数据融合技术在林业中的发展论文

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摘要:介绍了数据融合技术的基本概念和内容,分析了该技术在森林防火、森林蓄积特征的估计和更新、森林资源调查等方面的应用,提出该技术可应用于木材无损检测及精确林业。融合机器视觉、X射线等单一传感器技术检测木材及木制品,可以更准确地实时检测出木材的各种缺陷;集成GPS、GIS、RS及各种实时传感器信息,利用智能决策支持系统以及可变量技术,能够实现基于自然界生物及其赖以生存的环境资源的时空变异性的客观现实,建立基于信息流融合的精确林业系统。

关键词:数据融合传感器无损检测精确林业应用

多传感器融合系统由于具有较高的可靠性和鲁棒性,较宽的时间和空间的观测范围,较强的数据可信度和分辨能力,已广泛应用于军事、工业、农业、航天、交通管制、机器人、海洋监视和管理、目标跟踪和惯性导航等领域[1,2]。笔者在分析数据融合技术概念和内容的基础上,对该技术在林业工程中的应用及前景进行了综述。

1数据融合

1.1概念的提出

1973年,数据融合技术在美国国防部资助开发的声纳信号理解系统中得到了最早的体现。70年代末,在公开的技术文献中开始出现基于多系统的信息整合意义的融合技术。1984年美国国防部数据融合小组(DFS)定义数据融合为:“对多源的数据和信息进行多方的关联、相关和综合处理,以更好地进行定位与估计,并完全能对态势及带来的威胁进行实时评估”。

1998年1月,Buchroithner和Wald重新定义了数据融合:“数据融合是一种规范框架,这个框架里人们阐明如何使用特定的手段和工具来整合来自不同渠道的数据,以获得实际需要的信息”。

Wald定义的数据融合的概念原理中,强调以质量作为数据融合的明确目标,这正是很多关于数据融合的文献中忽略但又是非常重要的方面。这里的“质量”指经过数据融合后获得的信息对用户而言较融合前具有更高的满意度,如可改善分类精度,获得更有效、更相关的信息,甚至可更好地用于开发项目的资金、人力资源等[3]。

1.2基本内容

信息融合是生物系统所具备的一个基本功能,人类本能地将各感官获得的信息与先验知识进行综合,对周围环境和发生的事件做出估计和判断。当运用各种现代信息处理方法,通过计算机实现这一功能时,就形成了数据融合技术。

数据融合就是充分利用多传感器资源,通过对这些多传感器及观测信息的合理支配和使用,把多传感器在空间或时间上的冗余或互补信息依据某些准则进行组合,以获得被测对象的一致性解释或描述。数据融合的内容主要包括:

(1)数据关联。确定来自多传感器的数据反映的是否是同源目标。

(2)多传感器ID/轨迹估计。假设多传感器的报告反映的是同源目标,对这些数据进行综合,改进对该目标的估计,或对整个当前或未来情况的估计。

(3)采集管理。给定传感器环境的一种认识状态,通过分配多个信息捕获和处理源,最大限度地发挥其性能,从而使其操作成本降到最低。传感器的数据融合功能主要包括多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测[4]。

根据融合系统所处理的信息层次,目前常将信息融合系统划分为3个层次:

(l)数据层融合。直接将各传感器的原始数据进行关联后,送入融合中心,完成对被测对象的综合评价。其优点是保持了尽可能多的原始信号信息,但是该种融合处理的信息量大、速度慢、实时性差,通常只用于数据之间配准精度较高的图像处理。

(2)特征层融合。从原始数据中提取特征,进行数据关联和归一化等处理后,送入融合中心进行分析与综合,完成对被测对象的综合评价。这种融合既保留了足够数量的原始信息,又实现了一定的数据压缩,有利于实时处理,而且由于在特征提取方面有许多成果可以借鉴,所以特征层融合是目前应用较多的一种技术。但是该技术在复杂环境中的稳健性和系统的容错性与可靠性有待进一步改善。

(3)决策层融合。首先每一传感器分别独立地完成特征提取和决策等任务,然后进行关联,再送入融合中心处理。这种方法的实质是根据一定的准则和每个决策的可信度做出最优的决策。其优点是数据通讯量小、实时性好,可以处理非同步信息,能有效地融合不同类型的信息。而且在一个或几个传感器失效时,系统仍能继续工作,具有良好的容错性,系统可靠性高,因此是目前信息融合研究的一个热点。但是这种技术也有不足,如原始信息的损失、被测对象的时变特征、先验知识的获取困难,以及知识库的巨量特性等[5,6]。

1.3处理模型

美国数据融合工作小组提出的数据融合处理模型[7],当时仅应用于军事方面,但该模型对人们理解数据融合的基本概念有重要意义。模型每个模块的基本功能如下:

数据源。包括传感器及其相关数据(数据库和人的先验知识等)。

源数据预处理。进行数据的预筛选和数据分配,以减轻融合中心的计算负担,有时需要为融合中心提供最重要的数据。目标评估。融合目标的位置、速度、身份等参数,以达到对这些参数的精确表达。主要包括数据配准、跟踪和数据关联、辨识。

态势评估。根据当前的环境推断出检测目标与事件之间的关系,以判断检测目标的意图。威胁评估。结合当前的态势判断对方的威胁程度和敌我双方的攻击能力等,这一过程应同时考虑当前的政治环境和对敌策略等因素,所以较为困难。

处理过程评估。监视系统的性能,辨识改善性能所需的数据,进行传感器资源的合理配置。人机接口。提供人与计算机间的交互功能,如人工操作员的指导和评价、多媒体功能等。

2多传感器在林业中的应用

2.1在森林防火中的应用

在用MODIS(ModerateResolutionImagingSpectroradiometer)数据测定森林火点时的20、22、23波段的传感器辐射值已达饱和状态,用一般图像增强处理方法探测燃烧区火点的结果不理想。余启刚运用数据融合技术,在空间分辨率为1000m的热辐射通道的数据外加入空间分辨率为250m的可见光通道的数据,较好地进行了不同空间分辨率信息的数据融合,大大提高了对火点位置的判断准确度[8]。为进一步提高卫星光谱图像数据分析的准确性与可靠性,利用原有森林防火用的林区红外探测器网,将其与卫星光谱图像数据融合,可以使计算机获得GPS接收机输出的有关信息通过与RS实现高效互补性融合,从而弥补卫星图谱不理想的缺失区数据信息,大大提高燃烧区火点信息准确度和敏感性。

2.2森林蓄积特征的估计

HampusHolmstrom等在瑞典南部的试验区将SPOT-4×S卫星数据和CARABAS-IIVHFSAR传感器的雷达数据进行了融合,采用KNN(knearestneighbor)方法对森林的蓄积特征(林分蓄积、树种组成与年龄)进行了估计[9]。

KNN方法就是采用目标样地邻近k个(k=10)最近样地的加权来估计目标样地的森林特征。研究者应用卫星光谱数据、雷达数据融合技术对试验区的不同林分的蓄积特征进行估计,并对三种不同的数据方法进行误差分析。试验表明,融合后的数据作出的估计比单一的卫星数据或雷达数据的精度高且稳定性好。

2.3用非垂直航空摄像数据融合GIS信息更新调查数据

森林资源调查是掌握森林资源现状与变化的调查方法,一般以地面调查的方法为主,我国5年复查一次。由于森林资源调查的工作量巨大,且要花费大量的人力、物力和资金。国内外许多学者都在探索航空、航天的遥感调查与估计方法。

TrevorJDavis等2002年提出采用非垂直的航空摄影数据融合对应的GIS数据信息实现森林调查数据的快速更新,认为对森林资源整体而言,仅某些特殊地区的资源数据需要更新。在直升飞机侧面装上可视的数字摄像装置,利用GPS对测点进行定位,对特殊地区的摄像进行拍摄,同时与对应的GIS数据进行融合,做出资源变化的估计或影像的修正[10]。

试验表明,融合后的数据可以同高分辨率矫正图像相比,该方法花费少,精度高,能充分利用影像的可视性,应用于偏远、地形复杂、不易操作、成本高的区域,同时可避免遥感图像受云层遮盖。

3数据融合在林业中的应用展望

3.1在木材检测中的应用

3.1.1木材缺陷及其影响

木材是天然生长的有机体,生长过程中不可避免地有尖削度、弯曲度、节子等生长缺陷,这些缺陷极大地影响了木材及其制品的优良特性,以及木材的使用率、强度、外观质量,并限制了其应用领域。在传统木制品生产过程中,主要依靠人的肉眼来识别木材缺陷,而木材板材表面缺陷在大小、形状和色泽上都有较大的差异,且受木材纹理的影响,识别起来非常困难,劳动强度大,效率低,同时由于熟练程度、标准掌握等人为因素,可能造成较大的误差。另外在集成材加工中,板材缺陷的非双面识别严重影响了生产线的生产节拍。因此必须开发一种能够对板材双面缺陷进行在线识别和自动剔除技术,以解决集成材加工中节子人工识别误差大、难以实现双面识别、剔除机械调整时间长等问题。

3.1.2单一传感器在木材检测中的应用

对木材及人造板进行无损检测的方法很多,如超声波、微波、射线、机械应力、震动、冲击应力波、快速傅立叶变换分析等检测方法[11,12]。超声技术在木材工业中的应用研究主要集中在研究声波与木材种类、木材结构和性能之间的关系、木材结构及缺陷分析、胶的固化过程分析等[13]。

随着计算机视觉技术的发展,人们也将视觉传感器应用于木材检测中。新西兰科学家用视频传感器研究和测量了纸浆中的纤维横切面的宽度、厚度、壁面积、壁厚度、腔比率、壁比率等,同时准确地测量单个纤维和全部纤维的几何尺寸及其变化趋势,能够区分不同纸浆类型,测定木材纤维材料加固结合力,并动态地观察木材纤维在材料中的结合机理。

新西兰的基于视觉传感器的板材缺陷识别的软件已经产业化,该软件利用数码相机或激光扫描仪采集板材的图像,自动识别板材节子和缺陷的位置,控制板材的加工。该软件还具有进行原木三维模型真实再现的计算机视觉识别功能,利用激光扫描仪自动采集原木的三维几何数据。

美国林产品实验室利用计算机视觉技术对木材刨花的尺寸大小进行分级,确定各种刨花在板中的比例和刨花的排列方向;日本京都大学基于视觉传感器进行了定向刨花板内刨花定向程度的检测,从而可以通过调整定向铺装设备优化刨花的排列方向来提高定向刨花板的强度。

在制材加工过程中,利用计算机视觉技术在线实时检测原木的形状及尺寸,选择最佳下锯方法,提高原木的出材率。同时可对锯材的质量进行分级,实现木材的优化使用;在胶合板的生产过程中,利用计算机视觉技术在线实时检测单板上的各种缺陷,实现单板的智能和自动剪切,并可测量在剪切过程中的单板破损率,对单板进行分等分级,实现自动化生产过程。Wengert等在综合了大量的板材分类经验的基础上,建立了板材分级分类的计算机视觉专家系统。在国内这方面的研究较少,王金满等用计算机视觉技术对刨花板施胶效果进行了定量分析[14]。

X射线对木材及木质复合材料的性能检测已得到了广泛的应用,目前该技术主要应用于对木材密度、含水率、纤维素相对结晶度和结晶区大小、纤维的化学结构和性质等进行检测,并对木材内部的各种缺陷进行检测。

3.1.3数据融合在木材检测中的应用展望

单一传感器在木材工业中已得到了一定程度的应用,但各种单项技术在应用上存在一定的局限性。如视觉传感器不能检测到有些与木材具有相同颜色的节子,有时会把木板上的脏物或油脂当成节子,造成误判,有时也会受到木材的种类或粗糙度和湿度的影响,此外,这种技术只能检测部分表面缺陷,而无法检测到内部缺陷;超声、微波、核磁共振和X射线技术均能测量密度及内部特征,但是它们不能测定木材的颜色和瑕疵,因为这些缺陷的密度往往同木板相同。因此,一个理想的检测系统应该集成各种传感技术,才能准确、可靠地检测到木材的缺陷[15,16]。

基于多传感器(机器视觉及X射线等)数据融合技术的木材及木制品表面缺陷检测,可以集成多个传统单项技术,更可靠、准确地实时检测出木材表面的各种缺陷,为实现木材分级自动化、智能化奠定基础,同时为集裁除锯、自动调整、自动裁除节子等为一身的新型视频识别集成材双面节子数控自动剔除成套设备提供技术支持。

3.2在精确林业中的应用

美国华盛顿大学研究人员开展了树形自动分析、林业作业规划等研究工作;Auburn大学的生物系统工程系和USDA南方林业实验站与有关公司合作开展用GPS和其他传感器研究林业机器系统的性能和生产效率。

目前单项的GPS、RS、GIS正从“自动化孤岛”形式应用于林业生产向集成技术转变。林业生产系统作为一个多组分的复杂系统,是由能量流动、物质循环、信息流动所推动的具有一定的结构和功能的复合体,各组分间的关系和结合方式影响系统整体的结构和功能。因此应该在计算机集成系统框架下,有效地融合GPS、GIS、RS等数据,解决这些信息在空间和时间上的质的差异及空间数据类型的多样性,如地理统计数据、栅格数据、点数据等。利用智能DSS(决策支持系统)以及VRT(可变量技术)等,使林业生产成为一个高效、柔性和开放的体系,从而实现林业生产的标准化、规范化、开放性,建立基于信息流融合的精确林业系统。

南京林业大学提出了“精确林业工程系统”[17]。研究包括精确林业工程系统的领域体系结构、随时空变化的数据采集处理与融合技术、精确控制林业生产的智能决策支持系统、可变量控制技术等,实现基于自然界生物及其所赖以生存的环境资源的时空变异性的客观现实,以最小资源投入、最小环境危害和最大产出效益为目标,建立关于林业管理系统战略思想的精确林业微观管理系统。

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