1、项目名称： 空天地一体化对地观测传感网的理论与方法首席科学家： 张良培 武汉大学起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部门： 教育部 湖北省科技厅二、预期目标(一) 总体目标系统研究对地观测传感网的理论与方法，通过多学科联合攻关，解决空天地多平台观测系统事件感知与协同观测机理、对地观测传感网数据同化与信息融合、对地 观测传感网聚焦服 务模型等关键科学问题，系统地揭示从事件感知到聚焦服务的转化机理，建立从空天地传感网数据实现地球陆表监测的科学理论与方法体系，为我国空天地协 同对地观测系统的建立奠定理论与技术基础。(二) 五年预期目标1. 科学目标空天地一体化对地观测理论和方法：为建立主动
2、的、任务驱动的、动态自适应的、协 同的空天地一体化 观测系统奠定理论基础。对地观测传感网多源多维数据一体化处理方法：围绕对地观测传感网的观测数据，集成数据融合与同化、智能化信息提取等技术 ，提供多源异 质数据一体化处理、信息提取以及变化检测 的新理论与新方法。面向任务的对地观测传感网信息聚焦服务：按需提供聚合多传感器、数据、计算和决策的服务。典型地区陆表环境综合观测与信息模拟：模拟我国典型地区陆表环境多源信息，建立多传感器综合观测实验方案，提供决策支持和应急快速反应服务。2. 国家目标围绕我国典型地区陆表环境安全进行空天地一体化观测实验，研究空天地一体化对地观测传感网的理论与方法，提升我国对地
3、观测能力与服务水平，为我国环境安全与自然灾害监测提供技术与方法支撑。3. 技术水平经过五年研究，在对地观测传感网架构和运行机制、空天地多传感器协同观测模型、多传感器源数据同化与融合、对地观测传感网信息聚焦服务模型等相关理论与方法方面取得突破性进展，达到国际先进水平；在事件智能感知模型、面向对象参数提取、动态变化分析等若干研究点上达到国际领先水平。4技术 指标（1（ 实现 50 个以上的传 感器信息描述；（2（ 数据融合与同化方法能够支持 10 种以上传 感器；（3（ 提供传感器规划、观测获取、事件通知、数据 处理、信息提取等 10 种以上服务。5人才培养造就一批具有国际影响力的青年学术带头人，
4、培养博士研究生 30 名， 硕士研究生 30 名。6论文著作完成有关专著 3 部，在国内外主要学术刊物上发表论文 160 篇以上，其中SCI（包括 SCIE）论文不少于 50 篇。三、研究方案（一） 总体学术思路1 、从系 统论 角度进行优化布局与整体攻关从系统论观点出发，空天地一体化对地观测传感网可看成是具有事件感知、异构传感器互联、多系统协 同和灵性服务的自组织和自适应的复杂观测网络系统。应该 将资源全局组织、多传感器协同观测和聚焦决策服务作为一个有机的整体展开研究，重点解决空天地一体化对地观测传感网时空信息获取、传输、同化及决策中的共性问题，实现 事件感知-异构传感器观测-聚焦决策服务的
5、转化。从而更加充分合理地利用观测资源，使人们能够透明、高效、可定制地使用 观测资源，满足 长期监测与快速应 急响应等日益多样的观测需求，为观测资源的科学布局提供依据。2、面向任务驱动实现 多层次理论与方法的突破从服务科学角度出发，传感器、观测数据、分析 处理 过程和决策支持模型资源可看成是一系列空间信息服务。面向特定陆表监测与应急响应任务，运用本体论、运筹学和控制论的相关方法，建立各类资源与服 务之间的关联， 结合面向服务的思想和架构，建立对地 观测传感网内各类传感器资源、观测资源、 处理资源、模型资源的网络化灵性服务；通过任务按需聚合与自主协调，适应内外部环境变化，实现 多层次聚焦型服务 。
6、通 过聚焦服务理论方法与典型用例验证为纽带， 带动和实现观测资源、信息模型与处理以及应用方法的有机关联，突破对地观测信息模型、多源传感器数据融合和同化、时空数据获取与 处理实时化、决策支持服务智能化转变机理等不同层次上的重大关键理论与方法，为陆表监测与应急响应服务系统建立奠定理论与方法基础。3、以国家重大需求 为研究导向以国家急需的环境与灾害事件监测为牵引，选取典型区域对建立的空天地一体化对地观测传感网理论、方法与服务模型进行模拟验证，实现理论与具体应用的结合、 观测与数值模拟结 合、信息提取与决策支持服务的结合。本 项目计划选取水、气、地 环境问题突出的三峡地区为典型实验 区域， 进行大气、
7、水体和陆地信息综合观测与信息模拟研究。针对该地区的地表形变与沉降等自然灾害问题及人类活动引起的水体、大气污染问题，基于地基、 车载、机载和星载传感器的协同与耦合，完成组网观测、数据同化、信息提取、数值模拟与聚焦服务的整体验证。研究结果可直接服务于国家的重大需求。（二） 技术路线1. 对地观测传 感网耦合模型与建模理论基于空天地一体化对地观测传感网中的卫星、航空、地面传感器，建立信息模型，将语义网引入传感网 领域，根据 传感网资源服 务的应用需求， 设计基于语义的最优观测观测模型，支持事件的协同观测。具体实施技术途径为：（1）对地观测传 感网系统耦合架构对地观测传感网系统耦合架构是本课题研究的总
8、体框架，其研究方案首先借鉴面向服务的体系架构、面向资源的体系架构、事件驱动的体系架构等主流的体系架构，划分系统间的层次关系、分析系统任务执行的基本流程、确立系统间的边界关系，形成系统的概念模型。以此为基础，结合长期渐变和瞬时突变的对地协同观测需求，确立卫星平台（气象卫星、大气卫星、测绘卫星和环境与减灾卫星等）、低空平台（无人机、飞艇、气球等）、地面传感器（大气、温度、湿度等）和地面数据服务系统间的相互关系和交互机制，定义主要的接口和协议，保 证系统间交互的轻量、安全、可靠与可 扩展。进一步结合地表水环境安全监测、大气环境安全监测、地表移动与形变环境安全监测等应用领域，分析系统的运行机制， 设计
9、具体的对地观测传感网系统，验证系统架构的可行性。同 时结合本课题提出的最优观测模型，利用多次迭代的设计方法，修正和完善系统 架构，以 实现支持不同系 统规模和用户需求的对地观测传感网系统耦合架构。（2）对地观测传 感网资源描述模型针对典型遥感卫星、机载观测平台和地面传感器，分析传感器平台、 观测机理、处理过程、定位信息以及技 术要求，特 别是对观测仪 器信息和观测结果信息进行系统分析，形成传感器分类 体系。分析空天地传感器在观测模式和成像机理等方面的差异，结合现有传感器元数据、数据交换标准和传感器建模现状的基础，建立起能够描述传感器系统、部件、参考系、处 理方法、 时空位置的传感器资源描述模型
10、，实现传感器资源共享。分析地表水环境安全监测、大气环境安全监测和地表移动与形变环境安全监测的传感器资源，结合传感器快速建模方法，建立起三类典型传感器的信息模型。分析地表水环境安全监测、大气环境安全监测和地表移动与形变环境安全监测的传感器观测数据，根据不同的采样模式和编码规则，建立起三类典型传感器的观测数据编码。（3）对地观测传 感网资源语义动态 建模方法对地观测传感网资源语义动态建模以对地观测传感网资源描述模型的研究为基础，利用本体建模理论，运用机器学习和统计等方法，结合领域专家知识设计半自动（自动化）化的本体构建方法，归纳传感网资源的概念、划分其类别、梳理其相互关系，建立顾及传感网资源时空特
11、征、尺度特征的顶层本体模型， 结合地球陆表监测与决策响应等应用领域知识，建立领域本体模型。基于上述本体模型实现对地观测传感网资源的语义标注；结合聚焦服务语义注册信息模型和交互协议的设计，实现对地观测传感网资源的语义注册。并以一阶逻辑理论为指导，实现轻量级的语义相似度匹配算法，提供完整的语义查询机制；进一步基于语义模式匹配的方法实现多版本传感网观测资源的访问。（4）多传感器最 优观测模型结合对地观测传感网信息聚焦服务，分析典型任务的观测任务和观测系统中异构传感器的能力信息，针对对地观测网空天地传感器的动态性和相关性等基本特征，建立起观测需求和能力信息的映射模型。分析传感器结构反应的敏感性与系统鲁
12、棒性的矛盾，基于先验知识和传感器动态信息，结合非线性规划 问题的求解方法，推 导出多传感器的观测模型，使 观测模型能够最大程度地反映对地观测传感网系统信息和适应对地观测传感网系统结构的变化。分析观测模型对观测任务时间、空间、精度和 实时性等方面要求的满足程度，提出观测模型评价指标，促 进多传感观测模型的优化。分析地表水环境安全监测、大气环境安全监测和地表移动与形变环境安全监测中的典型观测任务，以及 卫星、航空、地面观测平台的不同特点，发展启发式的传感器布点优化算法，提供优化的传感器布局。2. 事件驱动 的空天地多传感器协同观测方法基于卫星、航空、地面三类典型异构传感器，开展事件驱动的空天地多传
13、感协同观测方法研究，具体实 施技术途径为：（1）多传感器智能感知模型与方法研究针对事件自动识别与特征提取的事件划分机制，然后依据该机制进行事件类型划分，为事件感知模型的建立提供基础。在事件划分机制与分类的基础上，对不同类事件引发的感知信息特征进行研究，建立不同类事件的感知模型。在对卫星传感器观测数据在轨处理的工作模式和处理流程进行研究的基础上，重点研究数据存储速度匹配模式、数据在轨组帧方法、观测数据在轨处理容错算法等卫星观测数据在轨处理关键技术。在上述基础上，形成卫星传感器在轨变化检测方法。在事件感知模型研究的基础上，针对典型遥感卫星、机载观测平台和地面传感器，研究基于多种平台、多种传感器信息
14、进行事件自动识别的技术与方法， 实现对事件特征自动提取与分类。（2）空天地协 同规划模型与算法通过分析目前卫星规划、地面传感器规划和存档数据预订系统的特点，开展事件驱动的卫星联合规划和多传感器协同规划模型和算法研究，支持面向典型事件和典型任务的传感网空天地一体化规划。具体研究内容包括空天地多传感器统一规划方法、单星网络 化规划模型与算法、多星规划模型与算法、多 传感器规划模型与算法。（3）对地观测传 感网资源自适 应组网方法空天地传感器网络的构建，跟网络结构、 协议和功耗等密切相关。研究分析合适的网络结构、异质传感器 类型、探 测范围、功耗、相邻距离、测量环境、干扰因素等关键参数，分析多功能、
15、多种传输速率的自组织传感器网络的组建模式，研究分布式、大规模异质传 感器网络的构建方法， 为 自适应组建传感器网络提供支撑。分析异构传感器数据传输的波段、信道、带宽和路由特点，研究大规模异质传感器网络节点数量、带宽分配、 时间同步观测机制、异构互连的拓扑结构方式、自适应频谱分配、按需路由等网络资源的配置方法。研究基于路由、节点度、方向和邻近拓扑图的自适应控制方法，研究分布式、大规模异质传感器网络的协作模式和分布式协调管理方法，实现适应需求变化的大规模多功能异质传感器网络的自适应配置方法。基于认知无线电技术，分析大规模多功能异质传感器网络，感知传感器网络的可用频谱，限制和降低传 感器之间冲突的发
16、生。研究自适应网关透明信息访问方法，以事件为中心，保证信息在传感器网络节点之 间通畅传输，避免出 现数据传输瓶颈。基于常规观测的全局资源分配与潜在事件观测需求，实现任务的优化分配，减低资源消耗、倾向潜在事件与延长观测时间， 为传 感网常规优化观测提供理论与方法支撑；并针对应急事件响应，控制和协调空天地典型传感器进行协同运行，扩展空天地传感网协同观测范围，增强观测实时性，保障传感网应急观测的数据传输通畅的需求，为应急情况下传感器组网完成局部重点地区聚焦观测任务提供理论和方法支撑。3. 对地观测传感网一体化数据融合与同化方法基于对地观测传感网环境下的空天地多源观测数据，发展面向陆表监测的数据同化与
17、信息融合方法，具体实施技术途径为：（1）离群点分布模型与高精度亚像素配准方法主要针对离群点检测测度、离群点位置与配准参数的联合求解、离群点分布模型的建立、群集智能求解等方面展开研究，实现高精度的 亚像素配准。首先 发展离群点检测的几何测度和辐射测度，通过判断配准影像之间的空间对应关系、辐射相异性，建立稳健的离群点检测方法， 为实现剔除离群点影响的高精度配准奠定基础；然后对配准参数和离群点位置进行联合迭代求解，根据初始配准参数对多源数据进行离群点检测，检测结果又用于对配准参数的更新，如此循环往复，实现配准参数和离群点同步优化；通过理论推导和模拟验证，建立离群点的概率分布模型，并根据实际误差分布，
18、利用最大似然方法对离群点的模型参数进行拟合，求解模型的标准偏差和离群点分布比例参数；最后利用建立的模型参数求解每一位置离群点的分布概率，构建配准模型的权值矩阵，并构造影像配准的目标函数，利用群集智能求解高精度的亚像素配准参数，对影像进行高精度配准。（2）多时-空- 谱 影像序列的一体化融合方法针对传感网环境下的多时空谱影像序列，建立通用影像观测模型及影像融合逆问题求解的理论模型，利用 高性能计算技术实现快速的一体化融合处理。首先研究影像在空间、时间、光谱、 辐射等方面的降质表达方法，发展通用的影像观测数学模型，对包含多波段、多 时相、多尺度、多角度等多种特征的遥感影像序列进行同时描述；为了实现
19、多时-空-谱影像序列的一体化融合，将利用贝叶斯最大后验概率方法进行理论推导，使得融合影像存在的后验概率达到最大，并根据遥感的成像特点进行模型近似，建立一体化影像融合的理论框架；然后建立基于光谱组合关系的光谱约束模型，并建立 顾及区域特征的保边缘影像空间约束模型，同时实现 空间信息的高融入与光 谱信息的高保真；提出基于高性能计算技术的影像融合方法，将待融合的遥感影像数据进行打包、纹理指定、内存 释放，结合高性能计算技术和融合算法对影像进行处理。（3）传感网环境下空天地观测数据的同化方法发展空天地观测数据的同化方法，实现数据在时间维和空间维上的扩展，并引入时空过程模型，开展遥感影像与时空过程模型的
20、同化研究，具体实现技术路线为：首先构建不同传感器之间的光谱差异表达方法、时相差异表达方法，结合距离加权和光谱匹配技术，建立稳健的时空信息同化模型，获取高时间分辨率、空间分辨率的遥感信息，研究基于变分方法的求解思路，利用空间邻域相关信息提高处理精度；研究空天遥感观测与地面现场观测的尺度差异，发展点、面观测数据的同化方法，实现空天地观测数据的综合集成；拟发展遥感数据与时空过程模型同化的方法，通过多源遥感数据提取地表信息，利用 CA 模型模拟地表演变过程，将 CA 模型模拟结果与多源遥感数据的监测结果进行同化，得到模拟值与观测值最优融合的分析场，改善地表演变过程遥感监测模型的精度。（4）传感网数据与
21、陆面模式的多参数联合同化方法充分研究各种空天地传感器观测数据不确定性，对各种同化资料进行筛选与质量控制，为实现高精度的 陆面数据同化排除数据本身带来的误差因素；在变分、集合卡尔曼滤波等同化模型框架内进行方法的扩展，并结合各种同化参数的时空特征对模拟预测的精度进行评价，在此基础上综合利用各种方法的互补优势，建立集合变分一体化同化方法；发展陆表参数单变量的自相关约束模型，充分利用陆表参量空间分布连续的特征，并顾及误差间的空间相关性，将单点数据同化扩展为区域数据同化；研究不同陆表参量之间的物理关联方法，发展多变量之间的协相关约束模型，实现 多种陆表参数的同步同化，提高系统的同化精度。针对传感网数据与
22、陆面模式同化过程中计算复杂度高的特点，建立基于高性能计算技术的数据同化模型，提高运行效率。4. 多源异质 数据的信息提取与快速变化检测在对地观测传感网的异质性数据条件下，研究多源信息归一化、高精度信息提取及自动变化分析模型， 为传感网多源多维数据的联合处理与参数反演提供稳健快速的信息提取技术，具体技术途径为：（1）对地观测传感网多源异质数据的描述与归一化研究多时-空-谱数据的特征描述方法，研究多源数据的互补与联合信息提取模型，针对对地观测传感网异 质数据的多源高维特性，利用特征选择、智能化 编码、多层 信息提取等技术途径，建立基于空天地多源异质性数据的归一化模型。（2）基于对地观测传感网的快速
23、信息提取针对传感网多源数据的多尺度特性，建立多源多尺度信息耦合模型，利用马尔可夫随机场、均值移动、面向对象分割等方法，建立多尺度数据 联合解译模型；针对传感网数据的多时相特性，基于地物的时间序列变化规律，建立基于多时间尺度的信息提取框架；针对传感网数据的多传感器特点，建立基于成像模型的多传感器信息融合模型，研究基于像素、特征和决策级 的多传感器信息联合反演模型。（3）基于对地观测传感网的自动变化分析通过研究空天地传感器数据与特征的融合机理、面向对象和多尺度分析、多时相多源遥感影像序列分析以及多元特征提取与分析等新方法，重点发展多源多维信息变化检测和分析的关键技术。运用时间序列分析理论研究传感网
24、探测条件下的变化信息智能提取方法。结合 GIS 信息分析工具，研究信息变化的驱动因子与变化规律，建立典型 变化信息动态分析的理论方法。同时，利用 传感网数据的多传感器、多时相、多分辨率数据源，以目 标探 测器、亚像元分解与定位方法为基础，研究异常变化信息的提取与分析方法。（4）基于对地观测传感网的事件分析研究在对地观测传感网多源数据条件下异常事件的定义、响应和识别机制。利用高光谱数据在特定环境场景下揭示细微光谱变化的特点，利用高分辨率数据空间信息丰富的特点，利用地表传感器网络捕获微小环境差异的特点，对异常事件进行定义、关联和分类 ，实现异常事件的高效检测 。基于高光 谱、高分辨、气象等空天地数
25、据对不同性质、不同尺度的环境变化因素、地表空间分布变化因素进行分析；根据任务驱动的原则，选择在对地观测传感网不同配置的协作观测数据，利用实时异常目标探测 、变化监测等快速分析方法，研究不同异常事件的探测方法。建立针对不同任务 性质的，不同响 应速度的、不同观测尺度的异常事件数据融合，异常探测与表征的理论方法。5面向任务的对地观测传感网信息聚焦服务模型从对地观测传感网系统架构出发，综合运用本体论、运筹学和控制论的相关方法，研究面向典型任务的行 为规划模型，提出面向任务的对地观测传感网信息聚焦服务模型，通过不同功能服务的通信与协作来实现典型任务的快速反应服务，更好地适应观测事件的 发展变化和用户需
26、求，具体实施技术途径为：（1）典型任务的描述和分解方法根据典型任务的应用领域特点，围绕事件特征、 实时决策、决策机制，研究对地观测传感网环境下自主决策机制，辅助支持各种类型的用户在对地观测传感网环境下完成有效合理的决策过程；确定任务的基本属性、时空特性和任务流程，建立任务的规范化描述方法；根据任务的属性和关联，提出任务的分类规则和聚类方法；根据元任务之间的语义关联，建立相应的任务行为规划模型。（2）传感网信息聚焦服务模式分析长期渐变环境监测任务和突发性事件应急响应任务的异同，建立适应不同任务需求的聚焦服务模式；提供传感网资源的分类和网络化服务方法，根据任务的属性特征，分析任务 与资源的关系，建
27、立任 务 与资源的映射关系模型；设计传感器规划与观测、事件 预警和通知、信息 处理和决策支持等功能的服务标准接口和协议，为聚焦服务提供原子服务集合和服务协同机制；建立传感器观测、传感网信息处理和决策模型间的联动机制，当陆表信息无法满足安全决策要求，将增加或更新某些陆表安全指标及关键参数，当这些安全指标及关键参数无法从当前数据源中获取时，就通 过对地观测传感网调度卫星、飞机和地面传感器系统来获取，并进行数据处理。（3）传感网资源搜索机制和方法研究建立传感网资源注册中心，提供对传感网资源和服务能力的描述，定义传感网资源描述信息的信息注册模型，设计注册信息的收割、发布、 查询服务标准接口和协议，基于
28、注册中心 实现顾及时空、尺度、不确定性等 传感网资源特征的语形、 语义和语用搜索方法。（4）传感网服务组合与优化在对传感网资源和功能提供服务的基础上，进行服务状态监控，研究服务质量评价模型，提出具有主动协 同能力的组合服务运行状态监测和执行控制方法，在组合服务运行过程中进行在线、实时的评价，并向整合结果进行反馈；根据状态监测和反馈结果及时发现新启用的更适合的服务，并替换原有的服务；当某个服务运行超时时，通过相应 的服务调度和优化措施提高服务组合的自适应性和服务质量。6. 我国典型地区 陆表环境综合观测与信息模拟通过对典型地区的空天地一体化综合观测，实现面向重大环境安全的对地观测传感网理论、方法
29、的典型区域综合应用，具体技 术 路线如下：（1）基于对地 观测传感网的典型区 综合观测实验三峡地区作为长江流域上最大的水利工程三峡水库所在地，属于亚热带湿润季风气候区域，暴雨、强对流天气和干旱等自然灾害 频发。随着人 类活动和气候变化进程的加快，大气污染程度也在逐渐加深。 细粒度气溶胶、有害气体以及与人为因素密切相关的，对人体健康危害极大的灾害天气，也呈现逐步增多和加重的趋势。随着三峡库区经济 建设的快速发展和人民生活水平的提高，各种污染物的排放量也日益增大，三峡库区的水资源保护与供水安全形势也变得更加严峻。三峡库区两岸山势陡峻，地 质活动强烈， 历史上曾多次发生重大地质灾害， 长江水位大涨大
30、落，可能使一些旧滑坡复活，并诱发新的滑坡、崩塌、塌岸等灾害。三峡地区的这些特点是课题组选择其作为典型综合观测实验区域的主要原因。典型区域内的观测实验 ，将在充分 调查区域现有地面观测资源的基础上，参照研究设计的观测方案，补 充、建 设必需的地面观测 措施，与机 动、灵活、可供应用的天基、空基观测资源一起，组成空天地一体化对 地观测传感网。在 对地观测传感网理论和技术的支撑下，建立事件驱动的空天地传感网协同观测机制。发展大气环境、水环境、地表形变监测的理论和方法,进行针对典型环境灾害事件的应急响应和聚焦服务进行模拟实验。（2）典型实验 区大气环境安全信息模 拟针对典型地区，对已有的各种大气要素观
31、测手段和多种数据来源进行系统分析，建立空天地一体化对 地观测传感网；检验将各种不同获取模式、不同时空尺度大气环境信息数据进行融合和同化方法；发展基于多源异构大气环境信息参数信息的提取方法，提供相应的网络化服务；利用耦合多传感器观测和信息处理服务方法，建立虚实融合的三维仿真环境；利用空天地一体化对地观测传感网信息聚焦服务进行大气环境信息模拟，为分析和评估典型区内大气环境污染的相互影响、相互输送作用规律以及外来源和本地源对大气环境质量的贡献作用提供支持。（3）典型实验 区地表水环境安全信息模 拟发展水环境遥感卫星、水面和水下观测设备配置及传感器组网观测方法，检验基于对地观测传感网系统的水环境参数获
32、取方式；进行不同模式水环境参数的融合与同化技术方法验证；研究借助 3S、数据 库、并行计算和网络通信等先进技术，在网 络化服务的基础上，在以 DEM 为基础的三维场景中模拟其分析计算成果；检验利用对地观测传感网系统对典型区水域水环境进行监测的效果，感知水环境安全事件，聚焦对地观测传 感网资源， 为决策支持和 应急反应提供服务；利用对地观测传感网获取的多种水环境信息参数建立虚实融合的三维仿真环境，并对其发展趋势预测提供支持。（4）典型实验 区地表形变与沉降 环境安全信息模拟将对地观测传感网系统和数值模拟技术相组合，提取地面监测系统、GPS、InSAR 等观测数据， 获取地表形变信息；借助 3D
33、GIS、虚拟现实技术模拟地表形变信息，实现地表三 维可视化重建；利用对地观测传感网获取地面监测数据、SAR 等遥感数据，提取地表形变和沉降参数作为输入对象，融合空天地一体化对地观测传感网观测数据；利用对地观测传感网信息聚焦服务验证模型，实现模拟聚焦服务应用的可视化，从而为环境信息的中长期预测和短期预报提供科学依据。（三） 创新性与特色1 . 对地观测传 感网空天地多平台的耦合 协同机制现有的对地观测系统之间是封闭、孤立和自治的，传感器之间缺乏有效的管理、规划、调度、协同与共享机制，不能对事件进行天空地协同观测，无法发现事件中相互关联的各种整体因素，对快速变化的现象只能观测到事件，而不能有效地分
34、析事件成因、进行真实性检验和预测变化趋势。本项目研究的空天地一体化智能对地观测传感网是由各种异构传感器资源组成的协同观测系统，是一个资源虚拟化的智能传感器系统，具有通过网络进行事件感知、协同观测、信息融合、模型耦合、事件预警、聚焦服务六个层次的能力。所有节点又可以动态整合起来作为一个独立整体，实现自主的、任务可定制的、 动态 适应并可重新配置的观测系统，是对地观测领域中的新思想。提出的传感器和处理过程统一的观测资源语义信息模型，有助于传感器资源的广泛共享，促 进观测、模型和决策支持系 统的信息流通，将产品级共享提高到观测级、甚至是模型级共享，基于在 轨感知、事件驱动、自适应网关的多传感器协同观
35、测方法是国际上尚未解决的难题。2 . 基于对地 观测传感网多源多 维数据的信息提取与 变化分析现有的信息提取与数据处理方法大多是基于单一或少量数据源，处理模型依赖于数据类型、分辨率、波段数和影像特征等因素，不能满足多时-空-谱多源海量数据信息提取与变化分析的需求。本项目综合考虑对地观测传感网条件下的多维、多尺度、高动态、多耦合等复 杂的数据与信息关系，发展多时-空-谱特征数据的一体化融合模型与方法，实现对多源观测数据的协同处理；充分利用遥感数据的实时性、宏观性与陆 面模型的机理性之间的互补关系，建立耦合传感网数据与陆面模型的多参数联合同化模型，进行高精度的信息提取与变化分析。3面向任务的对地观
36、测传感网信息聚焦服务由于观测数据的种类、格式和编码千差万别，而 现有的决策服务模型与数据之间缺乏有效的互操作和关联机制，导致模型的综合应用十分困难，难以满足不同类别、不同层次的用户需求。本项目在空天地一体化对地观测传感网环境下，实现不同传感网信息资源的无缝连接与聚焦服务。通过将传感器观测、传感网信息处理功能和决策模型等信息资源以任务需求为核心按需聚合与动态配置，自动地感应内外部环境变化，建立各类信息资源之间的关联，协调它们的功能， 组成一个有机整体，合理高效聚合各类传感网信息资源，实现对任务的快速响应与执行，提供及时、主动、灵活的信息服 务， 满足各种综合性、区域性和专题性的分析决策需要，适应
37、监测事件的发展变化和用户需求，是本项目的又一创新和特色。（四） 可行性分析当前，对地观测已经进入多平台、多传感器、多角度发展阶段，国内外已经发射了大量可用于地球陆表监测的遥感卫星，我国也相继发射了系列资源、环境、气象卫星， 这为实现地球陆 表空天地传感网监测提供了重要的数据保证。此外，利用各种卫星遥感数据，各国科学家和科技工作者已经开展了大量与遥感监测相关的理论与技术研究，积 累了丰富的理论方法与实践经验，可为本项目的研究工作提供借鉴。随着计算机网络的发展，传感网技术已经经历了萌芽期、起步期和现在的发展期三个阶段。利用对地观测传感网，美国国家航空航天局（NASA）已经开展了森林野火突变监测与快
38、速反应实验，欧盟进行了地质灾害的监测与预警研究，国际对地观测组织 GEOSS 对 2007 年非洲和 2008 年 缅甸的洪灾进行了监测，这些都为本项目的研究方案提供了可行的经验。项目主要承担单位武汉大学拥有一套 NOAA 卫星数据接收系统，建有一个MODIS 卫星数据地面接收站，一个约 400 平米的激光与光学大气遥感观测基地和定量遥感地面观测与验证平台（地物光谱仪、水下光场测量系统、多参数水质监测仪、激光测沙仪、水下光谱仪、水下光合有效 辐 射计、可见光近红外成像仪、热红外成像仪、太阳光度计、小型气象站等 仪器组成）。具备了 64 个节点高性能集群计算机、高分辨率航空数码相机 ADS40、
39、机载激光雷达系统（Leica ALS50-II）、高精度 GPS 接收机、ASD 野外光谱仪、高光 谱成像系统、双通道融合立体投影平台系统、车载多传感器综合实验平台、 HLA 分布式综合系统仿真软件系统、双视场大气气溶胶探测激光雷达、多通道 Raman 激光雷达系 统、地面无线传感器网络和虚拟现实演示系统等。为项目的顺利实施提供了重要的硬件基础条件。本项目集中了武汉大学、中山大学、北京师范大学、华东师范大学、中国科学院对地观测与数字地球科学中心、中国科学院西安光学精密机械研究所、东北大学、上海交通大学等单位的科学家进行联合攻关。这些单位都是国内对地观测、信息技术、 环境等领域的知名研究机构，具
40、有深厚的科学积淀。 项目组人员结构合理，由 3 位长江学者特聘教授、2 位国家杰出青年科学基金获得者、百人 计划1 名、全国百篇优秀博士论 文获得者 1 名、 11 位教授和一批朝气蓬勃的青年科技工作者组成。项目组成员长 期从事环境安全、防灾减灾、 应急管理、地质工程、地球探测、定量遥感、电子信息、决策支持、网络服务等领域的科学研究与工程实践，在环 境安全遥感监测方面 进行了大量的前期研究工作，在传感网、 语义网、传感器网络、航天航空遥感数据智能化处理、空 间信息决策支持、地球空间信息网络服务开展了实质性的研究工作，积累了坚实的研究基础和丰富的实际工作经验，这 些都为本项目的顺 利实施提供了技
41、术保证。（五）课题设置以及课题之间的相互关系1. 课题设置本项目的课题设置、课题主要研究内容、科学目标、承担单位、负责人及课题在整个项目经费中所占比例如下：课题 1、对地观测传感网耦合模型与建模理论1）主 要 研 究 内 容对地观测传感网系统耦合架构对地观测传感网资源描述模型 对地观测传感网资源语义动态建模方法多传感器最优观测模型2）研 究 目 标研究对地观测传感网的系统结构体系和传感器优化布局方法，提出空天地传感器资源描述模型和观测任务与传感网观测能力映射方法，建立 对地观测传感网最优观测模型，为异构观测资源共享和多传感器优化布局奠定理论与方法基础。3）主 要 承 担 单 位 ：武汉大学4）
42、课 题 负 责 人 ：陈 能 成5）主 要 学 术 骨 干 ：王 伟 、严 颂 华 、王 超 、陈 旭6）经 费 比 例 ：17%课题 2、事件驱动的空天地多传感器协同观测方法1）主 要 研 究 内 容多传感器智能感知模型与方法空天地协同规划模型与算法对地观测传感网资源自适应组网方法2）研 究 目 标建立对地观测传感网陆表事件检测与应急智能感知模型，实现空天地多传感器协同规划及其自适应组网原理，提出陆表信息变化的自动检测与事件感知方法，形成事件驱动的空天地 协同快速组网观测方法；构建面向服务的、基于地球事件的、多平台、多传感器、多任 务、可 协同规划的实时或准实时空天地一体化观测方法体系。3）
43、主 要 承 担 单 位 ：北 京 师 范 大 学 、东 北 大 学 、武 汉 大 学4）课 题 负 责 人 ：吴 立 新5）主 要 学 术 骨 干 ：刘 善 军 、唐 宏 、王 植 、卜 方 玲6）经 费 比 例 ：14%课题 3、对地观测传感网一体化数据融合与同化方法1）主 要 研 究 内 容离群点分布模型与高精度亚像素配准方法多时-空- 谱 影像序列的一体化融合方法传感网环境下空天地观测数据的同化方法传感网数据与陆面模式的多参数联合同化方法2）研 究 目 标基于传感器数据的成像几何机理、光谱特性、 时空分辨率等特征，研究对地观测传感网环境下多源数据耦合机理。利用离群点模型、群集智能方法、数
44、据信息融合与同化技术手段，建立多源数据的精确快速自动配准、空天地观测网数据与定量模型同化、多源数据信息融合的理论和方法体系。为实现快速、精确、全面地获取复杂时空环境动态信息提供技术支持。3）主 要 承 担 单 位 ：中 山 大 学 、武 汉 大 学4）课 题 负 责 人 ：黎 夏5）主 要 学 术 骨 干 ：刘 小 平 、艾 彬 、宋 鹰 、杜 国 明6）经 费 比 例 ：14%课题 4、多源异质数据的信息提取与快速变化检测1）主 要 研 究 内 容多源异质数据的描述与归一化基于对地观测传感网的快速信息提取基于对地观测传感网的自动变化分析基于对地观测传感网的事件分析2）研 究 目 标发展基于对
45、地观测传感网的环境信息提取及动态变化分析的新理论与新方法，为对 地观测传感网数据 处理提供共性技术和面向陆表环境监测的参数集。3）主 要 承 担 单 位 ：华 东 师 范 大 学 、中 国 科 学 院 西 安 光 学 精 密 机 械 研 究 所4）课 题 负 责 人 ：张 桂 戌 5）主 要 学 术 骨 干 ：袁 媛 、沈 超 敏 、曹 桂 涛 、黎 芳6）经 费 比 例 ：14%课题 5、面向任务的对地观测传感网信息聚焦服务模型1）主 要 研 究 内 容典型任务的描述和分解方法传感网信息聚焦服务模式传感网资源搜索机制和方法传感网服务组合与优化2）研 究 目 标建 立 面 向 任 务 的 空
46、天 地 一 体 化 对 地 观 测 传 感 网 信 息 聚 焦 服 务 模 型 、理 论 和 方法 体 系 ，带 动 和 实 现 观 测 资 源 、信 息 模 型 与 处 理 以 及 应 用 方 法 的 有 机 关 联 ，通 过 网络 化 服 务 协 作 实 现 快 速 反 应 服 务 ，为 陆 表 监 测 与 应 急 响 应 服 务 系 统 建 立 奠 定 理 论与 方 法 基 础 。3）主 要 承 担 单 位 ：武 汉 大 学 中国科学院对地观测 与数字地球科学中心、上海 交 通 大 学4）课 题 负 责 人 ：张 良 培5）主 要 学 术 骨 干 ：乐 鹏 、樊 启 斌 、王 思 远 、
47、赵 宇 明6）经 费 比 例 ：24%课题 6、我国典型地区陆表环境综合观测与信息模拟1）主 要 研 究 内 容基于空天地一体化对地观测传感网的典型区综合观测实验基于对地观测传感网的典型区大气环境信息模拟基于对地观测传感网的典型区地表水环境信息模拟基于对地观测传感网的典型区地表移动与形变环境信息模拟2）研 究 目 标通 过 本 课 题 的 研 究 ，提 出 水 体 、地 质 、大 气 环 境 综 合 观 测 传 感 网 构 建 与 信 息 模拟 方 法 ，创 建 环 境 安 全 监 测 与 信 息 模 拟 预 警 综 合 理 论 与 技 术 方 法 体 系 框 架 ，为 空天 地 一 体 化
48、对 地 观 测 传 感 网 的 理 论 、方 法 提 供 实 验 与 技 术 支 持 。3）主 要 承 担 单 位 ：武 汉 大 学4）课 题 负 责 人 ：李 德 识5）主 要 学 术 骨 干 ：王 祖 武 、江 昊 、陈 健 、孙 涛6）经 费 比 例 ：17%2. 课题设置思路与各课题之间的关系通过跨学科、跨部门地组织国内教学和科研相关部门的中坚力量，立足于国内外高分辨率、高光谱、雷达以及各种传感器观测数据，研究对地观测传感网的体系构架、协同观测、智能处理与聚焦服务的基础理 论和方法。按照 项目研究目标和科学问题拟设六个课题展开深入研究，设置思路如下：第一课题主要研究对地观测传感网的系统
49、理论体系和优化布局方法，建立顾及系统结构、观测能力和 观测任务的观测模型， 为 第二课题的多传感器协同观测提供最优化的观测模型。第二课题主要研究对地观测传感网的事件感知机理及事件驱动的协同观测机制，建立事件智能感知模型、空天地协同规划模型、传感器自适应组网及网络资源应急配置方法，实现传 感网资源的网络化协同服务，为后续课题的开展提供协同观测方法支持。第三课题是在建立的对地观测传感网环境下，研究空天地多源海量观测数据融合与同化的理论方法， 实现多源传感器数据在时间、空间和光谱域的高精度同化和多层信息融合，为课题 四提供更为准确的观测数据。第四课题是在第三课题提供的多源高精度数据的基础上，研究基于对地观测传感网的信息处理共性技术，实现地球陆表关键参数的高精度快速提取及其动态变化分析，为第五课题的聚焦服务提供参数集。第五课题研究对地观测传感网信息处理功能网络化服务方法、典型任务的描述和分解方法、任务与传 感网信息资源的映射模型，实现面向任务的聚焦服务运行机制，也是本项目研究的最终目的。第六课题研究实验平台的构建，选择典型试验区域进行大气、水、 陆表的信息综合观测实验与信息模拟研究，目的是要对各课题的开展以及本项目发展的理论与方法提供实验与验证手段的支持。六课题之间的整体关系如下图所示：综 合 验 证 综 合 验 证 课题 5：面向任
