基于航空遙感圖像災(zāi)害區(qū)域定位系統(tǒng)設(shè)計

張春華

(內(nèi)蒙古自治區(qū)航空遙感測繪院，呼和浩特 010010)

0 引言

航空遙感也稱機載遙感，通常以氣球、飛艇、飛機等傳感器設(shè)備作為運載工具。是一種由航空攝影發(fā)展而來的新型多功能探測遙感技術(shù)。大多數(shù)航空遙感平臺的高度數(shù)值都保持在80 km以下，并且在應(yīng)用過程中，受到地面限制的影響較小，即便是在航空平臺飛行高度較低的情況下，也能保持極強的靈活性與機動性。因此，其調(diào)查周期表現(xiàn)時長總是相對較短[1-2]。飛機作為航空遙感領(lǐng)域中的主要應(yīng)用平臺，其飛行高度一般可在幾百米到幾十公里之間不斷變化。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，航空定位系統(tǒng)所獲取到的景象數(shù)據(jù)，可同時包含視頻圖像、灰度圖像、彩色圖像等多種表現(xiàn)形式。

物聯(lián)網(wǎng)定位系統(tǒng)被譽為繼互聯(lián)網(wǎng)平臺后的又一次遙感技術(shù)發(fā)展浪潮，原有的互聯(lián)網(wǎng)平臺只能將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點簡單地連接起來，并形成獨立的圖片影像傳輸環(huán)境，雖然這種定位網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用結(jié)構(gòu)體，具有極為廣泛的覆蓋空間，但其對于目標事物的感知敏感性較差，在災(zāi)害發(fā)生時所能得到的區(qū)域節(jié)點定位結(jié)果也過于泛泛[3]。ZigBee型定位系統(tǒng)是在物聯(lián)網(wǎng)體系的基礎(chǔ)上，衍生出來的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)型區(qū)域節(jié)點定位機制，與物聯(lián)網(wǎng)定位系統(tǒng)相比，該類型系統(tǒng)可進一步提升定位結(jié)果的精度數(shù)值，但其所得數(shù)值依然與實發(fā)區(qū)域位置存在明顯的精度誤差[4]。為解決上述問題，對所獲航空遙感圖像進行加工以及處理，并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計一種新型的災(zāi)害區(qū)域定位系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

基于航空遙感圖像災(zāi)害區(qū)域定位系統(tǒng)的硬件執(zhí)行體系，可在完成遙感定位信號選取后，借助CC2430/2431結(jié)構(gòu)、航空傳感器協(xié)調(diào)器等應(yīng)用性設(shè)備，對已知信號進行檢測與分辨，具體搭建方法如下。

1.1 遙感定位信號選取

基于航空遙感圖像的定位信號選取需要同時兼顧獲取成本低、信號覆蓋范圍廣、提取精度高等條件，因此，在設(shè)計災(zāi)害區(qū)域定位系統(tǒng)的過程中，首先應(yīng)充分結(jié)合各項應(yīng)用需求，再將已獲取信號與待測對象結(jié)合起來，從而最大化縮小定位節(jié)點坐標與實發(fā)區(qū)域節(jié)點坐標之間的物理差值[5]。

在待測災(zāi)害區(qū)域中，以圖1所示的航空遙感圖像作為待測對象，借助遙感區(qū)域選取框，將整個圖像分成多個相互獨立的結(jié)構(gòu)體，并且要求每一分割部分都必須能夠完全反映該區(qū)域環(huán)境中的災(zāi)害地貌特征。出于全局性考慮，關(guān)鍵災(zāi)害節(jié)點應(yīng)盡量位于遙感圖像中部，一方面在上下左右4個方位上保留足夠的可篩選余地，使得最終定位結(jié)果的真實性水平得到提升；另一方面也可便于后續(xù)定位匹配指令的順利實施[6]。

圖2為按需選取后的災(zāi)害區(qū)域遙感定位信號圖像。

根據(jù)上圖得知，與圖1相比，圖2在內(nèi)核元件的作用下，針對不同對象景觀進行了灰度銳化處理。一般來說，處理后圖像的灰度水平越高，則代表該區(qū)域距離實發(fā)災(zāi)害位置越近，而灰度水平越低，則表示該區(qū)域距離實發(fā)災(zāi)害位置越遠，若出現(xiàn)“零”灰度圖像節(jié)點，則可認為該位置處并無實發(fā)性災(zāi)害行為出現(xiàn)。

1.2 CC2430/2431結(jié)構(gòu)

CC2430/2431結(jié)構(gòu)是災(zāi)害區(qū)域定位系統(tǒng)的最基本單元，負責完成航空遙感圖像的采集以及處理，并可借助傳感器協(xié)調(diào)器，實現(xiàn)對已選取遙感定位信號的定向篩查，從而最大化縮小災(zāi)害定位區(qū)域與實發(fā)區(qū)域間的位置誤差數(shù)值。整個元件結(jié)構(gòu)體由電源開關(guān)、復(fù)位按鍵、定位芯片等多個組織單元共同組成，具體結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。電源開關(guān)與系統(tǒng)主電路元件相連，其閉合與斷開行為能夠直接決定已選取遙感定位信號的輸入與否[7]。復(fù)位按鍵能夠根據(jù)航空遙感圖像的分布情況，判斷定位節(jié)點中所獲取圖像信息是否具有使用價值，在判斷結(jié)果為否的情況下，復(fù)位按鍵自動復(fù)原為原始狀態(tài)，并刪除已存儲的所有航空遙感圖像信息。編程口作為已生成災(zāi)害區(qū)域定位指令的傳輸通道，能夠以數(shù)據(jù)流的形式，將這些信息反饋至航空傳感器協(xié)調(diào)器、增強型 8051 內(nèi)核等下級應(yīng)用元件之中。CC2430通信口、CC2431通信口是兩個保持互通連接狀態(tài)物理結(jié)構(gòu)，前者負責采集災(zāi)害實發(fā)區(qū)域的坐標數(shù)值，后者負責采集航空遙感圖像中的坐標數(shù)值，通過完成多次采集處理后，兩個通信口完全打開，存儲于其中的坐標信息也可以進行自發(fā)交換[8]。定位芯片負責制定災(zāi)害區(qū)域定位系統(tǒng)中的傳輸指令，并可對其進行暫時存儲，以供其他連接元件的調(diào)取以及應(yīng)用。指示燈僅顯示CC2430/2431結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有連接狀態(tài)。

圖3 CC2430/2431結(jié)構(gòu)示意圖

總的來說，災(zāi)害實發(fā)區(qū)域的覆蓋面積越大，CC2430/2431結(jié)構(gòu)所承擔的指令轉(zhuǎn)換狀態(tài)也就越明顯。

1.3 航空傳感器協(xié)調(diào)器

航空傳感器協(xié)調(diào)器作為災(zāi)害區(qū)域定位系統(tǒng)的核心部分，主要負責根據(jù)遙感元件中所顯示出的各項指標參數(shù)，對待測圖像與顯示圖像進行調(diào)試，從而使得定位傳感器中的信息參量能夠與外部航空遙感元件的表現(xiàn)形式保持一致，一方面為微處理器提供大量的可參考災(zāi)害區(qū)域定位坐標值，另一方面實現(xiàn)對遙感信息參量的按需歸納，具體結(jié)構(gòu)如圖4。協(xié)調(diào)主板作為航空傳感器協(xié)調(diào)器中的核心控制元件，能夠同時支配接口電路、航空遙感元件、內(nèi)部協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)與外部傳感器設(shè)備[9-10]。其具體工作流程為：首先協(xié)調(diào)主板同時向接口電路、航空遙感元件傳輸連接電子，然后CC2430/2431結(jié)構(gòu)開啟轉(zhuǎn)換狀態(tài)，在此過程中，生成原始的災(zāi)害區(qū)域航空遙感待測圖像，接著在滿足信號選取需求的同時，利用微處理器、存儲器及遙感模塊對圖像進行二次加工，并生成最終的災(zāi)害區(qū)域定位顯示圖像。

圖4 航空傳感器協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)圖

在系統(tǒng)運行過程中，航空傳感器協(xié)調(diào)器保持連續(xù)供電狀態(tài)，且所有圖像信息只有在經(jīng)過結(jié)構(gòu)體的暫時存儲之后，才能夠具備快速傳輸?shù)哪芰Α?/p>

1.4 增強型 8 051 內(nèi)核

GND芯片作為增強型8 051內(nèi)核的中控元件，在災(zāi)害區(qū)域定位系統(tǒng)中，可根據(jù)航空遙感圖像的表現(xiàn)形式，對隱藏于其中的定位節(jié)點進行選取與篩查，并借助內(nèi)核邊緣覆蓋的40個獨立接口組織，將這些節(jié)點信息反饋至核心定位主機中，以便于生成更為真實的災(zāi)害區(qū)域航空遙感圖像，具體結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。在應(yīng)用過程中，GND芯片采用8 051的指令集實現(xiàn)操作，其指令中的每一個獨立時鐘周期都與一個接口組織相對應(yīng)，且由于8 051指令的高度集成性，定位系統(tǒng)直接取消了所有無用的總線狀態(tài)，一方面可避免在多次傳輸過程中，災(zāi)害發(fā)生定位區(qū)域的物理坐標數(shù)值出現(xiàn)較大的偏差，另一方面也能夠在一個指令周期時間內(nèi)完成所有單字節(jié)信息的設(shè)置與標注[11-12]。為保證航空傳感器協(xié)調(diào)器的應(yīng)用平衡能力，8 051型GND內(nèi)核能夠準確記錄遙感定位信號的傳輸形式，且在信號選取結(jié)果出現(xiàn)較大偏差時，可通過閉合或斷開接口組織的形式，對傳輸信號進行及時調(diào)試。

圖5 增強型 8 051 內(nèi)核示意圖

由于災(zāi)害區(qū)域定位指令僅在一個周期時長內(nèi)保持較高的準確性水平，因此，增強型 8 051 內(nèi)核邊緣接口組織之間的設(shè)置距離不宜過大。

2 基于航空遙感的災(zāi)害區(qū)域圖像處理

借助已連接的硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)，計算遙感影像區(qū)域的實際覆蓋面積，再通過旋轉(zhuǎn)變換直角坐標系的方式，得到災(zāi)害區(qū)域圖像的邊緣檢測結(jié)果，完成基于航空遙感的災(zāi)害區(qū)域圖像處理。

2.1 遙感影像區(qū)域計算

首先，通過一些數(shù)據(jù)對災(zāi)害定位區(qū)域與事發(fā)區(qū)域的重疊面積進行估計，這些數(shù)據(jù)包括航空飛機飛行速度、姿勢及所處位置[13]。假設(shè)向東的飛行速度為Ve，向北的飛行速度為Vn，定為節(jié)點的采樣時間間距為ΔT，則可將此時刻的正東面位移偏移量Se、正北面位移偏移量Sn表示為：

(1)

分別用O1、O2表示兩張連續(xù)的災(zāi)害區(qū)域圖像，在定位過程中它們之間存在明顯的相對偏移量與重疊區(qū)域。第一幅災(zāi)害區(qū)域圖像的行數(shù)與列數(shù)可分別表示為M1、N1，第二幅災(zāi)害區(qū)域圖像的行數(shù)與列數(shù)可分別表示為M2、N2。在圖6中，暗色區(qū)域A0表示兩幅圖像的完全重疊部分，A表示系統(tǒng)在重疊圖像中選取的一個小區(qū)域。

圖6 災(zāi)害定位區(qū)域與實發(fā)區(qū)域的重疊圖像

規(guī)定航空飛機的飛行高度為H，遙感成像機的焦距數(shù)值為λ，規(guī)定每幅圖像中的基本像素寬度都為ε，則可將定位儀器的實際分辨力U表示為：

(2)

在既定時間ΔT內(nèi)，航空遙感圖像的東面像素偏移量We、背面像素偏移量Wn表示為：

(3)

聯(lián)立上述物理量，可將圖6中重疊遙感影像區(qū)域A的數(shù)值計算式表示為：

(4)

因為災(zāi)害區(qū)域定位圖像、災(zāi)害區(qū)域?qū)嵃l(fā)圖像始終被限制在一個相對較小的數(shù)值范圍內(nèi)，所以能夠有效縮小定位系統(tǒng)在實施圖像匹配過程中所產(chǎn)生的位置系數(shù)誤差。

2.2 直角坐標系的旋轉(zhuǎn)變換

定位節(jié)點的空間直角坐標旋轉(zhuǎn)變換就是指航空遙感圖像空間坐標與定位圖像輔助坐標之間的變換，一般表現(xiàn)為正交變換的存在形式，一個原始坐標點按需旋轉(zhuǎn)兩個角度，就能變換成另一坐標系中原節(jié)點的同源點[14-15]。

設(shè)原始點P在航空遙感坐標系中的物理坐標為(x0,y0)，在災(zāi)害區(qū)域定位圖像中的輔助坐標為(x′,y′)，二者之間的數(shù)值變換關(guān)系可表示為：

(5)

在災(zāi)害區(qū)域的定位圖像中，原始坐標點的兩次旋轉(zhuǎn)變換行為，一次是針對橫向X軸坐標，另一次是針對縱向Y軸坐標。

2.3 圖像邊緣檢測

邊緣檢測能夠反映災(zāi)害區(qū)域航空遙感圖像的最基本特征，作為原始遙感圖像與實際定位圖像的屬性區(qū)域交接處，能夠清晰標注圖像屬性發(fā)生突變的地方，由于定位指令的實施具有較強的不確定性，所以圖像邊緣一定包含大量的可檢測信息。常見的檢測流程主要包括如下幾個步驟。

1)微分定位算子計算：

微分定位算子計算是實施圖像邊緣檢測的重要處理環(huán)節(jié)，可在直角坐標系旋轉(zhuǎn)變換原理的作用下，確定一幅完整的航空遙感圖像中所包含的定位算子個數(shù)水平，并可借助CC2430/2431結(jié)構(gòu)、航空傳感器協(xié)調(diào)器、增強型 8 051 內(nèi)核等硬件設(shè)備元件，將這些節(jié)點規(guī)劃成幾個相互獨立的應(yīng)用體系，其中一部分用于縮小災(zāi)害區(qū)域定位圖像坐標與原始坐標之間的數(shù)值差，另一部分則可作為輸出節(jié)點，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息參量的連續(xù)互傳[16]。

2)一個邊緣節(jié)點只能與一個原始像素點對應(yīng)：

在災(zāi)害區(qū)域定位系統(tǒng)中，所得到的航空遙感圖像不能暴露檢測節(jié)點的真實邊緣，也不能突出顯示任何一個非邊緣節(jié)點[17]。在直角坐標系旋轉(zhuǎn)變換原理的作用下，航空遙感圖像的所有邊緣節(jié)點都只能保持順向關(guān)聯(lián)的分布形式，而隨著災(zāi)害區(qū)域覆蓋面積的增大，節(jié)點之間的原有排列順序極易被打破，一般來講，若將邊緣節(jié)點與原始像素點一一對應(yīng)起來，不但能夠避免航空遙感圖像檢測節(jié)點的過度暴露問題，也可以使計算所得的定位區(qū)域坐標值結(jié)果具備更強的真實性。

3 關(guān)聯(lián)軟件設(shè)計

按照航空遙感圖像處理原則，分別定義區(qū)域修正節(jié)點與遙感盲節(jié)點，完成關(guān)聯(lián)定位軟件設(shè)計，再聯(lián)合各級硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)災(zāi)害區(qū)域定位系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

3.1 區(qū)域修正節(jié)點

區(qū)域修正節(jié)點設(shè)計需要考慮到定位系統(tǒng)對于航空遙感圖像的協(xié)調(diào)處理能力，在初始階段，應(yīng)將節(jié)點分布于系統(tǒng)的各個測算層級組織之中，一方面可保證定位系統(tǒng)在面對大規(guī)模災(zāi)害區(qū)域時具備較強的遙感圖像檢測能力，另一方面也能夠較好縮小定位圖像與實時圖像之間的坐標差數(shù)值[18-19]。將原始點P(x′,y′)置于航空遙感圖像中部，規(guī)定在滿足區(qū)域修正節(jié)點篩查原理的基礎(chǔ)上，可將定位節(jié)點的運動行為分解為X軸、Y軸兩部分，設(shè)φx表示區(qū)域修正節(jié)點在X軸上的運動行為向量，φy表示區(qū)域修正節(jié)點在Y軸上的運動行為向量，聯(lián)系公式(5)，可將災(zāi)害區(qū)域定位系統(tǒng)的區(qū)域修正節(jié)點定義原則表示為：

(6)

3.2 遙感盲節(jié)點

遙感盲節(jié)點即為待定位的區(qū)域節(jié)點，一般總是隨機分布于航空遙感圖像之中，且并不與區(qū)域修正節(jié)點相重合。根據(jù)待測邊緣所包含圖像節(jié)點數(shù)量的不同，遙感盲節(jié)點的實際數(shù)值水平也有所不同，大體上符合災(zāi)害區(qū)域覆蓋面積越大，節(jié)點數(shù)量值越大的變化規(guī)律[20-21]。設(shè)σ代表航空遙感圖像中災(zāi)害區(qū)域定位節(jié)點的遞歸數(shù)值，β代表遙感盲節(jié)點在X軸上的定位導(dǎo)向量，ψ代表遙感盲節(jié)點在Y軸上的定位導(dǎo)向量，聯(lián)立公式(5)，可將災(zāi)害區(qū)域定位系統(tǒng)的遙感盲節(jié)點定義原則表示為：

(7)

采用上述處理方法，能夠準確、可靠地定位災(zāi)害區(qū)域所處的實際位置，且由于航空遙感圖像的存在，所獲定位圖像與實際圖像之間的坐標差值水平也相對較低。

4 實例分析

選取面積大于100×100 m2的災(zāi)害區(qū)域作為實驗背景環(huán)境(如圖7所示)，規(guī)定其水平方向為X定位軸所在方向、豎直方向為Y定位軸所在方向，利用遙感框截取不同的實驗區(qū)域，多次調(diào)節(jié)遙感框大小，使得所截取實驗區(qū)面積分別為10×10 m2、20×20 m2、30×30 m2、40×40 m2、50×50 m2、60×60 m2、70×70 m2、80×80 m2、90×90 m2、100×100 m2。分別利用基于航空遙感圖像災(zāi)害區(qū)域定位系統(tǒng)、ZigBee型定位系統(tǒng)對所選實驗區(qū)域進行定位檢測，其中前者作為實驗組、后者作為對照組。

圖7 災(zāi)害實發(fā)區(qū)域的遙感圖像

本次實驗從X軸、Y軸兩個方向同時進行，規(guī)定檢測點所顯示的X軸坐標、Y軸坐標均為災(zāi)害定位區(qū)域的終點坐標數(shù)值。

圖8為實驗組、對照組X軸實際定位坐標與災(zāi)害實發(fā)區(qū)域X軸定位坐標的對比情況。

圖8 X軸定位坐標對比

分析圖8可知，災(zāi)害實發(fā)區(qū)域定位曲線為一條規(guī)律性變化直線，每一面積節(jié)點處的X軸坐標都與該點的實際坐標完全相等。實驗組、對照組災(zāi)害區(qū)域定位曲線都是波動性變化直線，在區(qū)域面積數(shù)值等于20×20 m2之前，實驗組曲線在理想曲線兩端的數(shù)值變化規(guī)律完全對稱，且在區(qū)域面積數(shù)值等于20×20 m2之時，實驗組定位坐標值結(jié)果也與實際坐標結(jié)果完全一致，后續(xù)實驗過程中，實驗組X軸定位坐標雖然不能與實際坐標數(shù)值完全一致，但二者之間的差值水平始終相對較小。對照組曲線在區(qū)域面積數(shù)值等于10×10 m2、20×20 m2時，與理想曲線的差值結(jié)果最小，但其差值結(jié)果依然大于實驗組。

圖9為實驗組、對照組Y軸實際定位坐標與災(zāi)害實發(fā)區(qū)域Y軸定位坐標的對比情況。

圖9 Y軸定位坐標對比

分析圖9可知，實驗組、對照組災(zāi)害區(qū)域的Y軸定位曲線也都是波動性變化直線，在整個實驗過程中，實驗組定位數(shù)值與實際坐標數(shù)值相比明顯偏大，但在區(qū)域面積數(shù)值等于80×80 m2與90×90 m2時，實驗組的Y軸定位坐標值都與實際坐標數(shù)值完全一致。對照組定位數(shù)值與實際坐標數(shù)值相比，同時存在偏大與偏小的實值結(jié)果，在區(qū)域面積數(shù)值等于20×20 m2、90×90 m2時，對照組的Y軸定位坐標值的誤差值水平相對較低，前者實測數(shù)值為38 m、后者實測數(shù)值為79 m，與標準值20 m與90 m相比，誤差值分別為18 m和11 m，遠高于實驗組差值結(jié)果。

綜上所述，隨著基于航空遙感圖像災(zāi)害區(qū)域定位系統(tǒng)應(yīng)用，所得定位區(qū)域X軸坐標、Y軸坐標與實發(fā)區(qū)域坐標之間的差值結(jié)果明顯縮小，這對于提升遙感災(zāi)害定位的實施準確性，具有較強促進作用。

5 結(jié)束語

與ZigBee型定位系統(tǒng)相比，新型災(zāi)害區(qū)域定位系統(tǒng)借助已選取的遙感定位信號，對災(zāi)害區(qū)域的特征圖像進行細致處理，再聯(lián)合CC2430/2431結(jié)構(gòu)、航空傳感器協(xié)調(diào)器等設(shè)備元件，確定遙感影像區(qū)域的實際面積，并以此為基礎(chǔ)，有序安排區(qū)域修正節(jié)點與遙感盲節(jié)點。從實用性角度來看，最終所獲災(zāi)害區(qū)域定位圖像與實發(fā)區(qū)域?qū)Ρ龋琗軸、Y軸兩個方向上的位置誤差值結(jié)果都出現(xiàn)了明顯縮小，較好符合了提升遙感災(zāi)害定位實施準確性的實際應(yīng)用需求。