安豐光，羅 旭，程承旗，濮國梁，宋樹華

(1. 北京大學(xué) 遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京100871; 2.中煤科技集團(tuán)公司,北京100013)

一、引 言

2008年5月12日，四川汶川8.0級大地震波及了半個中國，也牽動了全國人民的心。地震發(fā)生后，震中附近的重災(zāi)區(qū)道路中斷，通信中斷。在“運(yùn)輸是基礎(chǔ)，通信是關(guān)鍵”的緊急時(shí)刻，國際海事衛(wèi)星也很“湊巧”地被關(guān)閉了十多個小時(shí)，使得災(zāi)區(qū)成為失去和外界一切通信聯(lián)系的“孤城”。而我首批武警官兵于當(dāng)晚22點(diǎn)左右到達(dá)地震重災(zāi)區(qū)，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)用戶終端機(jī)連夜陸續(xù)發(fā)回的實(shí)時(shí)災(zāi)情數(shù)據(jù)，是地震重災(zāi)區(qū)發(fā)出的第一束生命急救電波[1-2]。

但由于北斗一號衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)[3]是主動式雙向測距二維導(dǎo)航，用戶需向北斗系統(tǒng)發(fā)送消息請求才能獲得服務(wù)[4-5]，且發(fā)送第一條消息后需隔Δt時(shí)間才能發(fā)送第二條消息，而不同等級北斗用戶卡的等待間隔Δt從數(shù)秒到幾十分鐘不等、每次發(fā)送的字節(jié)數(shù)不等。同時(shí)，北斗短報(bào)文系統(tǒng)的通信帶寬只有幾百字節(jié)[6]，適合傳輸關(guān)于災(zāi)情的文字信息。因此，利用北斗傳輸真實(shí)場面影像數(shù)據(jù)時(shí)，會遇到如下問題：

1) 通信帶寬窄與影像數(shù)量大之間的矛盾。相對于北斗短報(bào)文系統(tǒng)一百多漢字的通信帶寬而言，影像數(shù)據(jù)量相當(dāng)大，因此傳輸整幅影像數(shù)據(jù)需要很長的時(shí)間。

2) 系統(tǒng)服務(wù)時(shí)間長，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)效性差。由于用戶連續(xù)發(fā)送兩次消息之間有Δt等待時(shí)間[6]，因此利用北斗連續(xù)傳輸大數(shù)據(jù)量影像數(shù)據(jù)時(shí)，整個文件接收過程耗時(shí)較長，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時(shí)效性較差。

3) 北斗短報(bào)文系統(tǒng)連續(xù)傳輸信息時(shí)存在數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象。由于北斗轉(zhuǎn)發(fā)的信號較弱，易受地面目標(biāo)遮擋影響，因此在傳輸連續(xù)的數(shù)據(jù)時(shí)，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象。

4) 影像數(shù)據(jù)缺乏支持局部數(shù)據(jù)更新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與機(jī)制。目前，影像數(shù)據(jù)更新一般采用更新整個影像文件的方式，這種更新方式在高帶寬的通信網(wǎng)絡(luò)中沒有問題，但通過類似于北斗短報(bào)文系統(tǒng)的通信環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)更新就非常困難。因此，造成影像數(shù)據(jù)更新困難的原因之一就是缺乏一種支持影像局部更新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與機(jī)制。

為解決上述問題，本文提出基于剖分影像金字塔模型(subdivision image pyramid，SIP)的北斗衛(wèi)星短報(bào)文系統(tǒng)影像傳輸策略與方法，為應(yīng)急情況下傳輸遙感影像提供理論支撐。

二、北斗衛(wèi)星短報(bào)文系統(tǒng)與SIP簡介

1. 北斗衛(wèi)星短報(bào)文系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)不同于GPS的一個重要特色是，除提供定位服務(wù)外，還能提供簡短報(bào)文通信服務(wù)，只是不同級別的用戶服務(wù)時(shí)間間隔、一次傳輸數(shù)據(jù)量大小等存在差別[7]。因此，在利用北斗衛(wèi)星短報(bào)文系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用方面，國內(nèi)也有少數(shù)學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究，如張東等[8]于2005年利用北斗衛(wèi)星進(jìn)行文件傳輸；成方林等[9]2008年對北斗衛(wèi)星傳輸大數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議進(jìn)行了探討。但由于北斗衛(wèi)星通信帶寬和服務(wù)頻率的限制，采用北斗衛(wèi)星傳輸大數(shù)據(jù)文件的應(yīng)用很少。

2. 剖分影像金字塔SIP

針對傳統(tǒng)的影像金字塔模型缺乏對局部影像數(shù)據(jù)的快速索引，從而導(dǎo)致影像數(shù)據(jù)局部更新困難的問題，北京大學(xué)空天信息工程研究中心項(xiàng)目組2009年提出了影像金字塔內(nèi)分層、分塊的策略，以及剖分影像塊按照Hilbert曲線[10]進(jìn)行編碼與組織的剖分金字塔SIP模型[11-12]。這種基于數(shù)據(jù)塊組織的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有利于局部數(shù)據(jù)的快速提取與更新。

三、基于北斗衛(wèi)星遙感影像的傳輸框架和策略

1. 基于北斗衛(wèi)星遙感影像的傳輸框架

基于北斗衛(wèi)星遙感影像的傳輸框架如圖1所示。其中，剖分影像金字塔SIP是整個影像更新的基礎(chǔ)，其基本制作過程是先根據(jù)北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信帶寬，分析最佳傳輸?shù)挠跋駢K粒度并建立影像SIP文件；然后將SIP數(shù)據(jù)預(yù)裝到接收終端，并作為底圖數(shù)據(jù)。當(dāng)需對接收端進(jìn)行影像數(shù)據(jù)更新時(shí)，發(fā)送端會對數(shù)據(jù)更新的影像塊進(jìn)行變化檢測，然后將信息變化的影像塊經(jīng)壓縮分包處理后與影像塊編碼一起，并由北斗短報(bào)文系統(tǒng)發(fā)送給接收端。接收端則根據(jù)數(shù)據(jù)編碼將影像塊放到恰當(dāng)?shù)挠跋裎恢?，從而?shí)現(xiàn)對接收端遙感影像數(shù)據(jù)的更新。

圖1 基于北斗衛(wèi)星短報(bào)文系統(tǒng)的遙感影像傳輸框架圖

2. 影像傳輸策略

針對北斗衛(wèi)星通信資源有限而遙感影像數(shù)據(jù)量相對較大的矛盾，根據(jù)前文所述數(shù)據(jù)傳輸框架，本文采用了以下傳輸策略。

(1) 基于影像塊的數(shù)據(jù)傳輸

針對影像數(shù)據(jù)量大與通信帶寬窄的矛盾和北斗更新整個文件方式時(shí)效性低的問題，本文采用影像壓縮技術(shù)和傳輸局部目標(biāo)區(qū)域數(shù)據(jù)塊的傳輸策略，減少傳輸數(shù)據(jù)量和次數(shù)，以解決窄帶寬通信傳輸大影像數(shù)據(jù)的矛盾，達(dá)到提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性。因此，數(shù)據(jù)塊大小的設(shè)計(jì)是傳輸?shù)年P(guān)鍵。為此，建立SIP時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際通信帶寬、遙感影像的位深(bit depth)、圖像壓縮比例(scale)等信息，來確定SIP影像塊大小。

(2) 基于變化信息的影像塊傳輸

鑒于同一區(qū)域時(shí)間相近的不同時(shí)相遙感影像存在大量信息冗余的特點(diǎn)和SIP局部數(shù)據(jù)更新的優(yōu)勢，本文提出只更新信息變化的數(shù)據(jù)塊的策略，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)傳輸整幅影像數(shù)據(jù)方式，通過減少傳輸數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速更新。具體方法是，在發(fā)送端采用比值法對SIP中影像塊進(jìn)行變化檢測，確定是否需對影像進(jìn)行數(shù)據(jù)更新；對需更新的影像塊，通過壓縮打包等處理后，由北斗發(fā)送給接收端，為接收端進(jìn)行影像數(shù)據(jù)更新。

圖2中，遙感影像變化檢測方法采用目前成熟的比值法。在進(jìn)行變化監(jiān)測時(shí)，先設(shè)置閾值k0=0.75，并比較變化信息與原信息的百分比值k與k0的大小來確定是否應(yīng)該更新影像。若k≥k0，認(rèn)為信息發(fā)生了變化，數(shù)據(jù)須更新；若k

圖2 基于變化信息的遙感影像更新流程圖

(3) 基于圖標(biāo)編碼的信息傳輸

針對北斗通信帶寬窄和影像數(shù)據(jù)量大的現(xiàn)狀，本文提出傳輸圖標(biāo)編碼的傳輸策略，即對狀態(tài)有限的目標(biāo)，如道路是否暢通、橋梁是否完好等情況，發(fā)送端和服務(wù)端對這些目標(biāo)狀態(tài)的影像塊或圖標(biāo)進(jìn)行編號。當(dāng)某一方發(fā)送這些目標(biāo)信息時(shí)，只需將目標(biāo)編號和相應(yīng)的地址編碼信息發(fā)送給另一方，然后另一方通過編碼解譯將對應(yīng)目標(biāo)狀態(tài)的影像數(shù)據(jù)塊對數(shù)據(jù)底圖進(jìn)行更新。這種通過傳輸?shù)匚餇顟B(tài)圖標(biāo)編碼方式，可極大地降低數(shù)據(jù)傳輸量和傳輸次數(shù)，適應(yīng)窄帶寬的北斗通信環(huán)境，提高北斗數(shù)據(jù)傳輸效率。

四、關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)流程

1. 數(shù)據(jù)包丟失檢測和重傳技術(shù)

鑒于北斗通信信號易受高目標(biāo)遮擋而出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象，若因丟失某個數(shù)據(jù)包而重傳整個文件，將花費(fèi)更長的時(shí)間。因此，本文針對北斗通信沒有對丟失數(shù)據(jù)包進(jìn)行補(bǔ)傳的機(jī)制，專門設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)包丟失檢測和重傳技術(shù)。但為了防止因接收補(bǔ)傳數(shù)據(jù)包而長時(shí)間等待，先介紹丟包處理的一些規(guī)則。

規(guī)則1 因第一個數(shù)據(jù)包含有影像塊編碼、大小，以及傳輸包數(shù)等信息，故若第一個數(shù)據(jù)包丟失，則接收端放棄接收后續(xù)的其他數(shù)據(jù)包。

規(guī)則2 接收端反饋丟失數(shù)據(jù)包信息時(shí)，最多反饋2次，每次等待時(shí)間為2Δt；若等待時(shí)間超過4Δt且仍沒有接收到發(fā)送端補(bǔ)發(fā)的消息，則接收端放棄反饋丟失數(shù)據(jù)包信息并銷毀已接收的數(shù)據(jù)。

規(guī)則3 接收端反饋丟包信息且獲得補(bǔ)發(fā)的數(shù)據(jù)包后，當(dāng)補(bǔ)發(fā)的數(shù)據(jù)包仍有數(shù)據(jù)包丟失，仍繼續(xù)反饋補(bǔ)發(fā)所丟失的數(shù)據(jù)包信息。但若第二次補(bǔ)發(fā)數(shù)據(jù)包仍有數(shù)據(jù)包丟失，此后放棄反饋丟失的數(shù)據(jù)包信息并銷毀已接收的數(shù)據(jù)。

基于前文的處理規(guī)則，北斗通信數(shù)據(jù)包丟失檢測和重傳機(jī)制如圖3所示。在圖3中，為了確保通信成功，發(fā)送端在請求消息發(fā)送時(shí)，在A時(shí)刻開始進(jìn)行時(shí)間t1統(tǒng)計(jì)，若t1>2Δt且仍無信息反饋，則繼續(xù)進(jìn)行發(fā)送申請消息；若重復(fù)4次申請后仍然無響應(yīng)，則放棄申請。若通信正常，接收端在接收到第一個數(shù)據(jù)包后(B時(shí)刻)開始進(jìn)行統(tǒng)計(jì)丟失數(shù)據(jù)包。如果沒有數(shù)據(jù)包丟失，則表示接收數(shù)據(jù)成功；如果存在數(shù)據(jù)包丟失，則當(dāng)接收端接收到文件結(jié)束消息后(C時(shí)刻)，開始反饋丟包信息并統(tǒng)計(jì)時(shí)間t2和反饋次數(shù)m。若t2>2Δt且沒有收到反饋信息，則再次發(fā)送重傳申請；若t2>4Δt時(shí)仍沒收到重傳數(shù)據(jù)包則放棄反饋且銷毀已接收的數(shù)據(jù)；若反饋次數(shù)m>2且仍有數(shù)據(jù)包丟失，則放棄反饋并銷毀已有相關(guān)信息。

圖3 北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)丟包檢測與重傳機(jī)制

下面是本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議頭結(jié)構(gòu)：

typedef struct tagBDPACKETHEADER{

DWORD dwdBDID;∥發(fā)送端北斗衛(wèi)星用戶ID

DWORD dwdBDDestID;∥接收端北斗衛(wèi)星用戶ID

BYTE btPacketID;∥標(biāo)識；0x0為消息，0x01為一般文件，0x02為影像，0x03為圖標(biāo)

WORD wdPacketNo;∥傳輸數(shù)據(jù)包的序號

BYTE btPacketType;∥數(shù)據(jù)包的類型；0x0為第一次發(fā)送，0x01為補(bǔ)發(fā)

DWORD dwdPacketLength;∥傳輸內(nèi)容的長度

};

在數(shù)據(jù)接收時(shí)，接收端通過分析包頭的包序號wdPacketNo判斷是否丟包并將所丟失包的序號進(jìn)行記錄；通過判斷數(shù)據(jù)包類型btPacketType來判斷所接收的數(shù)據(jù)包是第一次發(fā)送還是補(bǔ)發(fā)的。

2. 設(shè)計(jì)流程

(1)發(fā)送端

發(fā)送端對遙感影像塊進(jìn)行JPEG2000[10]壓縮處理并添加傳輸協(xié)議頭結(jié)構(gòu)，制作成北斗系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包后，由北斗衛(wèi)星通信組件模塊發(fā)送給接收端。此外，發(fā)送端還需補(bǔ)發(fā)接收端反饋丟失的數(shù)據(jù)包。發(fā)送端信息處理流程如圖4所示。

(2) 接收端

接收端收到數(shù)據(jù)包后，首先對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，判斷是否存在丟包，以及數(shù)據(jù)包是第一次發(fā)送的還是補(bǔ)發(fā)的。若是第一次發(fā)送的數(shù)據(jù)包，則直接將除傳輸協(xié)議頭結(jié)構(gòu)外的影像數(shù)據(jù)追加到接收影像數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)中，并進(jìn)行JPEG2000數(shù)據(jù)包解壓；若是補(bǔ)發(fā)的數(shù)據(jù)包，則根據(jù)數(shù)據(jù)包序號信息將影像數(shù)據(jù)插入到影像緩沖區(qū)相應(yīng)的位置；若數(shù)據(jù)包是第一次發(fā)送的但并不是已接收的數(shù)據(jù)包的后續(xù)包，則表明存在丟包，需進(jìn)行丟包信息統(tǒng)計(jì)，并將丟包信息通過北斗反饋給發(fā)送端。圖5是接收端信息處理流程。

圖4 發(fā)送端處理流程圖

圖5 接收端處理流程圖

五、實(shí)例應(yīng)用

本文以北斗衛(wèi)星在5·12汶川地震救援為背景，利用Microsoft Embedded Visual C++4.0開發(fā)了一套利用北斗衛(wèi)星短報(bào)文系統(tǒng)傳輸遙感影像手持終端模擬系統(tǒng)，并采用大小為10 888 B×9960 B×3 B、分辨率為0.61 m的遙感影像作為模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

模擬系統(tǒng)發(fā)送端為一臺PC服務(wù)器，通過串口與北斗用戶機(jī)相連；接收端為一個北斗手持終端，終端中使用的北斗衛(wèi)星用戶卡和北斗衛(wèi)星OEM通信模塊均由成都國騰電子集團(tuán)提供。模擬系統(tǒng)采用北斗衛(wèi)星用戶卡一次傳輸數(shù)據(jù)包大小為106 B、服務(wù)時(shí)間間隔Δt為45 s。在模擬試驗(yàn)時(shí)，發(fā)送端通過串口由北斗用戶機(jī)將信息發(fā)送給北斗衛(wèi)星，接收端通過OEM模塊提供的接口接收北斗衛(wèi)星傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。

考慮到傳輸環(huán)境的特殊性和手持終端的資源有限性，模擬系統(tǒng)在對道路是否暢通、橋梁是否損毀等信息傳輸時(shí)，采用傳輸圖標(biāo)編碼方式進(jìn)行信息更新；而對山體滑坡、堰塞湖等信息，采用傳輸影像的方式。

鑒于北斗用戶卡的通信限制，在模擬試驗(yàn)過程中，測試數(shù)據(jù)按16像素×16像素大小進(jìn)行分塊、2像素×2像素合成1個像素的方法生成7層不同分辨率的剖分影像金字塔SIP，并作為接收端和發(fā)送端底圖數(shù)據(jù)。表1為傳輸不同大小的剖分遙感影像或目標(biāo)編碼時(shí)所需的時(shí)間，圖6是采用丟包重傳機(jī)制對38次數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖。其中，8次丟包重傳試驗(yàn)中，4次是由于第一個數(shù)據(jù)包丟失而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)接收失敗。

圖6 采用丟包重傳機(jī)制的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

影像傳輸方式大小/B所用時(shí)間/s次數(shù)/次影像塊78K33930754(理論值)影像塊(16像素×16像素)8222706圖標(biāo)編碼411

由表1可知，采用傳輸16像素×16像素的影像塊和圖標(biāo)編碼方式時(shí)，所用時(shí)間為270 s和1 s，數(shù)據(jù)傳輸效率和實(shí)效性明顯提高。

系統(tǒng)測試的配置如下：發(fā)送端為Intel(R) Core(Tm)2 Duo CPU E4600，2.4 GHz，內(nèi)存2 GB，硬盤240 GB的PC機(jī)；接收端為Intel(R) PXA263處理器，400 MHz，內(nèi)存64 MB, Flash 32 MB，固存1 GB手持終端PDA。

六、結(jié)束語

試驗(yàn)證明，基于SIP的北斗衛(wèi)星短報(bào)文系統(tǒng)傳輸影像技術(shù)及所采用的傳輸策略，較好地解決了北斗衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸丟包問題，并將北斗窄帶寬通信環(huán)境下的影像數(shù)據(jù)更新的實(shí)時(shí)性提高至分鐘級，使得大數(shù)據(jù)量的遙感影像數(shù)據(jù)近實(shí)時(shí)更新成為可能，使得北斗通信功能得到了更大的發(fā)揮，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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