周菲 王春梅 劉書(shū)偉

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北斗短報(bào)文應(yīng)急救災(zāi)遙感圖像傳輸研究及應(yīng)用

周菲1王春梅2劉書(shū)偉1

1.廣州市粵峰高新技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510663 2.廣東金融學(xué)院互聯(lián)網(wǎng)金融與信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510521

針對(duì)北斗短報(bào)文通信帶寬窄與圖像數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題，提出構(gòu)建基于窄帶條件下的靜態(tài)圖像輸壓縮算法研究，利用OpenCV提供的JPEG壓縮函數(shù)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)壓縮質(zhì)量的無(wú)損壓縮。實(shí)驗(yàn)證明，該技術(shù)可行有效。這對(duì)于充分利用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星報(bào)文通信功能，更大程度地發(fā)揮北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的作用，具有一定理論和現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

北斗衛(wèi)星；短報(bào)文；圖像傳輸

引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要由空間段、地面段和用戶段三部分組成，具有短報(bào)文通信、精密授時(shí)、高精度定位三大功能[1]。與美國(guó)的GPS系統(tǒng)、歐洲的伽俐略系統(tǒng)及俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)相比，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅具有導(dǎo)航定位的功能，且具有雙向短報(bào)文通信能力[2]。通過(guò)星載通信中轉(zhuǎn)站，用戶終端可以進(jìn)行短報(bào)文文字通信，此外通信還具有全天候、實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。這一突出特點(diǎn)，在汶川地震抗震救災(zāi)中顯示了巨大的優(yōu)越性[3]。地震發(fā)生后，常規(guī)通信網(wǎng)絡(luò)中斷（移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和固話通信網(wǎng)絡(luò)），救災(zāi)人員攜帶北斗導(dǎo)航衛(wèi)星終端進(jìn)入災(zāi)區(qū)，通過(guò)北斗終端的以短報(bào)文通信方式，及時(shí)報(bào)告了災(zāi)區(qū)受災(zāi)情況，為領(lǐng)導(dǎo)了解災(zāi)區(qū)受災(zāi)程度、及時(shí)科學(xué)決策做出重要的貢獻(xiàn)。

圖像具有直觀性強(qiáng)的特點(diǎn)。如果能利用北斗短報(bào)文通信系統(tǒng)進(jìn)行圖像傳輸，通過(guò)實(shí)地照片報(bào)告災(zāi)區(qū)受災(zāi)情況，就將為領(lǐng)導(dǎo)科學(xué)決策提供更加直觀的依據(jù)。但當(dāng)前北斗雙向影像傳輸還存在突出的技術(shù)難題，主要是因?yàn)樾l(wèi)星通信信道較窄這一客觀原因（普通用戶最高傳輸速度為240字節(jié)或120漢字/次），北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初并未考慮到傳輸非短報(bào)文數(shù)據(jù)。從某種意義上說(shuō)，北斗雙向通信功能是為短報(bào)文通信而定制的，因而通信的頻度、通信量、通信帶寬、通信的方式等是有別于專用的通信衛(wèi)星系統(tǒng)的[4]。因此利用北斗短報(bào)文傳輸影像數(shù)據(jù)，帶寬小是制約這一應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的根本的問(wèn)題，特別是遙感影像的傳輸就顯得尤為突出。因而，研究基于北斗短報(bào)文系統(tǒng)通信功能下動(dòng)態(tài)影像的傳輸技術(shù)就具有一定的理論和應(yīng)用價(jià)值。

1 北斗系統(tǒng)工作原理及組成

1.1 系統(tǒng)工作原理

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星采用雙星定位原理實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位[5]，是根據(jù)已知衛(wèi)星位置、測(cè)站至衛(wèi)星的斜距和測(cè)站點(diǎn)的大地高，利用數(shù)學(xué)方法計(jì)算出來(lái)的。

1.2 系統(tǒng)組成

北斗系統(tǒng)主要包括空間段、地面段、用戶段三部分，如圖1所示。其中，空間段負(fù)責(zé)執(zhí)行地面段與用戶段之間的雙向無(wú)線電信號(hào)中繼任務(wù)；地面段負(fù)責(zé)無(wú)線電信號(hào)發(fā)射和接收；用戶段負(fù)責(zé)接收地面段經(jīng)空間段衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的測(cè)距信號(hào)，并向衛(wèi)星發(fā)射應(yīng)答信號(hào)。

圖1 北斗系統(tǒng)

2 北斗的應(yīng)用領(lǐng)域

目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)主要應(yīng)用的領(lǐng)域包括：軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域。民用領(lǐng)域中主要應(yīng)用在：地理信息數(shù)據(jù)采集、高精度測(cè)量、車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度與導(dǎo)航服務(wù)、航空航海救援導(dǎo)航、機(jī)械控制和民用消費(fèi)（如移動(dòng)目標(biāo)位置跟蹤、登山探險(xiǎn)野外拓展導(dǎo)航）等方面。

3 北斗短報(bào)文傳輸圖像的研究

由于北斗短報(bào)文通信帶寬非常窄，而圖像的數(shù)據(jù)量大，因此必須采用壓縮圖像數(shù)據(jù)的方法來(lái)解決。

3.1 JPEG?2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)

JPEG?2000將順序模式、漸進(jìn)模式、無(wú)損模式和層次模式集成在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之中。在編碼端以最大的壓縮質(zhì)量和最大的圖像分辨率壓縮圖像，在解碼端從碼流中以任意的圖像質(zhì)量和分辨率解壓圖像。

JPEG?2000編碼過(guò)程可概括為：預(yù)處理、分量變換、離散小波變換（DWT）、量化和熵編碼五個(gè)部分。JPEG?2000編碼器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2（a）所示；解碼器是編碼器的逆過(guò)程，如圖2（b）所示。提高編碼的效率意味著也提高了解碼的效率。

3.2 壓縮算法比較與選擇

作為新一代壓縮標(biāo)準(zhǔn)，JPEG?2000與JPEG 相比，在壓縮速度、圖像效果、壓縮比等方面有著較好的效果，具體表現(xiàn)在以下方面。

（1）JPEG?2000具有更高的壓縮率，壓縮比可在JPEG基礎(chǔ)上提高10%～30%，且圖像更加細(xì)膩平滑。

（2）JPEG?2000提供開(kāi)放的框架結(jié)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)核心的工具算法和碼流的解析。

圖2 JPEG?2000 編碼和解碼流程圖

（3）JPEG?2000在圖像處理時(shí)提供圖像文檔、索引和搜索等內(nèi)容的描述等等。

4 圖像壓縮程序

采用OpenCV庫(kù)中的圖像壓縮函數(shù)：

#設(shè)置編碼

import sys

reload(sys)

sys.setdefaultencoding('utf-8')

#導(dǎo)入計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)opencv和圖像處理庫(kù)PIL

from PIL import Image

from PIL import ImageEnhance

from PIL import ImageFilter

import cv2

import time

time1 = time.time()

#自定義圖像壓縮函數(shù)

def img_zip(path,filename1,filename2):

image = cv2.imread(path+filename1)

res=cv2.resize(image,(1280,960),interpolation= cv2.INTER_AREA)

cv2.imwrite(path+filename2, res)

imgE = Image.open(path+filename2)

imgEH = ImageEnhance.Contrast(imgE)

img1 = imgEH.enhance(2.8)

gray1 = img1.convert("L")

gary2 = gray1.filter(ImageFilter.DETAIL)

gary3 = gary2.point(lambda i: i * 0.9)

gary3.save(path+filename2)

#主函數(shù)

if __name__ == '__main__':

path=u"c:/pic/"

filename1="0.jpg"

filename2="1.jpg"

img_zip(path,filename1,filename2)

time2 = time.time()

print '總共耗時(shí)：' + str(time2 - time1) + 's'

程序調(diào)試結(jié)果：一個(gè)4.17? M的圖像能壓縮到290?K。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于北斗報(bào)文的動(dòng)態(tài)影像傳輸為目標(biāo)，以關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的解決為手段，在數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)傳輸控制等方面進(jìn)行了深入研究，并以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論和技術(shù)的可行性與有效性。這對(duì)于充分利用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星報(bào)文通信功能，更大程度地發(fā)揮北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的作用具有一定理論和現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

[1]沈華飛. 北斗衛(wèi)星一代短報(bào)文通信技術(shù)及應(yīng)用[J]. 電子制作，2014（23）：106.

[2]康望東，覃遠(yuǎn)超，唐靜. 基于北斗系統(tǒng)的對(duì)空情報(bào)傳送方式[J]. 指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2012（6）：68-71

[3]朱永輝. 基于北斗衛(wèi)星的地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D]. 北京：清華大學(xué)，2010.

[4]贠敏，武云東，靳穎. 邀上北斗去探空，直上青天揮浮云——北斗探空系統(tǒng)研制成功[J]. 衛(wèi)星應(yīng)用，2014（2）：24-27.

[5]郝瀟敏. 基于北斗衛(wèi)星船載導(dǎo)航系統(tǒng)研究[D]. 大連：大連海事大學(xué)，2012.

Research and Application of Beidou Short Message in Remote Sensing Image Transmission of Emergency Relief

Zhou Fei1Wang Chunmei2Liu Shuwei1

1. Guangzhou Yuefeng High-Tech Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510663 2. School of Internet Finance and Information Engineering, Guangdong University of Finance, Guangdong Guangzhou 510521

In view of the narrow bandwidth of Beidou short message communication and the large amount of image data, the paper proposes to construct a static image compression algorithm based on narrowband conditions, and uses the JPEG compression function provided by OpenCV to achieve lossless compression of optimal compression quality. Experiments show that the technology is feasible and effective. This has a certain theoretical and practical guiding significance for making full use of the Beidou navigation satellite message communication function and exerting the role of the Beidou navigation system to a greater extent.

Beidou satellite; short message; image transmission

TP393

A

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014B010102007資助），2018高校雙創(chuàng)教育實(shí)踐研究培育項(xiàng)目（SMPY1729資助）。

周菲（1981—），女，漢族，江西九江人，本科學(xué)歷，研究方向計(jì)算機(jī)應(yīng)用。王春梅（1974—），女，漢族，山東榮成人，碩士研究生學(xué)歷，講師，研究方向?yàn)椴⑿杏?jì)算、多媒體技術(shù)。劉書(shū)偉（1986—），女，漢族，吉林蛟河人，雙學(xué)士，研究方向?yàn)樾盘?hào)處理技術(shù)。