張春華

(內蒙古自治區(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。大多數航空遙感平臺的高度數值都保持在80 km以下，并且在應用過程中，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，其調查周期表現時長總是相對較短[1-2]。飛機作為航空遙感領域中的主要應用平臺，其飛行高度一般可在幾百米到幾十公里之間不斷變化。隨著遙感技術的不斷發(fā)展，航空定位系統(tǒng)所獲取到的景象數據，可同時包含視頻圖像、灰度圖像、彩色圖像等多種表現形式。

物聯網定位系統(tǒng)被譽為繼互聯網平臺后的又一次遙感技術發(fā)展浪潮，原有的互聯網平臺只能將網絡節(jié)點簡單地連接起來，并形成獨立的圖片影像傳輸環(huán)境，雖然這種定位網絡應用結構體，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，在災害發(fā)生時所能得到的區(qū)域節(jié)點定位結果也過于泛泛[3]。ZigBee型定位系統(tǒng)是在物聯網體系的基礎上，衍生出來的網絡結構型區(qū)域節(jié)點定位機制，與物聯網定位系統(tǒng)相比，該類型系統(tǒng)可進一步提升定位結果的精度數值，但其所得數值依然與實發(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，設計一種新型的災害區(qū)域定位系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件實現

基于航空遙感圖像災害區(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結構、航空傳感器協調器等應用性設備，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，在設計災害區(qū)域定位系統(tǒng)的過程中，首先應充分結合各項應用需求，再將已獲取信號與待測對象結合起來，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構體，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)境中的災害地貌特征。出于全局性考慮，關鍵災害節(jié)點應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為按需選取后的災害區(qū)域遙感定位信號圖像。

根據上圖得知，與圖1相比，圖2在內核元件的作用下，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)災害位置越遠，若出現“零”灰度圖像節(jié)點，則可認為該位置處并無實發(fā)性災害行為出現。

1.2 CC2430/2431結構

CC2430/2431結構是災害區(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，并可借助傳感器協調器，實現對已選取遙感定位信號的定向篩查，從而最大化縮小災害定位區(qū)域與實發(fā)區(qū)域間的位置誤差數值。整個元件結構體由電源開關、復位按鍵、定位芯片等多個組織單元共同組成，具體結構形式如圖3所示。電源開關與系統(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]。復位按鍵能夠根據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，在判斷結果為否的情況下，復位按鍵自動復原為原始狀態(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害區(qū)域定位指令的傳輸通道，能夠以數據流的形式，將這些信息反饋至航空傳感器協調器、增強型 8051 內核等下級應用元件之中。CC2430通信口、CC2431通信口是兩個保持互通連接狀態(tài)物理結構，前者負責采集災害實發(fā)區(qū)域的坐標數值，后者負責采集航空遙感圖像中的坐標數值，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取以及應用。指示燈僅顯示CC2430/2431結構的現有連接狀態(tài)。

圖3 CC2430/2431結構示意圖

總的來說，災害實發(fā)區(qū)域的覆蓋面積越大，CC2430/2431結構所承擔的指令轉換狀態(tài)也就越明顯。

1.3 航空傳感器協調器

航空傳感器協調器作為災害區(qū)域定位系統(tǒng)的核心部分，主要負責根據遙感元件中所顯示出的各項指標參數，對待測圖像與顯示圖像進行調試，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形式保持一致，一方面為微處理器提供大量的可參考災害區(qū)域定位坐標值，另一方面實現對遙感信息參量的按需歸納，具體結構如圖4。協調主板作為航空傳感器協調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、內部協調結構與外部傳感器設備[9-10]。其具體工作流程為：首先協調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結構開啟轉換狀態(tài)，在此過程中，生成原始的災害區(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，并生成最終的災害區(qū)域定位顯示圖像。

圖4 航空傳感器協調器結構圖

在系統(tǒng)運行過程中，航空傳感器協調器保持連續(xù)供電狀態(tài)，且所有圖像信息只有在經過結構體的暫時存儲之后，才能夠具備快速傳輸的能力。

1.4 增強型 8 051 內核

GND芯片作為增強型8 051內核的中控元件，在災害區(qū)域定位系統(tǒng)中，可根據航空遙感圖像的表現形式，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害區(qū)域航空遙感圖像，具體結構形式如圖5所示。在應用過程中，GND芯片采用8 051的指令集實現操作，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，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，災害發(fā)生定位區(qū)域的物理坐標數值出現較大的偏差，另一方面也能夠在一個指令周期時間內完成所有單字節(jié)信息的設置與標注[11-12]。為保證航空傳感器協調器的應用平衡能力，8 051型GND內核能夠準確記錄遙感定位信號的傳輸形式，且在信號選取結果出現較大偏差時，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試。

圖5 增強型 8 051 內核示意圖

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

2 基于航空遙感的災害區(qū)域圖像處理

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

2.1 遙感影像區(qū)域計算

首先，通過一些數據對災害定位區(qū)域與事發(fā)區(qū)域的重疊面積進行估計，這些數據包括航空飛機飛行速度、姿勢及所處位置[13]。假設向東的飛行速度為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。第一幅災害區(qū)域圖像的行數與列數可分別表示為M1、N1，第二幅災害區(qū)域圖像的行數與列數可分別表示為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，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)

聯立上述物理量，可將圖6中重疊遙感影像區(qū)域A的數值計算式表示為：

(4)

因為災害區(qū)域定位圖像、災害區(qū)域實發(fā)圖像始終被限制在一個相對較小的數值范圍內，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生的位置系數誤差。

2.2 直角坐標系的旋轉變換

定位節(jié)點的空間直角坐標旋轉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，一般表現為正交變換的存在形式，一個原始坐標點按需旋轉兩個角度，就能變換成另一坐標系中原節(jié)點的同源點[14-15]。

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

(5)

在災害區(qū)域的定位圖像中，原始坐標點的兩次旋轉變換行為，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水平，并可借助CC2430/2431結構、航空傳感器協調器、增強型 8 051 內核等硬件設備元件，將這些節(jié)點規(guī)劃成幾個相互獨立的應用體系，其中一部分用于縮小災害區(qū)域定位圖像坐標與原始坐標之間的數值差，另一部分則可作為輸出節(jié)點，實現對數據信息參量的連續(xù)互傳[16]。

2)一個邊緣節(jié)點只能與一個原始像素點對應：

在災害區(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聯的分布形式，而隨著災害區(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)域坐標值結果具備更強的真實性。

3 關聯軟件設計

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，完成關聯定位軟件設計，再聯合各級硬件設備結構，實現災害區(qū)域定位系統(tǒng)的順利應用。

3.1 區(qū)域修正節(jié)點

區(qū)域修正節(jié)點設計需要考慮到定位系統(tǒng)對于航空遙感圖像的協調處理能力，在初始階段，應將節(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)點篩查原理的基礎上，可將定位節(jié)點的運動行為分解為X軸、Y軸兩部分，設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，聯系公式(5)，可將災害區(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。根據待測邊緣所包含圖像節(jié)點數量的不同，遙感盲節(jié)點的實際數值水平也有所不同，大體上符合災害區(qū)域覆蓋面積越大，節(jié)點數量值越大的變化規(guī)律[20-21]。設σ代表航空遙感圖像中災害區(qū)域定位節(jié)點的遞歸數值，β代表遙感盲節(jié)點在X軸上的定位導向量，ψ代表遙感盲節(jié)點在Y軸上的定位導向量，聯立公式(5)，可將災害區(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軸坐標均為災害定位區(qū)域的終點坐標數值。

圖8為實驗組、對照組X軸實際定位坐標與災害實發(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、對照組災害區(qū)域定位曲線都是波動性變化直線，在區(qū)域面積數值等于20×20 m2之前，實驗組曲線在理想曲線兩端的數值變化規(guī)律完全對稱，且在區(qū)域面積數值等于20×20 m2之時，實驗組定位坐標值結果也與實際坐標結果完全一致，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)域面積數值等于10×10 m2、20×20 m2時，與理想曲線的差值結果最小，但其差值結果依然大于實驗組。

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，實驗組定位數值與實際坐標數值相比明顯偏大，但在區(qū)域面積數值等于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值完全一致。對照組定位數值與實際坐標數值相比，同時存在偏大與偏小的實值結果，在區(qū)域面積數值等于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，前者實測數值為38 m、后者實測數值為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果。

綜上所述，隨著基于航空遙感圖像災害區(qū)域定位系統(tǒng)應用，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果明顯縮小，這對于提升遙感災害定位的實施準確性，具有較強促進作用。

5 結束語

與ZigBee型定位系統(tǒng)相比，新型災害區(qū)域定位系統(tǒng)借助已選取的遙感定位信號，對災害區(qū)域的特征圖像進行細致處理，再聯合CC2430/2431結構、航空傳感器協調器等設備元件，確定遙感影像區(qū)域的實際面積，并以此為基礎，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，最終所獲災害區(qū)域定位圖像與實發(fā)區(qū)域對比，X軸、Y軸兩個方向上的位置誤差值結果都出現了明顯縮小，較好符合了提升遙感災害定位實施準確性的實際應用需求。