源协同调度规划方案具体包括:
建立初始观测资源候选集,包括各种可获取卫星资源、无人机资源和地面观测资源;
根据应急任务类型进行观测资源候选集的初步匹配,包括空间分辨率匹配、传感器类型匹配、空间覆盖范围匹配,将不符合空间分辨率要求、不符合传感器类型和空间覆盖范围匹配失败的观测资源剔出观测资源候选集;
根据卫星过境时间以及无人机到达时间建立卫星资源与无人机资源的协同调度机制;
当观测资源候选集有无人机资源时,通过无人机的初始位置、运行速度以及响应时间,计算无人机在响应时间内所能够覆盖的区域范围,与任务观测区域进行拓扑关系分析,计算需要的无人机架数;根据观测资源候选集状况及无人机架数,生成规划方案。
在以上技术方案的基础上,优选的,所述根据卫星过境时间以及无人机到达时间建立卫星资源与无人机资源的协同调度机制具体包括:
计算卫星过境时间t1以及无人机到达时间t2,进行可用卫星资源与无人机资源筛选:
;
其中,t1、t2的单位为小时。
本发明第二方面,公开一种空天地一体化观测资源协同调度系统,所述系统包括:
数据获取模块:用于获取遥感卫星、无人机、地面传感器的资源信息、应急事件任务类型和区域地理信息;
观测资源与观测任务匹配模块:用于基于遥感卫星、无人机、地面传感器的资源信息建立观测资源能力描述模型;基于应急事件任务类型和区域地理信息建立应急任务统一描述模型;基于观测资源能力描述模型、应急任务统一描述模型和不同灾害观测资源能力需求的先验知识,进行观测资源与观测任务的匹配,生成观测资源协同调度规划方案;
观测资源动态组织模块:用于获取观测情况反馈,在出现观测资源故障或外部因素导致观测资源无法按期完成任务的情况下,对规划方案进行动态重规划。
本发明第三方面,公开一种电子设备,包括:至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线;
其中,所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信;
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令,所述处理器调用所述程序指令,以实现如本发明第一方面所述的方法。
本发明第四方面,公开一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储计算机指令,所述计算机指令使计算机实现如本发明第一方面所述的方法。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果:
1)本发明通过建立观测资源能力描述模型和应急任务统一描述模型,结合不同灾害观测资源能力需求的先验知识,进行观测资源与观测任务的匹配,可以快速生成观测资源协同调度规划方案,提高应急反应速度;建立反馈机制,实现观测资源动态组织,实现空天地观测资源的规划方案设计和任务动态扰动条件下的快速重规划功能。
2)本发明建立了统一的观测资源能力描述模型进行空天地对地观测传感器观测能力描述与度量,实现了对地观测资源网中观测节点的固有属性、能力、状态和时空信息的统一描述,可以促进对异构资源的有效管理和组织调配。
3)本发明建立了应急任务统一描述模型,通过选择合适的数据描述方式,使得不同的应用系统能够以独立于操作平台、信息结构以及应用领域的方式通过网络等数据传输途径实现数据共享、数据交换乃至数据互操作,保证对任务进行快速的资源调度。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种空天地一体化观测资源协同调度方法,所述方法包括:
S1、获取对地观测资源信息、应急事件任务类型和区域地理信息。
获取当前可用的遥感卫星、无人机、地面传感器等对地观测资源的信息,包括遥感卫星类型、卫星分辨率、卫星参数、地面传感器类型、地面传感器分布位置、无人机基站位置、无人机搭载相机型号数据。同时获取应急事件任务类型和任务相关的区域地理信息。通过整合这些可用资源信息和任务需求信息,可以为空天地一体化观测资源协同调度提供数据支撑。
S2、基于对地观测资源信息建立观测资源能力描述模型。
所述观测资源能力描述模型的关键能力指标包括空间分辨率及其观测范围、时间分辨率及其响应时间、定位精度、光谱范围及分辨率和环境适应性。
针对卫星、航空与地面观测系统在观测模式、成像机理、应用目的和处理方式等方面存在很大的不同,因此难以统一发现与共享的问题,本发明建立了统一的能力描述模型进行空天地对地观测传感器观测能力描述与度量,可以实现对对地观测资源网中观测节点的固有属性、能力、状态和时空信息的统一描述,以促进对异构资源的有效管理和组织调配。
S3、基于应急事件任务类型和区域地理信息建立应急任务统一描述模型。
所述应急任务统一描述模型的要素主要包括:任务描述、空间位置信息、时间信息、光谱信息、环境信息、观测质量和观测数据量,应急任务统一描述模型表示为:
其中:表示为全部观测任务集合;/>代表地j个观测任务,j=1,2,…,N,N为观测任务总数;/>为任务描述,用于说明任务的基本信息,包括应急事件类型、任务提交时间;/>为空间位置信息,用于说明执行任务的空间位置要求;/>为时间信息,用于描述观测资源执行任务的时间要求,包括任务开始时间,截止时间,响应时间和更新频率;/>为光谱信息,用于描述任务需求的影像信息种类,包括光学影像,红外图像,雷达图像,高光谱影像和超光谱影像;/>为环境信息,主要包括天气状况、任务观测区域地理信息、风力和路况;为观测质量,用于描述任务需求的信息质量,包括空间分辨率和定位精度;/>为观测数据量,用于描述该任务完成会产生多大的数据量。
本发明通过选择合适的数据描述方式,建立了应急任务统一描述模型,该应急任务统一描述模型使得不同的应用系统能够以独立于操作平台、信息结构以及应用领域的方式通过网络等数据传输途径实现数据共享、数据交换乃至数据互操作,保证对任务进行快速的资源调度。
S4、基于观测资源能力描述模型、应急任务统一描述模型和不同灾害观测资源能力需求的先验知识,进行观测资源与观测任务的匹配,生成观测资源协同调度规划方案。
根据空天地观测资源能力的描述和各类任务需求的描述,确定匹配的各项约束条件,本发明从遥感数据质量约束匹配、遥感数据类型约束匹配、时空观测能力约束匹配三个方面进行观测资源与观测任务的匹配,其中,遥感数据质量约束是指对观测任务需求和观测资源的空间分辨率指标进行匹配;遥感数据类型约束是指对观测任务需求和观测资源的传感器类型进行匹配;时空观测能力约束是指对观测任务需求和观测资源的空间覆盖范围进行匹配。
如图1所述,通过步骤S4进行观测资源与观测任务的匹配,生成观测资源协同调度规划方案具体包括:
S41、建立初始观测资源集。
初始观测资源集中包括各种可获取卫星资源、无人机资源和地面观测资源。
S42、根据应急任务类型进行观测资源的初步匹配。
该初步匹配主要包括空间分辨率匹配、传感器类型匹配、空间覆盖范围匹配,将不符合空间分辨率要求、不符合传感器类型和空间覆盖范围匹配失败的观测资源剔出初始观测资源候选集,生成观测资源候选集。获取不同灾害观测资源能力需求的先验知识,比如不同应急任务类型对应的空间分辨率、遥感数据类型需求,根据这些先验知识确定应急任务对应空间分辨率、传感器类型、空间覆盖范围需求,进而进行观测资源的初步匹配。表1所示为应急任务类型与空间分辨率、遥感数据类型对应表。
表1 应急任务类型与空间分辨率、遥感数据类型对应表
步骤S42具体包括如下分步骤:
S421、就观测任务需求的空间分辨率和观测资源的空间分辨率指标进行匹配,将不符合空间分辨率要求的观测资源剔除出观测资源候选集。
S422、对步骤S421筛选的观测资源候选集,对传感器类型进行匹配,将不符合传感器类型的观测资源剔除出观测资源候选集。
S423、进行空间覆盖范围的匹配。
针对卫星平台,根据卫星轨道数据和视场角大小,计算任务观测时间段内卫星运行传感器扫过的条带状区域,然后通过空间分析中的拓扑关系分析,判断该条带状扫描区域是否与任务观测区域相交。若二者相交,则满足时空观测能力约束,匹配成功,将该观测资源保留在观测资源候选集;若不相交,则不满足时空观测能力约束条件,匹配失败,将其剔除出观测资源候选集。
针对无人机平台,通过无人机的初始位置、运行速度以及响应时间,计算无人机在响应时间内所能够覆盖的区域范围,根据拓扑关系分析,判断能够覆盖的区域范围是否与任务观测区域相交。若二者相交,则观测资源满足时空观测能力约束,匹配成功,将该观测资源保留在观测资源候选集中;反之,匹配失败,将其剔除出观测资源候选集。
针对地面观测资源,计算响应时间内在特定约束条件下移动的距离,如路网上的移动距离,计算车辆等地面观测资源的观测区域是否能够覆盖到任务需求的观测区域,从而判断时空观测能力约束的匹配是否成功。匹配成功,将该观测资源保留在观测资源候选集中;反之,匹配失败,将其剔除出观测资源候选集。
S43、根据卫星过境时间以及无人机到达时间建立卫星资源与无人机资源的协同调度机制。
由于在应急灾害任务中,首选卫星资源与无人机资源进行现场的数据获取,且卫星资源与无人机资源的传感器类型往往存在相同的情况。例如都搭载了红外传感器,所以本发明综合考虑应急任务的24小时、72小时黄金救援时间、无人机抵达现场时间、无人机影像获取时间,针对搭载同种传感器的卫星资源与无人机资源建立了协同调度机制。
具体的,计算卫星过境时间t1以及无人机到达时间t2,根据如下公式进行可用卫星资源与无人机资源筛选:
其中,t1、t2的单位为小时。
通过以上公式,将不符合的卫星资源与无人机资源从观测资源候选集中剔除以筛选出能在24小时、72小时黄金救援时间内执行观测任务的观测资源。
本发明从空间分辨率、传感器类型、空间覆盖范围等三个方面进行观测资源与任务的初步匹配,在此基础上,进一步进行具有相同类型传感器的卫星与无人机资源的协同调度,为应急任务快速匹配出符合实际需求、符合黄金救援时间的观测资源,提高规划方案的可靠性。
S44、当观测资源候选集有无人机资源时,针对无人机平台进行任务规划。
通过无人机的初始位置、运行速度以及响应时间,计算无人机在响应时间内所能够覆盖的区域范围,无人机能够覆盖的区域范围与任务观测区域进行拓扑关系分析,计算需要的无人机架数;根据观测资源候选集状况及无人机架数,生成规划方案。
S4、获取观测情况反馈,在出现观测资源故障或外部因素导致观测资源无法按期完成任务的情况下,对规划方案进行动态重规划。
在外界发生扰动情况下,例如在观测资源执行任务的过程中,出现观测资源故障,由于天气、自然等外部因素导致观测资源无法按期完成任务等情况,需要对原规划方案进行快速动态重规划,以完成观测任务。
将规划方案封装在TaskSolution接口,调用此接口,可以获取规划方案。在外界发生扰动情况下,通过重新生成对话方案,将动态重规划方案封装在DynamicSolution接口,调用此接口,获取动态重规划方案。
调用TaskSolution接口,获取规划方案并进行解译,实现资源的调度。当观测资源无法执行调度时,通过观测资源系统的动态反馈接口获取任务调度中实时的状态和变动信息,进行自动解译,将无法正常观测的资源剔除出观测资源候选集,并基于该观测资源候选集,通过步骤S4的应急任务与观测资源的匹配方法,重新生成规划方案,调用DynamicSolution接口,获取动态重规划方案,执行观测资源调度。
在以上方法实施例的基础上,本发明还提出一种空天地一体化观测资源协同调度系统,如图2所示,所述系统包括:
数据获取模块:用于获取遥感卫星、无人机、地面传感器的资源信息、应急事件任务类型和区域地理信息;
观测资源与任务匹配模块:用于基于遥感卫星、无人机、地面传感器的资源信息建立观测资源能力描述模型;基于应急事件任务类型和区域地理信息建立应急任务统一描述模型;基于观测资源能力描述模型、应急任务统一描述模型和不同灾害观测资源能力需求的先验知识,进行观测资源与观测任务的匹配,生成观测资源协同调度规划方案;
观测资源动态组织模块:用于获取观测情况反馈,在出现观测资源故障或外部因素导致观测资源无法按期完成任务的情况下,对规划方案进行动态重规划。
以上系统实施例和方法实施例是一一对应的,系统实施例简述之处请参阅方法实施例即可。
本发明还公开一种电子设备,包括:至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线;其中,所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信;所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令,所述处理器调用所述程序指令,以实现本发明前述的方法。
本发明还公开一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储计算机指令,所述计算机指令使所述计算机实现本发明实施例所述方法的全部或部分步骤。所述存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的,其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以分布到多个网络单元上。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下,可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。