基于GIS的雙通道遙感地形影像高速采樣系統設計

文良軍

（佛山市測繪地理信息研究院，廣東 佛山 528000）

0.引言

地質調查是一項具有戰略意義的綜合基礎性工作，地形勘探是地質調查的基本工作內容之一。地形是指分布在地表上的各種形態，特別是在地表以上的固定物所表現的高低起伏的各種狀態。地勢不同于地貌，地貌也不同于陸地表面的各種形態，統稱地形。其中，表面起伏的形式稱為地勢，表面起伏的形式也稱為地貌[1]。為獲取更為精確的地形數據，采用遙感技術對地形進行采樣，研制了一套遙感地形圖像采樣系統。取樣是將時間域或空間域中的連續量離散化的過程，通過照相方法得到目標地區的地形采樣結果。

目前，國內外關于雙通道遙感地形圖像采集系統的研究成果比較多，主要有基于IDL的采樣系統、基于FPGA技術的采樣系統和基于三維建模技術的采樣系統等，但對雙通道遙感地形圖像采集系統的研究起步較晚，相關學者在研究中也發現了一些問題，其中包括采樣速度慢、采樣精度不高等，因此將GIS（geographic Information System，GIS）技術引入到傳統采樣系統中。GIS是一種具有廣泛應用前景的空間信息系統[2]。該系統是在計算機硬件、軟件系統支持下，采集、存儲、管理、操作、分析、展示和描述地球表面全部或部分空間地理分布數據的技術系統。利用GIS技術提高雙通道遙感地形圖像高速采樣系統的精度和速度，從而為中國的地形勘探工作提供精確的參考數據。

1.雙通道遙感地形影像高速采樣硬件系統設計

雙通道遙感地形影像高速采樣系統中的雙通道是一種能夠讓電腦性能增加的技術，將多個串聯存儲單元改進為并行存儲單元，從而獲得更大的帶寬。然后，利用GIS技術分別從硬件、數據庫和軟件三個方面對遙感地形圖像高速采集系統進行了優化設計。

1.1 主控芯片DSP選型

TMS320DM642是一種高性能、低功耗、高性價比的數字信號處理器。它擁有豐富的硬件資源，具有I2C、PCI、HPI、網絡端口、串口等多種接口[3]。DM642特別適用于視音頻處理、網絡處理等，芯片的參考資料和軟件支持非常豐富，其性能足以滿足優化系統的設計要求，因此選擇DM642作為主控盤。

1.2 遙感相機搭載設備選型

在雙通道高速遙感地形圖像采集系統中，無人機作為遙感相機的載體設備來實現遙感地形圖像的采集，因此在無人機飛行過程中應盡量保證相機設備的穩定。遙感相機承載著無人機的機身，主要包括機身、起落架和云架，云架是承載熱紅外相機等傳感器的平臺。多旋翼無人機機身的合理性直接關系到其可靠性和圖像等遙感影像產品的質量。主要結構參數主要包括主體材料、結構布置等。通過對主體材料的綜合比較，確定主體材料為碳纖維[4]。為提高無人機遙感地形圖像采集系統的機動性，確定無人機的布局形式為X型；為提高無人機遙感圖像采集系統飛行中攝像機的穩定性，確定無人機機身槳盤布局為傾斜式；為縮小無人機遙感圖像采集系統室外作業的體積，確定無人機機身折疊方式為傘式折疊。無人機平臺所需的載荷約為800克，這取決于攝像機的重量和穩定的云臺（云臺承載著相當重量和尺寸的攝像機）。通過調查發現，無人機機體軸距為700mm，能夠滿足載荷要求，因此確定無人機軸距為700mm。此外，在力學方面，發動機缸體和螺旋槳之間的尺寸關系（如圖1所示）：

圖1 機身主體與螺旋槳之間的尺寸關系圖

式（1）中，采用了最大半徑范圍［1.05rp，1.2rp］控制無人機螺旋槳，其中rp為螺旋槳實際半徑［5］。

1.3 遙感相機云臺選型

在選擇過程中，遙感相機支架必須滿足支架結構中相機框架的尺寸。足以容納ADC Lite相機以及相機電源系統可以驅動200g以上負載兩個條件。遙感相機遙攝傾斜的基本穩定原理（如圖2所示）：

圖2 遙感相機云臺穩定原理圖

1.4 遙感地形影像采樣與處理設備

視頻傳感器和圖像采集卡構成了遙感地形圖像采集單元。系統通過電纜與CPU的圖像采集接口相連，實現了地形圖像的實時采集。圖像采集卡的工作原理是利用高光譜成像技術實現對目標圖像幾何特征和光譜特征的同步采集。首先，利用成像設備在入射狹縫中對地面目標進行成像，以入射狹縫作為確定視場；然后，通過準直鏡和分光組件將目標輻射按不同波長進行分離；最后，利用會聚鏡對探測器進行成像。該系統由遙感相機承載設備和云平臺驅動，實現了對不同位置地物遙感圖像的實時成像，處理后存儲在系統數據庫中。ADC模塊作為專用的AD芯片，具有雙模擬輸入和8位量化輸出。采樣時鐘設計為20.456MHz，采樣率設置足夠高，以提高等信號帶寬模式下遙感信號的信噪比。該芯片具有雙通道功能。配置采樣時鐘邊沿觸發模式時，可完成同一采樣時鐘的兩路輸入輸出，兩路輸出樣本間隔排列合并成一路；USB芯片采用內置8051單片機的高速驅動芯片。當采樣時鐘頻率為24MHz時，采樣時鐘頻率為40.912MHz。另外，上位機配置系統采樣、量化位數、數據存儲速率等參數，可以滿足不同數據源遙感影像原始數據后處理軟件的要求。

1.5 雙通道遙感地形影像存儲器

對來自視頻處理模塊Bt.656格式的有效數據進行解碼后，各通道的數據流將由串行信號轉換為雙向并行信號傳輸。由于解碼后的視頻幀需要進一步去噪，因此需要設置視頻幀緩沖區，以便后續處理模塊對視頻數據進行處理。雙通道遙感圖像高速采集系統需要對采集的圖像進行緩存，每個通道采集的圖像大小為720×576像素。DDR2幀存儲器的整體結構（如圖3所示）：

圖3 存儲器結構框圖

存儲功能主要包括數據寫入單元、視頻讀取單元、判斷讀寫仲裁單元，DDR2的IP核訪問、DDR2實現數據讀寫。

1.6 硬件系統電路設計

1.6.1 遙感采集電路

為了實現對雙信道的地形影像的采樣間隔時間的精準控制，選用AD976A芯片作為遙感采集電路的核心設備，該設備具有16bit的轉換精度和200kbps的采樣率，采集信號輸入范圍為-10～＋10 V，逐次逼近型。遙感采集電路中數字信號和電壓之間的轉換關系，如公式（2）所示：

式（2）中，V為遙感采集電路的電壓。

建筑工程包含了較多的數據信息，只有將不同建筑工程環節數據進行有效分析與整合，才能確保建筑工程全過程管理的實施效果。然而部分設計師在進行項目圖紙設計時，經常因實地考核數據信息不準確，而對圖紙設計未能進行規范性的內容標注，導致建筑工程進行全過程項目管理時，存在實際管理與圖紙要求不一致的情況，進而需要重新進行相關環節審查與改進，影響到整體建設周期與水平。

1.6.2 PCI總線接口電路

PCI總線接口芯片的連接電路（如圖4所示），可以快速將本地總線轉換為PCI總線，由FPGA、PLX9054、FIFO和FIFO組成接口連線，并通過FPGA對接口進行時序控制。

圖4 PCI總線接口電路圖

2.雙通道遙感地形影像高速采樣系統數據庫設計

在系統總體數據方案的指導下，遵循高速雙通道遙感圖像采集系統數據庫的設計原則，為數據服務。數據庫的設計應遵循規范化、數據冗余、標準化理論和數據安全的原則。從數據庫結構和內容分析，根據地形信息數據采集系統的數據需求和系統管理需求，地形數據采集系統的數據庫主要由兩部分組成：空間數據，即柵格遙感影像數據和矢量數據；地形信息數據庫用于存儲采集到的地形信息數據。這些數據存儲情況（如表1、表2所示）：

表1 遙感地形影像數據要素存儲信息表

表2 地形數據塊存儲結構

3.雙通道遙感地形影像高速采樣系統軟件功能設計

3.1 GIS軟件選型

選擇UCMap For Android手機GIS類庫組件作為GIS軟件開發平臺，擴展了Android平臺上的GIS應用。在移動GIS中，地圖是核心部分，由多個層次組成。在實現UCMap For Android時，每個層對應一個FeatureClass空間數據表FeatureClass，每個FeatureClass有兩個概念：記錄和字段。FeatureClass是特征的集合，其字段分為屬性字段和幾何字段。屬性場由特征值得到，幾何場由特征形狀得到。一個圖層上有很多元素，通常一個圖層對應一個符號樣式，圖層上的所有元素都可以用不同的符號樣式繪制，或者UCMap提供不同的渲染工具Rendero。

3.2 采樣起始時間可控與采樣間隔可變處理

根據目標區域的地形特征和實際需要，對端口進行擴充或縮減處理，由每個端口訪問RAM的頻率來確定相應端口訪問的優先級順序。按以下順序計算優先級Y：

式（3）中，TCLK和TMIN分別為訪問RAM的時鐘周期和最短時間，而TMAX為以最高優先級數端口訪問RAM時間間隔。每個信道根據接收到的注數指令確定開始收集時間。在收到開始脈沖信號和采集開始時間之后，啟動控制模塊進行判斷，當計數器到達開始時間后，向AD芯片發送開始信號，控制采集。注數指令不僅包含了每個信道采集的開始時間，還包含了每個信道采集的間隔時間。工時模塊根據不同工時模式，確定不同的采樣點。向控制AD芯片采集的模塊發送采樣點數量，通過判斷采集次數結束單周期采樣循環。

3.3 雙通道遙感地形影像采樣結果的可視化輸出

連續獲取遙感地形影像和定位信息，為每張地形照片實時分配定位信息及其屬性信息，屬性包括固定屬性和可編輯屬性。系統在GIS系統下判斷自動實時記錄數據，可編輯屬性由各采樣單位根據其位置和時間，結合目標地形類型創建。為更有效地實現對大尺度分散樣線的快速采集，系統需要在目標位置窗口中預先設置采樣線和采樣時間，并與實時顯示的目標位置相結合，使其能夠在距離預定樣線較近的情況下進行快速采集，從而達到高效采集的目的。使用者可在GIS環境下根據需要隨時調整圖層順序，配合實時動態顯示位置訊號，便于快速到達。將實時雙通道遙感地形圖像數據存儲到系統數據庫中，并進行幾何校正處理，通過等高線數據采集、等高線數據清理等步驟，將遙感地形圖像數據導入3DS MAX軟件，形成三維基礎地形圖。提取各類專題圖像，生成符合規范的貼圖文件，繪制出三維地形，生成DWF文件，即為雙通道遙感地形圖像采樣結果。

4.系統測試

為了測試設計的基于GIS的雙通道遙感地形影像高速采樣系統的采樣性能，特設計系統測試實驗，并分別從采樣速度和采樣精度兩個方面實現對系統運行性能的測試。開發采樣系統所用的仿真工具為Modelsim，具有仿真速度快、精度高等特點。在測試硬件時可以使用QuartusII自帶的SignaltapII對FPGA進行在線邏輯分析。而SignaltapII的優點就是它能把電路中所有的插針都拉出來，觀察信號的變化，同時它還能把信號的采集儲存在內部寄存器里。只需通過JTAG將編譯后的程序做成FPGA內的寄存器，就可以直接觀察到數據的變化，從而提高程序調試的效率，因此，采用Signaltap法來觀察系統數據。對GIS技術的操作參數和遙感地形圖像采集設備的參數進行了系統開發和調試，具體設置（如表3所示）：

表3 系統測試參數設置表

另外，由于優化設計的雙通道遙感地形影像高速采樣系統應用了GIS技術，因此需要在實驗環境中配置GIS技術的運行環境，具體的GIS運行界面（如圖5所示）：

圖5 GIS運行主界面

利用系統中的一系列硬件設備，收集實時遙感地形影像，其中設計系統的遙感影像收集結果（如圖6所示）：

圖6 遙感地形影像收集結果

為了形成實驗對比，除了設計的基于GIS的雙通道遙感地形影像高速采樣系統外，還設置了傳統的遙感地形影像采樣系統以及文獻中[5]提出的多通道并行可程控遙感數據采集系統作為實驗的兩個對比系統，將三個系統以相同的方式進行編碼并導入到實驗環境中，通過運行得出采樣結果，其中設計系統的采樣輸出結果（如圖7所示）：

圖7 遙感地形影像采樣結果

設置系統的測試變量分別為采樣精度和采樣速度，經過三種系統結果和耗時時間的統計與比對，得出系統測試對比結果（如表4所示）：

從表4中可以看出，相比于兩個對比系統，設計采樣系統采樣結果的分辨率更高，即采樣精度更高。從采樣耗時方面來看，三種采樣系統的平均采樣耗時分別為71.0s、50.2s和23.0s，相比之下設計系統的采樣速度更快。

表4 系統性能測試對比結果

5.結束語

綜上所述，從系統測試結果中可以看出，設計系統的采樣效率具有較高的優勢，在實際的地形勘探工作中具有較高的應用價值。