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(tái) 264001）（2.海軍航空工程學(xué)院科研部 煙臺(tái) 264001）

1 引言

打擊效果評(píng)估（Battle Damage Assessment，BDA）又稱毀傷效果評(píng)估［1］，是指對(duì)目標(biāo)實(shí)施火力打擊以后，通過(guò)一定的偵察手段獲取其毀傷信息，及時(shí)精確的評(píng)估毀傷情況，并據(jù)此決定后續(xù)作戰(zhàn)計(jì)劃。打擊效果評(píng)估是實(shí)現(xiàn)精確打擊不可缺少的環(huán)節(jié)，其作用是了解武器對(duì)目標(biāo)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(zhēng)中，及時(shí)有效的打擊效果評(píng)估對(duì)決策后續(xù)戰(zhàn)役行動(dòng)、加速戰(zhàn)役進(jìn)程、節(jié)約戰(zhàn)爭(zhēng)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(wú)人機(jī)等平臺(tái)獲取的遙感圖像能夠?qū)崟r(shí)提供大量戰(zhàn)場(chǎng)信息，因此，開(kāi)展基于圖像的打擊效果評(píng)估技術(shù)研究具有重要的軍事價(jià)值和良好的應(yīng)用前景［2］。本文回顧了打擊效果評(píng)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(píng)估方法和評(píng)估模型及它們的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出了需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

2 起源與發(fā)展

打擊效果評(píng)估起源于第一次世界大戰(zhàn)期間，美國(guó)空軍決策者為了解轟炸效果開(kāi)始向機(jī)組人員索要目標(biāo)毀傷照片。在以后的戰(zhàn)爭(zhēng)中，打擊效果評(píng)估技術(shù)不斷發(fā)展［3］，信息收集手段從偵察機(jī)發(fā)展到偵察衛(wèi)星，評(píng)估方法由早期的人工判圖發(fā)展為人機(jī)交互判圖。

在近年來(lái)的幾次局部戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)采用反復(fù)轟炸、全方位偵察和及時(shí)評(píng)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(píng)估技術(shù)得到大量應(yīng)用。由于在戰(zhàn)爭(zhēng)中的卓越表現(xiàn)，打擊效果評(píng)估引起了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注，成為當(dāng)今世界的一個(gè)熱門研究領(lǐng)域，2002年底和2003年初，在短短兩個(gè)月時(shí)間內(nèi)接連有兩場(chǎng)關(guān)于打擊效果評(píng)估的國(guó)際性會(huì)議在加拿大和英國(guó)召開(kāi)，參加會(huì)議的各國(guó)政府官員、軍方代表和科學(xué)家對(duì)打擊效果評(píng)估的諸方面進(jìn)行了深入探討。目前美國(guó)在這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，據(jù)報(bào)道，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA）正在進(jìn)行“實(shí)時(shí)打擊效果評(píng)估（R／T BDA）”項(xiàng)目的研究，這個(gè)項(xiàng)目將研發(fā)新技術(shù)，從雷達(dá)圖像中實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的打擊效果自動(dòng)評(píng)估，并實(shí)時(shí)提供評(píng)估信息以滿足作戰(zhàn)決策需要。

我國(guó)打擊效果評(píng)估研究起步較晚，技術(shù)相對(duì)落后，但是受到了軍方的高度重視，已經(jīng)成立了相關(guān)國(guó)防預(yù)研項(xiàng)目進(jìn)行研究，部分學(xué)者在基于圖像的打擊效果評(píng)估方面進(jìn)行了有意義的探索，取得了一定的成果，促進(jìn)了我國(guó)打擊效果評(píng)估研究的發(fā)展。

3 研究現(xiàn)狀

目前國(guó)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(píng)估方面，基于圖像的打擊效果評(píng)估包括目標(biāo)信息獲取、毀傷信息提取和毀傷結(jié)果判定幾個(gè)過(guò)程。毀傷信息提取是指從遙感圖像中提取目標(biāo)毀傷特征。毀傷結(jié)果判定則要根據(jù)目標(biāo)的毀傷信息，結(jié)合評(píng)估模型，得出評(píng)估結(jié)果。要想深入了解打擊效果評(píng)估，首先要了解打擊效果評(píng)估的三個(gè)層次。

3.1 評(píng)估層次

美國(guó)聯(lián)合參謀部發(fā)布的目標(biāo)選擇與打擊的情報(bào)支援［4］（JP2－01.1）中，將目標(biāo)毀傷評(píng)估準(zhǔn)確的描述為三個(gè)階段，即初始評(píng)估（物理毀傷）、補(bǔ)充評(píng)估（功能毀傷）和目標(biāo)系統(tǒng)評(píng)估?；趫D像的打擊效果評(píng)估可以利用分級(jí)評(píng)估的思想，從物理級(jí)毀傷評(píng)估、功能級(jí)毀傷評(píng)估和系統(tǒng)級(jí)毀傷評(píng)估三個(gè)層次進(jìn)行。

物理級(jí)毀傷評(píng)估即根據(jù)圖像上提取出的目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息，從物理層面來(lái)計(jì)算分析目標(biāo)的毀傷程度；功能級(jí)毀傷是指目標(biāo)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(jí)毀傷評(píng)估的結(jié)果對(duì)目標(biāo)功能級(jí)毀傷進(jìn)行定性定量評(píng)估；從物理級(jí)、功能級(jí)毀傷情況進(jìn)行分析推斷，可以得到目標(biāo)的系統(tǒng)級(jí)毀傷，在系統(tǒng)層面上對(duì)目標(biāo)毀傷情況進(jìn)行評(píng)估，是打擊效果評(píng)估的最高層次。

分級(jí)評(píng)估是指結(jié)合評(píng)估模型在物理級(jí)、功能級(jí)和系統(tǒng)級(jí)三個(gè)層面上進(jìn)行打擊效果評(píng)估。通過(guò)這三個(gè)層面逐層深入，可以對(duì)目標(biāo)的毀傷程度實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的評(píng)估，為軍事決策提供可靠的參考信息。

3.2 評(píng)估方法

毀傷信息的提取是打擊效果評(píng)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(cè)的打擊效果評(píng)估

這種方法主要針對(duì)打擊前后圖像同時(shí)存在的情況，將打擊前后的圖像配準(zhǔn)，從打擊前后的圖像中提取出目標(biāo)，依據(jù)它們之間的變化信息進(jìn)行評(píng)估，具體流程如圖1所示。

圖1 基于變化檢測(cè)的打擊效果評(píng)估流程

此方法要求打擊前后圖像拍攝地點(diǎn)、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(jī)場(chǎng)等地面固定目標(biāo)的打擊效果評(píng)估。

Yu S H［5］提出了在像素級(jí)上對(duì)打擊前后雷達(dá)圖像進(jìn)行變化檢測(cè)的評(píng)估方法。馬波［6］通過(guò)對(duì)比打擊前后圖像上機(jī)場(chǎng)跑道的變化，設(shè)計(jì)評(píng)估準(zhǔn)則，很大程度上實(shí)現(xiàn)了機(jī)場(chǎng)打擊效果評(píng)估的自動(dòng)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(wèn)題，提出了基于打擊前后目標(biāo)幾何特征與紋理特征［8］對(duì)比的評(píng)估方法，對(duì)于基于圖像的打擊效果評(píng)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(duì)比的評(píng)估方法用于建筑、艦船、機(jī)場(chǎng)等目標(biāo)的打擊效果評(píng)估中，取得了較好的效果。任毅［13］通過(guò)分析圖像序列一維質(zhì)心的變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空中目標(biāo)的打擊效果評(píng)估。

傳統(tǒng)的基于像素級(jí)的變化檢測(cè)方法對(duì)圖像配準(zhǔn)精度要求極高，且虛警率較高。基于目標(biāo)特征的變化檢測(cè)方法通過(guò)提取目標(biāo)特征避免直接在像素級(jí)上進(jìn)行比較，適用于人造目標(biāo)的打擊效果評(píng)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(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、定位精度差，關(guān)鍵在于打擊前后圖像配準(zhǔn)的精度，可以結(jié)合偵察平臺(tái)成像位置和成像參數(shù)等信息來(lái)提高配準(zhǔn)精度和速度。

2）基于自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別的打擊效果評(píng)估

該方法主要針對(duì)只有打擊后圖像的情況，通過(guò)對(duì)打擊后圖像進(jìn)行處理，識(shí)別出目標(biāo)與毀傷區(qū)域（如彈坑），進(jìn)而評(píng)估毀傷效果。具體流程如圖2所示。

圖2 基于自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別的打擊效果評(píng)估流程

這里的自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別是指根據(jù)圖像上提取的目標(biāo)幾何特征和紋理特征，通過(guò)模式識(shí)別的方式確定目標(biāo)和毀傷區(qū)域，該方法適用于大中型人造目標(biāo)的打擊效果評(píng)估。

于國(guó)榮［14］研究分析了基于遙感圖像的導(dǎo)彈打擊效果物理評(píng)估過(guò)程中采用的相關(guān)算法，并對(duì)目標(biāo)特征提取與參數(shù)計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)介紹。尤曉建［15］采用目標(biāo)識(shí)別的方法，直接在打擊后圖像上進(jìn)行機(jī)場(chǎng)跑道識(shí)別、彈坑檢測(cè)，然后根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。蒲剛［16］根據(jù)彈坑在圖像上的灰度特點(diǎn)，改進(jìn)了基于鄰域灰度差值的彈坑識(shí)別算法并應(yīng)用到打擊效果評(píng)估當(dāng)中。

與基于變化檢測(cè)的評(píng)估方法相比，該方法虛警率低，運(yùn)算量少。目標(biāo)特征的提取與識(shí)別是該方法的關(guān)鍵，但是各類目標(biāo)特性的差異給目標(biāo)識(shí)別帶來(lái)了困難，現(xiàn)有的目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別算法還無(wú)法滿足實(shí)時(shí)打擊效果評(píng)估的需求。

3）基于專家知識(shí)庫(kù)的打擊效果評(píng)估

這種方法同樣針對(duì)只有打擊后的圖像的情況，這時(shí)需要結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)，在專家知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行打擊評(píng)估，具體流程如圖3所示。

圖3 基于專家知識(shí)庫(kù)打擊效果評(píng)估流程

專家知識(shí)庫(kù)包括數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)等模塊。數(shù)據(jù)庫(kù)存放目標(biāo)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(shí)庫(kù)存放決策系統(tǒng)的評(píng)估規(guī)則集，推理機(jī)實(shí)現(xiàn)評(píng)估規(guī)則集的匹配，并將評(píng)估成功的樣本存入數(shù)據(jù)庫(kù)，更新知識(shí)庫(kù)。

席大春［17］和董漢清［18］利用目標(biāo)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(biāo)關(guān)鍵部位，計(jì)算匹配置信度得到毀傷信息，進(jìn)行打擊效果評(píng)估?；谥R(shí)庫(kù)打擊效果評(píng)估的關(guān)鍵在于毀傷部位的定位，通過(guò)打擊后圖像與數(shù)據(jù)庫(kù)中目標(biāo)先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行比較，可以確定毀傷部位，獲得目標(biāo)毀傷信息。該方法對(duì)于大型復(fù)雜目標(biāo)的評(píng)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(kù)，評(píng)估過(guò)程運(yùn)算量大。

以上三種方法可以檢測(cè)目標(biāo)的物理級(jí)毀傷，根據(jù)物理級(jí)毀傷信息在功能級(jí)層面上進(jìn)行定性定量分析，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)層面的打擊效果評(píng)估。

3.3 評(píng)估模型

打擊效果評(píng)估不僅針對(duì)單個(gè)簡(jiǎn)單目標(biāo)單元，還面向大型復(fù)雜目標(biāo)和多個(gè)子目標(biāo)組成的系統(tǒng)目標(biāo)。大型復(fù)雜目標(biāo)按功能分為不同子目標(biāo)單元，同樣可以看做系統(tǒng)目標(biāo)。各子目標(biāo)的毀傷效果存在著累積、級(jí)聯(lián)、多次等關(guān)系，系統(tǒng)整體毀傷效果并不是子目標(biāo)毀傷效果的簡(jiǎn)單疊加。因此，建立一個(gè)科學(xué)合理的評(píng)估模型對(duì)于打擊效果評(píng)估至關(guān)重要，影響著最終評(píng)估結(jié)果的正確性。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)以后，美國(guó)針對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)中打擊效果評(píng)估存在的缺陷，建立了多種評(píng)估模型，如Franzen D W提出的基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估模型［19］，綜合利用各種信息進(jìn)行有形損傷評(píng)估。為了減少專家判斷帶來(lái)的主觀因素影響，部分專家學(xué)者開(kāi)展了打擊效果評(píng)估模型的研究?，F(xiàn)有的評(píng)估模型按運(yùn)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(píng)估模型中一般采用目標(biāo)受打擊以后的作戰(zhàn)效能E來(lái)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(jìn)行分級(jí)，不同層次的目標(biāo)賦予不同的權(quán)重，自下而上對(duì)打擊效果進(jìn)行加權(quán)求和，權(quán)重的確立要結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和已有經(jīng)驗(yàn)。姜浩［21］、苗啟廣［22］根據(jù)機(jī)場(chǎng)目標(biāo)的特點(diǎn)，提出基于層次分析法和模糊評(píng)判法的評(píng)估模型。

在應(yīng)用這種模型的過(guò)程中要注意適用范圍，同質(zhì)目標(biāo)的毀傷效果才能相加。

2）串并聯(lián)模型［23］

模型將子目標(biāo)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(biāo)中各子目標(biāo)聯(lián)系緊密，相互依存，單個(gè)子目標(biāo)的毀傷對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)的影響很大。并聯(lián)模型中，各子目標(biāo)相互獨(dú)立，只要有一個(gè)子目標(biāo)沒(méi)被摧毀，系統(tǒng)就能正常工作。串并聯(lián)模型是對(duì)上述兩種模型的綜合，子目標(biāo)按功能組成串聯(lián)、并聯(lián)等關(guān)系。顏潔［24］通過(guò)變化檢測(cè)提取出機(jī)場(chǎng)目標(biāo)毀傷信息，結(jié)合串并聯(lián)模型，評(píng)估了目標(biāo)作戰(zhàn)性能所受影響。李文章［25］分析了體系目標(biāo)的特點(diǎn)，將串并聯(lián)模型應(yīng)用于體系目標(biāo)的毀傷效果評(píng)估中。

這種模型的缺點(diǎn)是將子目標(biāo)之間的關(guān)系看得過(guò)于簡(jiǎn)單，實(shí)際計(jì)算中系統(tǒng)效能會(huì)有所損失。

3）網(wǎng)絡(luò)圖模型［26］

系統(tǒng)子目標(biāo)的毀傷效果之間存在累積、級(jí)聯(lián)、多次等關(guān)系，上述兩種模型對(duì)每個(gè)子目標(biāo)的毀傷效果僅計(jì)算一次，忽略了一個(gè)子目標(biāo)對(duì)多個(gè)子目標(biāo)起作用的情況，因此計(jì)算中存在紕漏。網(wǎng)絡(luò)圖模型考慮到系統(tǒng)目標(biāo)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(gè)子目標(biāo)的效能不僅與自身有關(guān)，還和其他子目標(biāo)對(duì)它的作用有關(guān)。這種模型能很好的體現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)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(duì)分析的評(píng)估模型，深刻反應(yīng)了機(jī)場(chǎng)目標(biāo)的系統(tǒng)特征，全面考慮了子目標(biāo)的相互關(guān)系，評(píng)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(jìn)一步研究的問(wèn)題

打擊效果評(píng)估涉及了雷達(dá)、衛(wèi)星、圖像處理、模式識(shí)別及其他的一些技術(shù)方法，美國(guó)在這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，國(guó)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(wèn)題：

1）評(píng)估信息收集受限。打擊后圖像的缺乏，使得國(guó)內(nèi)打擊效果評(píng)估研究進(jìn)展緩慢。部分學(xué)者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)［6］獲取打擊后圖像進(jìn)行研究，但是由于獲取的圖像數(shù)量有限影響研究進(jìn)展。而實(shí)彈打擊實(shí)驗(yàn)獲取圖像的方式成本太高，因此，依托高性能計(jì)算機(jī)及程序，建立目標(biāo)毀傷模型，對(duì)目標(biāo)毀傷規(guī)律進(jìn)行模擬，是實(shí)現(xiàn)高效率、低耗費(fèi)打擊效果評(píng)估研究的必然趨勢(shì)。計(jì)算機(jī)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(biāo)材質(zhì)屬性和武器威力建立爆炸模型，基于已有的試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬武器打擊效果，但是建模的復(fù)雜性高，耗費(fèi)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(jìn)行處理，得到毀傷后圖像，這種方法簡(jiǎn)單易行，成本低廉［28～29］，但是在逼真性方面還有待提高。計(jì)算機(jī)仿真方法要能真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際情況，獲得預(yù)期的目標(biāo)毀傷效果，才能促進(jìn)打擊效果評(píng)估研究的發(fā)展。

2）現(xiàn)有圖像處理技術(shù)無(wú)法滿足要求?；趫D像的打擊效果評(píng)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(cè)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(píng)估的要求選取和設(shè)計(jì)合適的算法也是具有重要意義的研究難點(diǎn)?；谀繕?biāo)特征對(duì)比的打擊效果評(píng)估和基于自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別的打擊效果評(píng)估方法中，目標(biāo)提取是評(píng)估的基礎(chǔ)，由于不同目標(biāo)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(xiàn)中采用的空間二維匹配濾波、Otsu等提取算法都存在著運(yùn)算速度慢的問(wèn)題，并且提取效果受圖像中目標(biāo)特性影響?；趯＜抑R(shí)庫(kù)的打擊效果評(píng)估方法中，模板匹配的精度影響著評(píng)估結(jié)果，但是模板匹配的局限在于只能進(jìn)行平移，對(duì)于旋轉(zhuǎn)或大小變化的情況無(wú)能為力，現(xiàn)實(shí)情況更為復(fù)雜，對(duì)圖像匹配算法提出了更高的要求。

3）評(píng)估模型有待完善。不同的人造目標(biāo)結(jié)構(gòu)、功能也各不相同，各目標(biāo)的打擊效果評(píng)估模型不具有通用性，恰當(dāng)?shù)拇驌粜Чu(píng)估要在對(duì)目標(biāo)有一定了解的基礎(chǔ)上進(jìn)行。隨著武器系統(tǒng)性能的提高，打擊效果評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)也要及時(shí)更新。評(píng)估模型的建立需對(duì)武器性能和目標(biāo)特性有深入的了解，能準(zhǔn)確反應(yīng)目標(biāo)系統(tǒng)毀傷情況，而且要根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)確定合適的指標(biāo)?，F(xiàn)有的評(píng)估模型中仍存在一些問(wèn)題，如：不能全面反應(yīng)模型中子目標(biāo)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(jìn)一步研究以擴(kuò)大模型的適用范圍。

5 結(jié)語(yǔ)

基于圖像的打擊效果評(píng)估作為一個(gè)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(shí)時(shí)和準(zhǔn)確是衡量打擊效果評(píng)估的兩大指標(biāo)，實(shí)時(shí)打擊效果評(píng)估需要提高毀傷信息提取速度，而準(zhǔn)確打擊效果評(píng)估則要求建立科學(xué)合理的評(píng)估模型。開(kāi)展基于圖像的打擊效果評(píng)估研究對(duì)于我軍戰(zhàn)斗力和國(guó)防威懾力的提高具有重要的意義，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的打擊效果評(píng)估系統(tǒng)的建立需要我們不斷的探索。

［1］Hugh C.The Current Battle Damage Assessment Paradigm is Obsolete［J］.Air and Space Power Journal，2004，18（4）：13－17.

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