空间适应范文

空间适应范文（精选8篇）

空间适应 第1篇

随着空间技术的迅速发展, 空间机器人的作用日益重要。利用空间机器人系统进行空间站的日常维修以及大型空间站的在轨组装工作, 可避免宇航员暴露于危险的太空环境中, 从而大大节省费用。此外, 由于在太空环境中所能携带的系统控制燃料有限, 使用载体位置、姿态均不受控制的空间机器人系统可减少控制燃料消耗, 进而延长空间机器人系统有效使用寿命。因此研究机械臂操作期间载体位置、姿态均不受控制的空间机器人系统的动力学与控制问题有着重要的实际意义。

由于空间机器人系统的载体为自由漂浮状态, 其位置及姿态的控制系统在机械臂操作期间处于关闭状态, 系统严格遵守动量及动量矩守恒关系, 因此空间机器人系统的机械臂与载体之间存在着强烈的动力学耦合关系, 其动力学与控制问题也远较地面固定机器人复杂[1,2,3,4,5,6]。空间机器人系统为非完整动力学系统, 且其动力学方程中的惯性参数不符合惯常的线性规律, 因此其控制器设计难度极大, 特别是在系统参数存在未知的情况, 地面机器人中基于惯性参数线性关系的自适应、鲁棒等控制方法难以在此直接应用。在此类空间机器人控制系统的研究中, Walker[7]研究了载体位置不控、姿态受控为固定不变情况下空间机器人关节运动的自适应控制问题;马保离等[8]则讨论了同样条件下, 空间机器人末端运动的自适应控制问题;Gu等[9]针对载体位置及姿态均不受控的情形, 提出了自适应控制的标准形式增广法;陈力等[10,11]则进一步改进了增广变量法, 设计了空间机械臂载体与关节协调运动的自适应控制方法及鲁棒自适应混合控制方法。

但值得注意的是, 文献[7,8,9,10,11]均仅针对单臂空间机械臂系统。与单臂空间机械臂系统相比, 双臂甚至多臂空间机器人的承载能力更大, 定位精度更高, 而且抓取载荷也更加稳定。但由于系统又同时增加了各个机械臂之间的动力学耦合及干扰, 双臂空间机器人控制系统设计的难度也就更大。由此本文将讨论载体位置与姿态均不受控制情况下, 具有未知参数的漂浮基双臂空间机器人系统的复合自适应控制问题。

1 漂浮基双臂空间机器人系统动力学分析

不失一般性, 以做平面运动的自由漂浮双臂空间机器人系统为例, 系统结构如图1所示。该系统由漂浮基B0、两个对称的机械臂以及末端载荷P2、P4组成, 其中机械臂一由杆B1、B2组成, 机械臂二由杆B3、B4组成。建立平动的惯性坐标系 (Oxy) 及各分体Bi (i=0, 1, 2, 3, 4) 的主轴坐标系 (Oixiyi) , 其中O0与载体B0的质心OC0重合, Oi (i=1, 2) 为连接Bi-1与Bi的转动铰中心, O3为连接B0与B3的转动铰中心, O4为连接B3与B4的转动铰中心, xi (i=1, 2, 3, 4) 为机械臂Bi的对称轴。OCi (i=1, 2, 3, 4) 分别为Bi的质心。设O1与O0在x0轴上的距离为a, 在y0轴上的距离为b, 杆Bi的长度为li。mi、Ji (i=0, 1, 2, 3, 4) 分别为各分体的质量和中心惯量;mP2、mP4和JP2、JP4分别为末端载荷P2、P4的质量和中心惯量。OCi与Oi的距离为ai (i=1, 2, 3, 4) 。C为系统的总质心, undefined为系统的总质量。

设各分体沿 (x, y) 做平面运动, θ0为载体B0相对惯性坐标系的姿态角, θ1、θ2、θ3、θ4分别为机械臂各个关节铰的相对转角;ri (i=0, 1, 2, 3, 4) 为各分体质心OCi相对于O的矢径, 机械臂末端爪手相对于O的矢径则为rPi (i=2, 4) 。

由于系统处于微重力空间中, 重力势能可以忽略, 利用双臂空间机器人系统的动量守恒关系及拉格朗日方程, 可得到如下欠驱动形式的漂浮基双臂空间机器人系统动力学方程:

式中, D (q) 为55的对称、正定质量矩阵;undefined为包含科氏力、离心力的5阶列向量;τ为机械臂 4个转动铰控制力矩所组成的4阶列向量。

undefined为55阶矩阵, 其元素hij满足

且对任意变量z∈R5有如下关系式存在:

由于动力学方程 (式 (1) ) 中耦合了系统动量守恒关系, 矩阵D (q) 、undefined与系统惯常的惯性参数并非是一般意义上的线性关系, 但对其进行分析可发现, D (q) 、undefined可以对一组特定选择的组合惯性参数呈一种新的线性关系, 该线性关系将有利于我们随后的自适应控制方案设计。

2 系统运动Jacobi关系

将机械臂末端矢径rpi (i=2, 4) 对x、y投影, 可得点P2、P4的位置坐标为

式中, xC、yC为系统总质心的位置坐标;L5j、L6j (j=0, 1, , 5) 为系统惯性参数的组合函数;ej为主轴坐标系 (Ojxjyj) 的基矢量。

为了得到系统的运动Jacobi关系, 将式 (4) 对时间t求导, 可得

很明显, 该系统的运动Jacobi关系也可以表示为系统组合惯性参数Lij的线性函数。如果要得到系统末端爪手线速度与机械臂关节铰之间的广义Jacobi关系[12,13], 则必须再利用系统的动量守恒关系来消去式 (5) 中的undefined项, 但由此得到的系统广义Jacobi矩阵却失去对系统组合惯性参数的线性关系, 这也将给具有未知参数的双臂空间机器人控制系统设计带来进一步的困难。因此, 我们保留了系统Jacobi关系与undefined相对应的项, 并采用增广变量法来进行控制系统设计。

3 增广变量法

为了能直接使用式 (5) 中与系统组合惯性参数保持线性关系的系统运动Jacobi关系, 我们扩展系统原有的输出undefined, 定义undefined为系统新的增广输出变量, 则系统增广输出速度变量undefined与系统广义速度变量undefined之间满足如下关系:

式中, I为一阶单位阵;0为14阶零矩阵。

定义undefined为系统的增广期望输出向量, 其中undefined为双臂空间机器人系统两个机械臂末端爪手在惯性空间的期望运动轨迹;并定义er= (XD-XP) 为期望轨迹与实际轨迹之间的误差, 则Y与YD之间的增广误差向量e可表示为

若Jr非奇异, 则矩阵J可逆, 定义系统的参考关节角速度undefined为

式中, undefined为参考模型中相应的J矩阵;K1为任选的对称正定常值矩阵。

并定义系统的实际关节角速度与参考关节角速度之间的增广误差为

将式 (7) 、式 (8) 、式 (9) 代入式 (6) , 可导出系统的误差方程:

式中, Φ1、undefined分别为J、undefined中系统惯性参数的待估计参数值和可调参数值。

将式 (8) 对时间t求导可得参考关节角加速度

利用式 (9) , 式 (1) 可化作

4 复合自适应控制

设计如下增广控制输入规律:

式中, undefined、undefined分别为参考模型中相应的D、h矩阵;K2为44阶任选的对称正定常值矩阵。

其中参数δ的作用在于确保式 (13) 中第一式右端恒为零。

将式 (13) 的控制规律代入式 (12) , 可得

式中, W2为q、undefined、undefined、undefined的不含待估计参数的函数矩阵;undefined2为系统参数不确定所引起的真实模型与参考模型间的参数误差向量;Φ2为系统真实模型中从D, h分离出的不确定参数的真值;undefined为系统参考模型中从undefined、undefined分离出的不确定参数的不精确估计值。

定理 若双臂空间机器人系统的载体姿态、角速度及角加速度θ0、undefined、undefined可测量或计算得到, 则控制输入规律 (式 (13) ) 和如下参数自适应调节规律:

可保证

undefined

证明 设undefined为无扰运动, 式 (10) 及式 (15) 为受扰运动方程, 选择如下正定函数作为准Lyapunov函数V:

计算V的通过动力学方程构成的全导数undefined并利用式 (10) 、式 (14) 、式 (15) 及关系式 (2) 有

其中, K*=diag (1, K2) 。显然, undefined是e和undefined的二次型, 因为J有界, 因此当参数γ选择得足够大, 当且仅当undefined时可保证undefined。

分析 由于undefined, 且V有下界 (为零) , 则当t+∞时, V趋于某一正定数, 所以在区间t∈[0, +∞) 内V是有界的。因为D是对称、正定的, 则由V的定义可导出e和undefined亦有界, 从而undefined、undefined、undefined有界, undefined1、undefined2也有界;由式 (14) 可知undefined也是有界的。由于undefined、undefined、J、undefined是有界的, 故undefined在区间t∈[0, +∞) 内是一致连续的;那么由V有界及undefined不变号undefined可以得知, undefined。则由 (17) 可知, undefined。证毕。

因此, 控制输入规律 (式 (13) ) 和参数自适应规律 (式 (15) ) 可有效地控制双臂空间机器人系统渐近稳定地追踪由XD所描述的惯性空间期望轨迹。

5 仿真分析

以图1所示做平面运动的自由漂浮双臂空间机器人系统进行数值仿真运算。系统的具体惯性参数如下:l1=l2=l3=l4=3.0m, a=b=1.0m, a1=a2=a3=a4=1.5m;各分体质量m0=40kg, m1=m2=2m3=2m4=2kg;中心惯量矩J0=35kgm2, J1=J3=1.5kgm2, J2=J4=0.75kgm2;机械臂末端抓手所持载荷的质量及中心惯量矩分别为mP2=mP4=2kg, JP2=JP4=1.25kgm2。

在仿真过程中, 运动的初始值均取为θ0 (0) =0.1rad, θ1 (0) =0.2rad, θ2 (0) =2rad, θ3 (0) =2.8rad, θ4 (0) =4.4rad;仿真时间为t=20s。仿真时假设载荷的质量及中心惯量矩mP2、mP4和JP2、JP4未知, 并假定它们的初始估计值均为0。设双臂空间机器人两个末端爪手的期望运动规律分别为

undefined

undefined

仿真中的待估计参数向量Φ1有11个分量, Φ2有19个分量, 均为包含mP2、mP4、JP2、JP4及其他已知系统惯性参数的组合函数。利用式 (13) 和式 (15) 给出的自适应控制方案进行系统控制仿真运算, 图2和图3所示分别为双臂空间机器人右臂末端爪手和左臂末端爪手期望运动轨迹与实际运动轨迹的比较情况;图4和图5所示为此期间双臂空间机器人载体姿态角θ0及机械臂各个关节角θ的变化情况。自适应规律 (式 (15) ) 虽然并不能保证待估计参数向量收敛于其真值或某一常值, 但仿真结果表明了该自适应律能保证系统的跟踪误差收敛到零。

6 结论

(1) 结合系统总质心定义和第二类拉格朗日方程, 所得到的漂浮基双臂空间机器人系统动力学方程可由一组选定的系统惯性参数线性表示;利用增广法, 系统的广义Jacobi矩阵也可以表示为一组惯性参数的线性函数。

(2) 利用系统动力学方程及Jacobi矩阵对一组选定的系统惯性参数的线性关系, 可设计出具有未知参数的漂浮基双臂空间机器人系统跟踪惯性空间期望运动轨迹的复合自适应控制方案。

(3) 对一平面双臂空间机器人系统进行数值仿真计算。仿真结果表明, 本文提出的复合自适应控制算法能有效地消除载荷参数未知对控制精度的影响, 有效地控制双臂空间机器人的两个末端爪手稳定地追踪惯性工作空间的期望运动轨迹。

空间适应 第2篇

关键词：素质教育；游戏活动空间；评价

童年属于一个人一生中非常重要的成长发育阶段，人们在成长以后具备的大部分能力都会受这一阶段的直接影响。利用游戏活动进行教育是目前幼儿园中非常重要的教育方式，通过游戏活动能够引导幼儿身体以及心理的健康发展，同时培养幼儿拥有较强的运动技能，例如跑步以及投掷等运动，并且能够有效促进幼儿拥有良好的认知能力以及人际交往能力。

一、适应素质教育具体游戏活动空间的深入分析

1.适应幼儿自身体能素质培养

随着人们生活水平的不断提升，大部分儿童自身的体格发育非常良好，但是，却存在体能比较差的劣势。人的成长发育拥有两个非常重要的时期，其中就包括幼儿阶段。幼儿阶段的成长发育直接影响了幼儿未来身体素质的不断提升。如果能够在幼儿阶段就进行适当的体能锻炼，可以有效促进幼儿身体以及心理的健康发育。体能是人们在参与一些体育活动中突出表现的自身素质，体能如果得到良好的发展将会直接关系到全体机能能否顺利协调发展。对于幼儿来说，需要采用一种比较适合幼儿具体情况的锻炼方式，利用游戏活动空间能够有效提升幼儿自身具有的身体素质。

2.适应幼儿社会性质进行的培养

幼儿具有的社会性主要是指幼儿能够在大环境的作用下，充分了解社会的基本规范，并拥有一些基本的生活技能，学会怎样处理好社会人际关系并追求自身的发展，适应社会的变化。幼儿自身逐渐趋于社会性发展表现在三个方面：首先，自我的发展，其中主要包括幼儿的自我认知、评价以及反省等内容。其次，社会系统的具体发展，其中主要包括幼儿与家长的交往以及同伴之间的交往等。最后，社会规则的发展，包括社会的角色变化以及社会的规范道德等。

社会性质发展具体的教学内容实际上就是培养幼儿拥有社会认知的能力。我国逐渐走向了独生子女的新时代，几乎所有出生在这样家庭中的孩子都会得到非常全面的照顾，甚至会受到所有长辈的溺爱，正是因为这种家庭的溺爱给孩子过度的宠爱，最终导致幼儿缺乏与大自然的接触，存在社会交往的问题等。更为严重的是这样的成长环境会导致幼儿未来发展的性格非常自私并缺乏基本的社会适应能力。如今的社会竞争力变得越来越激烈，幼儿只有拥有正确的自我意识并掌握社会交往的基本能力，才

能更好地适应整个社会的不断发展。

3.適应幼儿自身心智素质不断发展

对幼儿进行的心理素质教育是整个素质教育阶段非常重要的内容，并得到社会的广泛关注。幼儿阶段的小孩正处于心理发育的重要阶段，对于幼儿一生的成长发挥着非常重要的作用，目前，大部分幼儿心理教育都将重点放在了对幼儿进行心理健康教育或者是进行心理治疗，往往忽视了对幼儿开展心理素质教育，

制定的教育目标一般都是幼儿的心理适应问题，反而忽视了心理潜能的培养与教育。为了适应幼儿自身心理潜能的发展，需要进行心理素质教育，通过游戏活动空间，从而有效培养幼儿拥有健康良好的心理素质。

二、游戏观察与评价

1.幼儿园具体游戏活动空间以及幼儿的素质教育

本文中的游戏活动空间归属于一种建筑学的概念，并成为幼儿游戏活动重要的载体，结合具体的教育目标，并充分考虑到幼儿自身的性格特点以及性格发展的规律，促进幼儿能够全面发展，

并创设一些具有趣味性、拥有较大教育意义的活动区域或者是良好的教育环境。利用游戏空间设计，充分发挥幼儿自身具有的主动性，促进幼儿能够在素质教育的基础上健康地成长。

幼儿自身的素质教育可以从幼儿自身发展的角度进行分析，素质教育需要遵循整体性的发展规律。对于幼儿进行的最初教育是幼儿素质形成重要的一个阶段，素质教育需要结合幼儿具体的发展规律，并按照社会制定的基本要求以及目标，利用各种科学的教育方式以及教育手段，有效挖掘幼儿具有的各种先天优势，

培养幼儿学会对社会的基本认知，拥有良好的心理素质，学会怎样与他人沟通与交往，发挥素质教育的最大作用，推动幼儿全面和谐地发展。

2.游戏活动空间是进行幼儿素质教育的重要途径

游戏活动空间比较符合大部分幼儿具有的心理特点，幼儿阶段属于人生的初级阶段，拥有天真烂漫的思想。传统的幼儿教育注重的是对幼儿进行知识教育，忽视了能力的培养，组织幼儿学习，缺乏一些有趣的活动，利用灌输式的教育方式，缺乏与幼儿开展交流与沟通，这样的教育方式完全违背了幼儿具有的发展规律。利用游戏活动空间实现对幼儿的素质教育，改变了传统教育存在的弊端，并培养幼儿积极主动地思考与探究。以往的教育环境比较单一，教育形式比较枯燥，不利于幼儿的健康发展，创设游戏活动空间，有效为幼儿开设了更多的学习空间，促进幼儿综合素质的有效培养。

综上所述，我国幼儿园具体建设的水平仍然比较落后，无法满足社会发展的内在需求，创设游戏活动空间能够培养幼儿拥有创新精神，并紧跟时代发展的步伐，具有较强的科学性以及时代性。通过对游戏活动空间的深入探究，让更多的教育者能够全面地了解适应素质教育创设游戏活动空间具有的重要意义。

参考文献：

[1]方咸孚.居住区儿童游戏场的规划与设计[M].天津科学技术出版社，2010.

[2]胡宝林.都市生活的希望：人性都市与持续都市的未来[M].台北：台湾书店，2011.

[3]何歆.21世纪幼儿素质教育活动设计全书[M].北京：中国广播电视出版社，2010.

空间适应 第3篇

目前,我国对地籍数据的管理主要以二维地籍数据为基础。如图1所示,粗虚线为地籍数据的界址线,内部的细虚线为地籍数据内部建筑物的垂直投影,其空间权属的信息是通过外接数据库的形式进行存储的。这样的表达方式已经不能满足现代社会对土地资源空间利用的要求,而且由于表达方式不够直观和明确,容易产生矛盾。为此,本文针对该问题开展了研究。

1 三维地籍数据模型构建

针对地籍数据的空间权属管理需求,提出了适应地籍空间管理的三维地籍数据模型。该模型的基本含义是:通过对现实世界的抽象概括形成了三类基本对象:界址点、构成三角形的线段、构成界址面的三角形,并将以上三者作为三维地籍的基本形。通过界址点构成线段,并由线段形成三角形,进而由三角形形成界址面,界址面连接构成封闭的三维宗地[1]。空间三维宗地利用基本形来实现三维宗地的构建,并将空间拓扑作为约束条件,以此完成复杂模型的构建[2]。

2 三维地籍数据模型逻辑结构和数据组织

数据模型的基础是逻辑结构和数据组织[3]。据此,本文针对适应地籍空间管理的三维地籍数据模型,给出了其详细的逻辑结构和数据组织方式。

2.1 逻辑结构

在适应地籍空间管理的三维地籍数据模型的逻辑结构中,界址点是三维空间中的坐标,按照一定的顺序,两个界址点构成一条线段。通过三条空间线段按照逆时针的顺序构成三角形。通过相互连接的,并且法向量一致的若干空间三角形构成界址面[4]。通过权属一致的若干空间界址面进而组成了封闭的三维空间实体。三维空间实体与空间权属信息结合即构成了三维宗地。独立用地单元是三维宗地的组成部分,其空间权属由它所隶属的三维宗地来确定。图2给出该三维地籍数据模型的逻辑结构。

2.2 数据组织

由于该三维地籍数据模型是基于面向对象的思想进行设计的,因此本文以三维地籍空间实体作为目标对象,通过三维宗地和宗地属性信息构成了三维地籍,它们之间由宗地ID进行关联。在三维界址面中,记录了该界址面的左宗地ID、右宗地ID和构成该界址面的三角形ID。三角形中记录了构成该三角形的线段ID,线段中记录了构成该线段的界址点ID。独立用地单元是三维宗地的组成部分,它继承了其隶属三维宗地的空间信息和属性信息,以此实现三维宗地内部细化的土地利用的权属管理。

适应地籍空间管理的三维地籍数据在计算机中进行存储时是由多张数据表构成的。它们是构成三维宗地的界址点表、线段表、三角形表、界址面表、三维宗地表和权属表[5]。权属表又由宗地属性表、房屋表、房屋权利人表等构成,可以以此实现对宗地内部独立用地单元的权属确定。其中,在构成三维宗地的界址面表中添加左宗地ID和右宗地ID这两个字段,用来表示任何一个界址面只能是一个宗地的构成面或者两个宗地的分界面,以此实现三维宗地一定的空间关系的计算。如图3所示,为该三维地籍数据模型的数据组织。

3 适应地籍空间管理的三维地籍数据模型

3.1 模型实现

以适应地籍空间管理的三维地籍数据模型为基础,就可以实现三维地籍的空间管理。图4给出了在空间上相互邻接的三块宗地Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ,对其进行简化,认为其均为标准立方体,则各三维宗地的界址面表如图4左下角所示。

由于对三维地籍实体进行了简化,每个界址面即由两个三角形构成。因此,通过界址面表存储其左右的宗地号,便可以完成宗地邻近关系的显示存储,上述三块相邻宗地Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的存储如图5所示。

通过构建上述三维地籍实体信息表,即可实现三维地籍信息的快速查询。在查询时,先读取三维宗地表,在表中检索出待查宗地的ID,接着以该宗地的ID从宗地属性表中检索出该宗地的权属信息。

3.2 模型应用

本文所设计的三维地籍数据模型可以实现三维宗地空间关系的计算。其原理为:由于界址面不存在相交的情况,因此在界址面表中存储该界址面左右宗地的ID号,即完成了宗地邻近关系的显示存储。例如,如图6所示,三维宗地Ⅰ和Ⅱ相接于界址面hing,虽然界址面dbng(面hing是dbng的一部分)是三维宗地Ⅰ的边界面,但是为了表达两宗地之间的拓扑邻近关系,需要将面dbng划分为界址面dbih和界址面hing两个部分。

通过上述分析,复杂的拓扑包含关系的存储方法也可以映射为宗地之间的邻接关系[6],也就是说,在文中所设计的三维地籍数据模型中,包含关系是复杂的拓扑邻接关系,也是拓扑邻接关系的特例,从而不需要额外存储宗地之间的拓扑包含关系。

基于以上研究结果,对三维宗地的三种空间关系分别进行以下空间关系计算,并将计算过程转换为如下的SQL语句:

(1)查询与三维宗地Ⅰ邻接的宗地

SELECT左宗地ID AS宗地ID FROM界址面表WHERE右宗地ID=ⅠAND左宗地ID IS NOT NULL

UNION

SELECT右宗地ID AS宗地ID FROM界址面表WHERE左宗地ID=ⅠAND右宗地ID IS NOT NULL

(2)判断三维宗地Ⅱ是否为岛宗地(即是否被其他宗地包围)

SELECT左宗地ID AS宗地ID FROM界址面表WHERE右宗地ID=Ⅱ

INTERSECT

SELECT右宗地ID AS宗地ID FROM界址面表WHERE左宗地ID=Ⅱ

从以上示例可以看出,在三维地籍数据模型中,拓扑关系的显式存储可以方便地将地籍管理中常用的拓扑邻接和拓扑包含关系映射为简单的SQL语句,节省了大量的计算空间。

4 结论

土地资源的使用是立体的,需要三维的数据模型进行土地资源管理。本文设计的适应地籍空间管理的三维地籍数据模型为地籍数据的空间管理的实现提供了理论基础,满足了s地籍管理在空间上的权属确定以及科学使用。

摘要：当前土地资源在空间上的权属关系变得更加复杂,传统的二维宗地地籍管理方式已经无法满足现代社会的需求。本文调研了土地资源的空间管理可行性,分析了立体化的、基于三维空间的地籍数据模型,提出了适应土地管理方、公众以及使用方对城市空间资源使用直观化的方法。本方法可满足空间权属明确化的需求。

关键词：宗地,三维地籍,空间权属

参考文献

[1]WALLACE J,WILLIAMSON I.Developing cadastres to service complex property markets[J].Computers Environment&Urban Systems,2006,30(5):614-626.

[2]庞亮亮.机械设计与分析工程数据管理技术研究[D].陕西:西北工业大学,2006.

[3]朱秀丽,苗作华.基于Arc GIS的基础地理空间数据库系统设计[J].山西建筑,2009,35(6):363-365.

[4]HO S,RAJABIFARD A,STOTER J,et al.Legal barriers to 3Dcadastre implementation:What is the issue?[J].Land Use Policy.2013,35(0):379-387.

[5]杨宇曦.空间数据索引技术的研究及在GIS中的应用[D].辽宁:大连理工大学,2005.

卫星遥感图像空间分辨率适应性研究 第4篇

随着高分辨率卫星遥感的发展, 遥感在各大领域 (如城市规划与管理) 中的应用深度、广度方面都将有进一步的拓宽和提高, 当空间分辨率变化时, 影像中的可辨识物体发生了变化, 土地利用的分类系统不相同, 因此景观格局也必然有所差异, 针对不同的目标地物和应用研究目的, 探讨如何选择合适的空间分辨率成图, 将有助于提高各类遥感影像应用的效率和不同地物的提取精度, 从而为目标物准确成图和后期相关决策奠定良好基础[1]。

一、遥感图像的空间分辨率与适应性

空间分辨率是指图像中可辨认的临界物体空间几何长度的最小极限, 即对细微结构的分辨率。对于空间分辨率的影响因素张廷斌[2]在卫星遥感图像空间分辨率适应性分析作了很好地分析与说明。不同应用领域以及应用研究的不同层次对遥感数据的空间分辨率有不同需求, 如大面积的固体矿产普查要求分辨率比较低, 而对某个城市作规划建设则要求分辨率较高。因此对于特定的地物应使用特定的分辨率进行遥感图像信息提取。

二、图像空间分辨率适应性实验

2.1 数据来源和研究方法

2.1.1 数据来源。

此次试验选取了合肥蜀山区SPOT-5全色遥感影像, 其空间分辨率为2.5m2.5m。为了让试验结果有可比性, 利用重采样的方法对影像进行不同程度的粗化, 改变其空间分辨率, 以达到除空间分辨率之外其它条件保持一致的目的需要不同空间分辨率的影像来进行试验, 从而得出不同的评价结果, 以此来说明空间分辨率的适应性。在进行粗化之后, 分别得到二种分辨率的影像, 其空间分辨率分别为15m15m和30m30m, 以此作为试验数据。

2.1.2 研究方法。

采用监督分类方法中的最大似然分析法分别对三幅不同空间分辨率的影像进行水体信息的提取, 并评价其分类结果, 分析何种空间分辨率影像效果更佳, 以此说明卫星遥感图像空间分辨率的适应性。

2.1.3 水体信息识别。

对研究区遥感影像采用543波段组合, 该组合波段间相关系数较小、信息比较丰富且接近真彩色, 便于各种地物的识别。监督分类最大似然分析法后水体颜色设置为黄色。

三、结果分析

执行了监督分类以后, 从分类评价结果来看, 随着空间分辨率的降低, 生产精度也随之降低。但是随着空间分辨率的降低, 用户精度并不是也随之降低, 相比于分辨率2.5m与分辨率30m的90.32%和95.24%, 反而是分辨率为15m的遥感影像的用户精度最高, 达到98%。因此, 对于蜀山区遥感影像的水体提取, 其最佳分辨率为15m。

四、结语

目前, 高空间分辨率遥感在城市规划中的应用研究范围不断扩大, 在城市发展、演变的动态研究中, 低分辨率遥感图像也有其很重要的作用。低分辨率卫星遥感数据和高分辨率、米级分辨率卫星遥感数据进行信息复合, 这样既提高了新图像的分辨率又丰富了其光谱信息, 大大提高了遥感图像的应用和综合分析能力。在城市规划和建设中, 选择合适的空间分辨率的图像是非常有意义的。

参考文献

[1]朱光良.基于卫星遥感技术的土地利用研究发展[J].遥感信息, 2001 (4) :34-37.

空间适应 第5篇

货运组织模式

货运枢纽布局与货运组织模式息息相关, 当前我国许多城市的货运物流采用完全连通式组织模式, 在该模式物流网络中, 节点之间的连接为点对点式, 各货运站点没有在服务范围上进行有层次的分级, 集货系统功能不明确, 干线运输和支线运输没有分离, 导致货运站场空间布局混乱, 货运物流行业在车辆、用地、信息和管理方面存在“四不兼容”问题, 而解决该问题的关键在于建立一个整合解决各类问题的货运运输组织模式, 即轴辐式货运组织模式 (属于集约型货运组织模式) 。

轴辐式货运组织网络主要由节点以及联系节点的货运通道组成, 节点共分三个层次:枢纽站、配送站、营业网点。其中枢纽站、配送站以及它们之间的运输线路共同构成内部营运网络, 而配送站与营业网点之间的线路, 加上营业网点共同构成外部服务网络, 一般情况下, 内部网络中的运输为长途运输, 而外部网络中执行的则是市内运输任务, 解决城市配送和对外物流的衔接问题。轴辐式的货运组织模式可以通过车辆引导和用地、信息、管理的集中实现对“四不兼容”问题的解决:一是引导物流园区外移和干线车辆大型化、配送车辆小型化, 解决城市环境和货运不兼容的问题;二是通过在铁路、水运节点建设物流园区, 解决运输方式之间不兼容的问题;三是通过在物流园区的服务和引导, 解决货运设施和产业之间不兼容的问题;通过多种设施、信息在轴辐式物流园区内的集中, 促进货运管理部门之间不兼容问题的解决。

与传统的完全连通式模式相比, 轴辐式货运组织模式有以下优缺点:优点包括:减少货物运输的不平衡性, 提高运输资源的利用率;集约配置运输资源, 做到分工有序;枢纽建设可产生集群效益, 带动区域经济的发展。缺点包括:增加装卸次数;产生绕道成本。

在实际应用中, 为了充分发挥轴辐式货运组织模式的优点, 克服缺点, 应对现有货运场站功能进行调整, 一般会采取具有专线的复合轴辐式运输网络, 建立具有专线的轴辐式货运枢纽体系。即在有条件的非枢纽站之间开辟一些直达线路, 而并非所有货物都需要通过枢纽站转运。这种网络在形式上更加一般化, 网络内货物运输形式也更加灵活, 因此具有更大降低网络运营成本的空间, 更能体现低碳货运, 更能与产业布局和对外枢纽布局相适应。

起初轴辐式组织网络只应用于航空运输领域, 由于其有效提高客座率, 降低物流成本, 后逐渐应用到陆路货物运输及公路快速货运行业。实践证明, 轴辐式物流网络是整合物流资源、提高物流资源利用效率、减低物流成本的有效网络结构, 己成为现代物流网络结构发展的主流趋势。

货运枢纽空间布局

货运枢纽既为城市提供服务, 也可能加剧城市交通拥堵和环境污染, 因此货运枢纽的布局必须与城市空间布局相适应, 拿捏好与城市的关系。对于辐射国外和省外的货运枢纽, 应设置在城市郊区, 避免出入和过境货运交通对城区交通和环境产生影响;对于服务城市的枢纽, 既要适当靠近中心城区, 便于节约成本加强服务;又需要适当的远离, 便于利用外围道路疏解货运交通。另外, 货运枢纽布局应充分考虑城市空间演化导致的城市空间扩展、功能区变迁、产业结构的“软化”以及城市群的出现所带来的影响, 货运枢纽也需合理外移。

对于城市规划确定的海港、空港、大型铁路站等重要交通基础设施, 要充分利用这些区域对外交通设施的天然禀赋, 配套设置各类货运枢纽, 强化物流辐射作用, 形成城市尤其是中心城市的“聚集”和“扩散”作用。例如海港周边应充分发挥近海或远洋运输的优势, 规划国际及省际货运枢纽服务集装箱运输, 并适时引入疏港铁路, 发挥铁路运输长距离、大运量的优势;空港周边应结合机场综合保税区的建设, 规划具有保税加工、保税仓储等功能的适应临空型物流的货运枢纽体系, 并强化道路的建设和管理, 保证空运快速、安全的优势。

货运枢纽布局规划要充分体现对产业的支撑, 如对中心区而言, 货运配送站的布局主要考虑与城市居住商业环境的协调, 考虑满足商贸流通业的快速配送;对外围产业区而言, 主要考虑与产业用地布局的协调, 根据产业类型的不同, 结合空港和海港经济发展区、工业区、物流园区和仓储区等建立临港、临厂或入园等不同特点的货运枢纽。

货运枢纽布局不仅要最大限度地使货运供给能力与城市货运需求保持空间上的均衡, 而且使货运枢纽所处位置与其服务辐射方向保持一致, 在市区不同地区设置服务于本地区的货运配送站, 各个往外辐射方向的近郊区设置“向性”对外货运枢纽, 并把每个方向的对外运输线路整合集结到对应的货运枢纽, 避免对外货运交通穿越城区, 有效提高货运系统的服务水平。

任何城市与周边城市均保持有密切协作关系, 尤其处于珠三角、京津冀、长三角等城市群的中心城市与周边城市形成分工有序、互利共赢的发展格局, 因此货运枢纽布局要有区域视野, 按照国家区域发展战略要求, 形成区域空港、海港、铁路、公路货运枢纽分工明确、优势互补、共同发展的区域货运枢纽布局体系, 完善区域货运枢纽现代化功能, 避免重复设置和不良竞争, 巩固和提高区域城市群物流业的整体国际竞争力。

通过以上分析, 货运枢纽规划空间布局在满足地质、水文、电力、通讯和环境等条件下, 根据我国城市基础设施分布特点和总体规划中关于城市发展区的划分, 依据城市空间布局、基础设施的分布和货物流量需求等, 结合货运场站外移的趋势, 在各个方向布局一个或数个货运枢纽, 形成中心区有共同配送, 外有轴辐运输的“城市配送站-城际货运枢纽-国际及省级货运枢纽”的三级货运枢纽布局模式。

随着城市空间的拓展, 不少城市在城市郊区规划建设大型新火车站、机场或者港口, 并依托这些重要交通设施建设临港经济发展区、以交通枢纽为核心的新城、工业园区和物流园区等, 国际及省级货运枢纽站一般结合这些临港经济发展区、新城、工业园区和物流园区, 布设在城市主要对外货运通道 (国铁、国道和省道等) 道口, 距离城区位置相对较远, 每个方向宜布局1个, 以加强货运枢纽对外服务的辐射能力, 同时减少货运出入交通和过境交通对城区交通的冲击, 并为远期发展在用地上留有余地。

空间适应 第6篇

1 东亚传统城市主要公共空间结构特色分析

中心、轴线和“家国同构”是贯穿中国城市空间的两个主要结构要素。天圆地方的天地观、四方九宫的风水观念等传统朴素世界观都明确提出或暗示着中心和轴线的存在,因此位居中心及轴线上成为东亚人心目中最崇高的空间含义。家国同构:将天地四方的朴素哲学观念作为城市结构的理念,与天地在时间和空间上的结构呼应。从世界(见图1)※城市(见图2)※里坊※独户住宅(见图3),单位结构在变小的过程中结构保持了很大的相似性,与此同时,它也包含了较强的等级观念。

1.1 公共空间网络和带状公共空间

东亚城市市民生活的主要公共空间就是街道,它是人们公共生活最主要的场所。各级街道组成的公共空间是东亚城市的主体公共空间,也是其公共空间的特点所在。这里没有欧洲城市定义下的标志性集中公共空间类型———城市广场来形成公共空间的高潮并作为街道系统的组织者。感受东亚城市的公共空间特点必须通过动态的过程:从最小级街道走入高一级街道,再到更高一级,逐级变高,直到最高级别的大道来感受街道尺度、建筑物类型、市民活动类型等的变化反映出的公共性的层级变化。

1.1.1 公共空间网络

在东亚典型城市中街道往往有明确的分级,街道类型也十分丰富,越接近现代的城市街道分级越多。在没有特别地形影响的情况下,街道基本都按照南北、东西垂直相交来布置。同级别的街道把城市划分成相应级别大小的方形地块,再由下一级别的街道将其划分为更小的地块。

人们活动的自在感与空间的公共性形成一种反比的关系。街道越窄氛围越接近生活环境,公共性弱,人们的活动更自如,活动种类更丰富;街道越宽,公共氛围越强,甚至于是有压迫感和伟大的,这在东方人的行为习惯中反倒使人的活动受到了限制。

1.1.2 带状公共空间为主

街道上的公共活动:街道的主要功能是交通,当作为公共活动场所时,细长的空间具有很强的流动性,因此人们在街道上进行公共活动时停留时间比较短。街道的尺度:主要街道十分宽阔,起到集中公共空间的作用;次级街道按其宽度的减小,从几十米宽的大道到几米宽的小路(不同地区具体名称不同)。

1.2 集中公共空间

东亚传统城市中的集中公共空间的功能一般都比较单一,“市”集中了购买、交流和部分娱乐;“寺”以集中性娱乐和部分购买为主;官城(地方城市为官城)集中了官员的管理活动。人们的活动范围往往也是各有所属,各占一方,很少出现欧洲所有人共享一片较大的、无明显分割的空间,但各做各的事,各得其所的情况。

2 城市间的比较

2.1 横向比较

唐长安是日本平安京的原形,但平安京依然有一定的适应本土的变化,在此仅以城市公共空间末端的变化为例。

唐长安的最小城市结构是“里坊”,它依然包含有中心的观念在其中。坊有一道总体的墙使其独立于其他坊,坊与坊之间是最次级的城市道路,坊是内向型的,在坊的内部存在一定的局部公共性。坊内两条道路十字相交,坊门只有四处,坊内道路相交的中心是坊的管理机构。这个缩小的城同样体现了空间上的轴线控制与功能上的中心管理的特征。

日本平安京的最小城市结构也叫做“坊”,但它并没有很强的“里”的概念。一个坊被最小级别的路划分为16个町,位于南北中轴线的路宽于其他的路,坊周围的路级别高于这条路,在这个坊里每个町都是有一定独立性的,坊的整体性不及唐长安的里坊强,也没有各自的中心管理机构,可以说它体现出一定的自治和更自由的邻里公共关系,当然这只是一个自治趋势的开始。

2.2 纵向比较

日本平安京与日本滋贺县彦根。

平安京以唐长安为模本,街道平直,轴线突出,坊的划分整齐。“城下町”的街道分级比较模糊,没有了统一的中轴线,而是以包围的趋势维护在本丸周边,没有南北向的方向控制,但是垂直的道路关系还存在。在全城来看,本丸周围是武士的聚居区,再外圈是平民。

“城下町”体现了区域武士集权的统治,但这里的统治者只保护自己,而不保护市民,因此出现了名为“町众”的市民组织类型。

总的来说,“城下町”的公共空间网是一种不均匀的网,它的有些“枝条”比较粗壮(行业聚集街),而且有很强的周边渗透性,但在某些区域是断裂的(武士聚居区)。这些变化都是适应了日本本土历史条件而产生的。

3 结语

东亚城市的公共空间结构正如同东亚人的世界结构观、国家平面、城市平面一样,是层层构造相似的网格结构,它们蕴含着相似的哲学意义、逻辑和规则,也体现着东亚人独特的公共生活意识和空间喜好。但它并不像很多人说的那样是千篇一律或是教条不变的。正如东亚人的智慧,东亚城市是适用而变化丰富的,在城市理念传播的过程中,传统东亚城市模式逐渐成熟完善,并适应各个地区和时代的变化发展出一些新的子形式。

参考文献

[1]李斌.空间的文化——中日城市和建筑的比较研究[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[2]任爽.中国历代典章制度研究文库——唐朝典章制度[M].长春:吉林文史出版社,2001.

[3]张冠增.城市发展概论[M].北京:中国铁道出版社,1998.

[4]张冠增.东亚城市的形成与发展[M].上海:上海教育出版社,2000.

空间适应 第7篇

关键词：中小城市,高铁站前区,公共空间,适应性设计

引言:

随着人们对空间需求的不断提升,高铁站站前区空间营造显得尤为重要。相对于大城市高铁站在空间组织上复合立体化处理,中小城市站前空间明显较单一化,忽视了建筑与建筑之间、建筑与外部空间环境的相互关系,甚至有些高铁站区的建筑只是被简单地放置在一起,建筑与空间的连续性不够,造成公共空间的现状存在诸多问题。基于中小城市的诸多问题,公共空间的动态发展是一种以公共空间适应性设计为基础,结合高铁站前区公共空间的特性,在高铁站前区营造积极的公共空间,激发高铁站区建筑之间的互动,产生“整体大于部分之和”的公共空间效应,从而为提高站前区公共空间品质提供合理的解决方案。

1. 适应性研究背景

适应性研究是以系统论、类型学和形态学研究方法为研究基础,主要特征是:动态设计、优化设计。同时适应性研究兼顾系统内外多个要素的特征、不同使用者的需求、动态的发展、资源的可利用率等方面内容。适应性具体到公共空间层面,研究的重点是人与环境的持续性适应性需求。近代著名心理学家让·皮亚杰描述人与环境的持续交往能力为适应,两者之间及其自身的互动关系需要满足一种客观上的动态平衡。人在与环境交往互动之前,都有潜在的生理需求和心理需求,从人的基本需求出发,再到自我的适应性需求。适应性设计以人的基本需求和人群的行为特异性出发,结合公共空间的使用特色,提出公共空间的动态发展的适应性策略。

2. 公共空间适应性

2.1 公共空间

公共空间的概念城市公共空(urban publicspaee)目前仍无一个完全统一的概念。可以肯定的是它是城市空间概念的属概念并与城市开放空间(open space)相近。公共空间是由城市广场、街道、公园等公共空间是由诸多物质性要素构成的,但并不是几种要素单纯、孤立的组合,而是每一种要素都处于有机的整体环境中发挥作用。整个空间要素之间是相互适应和协同的关系。

2.2 高铁站前区公共空间

高铁客运站有“既有站更新”与“新建”两种模式。相较于大城市集中和多层次的空间布局,中小城市新建站则一般位于城市郊区,与城市中心的关系不甚密切,这种市郊型的新建高铁客站前公共空间多为平面布局,缺乏空间多样性和层次性。区别于传统的公共空间,高铁站前区公共空间由于交通型空间特异性,依据高铁站区据公共空间的使用活动功能特征,高铁站前区公共空间一般分为节点型公共空间、线性公共空间和区域型公共空间。

2.3 公共空间适应性及载体

适应性研究中通过人在空间中活动行为和空间感受反馈来衡量一个空间是否适宜。具体到高铁站前区公共空间,公共空间的适应性落实到具体的物质层面,载体即空间界面、空间要素、空间尺度以及空间组织。

(1)空间界面

在功能分区的规划中,由于强调了各地块的功能,也包括强调交通的功能,因而无论如何建筑与城市空问之同总会有一个边界,只有开放空间才能做到公共空间向建筑用地内或建筑的内部渗透,这是一种柔化的边界,使建筑物与城市空间有机啮合。了解这一场所的空间界面是否积极地促进了公众的交往行为与互动行为,也可以通过界面的处理手法(例如材质、色彩等)判断是否适宜公共空间的气质氛围。

(2)空间要素

空间要素包括公共空间中的公共设施、绿化植物、景观小品、雕塑、水体、灯光照明等。以休息座椅这种常见的设施要素为例,使用率和舒适度是影响人的行为极其关键的因子。休息环境的改善能够改变人们的休憩行为,通过使用者对空间中公共元素的使用反馈,来衡量公共空间的合理性

(3)空间尺度

公共空间的空间尺度同样会影响到人与环境相互作用的适应程度。尺度过大的空间有冷漠感,过小又产生压抑感,都不利于公共活动的发生。公共空间中由于超尺度导致少人使用的现象屡见不鲜,以至于很多设计师疾呼“小就是好”。合理地平衡尺度的大小,对站前区空间营造至关重要。

(4)空间组织

空间组织即空间序列,包括空间交通流线和空间层次。空间的组织方式应从人的行为要求出发设计空间发展序列的过程,设置合理的交通流线,遵从人的疲劳曲线、体验兴奋度曲线等,提供有变化的空间层次感受过程。

3. 高铁站前区公共空间适应性设计

伴随着快速城市和高铁的发展,一些中小城市站前区建设缺乏对中小城市本身客观和正确的认识,空间的规划设计中主要表现为对“大”尺度的盲目追求。这种盲目的追求对高铁站地区的公共空间造成了诸多问题,主要有以下几个方面:公共空间数量上缺乏、品质上不足;现有的公共空间及城市公共建筑公共性不足;公共空间对城市生活的支持度不高;当代公共空间与城市建筑的“孤岛”现象。

依据适应性研究中整体控制和动态发展的设计原则,结合上文分析高铁站前区公共空间的诸多问题,公共空间和适应性的相互关系,中小城市高铁站前区公共空间营造过程中,公共空间营造从空间界面、空间要素、空间组织和空间尺度四个层面出发,实现宏观、中观和微观三个层面的适应性策略。宏观层次方面,缺乏对于自身城市肌理的认知和城市空间特色的延续;中观层次方面,忽视了高铁站区公共空间功能属性解读;微观层次方面,对空间环境中人与空间的互动关系和需求认识不够。结合整体控制动态发展适应性设计手法,提出中小城市高铁站前区公共空间的适应性目标。

3.1 宏观层面:情-城市空间肌理特色延续

公共空间是一个复合的人工生态系统,以适应性中系统宏观层面来看,具有整体性与层次性的结构要求和特征表现。公共空间一般由空间主体城市人群、空间客体环境要素以及空间主体和客体之间的交互运动组合而成。结合适应性中的系统论和整体观,公共空间的整体性指的是空间内部各要素之间的相互关联和谐共处的整体结构。高铁站前区的站前区公共空间各个空间元素之间相互关联,共同构成了公共空间内涵和主体;除了站前区公共空间内部的整体和系统性之外,公共空间主体与空间环境是一种相互紧密联系和相互影响的元素,公共空间的设计同样应该是依托于对城市特色肌理客体空间环境的真实表达和适应延续,使得高铁站前公共空间和城市整体空间结构相呼应,达到城市空间肌理特色的延续。

3.2 中观层面:境-空间氛围和互动效果的提升

中小城市高铁站应该主动避免功能结构千篇一律,公共空间在其功能或用途上的综合性和混合性是其充满活力的核心因素。以人为本的原则是适应性设计中的核心内容,是适应性设计社会属性中对人的空间需求的基本满足。高铁站前区公共空间生活的主体核心是人,没有人的空间就失去了存在的意义,公共空间的设计本质上是设计人的公共生活,把关心人、尊重人的概念具体体现于城市空间环境的创造中,重视人在城市空间环境中活动的心理、行为和文化,从而创造出满足多样化需求的理想空间,保证人在使用过程中的空间舒适度,避免空间紧张感和疏远感的产生,达到站前区空间氛围和使用者与空间互动效果的提升。

3.3 微观层面:意-空间动态发展和文化的传承

中小城市高铁站区的发展不能盲目照搬大城市的开发模式,而中小城市高铁站前区的建设中要求在设计之初就要做好分期建设的弹性空间设计,保证空间和资源的最大化利用,同时在实施的过程中不断收集使用人群反馈信息,动态调整站区功能布置,达到站前区公共空间的合理化设计。结合高铁站区城市空间的功能属性,采用环环相扣的分期开发模式,依据中小城市的城市发展总体规划,分期发展站区的公共空间,实现整体公共空间的动态发展。对于公共空间中节点和小型的景观设计中,注重空间尺度和空间特色的营造,延续整体空间氛围,体现当地的地域文化和历史特色,实现细节的适应性设计和整体空间层次的动态发展。

4. 结语

空间适应 第8篇

图像的超分辨率(Super Resolution,SR)重建技术是指利用软件和信号处理的方法从一幅或者多幅低分辨率(Low Resolution,LR)图像序列中获得一幅高分辨率(High Resolution,HR)图像的过程。目前已被广泛的应用于天文、医学成像、安全监控等领域。

图像的超分辨率重建主要经历了以下四个阶段:单幅图像的超分辨率、静态图像的超分辨率、视频序列的超分辨率、压缩视频流的超分辨率。最早的超分辨率技术始于20世纪60年代,Harris和Goodman提出光学信号外推方法运用到光学图像的超分辨率重建中,奠定了超分辨率重建的数学基础。Tsai和Huang首先提出了在频域对多幅欠采样图像进行超分辨率图像重建。之后虽然很多学者在此基础上进行了发展,但频域方法没能成为研究的主流;相反超分辨率重建的空域方法却获得了很大的发展。空域法主要包括非均匀内插法、迭代反向投影法、凸集投影法、最大后验概率估计法、正则化方法等。由于正则化方法能够有效地利用解的先验信息,克服问题的病态性,因此获得了广泛的应用。然而在图像重建中引入正则项以后,重建结果图像将会引入两类误差[1]:(1)由于正则化,重建算子将会偏离图像获得算子的逆算子而引入重建误差;(2)由于噪声,图像获得算子频谱零点以及正则化引入的重建误差;这两类误差的产生均与图像的局部统计特征有关。为了减少重建过程中的这两类误差,本文在已有正则化重建算法的基础上,引入关于图像的局部统计特征,采用全局正则化参数和局部正则化参数矩阵共同约束,从而提高重建质量,保护图像边缘。

1 观测模型

图像的超分辨率重建是在已知低分辨率图像序列的基础上求解原始高分辨率图像帧,其观测模型如式(1)所示。

式(1)中,Yn、X、Vn分别表示第n帧低分辨率图像、原始高分辨率图像、加性噪声的行排矢量,Fn、Hn、Dn分别表示第n帧低分辨率图像Yn的几何运动矩阵、空域模糊矩阵、下采样矩阵,并且分别由帧间位移、点扩散函数、下采样率确定。

2 空间自适应正则化超分辨率重建

2.1 超分辨率图像复原模型

超分辨率重建是一个不适定问题,即不能同时满足解的存在性、唯一性和稳定性。对于求解不适定问题最有效的方法就是正则化方法。正则化方法的主要思想就是利用关于解的先验信息,构造附加约束克服解的病态性,从而使问题转化为良态问题。传统的超分辨率重建的正则化代价函数具有式(2)所示的形式。

式(2)中,C为正则化算子,通常为拉普拉斯算子;α为正则化参数。此时重建得到的高分辨率图像就是使式(2)达到最小的X-,即

传统的超分辨率重建会引入两类误差,而它们与图像自身的统计特征有关,故本文算法在进行超分辨率重建的过程中引入空间自适应加权矩阵;同时由于每幅低分辨率图像的降质参数往往不同,故可以针对不同的图像帧采用不同的正则化参数,从而重建得到的高分辨率图像满足:

式(4)中,αn为第n帧的正则化参数,R、S为空间自适应加权矩阵。αn、R、S都是用来控制重建过程中的正则化程度。标量αn又称为全局正则化参数,它控制着重建图像整体的平滑度与失真度的关系;权值矩阵R、S又称为局部正则化参数矩阵,用来控制每一个像素点的正则化,可以看成是对全局正则化参数进行的局部微调。矩阵R主要作用于图像的边缘区域,采用较小的R可以增加图像的重建约束;矩阵S主要作用于图像的平滑区域,较大的S可以加强图像的正则化[1]。

2.2 局部正则化参数矩阵的选择

矩阵R、S反映图像自身的统计特征,与图像的局部灰度值相关,在实际应用中,R通常选取为单位矩阵,而矩阵S的选取有多种方法。Lagendijk[2]等充分考虑了降质图像的局部方差和噪声方差,并且根据两者的差值确定权值矩阵S;袁建华[1]利用该权值矩阵进行超分辨率重建,结果显示对于不同的噪声方差,该方法均能得到较高的峰值信噪比(Peak Signal to Noise Ratio,PSNR),并且使用空间加权矩阵以后,对正则化参数的选择具有一定的鲁棒性。Katsaggelos[3]等将S定义为人眼对原始图像的可视函数;Reeves[4]认为S与原始图像局部方差成反比例关系;Choy[5]等提出了一种新的自适应权值矩阵,并与上述3种权值矩阵进行了比较。结果显示,对于不同信噪比的降质图像,该权值矩阵对应的恢复算法均能获得最高的改进信噪比。本文将Choy等提出的权值矩阵应用到图像的超分辨率重建中,具体公式如下所示:

式(5)中,σn2表示低分辨率图像的噪声方差,σX2(i,j)表示高分辨率图像在(i,j)处的局部方差,a、b为常数,通常取1。局部方差的计算采用局部窗口的方式,假设窗口的大小为M=(2P+1)(2Q+1),则局部方差为:

为了更好的反映图像的局部特征,P、Q不能取太大,但过小又会使重建结果易受噪声的影响,因此常选取P=Q=2。

然而,在很多情况下,无法得到原始的高分辨率图像,式(5)中的σX2(i,j)无法计算,这样就限制了该方法的应用。此时,可以取迭代过程中的当前高分辨率图像的局部方差来代替σX2(i,j),这时权值矩阵S变为:

式(7)中,表示当前高分辨率图像的局部方差。

2.3 全局正则化参数的选择

全局正则化参数控制着图像整体的平滑度和失真度的关系。一方面如果全局正则化参数过大,会使正则项占有较大的比重,复原图像过分平滑,细节信息丢失;另一方面,参数过小不能有效的消除重建过程的病态性。传统正则化参数的选择具有一定的主观性,常常通过多次实验选取最优值,这样由于缺少自适应性从而影响重建结果。目前,多数超分辨率重建方法都采用自适应的正则化参数,根据重建过程中的中间结果,修正正则化参数,使正则化参数和复原结果同时达到最优。本文采用Hu[6]等提出的正则化参数,即

式(8)中,λn为斜率常数,满足,在实际应用过程中,常取。

2.4 算法设计

对于目标泛函式(4),当R取单位矩阵时,令

则

对应的高分辨率图像满足

为了克服大维度矩阵求逆的复杂性,采用最速下降法进行迭代求解,所对应的迭代公式为:

式(12)中,ε为迭代步长。ε的选取对迭代公式的收敛起到重要的作用,如果过大,迭代发散,无法取到最优解;反之,迭代收敛的速度减慢。实验中通过多次尝试选择最优值。

3 结果分析与评价

选取大小为256256的number图像作为原始高分辨率图像进行模拟实验,将该图像分别进行平移、模糊、下采样生成15幅大小为128128的低分辨率图像序列,其中,平移范围在0-3个像素之间,模糊算子为窗口为33的高斯算子,下采样因子为2。对获得的低分辨率图像序列加入不同噪声方差的高斯噪声,获得实验所需数据。实验中采用金字塔光流配准算法进行图像配准,获得运动参数,正则化算子采用窗口为33的拉普拉斯算子,并将本文算法与三次样条插值算法、传统正则化算法进行比较。重建图像质量采用峰值信噪比和结构相似度[7](Structural similarity,SSIM)进行评价,其中PSNR是最普遍、最广泛的评鉴图像质量的客观方法,峰值信噪比越大,图像质量越好;SSIM充分考虑了图像的结构信息和人类视觉的特点,结构相似度越大,失真越小,图像质量越好。综合考虑PSNR值和SSIM值,对不同噪声方差的图像分别进行超分辨率重建,具体结果如图1所示。

从图1(a)可知,本文算法优于传统正则化方法0.5 dB左右,更优于三次样条插值法,这是因为本文算法充分考虑了图像的局部信息,减少了由于正则化而引入的错误。图1(b)显示,本文算法在结构相似度上明显优于三次样条插值算法和传统正则化算法,并且三次样条插值算法和传统正则化算法对应曲线类似于负指数曲线递减,而本文算法所对应的曲线类似于直线递减,因此在一定范围内,随着噪声的增加,本文算法优势更为明显。

当低分辨率图像序列的噪声是均值为0,方差为0.01的高斯噪声时,分别采用三次样条插值法、传统正则化方法以及本文算法进行超分辨率重建,重建结果如图2所示。

从主观上来看,本文算法优于其他两种算法,不仅噪声得到有效地去除,而且能够保护图像的细节信息,主要表现在:三次样条插值图像和传统正则化方法重建图像右侧的数字不可辨识,而本文算法重建图像右侧的数字可以较为清晰地显示出来。

从图1和图2可以看出,本文算法无论是在统计特征和结构特征的客观指标上,还是在主观评价上均优于其他两种算法。

4 总结

本文在进行超分辨率重建的过程中,结合图像的局部特征,引入了空间自适应加权矩阵,采用整体正则化参数和局部正则化参数矩阵相结合的方法,减少了由于正则化而带来的重建误差。实验结果表明,在有参考图像时,重建图像可以获得较高的峰值信噪比和结构相似度;在无参考图像以及其他先验信息时,本文算法对噪声方差的估计具有鲁棒性;随噪声方差的变化,标准差、平均梯度、灰度预测均方差变化很小,同时本文算法能够很好的保护图像的边缘信息。但是由于本文算法需要计算图像的局部方差,因此重建所需要的时间有所增加,特别是对于无参考图像的重建,每进行一次迭代都要计算一次局部方差,时间复杂度相比其他算法较大。接下来的工作将是设计出时间复杂度低并能够反映图像局部特征的自适应权值矩阵。

摘要：针对模糊图像的复原问题,从正则化技术克服问题病态性的思想出发,研究了一种有效的超分辨率重建算法。该算法充分考虑了图像的局部特性,引入了空间自适应加权矩阵,采用全局正则化参数与局部正则化参数矩阵相结合的方法,弥补了传统正则化方法所带来的正则化误差以及噪声放大误差。实验结果表明,该算法能够有效地减少重建误差,保护图像的细节信息。

关键词：超分辨率,正则化,空间自适应,图像重建

参考文献

[1]袁建华.空间自适应正则化超分辨率图像重建.计算机应用,2009;29(11):3008—3010

[2] Lagendijk R L,Biemond J,Boekee D E.Regularized iterative imageresolution with ring reduction.IEEE Transactions on Acoustics,Speech,and Signal Procession,1988;36(12):1874—1887

[3] Katsaggelos A K,Biemond J,Mersereau R M.A regularized iterativeimage resolution algorithm.IEEE Transactions on Signal Processing,1991;39(4):914—929

[4] Reeves S J.Optimal space-varying resolution in iterative image resolu-tion.IEEE Transactions on Image Processing,1994;3(3):319—324

[5] Choy S S O,Chan Y H,Siu W C.Optimal choice of local regulariza-tion weights in iterative image resolution.Atlant,USA:ProceedingsIEEE International Symposium on Circuits and Systems,1996,1996:604—607

[6] Hu H,Kondi L P.An image super resolution algorithm for differenterror levels per frame.IEEE Transactions on Image Processing,2006;15(3):592—603