蒲 剛 許 鵬 任 平 薛置瀅

（1.第二炮兵指揮學(xué)院研究生管理大隊(duì) 武漢 430012）（2.第二炮兵指揮學(xué)院信息作戰(zhàn)教研室 武漢 430012）

1 引言

在最近的幾場(chǎng)高技術(shù)條件下局部戰(zhàn)爭(zhēng)中，空襲已經(jīng)成為重要作戰(zhàn)樣式，而機(jī)場(chǎng)作為空軍遂行空襲任務(wù)的重要依托，是飛機(jī)著陸、停放及組織保障飛行活動(dòng)的主要場(chǎng)所。因而，對(duì)敵方機(jī)場(chǎng)實(shí)施摧毀是敵對(duì)雙方的重要作戰(zhàn)行動(dòng)之一。一般說(shuō)來(lái)，機(jī)場(chǎng)位于縱深地域，因此，對(duì)敵機(jī)場(chǎng)毀傷信息的獲取主要依靠衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)來(lái)進(jìn)行偵察，利用圖像處理和分析技術(shù)進(jìn)行打擊效果評(píng)估是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

機(jī)場(chǎng)目標(biāo)一般由飛機(jī)活動(dòng)區(qū)（包括跑道、滑行道、聯(lián)絡(luò)道和停機(jī)坪）、作戰(zhàn)指揮保障設(shè)施（包括指揮、導(dǎo)航設(shè)施）、作戰(zhàn)勤務(wù)設(shè)施（包括油庫(kù)、機(jī)庫(kù)、彈藥庫(kù)、航材庫(kù)和供電、修理設(shè)施等）、營(yíng)區(qū)等部分組成。由于機(jī)場(chǎng)指揮、保障設(shè)施的多樣性和可替代性，一般不宜被癱瘓，但機(jī)場(chǎng)的起降跑道是飛機(jī)作戰(zhàn)必須場(chǎng)所，屬易損部位，可作為機(jī)場(chǎng)的要害進(jìn)行打擊。常規(guī)導(dǎo)彈打擊機(jī)場(chǎng)跑道一般使用侵徹子母彈，可以達(dá)到壓制或癱瘓的目的。

本文充分利用圖像處理和分析技術(shù)，研究基于最長(zhǎng)跑道距離的機(jī)場(chǎng)跑道毀傷效果評(píng)估方法，著重研究毀傷后機(jī)場(chǎng)跑道彈坑識(shí)別算法和機(jī)場(chǎng)的最長(zhǎng)跑道距離提取算法。

2 毀傷后機(jī)場(chǎng)跑道彈坑識(shí)別

毀傷后機(jī)場(chǎng)跑道圖像的彈坑檢測(cè)主要是通過(guò)分析彈坑的灰度、形狀、大小、紋理等特征，通過(guò)圖像處理、模式識(shí)別等方法將毀傷后機(jī)場(chǎng)跑道圖像中的彈坑檢測(cè)出來(lái)。為了識(shí)別毀傷圖像上的彈坑目標(biāo)，相關(guān)文獻(xiàn)提出通過(guò)建立彈坑模板庫(kù)的方法將模板庫(kù)中的彈坑模板圖像與毀傷后的圖像作相關(guān)性分析，最終檢測(cè)出毀傷區(qū)域，但是這種方法需要建立的模板數(shù)量太多，且很難建立完整的模板庫(kù)。因此，本文針對(duì)毀傷后機(jī)場(chǎng)跑道圖像彈坑的特征，研究一種基于鄰域灰度差值的彈坑識(shí)別算法。

本文通過(guò)分析像素點(diǎn)的灰度值與其八鄰域像素灰度值的關(guān)系來(lái)進(jìn)行彈坑的識(shí)別。在機(jī)場(chǎng)跑道的局部范圍內(nèi)，彈坑與跑道的灰度值變化較大且差值穩(wěn)定，因此可以設(shè)置一個(gè)彈坑與跑道灰度差的閾值，通過(guò)這個(gè)閾值來(lái)識(shí)別機(jī)場(chǎng)跑道上的彈坑，經(jīng)驗(yàn)值可以作為彈坑與跑道灰度差的閾值，但是由于圖像的多變性使得這個(gè)閾值的選取會(huì)隨著圖像的變化而變化，且經(jīng)驗(yàn)值的選取受主觀因素影響較大，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文參考文獻(xiàn)［1］中的方法，對(duì)閾值的計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)。

彈坑與機(jī)場(chǎng)跑道灰度差值的閾值計(jì)算方法由式（1）確定

式（1）中，（minhistqian）和（minhisthou）分別表示毀傷前后機(jī)場(chǎng)跑道圖像的最小灰度值。即用毀傷前后機(jī)場(chǎng)跑道圖像的最小灰度值之差作為毀傷后機(jī)場(chǎng)跑道圖像的彈坑與跑道灰度差的閾值。

彈坑識(shí)別算法如下：

1）計(jì)算毀傷前機(jī)場(chǎng)跑道圖像的最小灰度值（minhistqian），毀傷后機(jī)場(chǎng)跑道圖像的最小灰度值（minhisthou），根據(jù)式（1）計(jì)算閾值Tc。

2）遍歷毀傷后機(jī)場(chǎng)跑道圖像中的每一個(gè)像素，計(jì)算其與鄰域像素（本文取為八鄰域）的灰度差值，并統(tǒng)計(jì)該差值大于Tc的個(gè)數(shù)n。如果n≥5，則該像素為彈坑點(diǎn)；如果0＜n＜5，則該像素為疑似彈坑點(diǎn)。

3）把四鄰域中不存在與中心像素灰度差值大于閾值Tc的疑似彈坑點(diǎn)去掉。

4）將八鄰域與中心像素灰度差值大于閾值Tc的單像素疑似彈坑點(diǎn)添加為彈坑點(diǎn)。

3 機(jī)場(chǎng)的最長(zhǎng)跑道距離提取算法

3.1 機(jī)場(chǎng)最長(zhǎng)跑道距離的定義

機(jī)場(chǎng)跑道遭到子母彈打擊之后，在跑道上散布著不同大小的彈坑。毀傷后機(jī)場(chǎng)跑道上存在著符合某型飛機(jī)最小起降窗口寬度的跑道區(qū)域，其中最長(zhǎng)跑道區(qū)域的長(zhǎng)度稱(chēng)之為毀傷后機(jī)場(chǎng)跑道的最長(zhǎng)跑道距離。毀傷后機(jī)場(chǎng)的最長(zhǎng)跑道距離示意圖如圖1所示。

圖1 毀傷后機(jī)場(chǎng)的最長(zhǎng)跑道距離示意圖

圖1中，標(biāo)數(shù)字的矩形區(qū)域均為符合某型飛機(jī)最小起降窗口寬度的跑道區(qū)域，7號(hào)矩形區(qū)是其中最長(zhǎng)的跑道區(qū)域，因此，7號(hào)矩形區(qū)域的長(zhǎng)度為該毀傷后機(jī)場(chǎng)的最長(zhǎng)跑道距離。

3.2 機(jī)場(chǎng)最長(zhǎng)跑道距離的提取算法

在提取機(jī)場(chǎng)的最長(zhǎng)跑道距離之前，需要檢測(cè)機(jī)場(chǎng)跑道的邊緣，經(jīng)典的邊緣檢測(cè)方法是構(gòu)造差分算子用以檢測(cè)圖像灰度階躍變化。常用的邊緣檢測(cè)算子有Sobel算子、Prewitt算子、RobertCross算子、Laplace算子等。本文選用Sobel算子對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道二值圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)。

提取機(jī)場(chǎng)最長(zhǎng)跑道距離的研究，文獻(xiàn)［2］中的方法是將敵方飛機(jī)的最小起降窗口做成模板，以不同的方向在真實(shí)的毀傷跑道圖中滑動(dòng)，通過(guò)這種方式來(lái)檢測(cè)毀傷跑道圖像中是否存在比最小起降窗口大或與之相等的區(qū)域。根據(jù)毀傷后機(jī)場(chǎng)跑道二值圖像的特點(diǎn)，本文對(duì)文獻(xiàn)［3］中的最長(zhǎng)跑道距離提取算法做了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。機(jī)場(chǎng)上某型飛機(jī)的最小起飛寬度為Wp，最小起飛長(zhǎng)度為L(zhǎng)p。最長(zhǎng)跑道距離提取算法可以描述如下：

1）首先建立一個(gè)列向量W＝［1 1 1…1］T，其行數(shù)為某型飛機(jī)最小起降窗口的寬度，本文中某型飛機(jī)最小起降窗口的寬度為20m，圖像分辨率為4m，因此向量W 的行數(shù)為5，即：W＝［1 1 1 1 1］T。

2）在毀傷后機(jī)場(chǎng)跑道二值圖像中，尋找機(jī)場(chǎng)跑道的邊緣點(diǎn)。采用Sobel算子進(jìn)行機(jī)場(chǎng)跑道的邊緣檢測(cè)。

3）令向量W 的起點(diǎn)依次與跑道邊緣點(diǎn)重合，用向量W和機(jī)場(chǎng)跑道二值圖像作與運(yùn)算，若運(yùn)算結(jié)果等于向量W，則擴(kuò)展向量W 的列數(shù)，重復(fù)作與運(yùn)算，直到結(jié)果不等于向量W 時(shí)，停止運(yùn)算，那么前一次運(yùn)算時(shí)W 的列數(shù)即為該邊緣點(diǎn)在這個(gè)方向上的最長(zhǎng)跑道L（1，1）。

4）將向量W 在該邊緣點(diǎn)上旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，繼續(xù)作第三步的運(yùn)算，可以得到該邊緣點(diǎn)上在一次旋轉(zhuǎn)角度后的最長(zhǎng)跑道L（1，2）。經(jīng)過(guò)計(jì)算，以跑道方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，旋轉(zhuǎn)（－7°，7°）就可以完全搜索出機(jī)場(chǎng)的最長(zhǎng)跑道（L（i，j）≥330），然后得到這個(gè)邊緣點(diǎn)上的最長(zhǎng)跑道距離L（1）由式（2）確定

5）對(duì)每個(gè)邊緣點(diǎn)作第三步和第四步運(yùn)算，分別得到L（1），L（2），L（3），…，其中的最大值為機(jī)場(chǎng)的最長(zhǎng)跑道距離La。

4 機(jī)場(chǎng)跑道毀傷效果評(píng)估

4.1 機(jī)場(chǎng)跑道毀傷效果評(píng)估流程

機(jī)場(chǎng)跑道的毀傷效果評(píng)估流程圖如2圖所示。

圖2 機(jī)場(chǎng)跑道的毀傷效果評(píng)估流程圖

圖2中，需要把毀傷前后的機(jī)場(chǎng)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，將毀傷前機(jī)場(chǎng)跑道的二值圖像和經(jīng)配準(zhǔn)的毀傷后機(jī)場(chǎng)圖像作與運(yùn)算，得到毀傷后的機(jī)場(chǎng)跑道圖像。在毀傷后機(jī)場(chǎng)跑道圖像上進(jìn)行彈坑識(shí)別，然后用經(jīng)本文改進(jìn)的機(jī)場(chǎng)最長(zhǎng)跑道距離提取算法提取出最長(zhǎng)跑道距離。通過(guò)比較機(jī)場(chǎng)的最長(zhǎng)跑道距離和某型飛機(jī)最小起降窗口的長(zhǎng)度來(lái)評(píng)估機(jī)場(chǎng)跑道的毀傷等級(jí)，以此來(lái)指導(dǎo)下一步的作戰(zhàn)決策。

4.2 機(jī)場(chǎng)跑道毀傷等級(jí)劃分方法

判斷機(jī)場(chǎng)跑道目標(biāo)的毀傷等級(jí)，本文對(duì)文獻(xiàn)［3］中的劃分方法進(jìn)行改進(jìn)，建立如式（3）的劃分方法：

式（3）中，La為機(jī)場(chǎng)的最長(zhǎng)跑道距離，Lp為某型飛機(jī)最小起降窗口的長(zhǎng)度。當(dāng)La＞2Lp時(shí)，毀傷等級(jí)μ定為8級(jí)，即μ＝8。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，機(jī)場(chǎng)跑道毀傷等級(jí)的分析評(píng)判原則如表1所示。

表1 機(jī)場(chǎng)跑道毀傷等級(jí)分析評(píng)判原則

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)MATLAB編程實(shí)現(xiàn)了基于鄰域灰度差值的彈坑識(shí)別算法。彈坑識(shí)別的結(jié)果如圖3（b）所示。由圖3（b）可以看出，機(jī)場(chǎng)跑道上的彈坑已經(jīng)被識(shí)別出來(lái)。

圖3 毀傷后機(jī)場(chǎng)圖像和彈坑識(shí)別后的機(jī)場(chǎng)跑道圖像

為了定量描述彈坑識(shí)別的效果，本文參考文獻(xiàn)［4］中評(píng)價(jià)檢測(cè)性能的正確率和虛檢率兩個(gè)指標(biāo)。正確率和虛檢率的表達(dá)式為

式（4）、（5）中，Csum表示毀傷圖像中的彈坑個(gè)數(shù)，Cget表示試驗(yàn)識(shí)別出的彈坑個(gè)數(shù)，Cright表示試驗(yàn)正確識(shí)別出的彈坑個(gè)數(shù)，Crong表示試驗(yàn)錯(cuò)誤識(shí)別出的彈坑個(gè)數(shù)。

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 彈坑目標(biāo)識(shí)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

從表2可以看出，基于鄰域灰度差值的彈坑識(shí)別算法識(shí)別正確率均在91%以上，虛檢率都低于5%，彈坑識(shí)別效果較好。

將彈坑識(shí)別后的機(jī)場(chǎng)跑道圖像旋轉(zhuǎn)一定角度，使之與圖像的長(zhǎng)邊緣平行，再截取用于飛機(jī)起降的跑道圖像如圖4（a）所示。

圖4 用于飛機(jī)起降的跑道圖像和提取的最長(zhǎng)跑道距離

利用最長(zhǎng)跑道距離提取算法來(lái)提取圖4（a）中機(jī)場(chǎng)的最長(zhǎng)跑道距離，結(jié)果如圖4（b）所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)得圖4中的最長(zhǎng)跑道距離La為340m，以戰(zhàn)斗機(jī)幻影2000為例，其最小起降窗口長(zhǎng)度Lp為646m。按照4.2節(jié)對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道毀傷等級(jí)的劃分準(zhǔn)則，圖4中機(jī)場(chǎng)跑道的毀傷等級(jí)為7.37，毀傷情況為嚴(yán)重毀傷，該機(jī)場(chǎng)跑道上已經(jīng)不存在可供飛機(jī)起降用的最小起降窗口。

通過(guò)對(duì)多幅不同毀傷效果的機(jī)場(chǎng)圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到如表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 場(chǎng)跑道毀傷效果評(píng)估實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)語(yǔ)

本文研究了機(jī)場(chǎng)跑道的毀傷效果評(píng)估問(wèn)題。采用經(jīng)本文改進(jìn)的基于鄰域灰度差值的彈坑識(shí)別算法對(duì)毀傷后的機(jī)場(chǎng)跑道圖像進(jìn)行彈坑識(shí)別。在彈坑識(shí)別后的機(jī)場(chǎng)跑道二值圖像上，通過(guò)最長(zhǎng)跑道距離提取算法提取出最長(zhǎng)跑道距離。研究了機(jī)場(chǎng)跑道的毀傷等級(jí)劃分方法，通過(guò)比較機(jī)場(chǎng)的最長(zhǎng)跑道距離和某型飛機(jī)最小起降窗口的長(zhǎng)度來(lái)評(píng)估機(jī)場(chǎng)跑道的毀傷等級(jí)。實(shí)驗(yàn)表明，基于鄰域灰度差值的彈坑識(shí)別算法取得了較好的彈坑識(shí)別效果，利用機(jī)場(chǎng)最長(zhǎng)跑道距離對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道毀傷效果進(jìn)行評(píng)估的結(jié)果比較準(zhǔn)確、直觀。

［1］王海兵.基于遙感圖像的子母彈機(jī)場(chǎng)毀傷的效果分析研究［D］.南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007，7.

［2］馬波.基于圖像分析的機(jī)場(chǎng)打擊效果評(píng)估研究［D］.華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004，5.

［3］郜鵬飛.機(jī)場(chǎng)目標(biāo)毀傷評(píng)估算法研究及半物理仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009，1.

［4］陳志鵬，鄧鵬，種勁松，等.紋理特征在SAR圖像變化檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2002，17（3）：162－166.

［5］尤曉建.基于目標(biāo)識(shí)別的機(jī)場(chǎng)跑道打擊效果評(píng)估研究［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2010，38（10）.