空天地一体化对地观测传感网的理论与方法

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，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。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、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