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

　　摘要：災(zāi)害發(fā)生時(shí)為縮小所獲取定位區(qū)域與實(shí)發(fā)區(qū)域間的位置誤差，提升遙感災(zāi)害定位的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)基于航空遙感圖像災(zāi)害區(qū)域定位系統(tǒng)。選取關(guān)鍵的遙感定位信號(hào)，借助CC2430/2431結(jié)構(gòu)，將其分享至航空傳感器協(xié)調(diào)器、增強(qiáng)型8051內(nèi)核兩類元件應(yīng)用結(jié)構(gòu)之中，完成災(zāi)害區(qū)域定位系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境搭建。按照遙感影像區(qū)域計(jì)算法則，完成直角坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換，再通過檢測(cè)圖像邊緣的方式，完成基于航空遙感的災(zāi)害區(qū)域圖像處理。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置區(qū)域修正節(jié)點(diǎn)與遙感盲節(jié)點(diǎn)，以用于驗(yàn)證定位指令的執(zhí)行有效性，聯(lián)合上級(jí)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)基于航空遙感圖像災(zāi)害區(qū)域定位系統(tǒng)的應(yīng)用。實(shí)例分析結(jié)果表明，在軸、軸兩個(gè)方向上，航空遙感圖像定位系統(tǒng)所采集到的災(zāi)害區(qū)物理坐標(biāo)值均與實(shí)發(fā)區(qū)域坐標(biāo)值較為接近，與ZigBee型定位系統(tǒng)相比，確實(shí)能夠縮小誤差值結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域的準(zhǔn)確定位。

　　關(guān)鍵詞：航空遙感圖像;區(qū)域定位;傳感器協(xié)調(diào)器;影像區(qū)域;空間直角坐標(biāo)系;邊緣檢測(cè)

　　引言

　　航空遙感也稱機(jī)載遙感，通常以氣球、飛艇、飛機(jī)等傳感器設(shè)備作為運(yùn)載工具。是一種由航空攝影發(fā)展而來的新型多功能探測(cè)遙感技術(shù)。大多數(shù)航空遙感平臺(tái)的高度數(shù)值都保持在80km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(tái)飛行高度較低的情況下，也能保持極強(qiáng)的靈活性與機(jī)動(dòng)性。

　　因此，其調(diào)查周期表現(xiàn)時(shí)長(zhǎng)總是相對(duì)較短[12]。飛機(jī)作為航空遙感領(lǐng)域中的主要應(yīng)用平臺(tái)，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(shí)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(yù)為繼互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)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(tái)只能將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單地連接起來，并形成獨(dú)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(duì)于目標(biāo)事物的感知敏感性較差，在災(zāi)害發(fā)生時(shí)所能得到的區(qū)域節(jié)點(diǎn)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(diǎn)定位機(jī)制，與物聯(lián)網(wǎng)定位系統(tǒng)相比，該類型系統(tǒng)可進(jìn)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(shí)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(duì)所獲航空遙感圖像進(jìn)行加工以及處理，并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種新型的災(zāi)害區(qū)域定位系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件實(shí)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(hào)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(duì)已知信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與分辨，具體搭建方法如下。

　　1.1遙感定位信號(hào)選取

　　基于航空遙感圖像的定位信號(hào)選取需要同時(shí)兼顧獲取成本低、信號(hào)覆蓋范圍廣、提取精度高等條件，因此，在設(shè)計(jì)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(xiàng)應(yīng)用需求，再將已獲取信號(hào)與待測(cè)對(duì)象結(jié)合起來，從而最大化縮小定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)發(fā)區(qū)域節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)之間的物理差值[5]。在待測(cè)災(zāi)害區(qū)域中，以圖所示的航空遙感圖像作為待測(cè)對(duì)象，借助遙感區(qū)域選取框，將整個(gè)圖像分成多個(gè)相互獨(dú)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(diǎn)應(yīng)盡量位于遙感圖像中部，一方面在上下左右四個(gè)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(shí)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(shí)施[6]。根據(jù)上圖得知，與圖相比，圖在內(nèi)核元件的作用下，針對(duì)不同對(duì)象景觀進(jìn)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(shí)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(shí)發(fā)災(zāi)害位置越遠(yuǎn)，若出現(xiàn)“零”灰度圖像節(jié)點(diǎn)，則可認(rèn)為該位置處并無實(shí)發(fā)性災(zāi)害行為出現(xiàn)。

　　1.2CC2430/2431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(fù)責(zé)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(shí)現(xiàn)對(duì)已選取遙感定位信號(hào)的定向篩查，從而最大化縮小災(zāi)害定位區(qū)域與實(shí)發(fā)區(qū)域間的位置誤差數(shù)值。整個(gè)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(gè)組織單元共同組成。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(hào)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(diǎn)中所獲取圖像信息是否具有使用價(jià)值，在判斷結(jié)果為否的情況下，復(fù)位按鍵自動(dòng)復(fù)原為原始狀態(tài)，并刪除已存儲(chǔ)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(qiáng)型8051內(nèi)核等下級(jí)應(yīng)用元件之中。

　　CC2430通信口、CC2431通信口是兩個(gè)保持互通連接狀態(tài)物理結(jié)構(gòu)，前者負(fù)責(zé)采集災(zāi)害實(shí)發(fā)區(qū)域的坐標(biāo)數(shù)值，后者負(fù)責(zé)采集航空遙感圖像中的坐標(biāo)數(shù)值，通過完成多次采集處理后，兩個(gè)通信口完全打開，存儲(chǔ)于其中的坐標(biāo)信息也可以進(jìn)行自發(fā)交換[8]。定位芯片負(fù)責(zé)制定災(zāi)害區(qū)域定位系統(tǒng)中的傳輸指令，并可對(duì)其進(jìn)行暫時(shí)存儲(chǔ)，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)。總的來說，災(zāi)害實(shí)發(fā)區(qū)域的覆蓋面積越大，CC2430/2431結(jié)構(gòu)所承擔(dān)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(fù)責(zé)根據(jù)遙感元件中所顯示出的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，對(duì)待測(cè)圖像與顯示圖像進(jìn)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(biāo)值，另一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感信息參量的按需歸納。

　　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(shí)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[910]。其具體工作流程為：首先協(xié)調(diào)主板同時(shí)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(cè)圖像，接著在滿足信號(hào)選取需求的同時(shí)，利用微處理器、存儲(chǔ)器及遙感模塊對(duì)圖像進(jìn)行二次加工，并生成最終的災(zāi)害區(qū)域定位顯示圖像。在系統(tǒng)運(yùn)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(shí)存儲(chǔ)之后，才能夠具備快速傳輸?shù)哪芰Α?/p>

　　1.4增強(qiáng)型8051

　　內(nèi)核GND芯片作為增強(qiáng)型8051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(duì)隱藏于其中的定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選取與篩查，并借助內(nèi)核邊緣覆蓋的40個(gè)獨(dú)立接口組織，將這些節(jié)點(diǎn)信息反饋至核心定位主機(jī)中，以便于生成更為真實(shí)的災(zāi)害區(qū)域航空遙感圖像。

　　在應(yīng)用過程中，GND芯片采用8051的指令集實(shí)現(xiàn)操作，其指令中的每一個(gè)獨(dú)立時(shí)鐘周期都與一個(gè)接口組織相對(duì)應(yīng)，且由于8051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(biāo)數(shù)值出現(xiàn)較大的偏差，另一方面也能夠在一個(gè)指令周期時(shí)間內(nèi)完成所有單字節(jié)信息的設(shè)置與標(biāo)注[1112]。為保證航空傳感器協(xié)調(diào)器的應(yīng)用平衡能力，8051型GND內(nèi)核能夠準(zhǔn)確記錄遙感定位信號(hào)的傳輸形式，且在信號(hào)選取結(jié)果出現(xiàn)較大偏差時(shí)，可通過閉合或斷開接口組織的形式，對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行及時(shí)調(diào)試。

　　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(jì)算遙感影像區(qū)域的實(shí)際覆蓋面積，再通過旋轉(zhuǎn)變換直角坐標(biāo)系的方式，得到災(zāi)害區(qū)域圖像的邊緣檢測(cè)結(jié)果，完成基于航空遙感的災(zāi)害區(qū)域圖像處理。

　　3關(guān)聯(lián)軟件設(shè)計(jì)

　　按照航空遙感圖像處理原則，分別定義區(qū)域修正節(jié)點(diǎn)與遙感盲節(jié)點(diǎn)，完成關(guān)聯(lián)定位軟件設(shè)計(jì)，再聯(lián)合各級(jí)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)，實(shí)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(diǎn)

　　區(qū)域修正節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需要考慮到定位系統(tǒng)對(duì)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(diǎn)分布于系統(tǒng)的各個(gè)測(cè)算層級(jí)組織之中，一方面可保證定位系統(tǒng)在面對(duì)大規(guī)模災(zāi)害區(qū)域時(shí)具備較強(qiáng)的遙感圖像檢測(cè)能力，另一方面也能夠較好縮小定位圖像與實(shí)時(shí)圖像之間的坐標(biāo)差數(shù)值[1819]。

　　4實(shí)例分析

　　選取面積大于100m×100m的災(zāi)害區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)背景環(huán)境，規(guī)定其水平方向?yàn)槎ㄎ惠S所在方向、豎直方向?yàn)槎ㄎ惠S所在方向，利用遙感框截取不同的實(shí)驗(yàn)區(qū)域，多次調(diào)節(jié)遙感框大小，使得所截取實(shí)驗(yàn)區(qū)面積分別為10m×10m、20m×20m、30m×30m、40m×40m、50m×50m、60m×60m、70m×70m、80m×80m、90m×90m、100m×100m。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(duì)所選實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行定位檢測(cè)，其中前者作為實(shí)驗(yàn)組、后者作為對(duì)照組。

　　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(hào)，對(duì)災(zāi)害區(qū)域的特征圖像進(jìn)行細(xì)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(shí)際面積，并以此為基礎(chǔ)，有序安排區(qū)域修正節(jié)點(diǎn)與遙感盲節(jié)點(diǎn)。從實(shí)用性角度來看，最終所獲災(zāi)害區(qū)域定位圖像與實(shí)發(fā)區(qū)域?qū)Ρ�，軸、軸兩個(gè)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(shí)施準(zhǔn)確性的實(shí)際應(yīng)用需求。

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　　作者：張春華

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