陳 麒 祝明波 劉旭東

（1.海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系 煙臺 264001）（2.海軍航空工程學(xué)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(jù)此決定后續(xù)作戰(zhàn)計劃。打擊效果評估是實現(xiàn)精確打擊不可缺少的環(huán)節(jié)，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(xiàn)代化高技術(shù)戰(zhàn)爭中，及時有效的打擊效果評估對決策后續(xù)戰(zhàn)役行動、加速戰(zhàn)役進程、節(jié)約戰(zhàn)爭成本、提高整體作戰(zhàn)效能具有十分重要的意義。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星、無人機等平臺獲取的遙感圖像能夠?qū)崟r提供大量戰(zhàn)場信息，因此，開展基于圖像的打擊效果評估技術(shù)研究具有重要的軍事價值和良好的應(yīng)用前景［2］。本文回顧了打擊效果評估的發(fā)展歷程，分析其研究現(xiàn)狀，總結(jié)現(xiàn)有的打擊效果評估方法和評估模型及它們的優(yōu)缺點，并指出了需要進一步研究的問題。

2 起源與發(fā)展

打擊效果評估起源于第一次世界大戰(zhàn)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(zhàn)爭中，打擊效果評估技術(shù)不斷發(fā)展［3］，信息收集手段從偵察機發(fā)展到偵察衛(wèi)星，評估方法由早期的人工判圖發(fā)展為人機交互判圖。

在近年來的幾次局部戰(zhàn)爭中，美國采用反復(fù)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(shù)得到大量應(yīng)用。由于在戰(zhàn)爭中的卓越表現(xiàn)，打擊效果評估引起了國際社會的廣泛關(guān)注，成為當今世界的一個熱門研究領(lǐng)域，2002年底和2003年初，在短短兩個月時間內(nèi)接連有兩場關(guān)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(xué)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(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，據(jù)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(fā)新技術(shù)，從雷達圖像中實現(xiàn)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(zhàn)決策需要。

我國打擊效果評估研究起步較晚，技術(shù)相對落后，但是受到了軍方的高度重視，已經(jīng)成立了相關(guān)國防預(yù)研項目進行研究，部分學(xué)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(fā)展。

3 研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外的研究集中在基于光學(xué)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(jié)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(jié)果判定則要根據(jù)目標的毀傷信息，結(jié)合評估模型，得出評估結(jié)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(lián)合參謀部發(fā)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(tǒng)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(tǒng)級毀傷評估三個層次進行。

物理級毀傷評估即根據(jù)圖像上提取出的目標結(jié)構(gòu)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(zhí)行預(yù)定任務(wù)的能力受到摧毀的情況，可以根據(jù)物理級毀傷評估的結(jié)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(tǒng)級毀傷，在系統(tǒng)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(jié)合評估模型在物理級、功能級和系統(tǒng)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(xiàn)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(chǔ)，根據(jù)現(xiàn)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(jù)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(shè)計評估準則，很大程度上實現(xiàn)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(dǎo)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(zhì)心的變化，實現(xiàn)了對空中目標的打擊效果評估。

傳統(tǒng)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(guān)鍵在于打擊前后圖像配準的精度，可以結(jié)合偵察平臺成像位置和成像參數(shù)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(qū)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(jù)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(qū)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(dǎo)彈打擊效果物理評估過程中采用的相關(guān)算法，并對目標特征提取與參數(shù)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(jù)檢測結(jié)果進行評估。蒲剛［16］根據(jù)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(yīng)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(guān)鍵，但是各類目標特性的差異給目標識別帶來了困難，現(xiàn)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(jié)合先驗知識，在專家知識庫的基礎(chǔ)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(shù)據(jù)庫、知識庫和推理機等模塊。數(shù)據(jù)庫存放目標的種類、關(guān)鍵部位分類、關(guān)鍵部位模板和關(guān)鍵部位特征等，知識庫存放決策系統(tǒng)的評估規(guī)則集，推理機實現(xiàn)評估規(guī)則集的匹配，并將評估成功的樣本存入數(shù)據(jù)庫，更新知識庫。

席大春［17］和董漢清［18］利用目標的關(guān)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(guān)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(guān)鍵在于毀傷部位的定位，通過打擊后圖像與數(shù)據(jù)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(fù)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(shù)太多，很難建立完整的數(shù)據(jù)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(jù)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(xiàn)系統(tǒng)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(fù)雜目標和多個子目標組成的系統(tǒng)目標。大型復(fù)雜目標按功能分為不同子目標單元，同樣可以看做系統(tǒng)目標。各子目標的毀傷效果存在著累積、級聯(lián)、多次等關(guān)系，系統(tǒng)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(xué)合理的評估模型對于打擊效果評估至關(guān)重要，影響著最終評估結(jié)果的正確性。海灣戰(zhàn)爭以后，美國針對戰(zhàn)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(wǎng)絡(luò)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(xué)者開展了打擊效果評估模型的研究?，F(xiàn)有的評估模型按運行方式可分為：分層加權(quán)求和模型、串并聯(lián)模型和網(wǎng)絡(luò)圖模型。評估模型中一般采用目標受打擊以后的作戰(zhàn)效能E來衡量毀傷程度。

1）分層加權(quán)求和模型［20］

模型將系統(tǒng)按功能進行分級，不同層次的目標賦予不同的權(quán)重，自下而上對打擊效果進行加權(quán)求和，權(quán)重的確立要結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和已有經(jīng)驗。姜浩［21］、苗啟廣［22］根據(jù)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(yīng)用這種模型的過程中要注意適用范圍，同質(zhì)目標的毀傷效果才能相加。

2）串并聯(lián)模型［23］

模型將子目標之間按串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)功能邏輯關(guān)系劃分。在串聯(lián)模型中，系統(tǒng)目標中各子目標聯(lián)系緊密，相互依存，單個子目標的毀傷對系統(tǒng)目標的影響很大。并聯(lián)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(tǒng)就能正常工作。串并聯(lián)模型是對上述兩種模型的綜合，子目標按功能組成串聯(lián)、并聯(lián)等關(guān)系。顏潔［24］通過變化檢測提取出機場目標毀傷信息，結(jié)合串并聯(lián)模型，評估了目標作戰(zhàn)性能所受影響。李文章［25］分析了體系目標的特點，將串并聯(lián)模型應(yīng)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(guān)系看得過于簡單，實際計算中系統(tǒng)效能會有所損失。

3）網(wǎng)絡(luò)圖模型［26］

系統(tǒng)子目標的毀傷效果之間存在累積、級聯(lián)、多次等關(guān)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(wǎng)絡(luò)圖模型考慮到系統(tǒng)目標的復(fù)雜性，克服了上述兩種模型存在的缺陷。在網(wǎng)絡(luò)圖模型中，一個子目標的效能不僅與自身有關(guān)，還和其他子目標對它的作用有關(guān)。這種模型能很好的體現(xiàn)系統(tǒng)目標中毀傷效果的復(fù)雜關(guān)系，是較為科學(xué)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(yīng)了機場目標的系統(tǒng)特征，全面考慮了子目標的相互關(guān)系，評估結(jié)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(wèi)星、圖像處理、模式識別及其他的一些技術(shù)方法，美國在這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，國內(nèi)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(nèi)打擊效果評估研究進展緩慢。部分學(xué)者通過網(wǎng)絡(luò)［6］獲取打擊后圖像進行研究，但是由于獲取的圖像數(shù)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(guī)律進行模擬，是實現(xiàn)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(jù)目標材質(zhì)屬性和武器威力建立爆炸模型，基于已有的試驗和經(jīng)驗數(shù)據(jù)模擬武器打擊效果，但是建模的復(fù)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(guān)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(yīng)實際情況，獲得預(yù)期的目標毀傷效果，才能促進打擊效果評估研究的發(fā)展。

2）現(xiàn)有圖像處理技術(shù)無法滿足要求?；趫D像的打擊效果評估要結(jié)合許多圖像處理技術(shù)，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(lǐng)域，如何根據(jù)打擊效果評估的要求選取和設(shè)計合適的算法也是具有重要意義的研究難點。基于目標特征對比的打擊效果評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(chǔ)，由于不同目標在圖像中表現(xiàn)特性不同，所要求的提取算法也不同，相關(guān)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(jié)果，但是模板匹配的局限在于只能進行平移，對于旋轉(zhuǎn)或大小變化的情況無能為力，現(xiàn)實情況更為復(fù)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(jié)構(gòu)、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?shù)拇驌粜Чu估要在對目標有一定了解的基礎(chǔ)上進行。隨著武器系統(tǒng)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(yīng)目標系統(tǒng)毀傷情況，而且要根據(jù)實驗數(shù)據(jù)或經(jīng)驗確定合適的指標?，F(xiàn)有的評估模型中仍存在一些問題，如：不能全面反應(yīng)模型中子目標之間的復(fù)雜關(guān)系、物理毀傷到功能毀傷的映射函數(shù)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(jié)語

基于圖像的打擊效果評估作為一個多學(xué)科交叉的熱門研究領(lǐng)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(xué)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(zhàn)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(tǒng)的建立需要我們不斷的探索。

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