基于航空遙感圖像災害區(qū)域定位系統(tǒng)設計

　　摘要：災害發(fā)生時為縮小所獲取定位區(qū)域與實發(fā)區(qū)域間的位置誤差，提升遙感災害定位的實時準確性，設計基于航空遙感圖像災害區(qū)域定位系統(tǒng)。選取關鍵的遙感定位信號，借助CC2430/2431結構，將其分享至航空傳感器協(xié)調器、增強型8051內核兩類元件應用結構之中，完成災害區(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)域計算法則，完成直角坐標系的旋轉變換，再通過檢測圖像邊緣的方式，完成基于航空遙感的災害區(qū)域圖像處理。在此基礎上，設置區(qū)域修正節(jié)點與遙感盲節(jié)點，以用于驗證定位指令的執(zhí)行有效性，聯(lián)合上級硬件設備結構，實現(xiàn)基于航空遙感圖像災害區(qū)域定位系統(tǒng)的應用。實例分析結果表明，在軸、軸兩個方向上，航空遙感圖像定位系統(tǒng)所采集到的災害區(qū)物理坐標值均與實發(fā)區(qū)域坐標值較為接近，與ZigBee型定位系統(tǒng)相比，確實能夠縮小誤差值結果，實現(xiàn)對災害發(fā)生區(qū)域的準確定位。

　　關鍵詞：航空遙感圖像;區(qū)域定位;傳感器協(xié)調器;影像區(qū)域;空間直角坐標系;邊緣檢測

　　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(shù)航空遙感平臺的高度數(shù)值都保持在80km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(xiàn)時長總是相對較短[12]。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(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發(fā)展浪潮，原有的互聯(lián)網(wǎng)平臺只能將網(wǎng)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(wǎng)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(lián)網(wǎng)體系的基礎上，衍生出來的網(wǎng)絡結構型區(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，設計一種新型的災害區(qū)域定位系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件實現(xiàn)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(xié)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，一方面在上下左右四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]。根據(jù)上圖得知，與圖相比，圖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(xiàn)“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(xiàn)。

　　1.2CC2430/2431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(xié)調器，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。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(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(shù)據(jù)流的形式，將這些信息反饋至航空傳感器協(xié)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(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(xiàn)有連接狀態(tài)�？偟膩碚f，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(xié)調器

　　航空傳感器協(xié)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(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。

　　協(xié)調主板作為航空傳感器協(xié)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(xié)調結構與外部傳感器設備[910]。其具體工作流程為：首先協(xié)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。在系統(tǒng)運行過程中，航空傳感器協(xié)調器保持連續(xù)供電狀態(tài)，且所有圖像信息只有在經(jīng)過結構體的暫時存儲之后，才能夠具備快速傳輸?shù)哪芰Α?/p>

　　1.4增強型8051

　　內核GND芯片作為增強型8051內核的中控元件，在災害區(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。

　　在應用過程中，GND芯片采用8051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，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完成所有單字節(jié)信息的設置與標注[1112]。為保證航空傳感器協(xié)調器的應用平衡能力，8051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(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試。

　　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。

　　3關聯(lián)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(lián)定位軟件設計，再聯(lián)合各級硬件設備結構，實現(xiàn)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(xié)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(shù)值[1819]。

　　4實例分析

　　選取面積大于100m×100m的災害區(qū)域作為實驗背景環(huán)境，規(guī)定其水平方向為定位軸所在方向、豎直方向為定位軸所在方向，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。

　　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(lián)合CC2430/2431結構、航空傳感器協(xié)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，軸、軸兩個方向上的位置誤差值結果都出現(xiàn)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。

　　參考文獻

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　　作者：張春華

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