北斗短報文應急救災遙感圖像傳輸研究及應用

周菲 王春梅 劉書偉

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北斗短報文應急救災遙感圖像傳輸研究及應用

周菲1王春梅2劉書偉1

1.廣州市粵峰高新技術股份有限公司，廣東 廣州 510663 2.廣東金融學院互聯網金融與信息工程學院，廣東 廣州 510521

針對北斗短報文通信帶寬窄與圖像數據量大的問題，提出構建基于窄帶條件下的靜態圖像輸壓縮算法研究，利用OpenCV提供的JPEG壓縮函數實現最優壓縮質量的無損壓縮。實驗證明，該技術可行有效。這對于充分利用北斗導航衛星報文通信功能，更大程度地發揮北斗導航系統的作用，具有一定理論和現實的指導意義。

北斗衛星；短報文；圖像傳輸

引言

北斗衛星導航系統是我國自行研制的全球衛星導航系統。北斗衛星導航系統主要由空間段、地面段和用戶段三部分組成，具有短報文通信、精密授時、高精度定位三大功能[1]。與美國的GPS系統、歐洲的伽俐略系統及俄羅斯的格洛納斯系統相比，北斗衛星導航系統不僅具有導航定位的功能，且具有雙向短報文通信能力[2]。通過星載通信中轉站，用戶終端可以進行短報文文字通信，此外通信還具有全天候、實時性的特點。這一突出特點，在汶川地震抗震救災中顯示了巨大的優越性[3]。地震發生后，常規通信網絡中斷（移動通信網絡和固話通信網絡），救災人員攜帶北斗導航衛星終端進入災區，通過北斗終端的以短報文通信方式，及時報告了災區受災情況，為領導了解災區受災程度、及時科學決策做出重要的貢獻。

圖像具有直觀性強的特點。如果能利用北斗短報文通信系統進行圖像傳輸，通過實地照片報告災區受災情況，就將為領導科學決策提供更加直觀的依據。但當前北斗雙向影像傳輸還存在突出的技術難題，主要是因為衛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字節或120漢字/次），北斗衛星導航系統在設計之初并未考慮到傳輸非短報文數據。從某種意義上說，北斗雙向通信功能是為短報文通信而定制的，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星系統的[4]。因此利用北斗短報文傳輸影像數據，帶寬小是制約這一應用實現的根本的問題，特別是遙感影像的傳輸就顯得尤為突出。因而，研究基于北斗短報文系統通信功能下動態影像的傳輸技術就具有一定的理論和應用價值。

1 北斗系統工作原理及組成

1.1 系統工作原理

北斗導航衛星采用雙星定位原理實現導航定位[5]，是根據已知衛星位置、測站至衛星的斜距和測站點的大地高，利用數學方法計算出來的。

1.2 系統組成

北斗系統主要包括空間段、地面段、用戶段三部分，如圖1所示。其中，空間段負責執行地面段與用戶段之間的雙向無線電信號中繼任務；地面段負責無線電信號發射和接收；用戶段負責接收地面段經空間段衛星轉發的測距信號，并向衛星發射應答信號。

圖1 北斗系統

2 北斗的應用領域

目前北斗衛星導航技術主要應用的領域包括：軍用領域和民用領域。民用領域中主要應用在：地理信息數據采集、高精度測量、車輛監控調度與導航服務、航空航海救援導航、機械控制和民用消費（如移動目標位置跟蹤、登山探險野外拓展導航）等方面。

3 北斗短報文傳輸圖像的研究

由于北斗短報文通信帶寬非常窄，而圖像的數據量大，因此必須采用壓縮圖像數據的方法來解決。

3.1 JPEG?2000圖像壓縮標準

JPEG?2000將順序模式、漸進模式、無損模式和層次模式集成在一個標準之中。在編碼端以最大的壓縮質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量和分辨率解壓圖像。

JPEG?2000編碼過程可概括為：預處理、分量變換、離散小波變換（DWT）、量化和熵編碼五個部分。JPEG?2000編碼器的結構框圖如圖2（a）所示；解碼器是編碼器的逆過程，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

作為新一代壓縮標準，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，具體表現在以下方面。

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

（2）JPEG?2000提供開放的框架結構，用以實現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在圖像處理時提供圖像文檔、索引和搜索等內容的描述等等。

4 圖像壓縮程序

采用OpenCV庫中的圖像壓縮函數：

#設置編碼

import sys

reload(sys)

sys.setdefaultencoding('utf-8')

#導入計算機視覺庫opencv和圖像處理庫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

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

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：' + str(time2 - time1) + 's'

程序調試結果：一個4.17? M的圖像能壓縮到290?K。

5 結束語

基于北斗報文的動態影像傳輸為目標，以關鍵技術問題的解決為手段，在數據組織、數據壓縮、數據傳輸控制等方面進行了深入研究，并以實驗驗證了理論和技術的可行性與有效性。這對于充分利用北斗導航衛星報文通信功能，更大程度地發揮北斗導航系統的作用具有一定理論和現實的指導意義。

[1]沈華飛. 北斗衛星一代短報文通信技術及應用[J]. 電子制作，2014（23）：106.

[2]康望東，覃遠超，唐靜. 基于北斗系統的對空情報傳送方式[J]. 指揮信息系統與技術，2012（6）：68-71

[3]朱永輝. 基于北斗衛星的地質災害實時監測系統研究與應用[D]. 北京：清華大學，2010.

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

[5]郝瀟敏. 基于北斗衛星船載導航系統研究[D]. 大連：大連海事大學，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

廣東省科技計劃項目（2014B010102007資助），2018高校雙創教育實踐研究培育項目（SMPY1729資助）。

周菲（1981—），女，漢族，江西九江人，本科學歷，研究方向計算機應用。王春梅（1974—），女，漢族，山東榮成人，碩士研究生學歷，講師，研究方向為并行計算、多媒體技術。劉書偉（1986—），女，漢族，吉林蛟河人，雙學士，研究方向為信號處理技術。