基于圖像的打擊效果評估研究綜述＊

陳 麒 祝明波 劉旭東

（1.海軍航空工程學院電子信息工程系 煙臺 264001）（2.海軍航空工程學院科研部 煙臺 264001）

1 引言

打擊效果評估（Battle Damage Assessment，BDA）又稱毀傷效果評估［1］，是指對目標實施火力打擊以后，通過一定的偵察手段獲取其毀傷信息，及時精確的評估毀傷情況，并據此決定后續作戰計劃。打擊效果評估是實現精確打擊不可缺少的環節，其作用是了解武器對目標造成的影響，以便制定下一步打擊策略，決定是否有必要再次打擊。在現代化高技術戰爭中，及時有效的打擊效果評估對決策后續戰役行動、加速戰役進程、節約戰爭成本、提高整體作戰效能具有十分重要的意義。隨著遙感技術的發展，衛星、無人機等平臺獲取的遙感圖像能夠實時提供大量戰場信息，因此，開展基于圖像的打擊效果評估技術研究具有重要的軍事價值和良好的應用前景［2］。本文回顧了打擊效果評估的發展歷程，分析其研究現狀，總結現有的打擊效果評估方法和評估模型及它們的優缺點，并指出了需要進一步研究的問題。

2 起源與發展

打擊效果評估起源于第一次世界大戰期間，美國空軍決策者為了解轟炸效果開始向機組人員索要目標毀傷照片。在以后的戰爭中，打擊效果評估技術不斷發展［3］，信息收集手段從偵察機發展到偵察衛星，評估方法由早期的人工判圖發展為人機交互判圖。

在近年來的幾次局部戰爭中，美國采用反復轟炸、全方位偵察和及時評估打擊效果等高科技手段，取得了較好的效果，基于圖像分析的打擊效果評估技術得到大量應用。由于在戰爭中的卓越表現，打擊效果評估引起了國際社會的廣泛關注，成為當今世界的一個熱門研究領域，2002年底和2003年初，在短短兩個月時間內接連有兩場關于打擊效果評估的國際性會議在加拿大和英國召開，參加會議的各國政府官員、軍方代表和科學家對打擊效果評估的諸方面進行了深入探討。目前美國在這一領域處于領先地位，據報道，美國國防部高級研究計劃署（DARPA）正在進行“實時打擊效果評估（R／T BDA）”項目的研究，這個項目將研發新技術，從雷達圖像中實現對機動目標的打擊效果自動評估，并實時提供評估信息以滿足作戰決策需要。

我國打擊效果評估研究起步較晚，技術相對落后，但是受到了軍方的高度重視，已經成立了相關國防預研項目進行研究，部分學者在基于圖像的打擊效果評估方面進行了有意義的探索，取得了一定的成果，促進了我國打擊效果評估研究的發展。

3 研究現狀

目前國內外的研究集中在基于光學圖像和SAR圖像的打擊效果評估方面，基于圖像的打擊效果評估包括目標信息獲取、毀傷信息提取和毀傷結果判定幾個過程。毀傷信息提取是指從遙感圖像中提取目標毀傷特征。毀傷結果判定則要根據目標的毀傷信息，結合評估模型，得出評估結果。要想深入了解打擊效果評估，首先要了解打擊效果評估的三個層次。

3.1 評估層次

美國聯合參謀部發布的目標選擇與打擊的情報支援［4］（JP2－01.1）中，將目標毀傷評估準確的描述為三個階段，即初始評估（物理毀傷）、補充評估（功能毀傷）和目標系統評估?；趫D像的打擊效果評估可以利用分級評估的思想，從物理級毀傷評估、功能級毀傷評估和系統級毀傷評估三個層次進行。

物理級毀傷評估即根據圖像上提取出的目標結構信息，從物理層面來計算分析目標的毀傷程度；功能級毀傷是指目標執行預定任務的能力受到摧毀的情況，可以根據物理級毀傷評估的結果對目標功能級毀傷進行定性定量評估；從物理級、功能級毀傷情況進行分析推斷，可以得到目標的系統級毀傷，在系統層面上對目標毀傷情況進行評估，是打擊效果評估的最高層次。

分級評估是指結合評估模型在物理級、功能級和系統級三個層面上進行打擊效果評估。通過這三個層面逐層深入，可以對目標的毀傷程度實現準確的評估，為軍事決策提供可靠的參考信息。

3.2 評估方法

毀傷信息的提取是打擊效果評估的基礎，根據現有的研究成果，基于圖像的打擊效果方法按照毀傷信息提取方式的不同可以分為以下三類：

1）基于變化檢測的打擊效果評估

這種方法主要針對打擊前后圖像同時存在的情況，將打擊前后的圖像配準，從打擊前后的圖像中提取出目標，依據它們之間的變化信息進行評估，具體流程如圖1所示。

圖1 基于變化檢測的打擊效果評估流程

此方法要求打擊前后圖像拍攝地點、角度變化不大，且打擊前后的兩幅圖像背景大致相同，適用于建筑、機場等地面固定目標的打擊效果評估。

Yu S H［5］提出了在像素級上對打擊前后雷達圖像進行變化檢測的評估方法。馬波［6］通過對比打擊前后圖像上機場跑道的變化，設計評估準則，很大程度上實現了機場打擊效果評估的自動化與智能化。付文憲［7］研究了基于特征提取的SAR圖像理解問題，提出了基于打擊前后目標幾何特征與紋理特征［8］對比的評估方法，對于基于圖像的打擊效果評估研究有著重要的指導意義。蘇娟［9］、尤曉建［10］、陳和彬［11］、牛鵬輝［12］將基于特征對比的評估方法用于建筑、艦船、機場等目標的打擊效果評估中，取得了較好的效果。任毅［13］通過分析圖像序列一維質心的變化，實現了對空中目標的打擊效果評估。

傳統的基于像素級的變化檢測方法對圖像配準精度要求極高，且虛警率較高?；谀繕颂卣鞯淖兓瘷z測方法通過提取目標特征避免直接在像素級上進行比較，適用于人造目標的打擊效果評估，核心是特征的選擇與提取。

這種方法能濾除敵人偽造的毀傷信息，不足之處是計算時間長、定位精度差，關鍵在于打擊前后圖像配準的精度，可以結合偵察平臺成像位置和成像參數等信息來提高配準精度和速度。

2）基于自動目標識別的打擊效果評估

該方法主要針對只有打擊后圖像的情況，通過對打擊后圖像進行處理，識別出目標與毀傷區域（如彈坑），進而評估毀傷效果。具體流程如圖2所示。

圖2 基于自動目標識別的打擊效果評估流程

這里的自動目標識別是指根據圖像上提取的目標幾何特征和紋理特征，通過模式識別的方式確定目標和毀傷區域，該方法適用于大中型人造目標的打擊效果評估。

于國榮［14］研究分析了基于遙感圖像的導彈打擊效果物理評估過程中采用的相關算法，并對目標特征提取與參數計算進行了詳細介紹。尤曉建［15］采用目標識別的方法，直接在打擊后圖像上進行機場跑道識別、彈坑檢測，然后根據檢測結果進行評估。蒲剛［16］根據彈坑在圖像上的灰度特點，改進了基于鄰域灰度差值的彈坑識別算法并應用到打擊效果評估當中。

與基于變化檢測的評估方法相比，該方法虛警率低，運算量少。目標特征的提取與識別是該方法的關鍵，但是各類目標特性的差異給目標識別帶來了困難，現有的目標自動識別算法還無法滿足實時打擊效果評估的需求。

3）基于專家知識庫的打擊效果評估

這種方法同樣針對只有打擊后的圖像的情況，這時需要結合先驗知識，在專家知識庫的基礎上進行打擊評估，具體流程如圖3所示。

圖3 基于專家知識庫打擊效果評估流程

專家知識庫包括數據庫、知識庫和推理機等模塊。數據庫存放目標的種類、關鍵部位分類、關鍵部位模板和關鍵部位特征等，知識庫存放決策系統的評估規則集，推理機實現評估規則集的匹配，并將評估成功的樣本存入數據庫，更新知識庫。

席大春［17］和董漢清［18］利用目標的關鍵部位模板，采用匹配的方式在打擊后的圖像上搜索目標關鍵部位，計算匹配置信度得到毀傷信息，進行打擊效果評估?；谥R庫打擊效果評估的關鍵在于毀傷部位的定位，通過打擊后圖像與數據庫中目標先驗知識進行比較，可以確定毀傷部位，獲得目標毀傷信息。該方法對于大型復雜目標的評估有較好的效果，不足之處是需要建立的模板數太多，很難建立完整的數據庫，評估過程運算量大。

以上三種方法可以檢測目標的物理級毀傷，根據物理級毀傷信息在功能級層面上進行定性定量分析，最終實現系統級層面的打擊效果評估。

3.3 評估模型

打擊效果評估不僅針對單個簡單目標單元，還面向大型復雜目標和多個子目標組成的系統目標。大型復雜目標按功能分為不同子目標單元，同樣可以看做系統目標。各子目標的毀傷效果存在著累積、級聯、多次等關系，系統整體毀傷效果并不是子目標毀傷效果的簡單疊加。因此，建立一個科學合理的評估模型對于打擊效果評估至關重要，影響著最終評估結果的正確性。海灣戰爭以后，美國針對戰爭中打擊效果評估存在的缺陷，建立了多種評估模型，如Franzen D W提出的基于貝葉斯網絡的評估模型［19］，綜合利用各種信息進行有形損傷評估。為了減少專家判斷帶來的主觀因素影響，部分專家學者開展了打擊效果評估模型的研究?，F有的評估模型按運行方式可分為：分層加權求和模型、串并聯模型和網絡圖模型。評估模型中一般采用目標受打擊以后的作戰效能E來衡量毀傷程度。

1）分層加權求和模型［20］

模型將系統按功能進行分級，不同層次的目標賦予不同的權重，自下而上對打擊效果進行加權求和，權重的確立要結合實驗數據和已有經驗。姜浩［21］、苗啟廣［22］根據機場目標的特點，提出基于層次分析法和模糊評判法的評估模型。

在應用這種模型的過程中要注意適用范圍，同質目標的毀傷效果才能相加。

2）串并聯模型［23］

模型將子目標之間按串聯、并聯和串并聯功能邏輯關系劃分。在串聯模型中，系統目標中各子目標聯系緊密，相互依存，單個子目標的毀傷對系統目標的影響很大。并聯模型中，各子目標相互獨立，只要有一個子目標沒被摧毀，系統就能正常工作。串并聯模型是對上述兩種模型的綜合，子目標按功能組成串聯、并聯等關系。顏潔［24］通過變化檢測提取出機場目標毀傷信息，結合串并聯模型，評估了目標作戰性能所受影響。李文章［25］分析了體系目標的特點，將串并聯模型應用于體系目標的毀傷效果評估中。

這種模型的缺點是將子目標之間的關系看得過于簡單，實際計算中系統效能會有所損失。

3）網絡圖模型［26］

系統子目標的毀傷效果之間存在累積、級聯、多次等關系，上述兩種模型對每個子目標的毀傷效果僅計算一次，忽略了一個子目標對多個子目標起作用的情況，因此計算中存在紕漏。網絡圖模型考慮到系統目標的復雜性，克服了上述兩種模型存在的缺陷。在網絡圖模型中，一個子目標的效能不僅與自身有關，還和其他子目標對它的作用有關。這種模型能很好的體現系統目標中毀傷效果的復雜關系，是較為科學合理的模型。李大偉［27］提出了基于集對分析的評估模型，深刻反應了機場目標的系統特征，全面考慮了子目標的相互關系，評估結果合理且為指揮人員提供了比以往更多的信息。

4 有待進一步研究的問題

打擊效果評估涉及了雷達、衛星、圖像處理、模式識別及其他的一些技術方法，美國在這一領域處于領先地位，國內也取得了一定的研究成果，但是在研究中還存在著一些亟待解決的問題：

1）評估信息收集受限。打擊后圖像的缺乏，使得國內打擊效果評估研究進展緩慢。部分學者通過網絡［6］獲取打擊后圖像進行研究，但是由于獲取的圖像數量有限影響研究進展。而實彈打擊實驗獲取圖像的方式成本太高，因此，依托高性能計算機及程序，建立目標毀傷模型，對目標毀傷規律進行模擬，是實現高效率、低耗費打擊效果評估研究的必然趨勢。計算機打擊效果仿真研究主要有兩種方法：一是采用三維建模的方法，根據目標材質屬性和武器威力建立爆炸模型，基于已有的試驗和經驗數據模擬武器打擊效果，但是建模的復雜性高，耗費人力物力較大。二是分析毀傷效果與圖像灰度變化之間的關系，直接在圖像上進行處理，得到毀傷后圖像，這種方法簡單易行，成本低廉［28～29］，但是在逼真性方面還有待提高。計算機仿真方法要能真實地反應實際情況，獲得預期的目標毀傷效果，才能促進打擊效果評估研究的發展。

2）現有圖像處理技術無法滿足要求?；趫D像的打擊效果評估要結合許多圖像處理技術，如圖像分割、圖像匹配、變化檢測等，每種算法都有其具體的適用領域，如何根據打擊效果評估的要求選取和設計合適的算法也是具有重要意義的研究難點?；谀繕颂卣鲗Ρ鹊拇驌粜Чu估和基于自動目標識別的打擊效果評估方法中，目標提取是評估的基礎，由于不同目標在圖像中表現特性不同，所要求的提取算法也不同，相關文獻中采用的空間二維匹配濾波、Otsu等提取算法都存在著運算速度慢的問題，并且提取效果受圖像中目標特性影響?；趯＜抑R庫的打擊效果評估方法中，模板匹配的精度影響著評估結果，但是模板匹配的局限在于只能進行平移，對于旋轉或大小變化的情況無能為力，現實情況更為復雜，對圖像匹配算法提出了更高的要求。

3）評估模型有待完善。不同的人造目標結構、功能也各不相同，各目標的打擊效果評估模型不具有通用性，恰當的打擊效果評估要在對目標有一定了解的基礎上進行。隨著武器系統性能的提高，打擊效果評估的標準也要及時更新。評估模型的建立需對武器性能和目標特性有深入的了解，能準確反應目標系統毀傷情況，而且要根據實驗數據或經驗確定合適的指標?，F有的評估模型中仍存在一些問題，如：不能全面反應模型中子目標之間的復雜關系、物理毀傷到功能毀傷的映射函數難以建立等，都有待進一步研究以擴大模型的適用范圍。

5 結語

基于圖像的打擊效果評估作為一個多學科交叉的熱門研究領域，很多方面需要深入研究。實時和準確是衡量打擊效果評估的兩大指標，實時打擊效果評估需要提高毀傷信息提取速度，而準確打擊效果評估則要求建立科學合理的評估模型。開展基于圖像的打擊效果評估研究對于我軍戰斗力和國防威懾力的提高具有重要的意義，實時準確的打擊效果評估系統的建立需要我們不斷的探索。

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