无人机遥感数据传输系统的设计和实现

无人机遥感数据传输系统的设计和实现?

秦其明 金 川 陈德智 李 杰

北京大学地球与空间科学学院遥感与GIS研究所 北京 100871

摘要：无人机遥感数据传输系统是无人机航空遥感系统的重要部分之一。针对无人机遥感数据传输系统研制目标与关键问题，本文分别给出了三种机上航空遥感数据传输与压缩方案设计，阐述了数据压缩原理与实现方法，研究了嵌入式遥感数据压缩系统开发的关键技术，并简要地讨论了遥感数据接收与解压缩的问题。目前，研制组已经初步实现无人机遥感数据传输系统，并在飞行实验中实现了航空遥感图像数据的压缩。

关键词：数据传输 数据压缩与解压缩 嵌入式系统 无人机 航空遥感

Abstract: Unmanned aerial vehicles remote sensing data transfer system (UAVRSDTS) is a key component of UAV aerial remote sensing system. Data compression is a significant technique in data real-time transfer. This paper presents three aerial remote sensing data transfer and compression schemes towards developing aim and key problems in UAVRSDTS. In this paper, the authors present principle and implementation in data compression, do research on key techniques in embedded remote sensing data compression system development and briefly explain the techniques in remote sensing data receiving and decompression. Now our group has realized UAVRSDTS and completed aerial remote sensing data compression in flying experiment.

1. 引言

无人机航空遥感系统，是北京大学遥感与GIS研究所、中国科学院遥感所和贵州航空工业集团公司共同合作研发的项目。该系统由搭载有效载荷的无人机平台、获取地表信息的遥感器、控制飞行与遥感信息获取的控制系统、遥感数据传输与压缩解压缩系统和遥感数据地面接收与处理系统等多个部分所组成。其中，无人机遥感数据传输与压缩解压缩系统是无人机航空遥感系统中的关键技术之一。

针对无人机遥感数据传输系统研制中存在的主要问题，本研究组对数据传输与压缩解压缩系统设计与实现中的关键问题进行了研究，现将初步研究进展整理如下。

2. 机上数据传输与压缩方案设计

无人机遥感数据传输与压缩解压缩系统，作为无人机航空遥感系统的一部分，它涉及到中国科学院遥感所主要负责的多模态遥感器，也涉及到北京大学遥感所其它组研制的遥感控制系统，同时还依赖贵州航空工业集团公司飞行器平台提供的数据实时传输链路的支持。实现机上航空遥感数据传输与压缩，可供考虑的方案至少有以下几种：

1) 多模态遥感器系统通过工控机利用两条数据传输链路同时将遥感数据一份存入硬盘，一份传输给到遥感数据压缩模块板，进行数据压缩，压缩后的数据通过通讯接口与贵航 资助项目：北京大学985项目

图3第三种数据传输与压缩方案示意图 Fig.3 The third scheme sketch map of data transfer and compression

无人机数据传输设备通讯，实现数据对地传输（见图1）。该方案需要解决的问题：多模态遥感器系统需要提供两个数据传输接口，一个与机载遥感平台控制板通讯，一个与数据压缩DSP 板通讯，同时还要与机载遥感平台控制板共用贵航机上高速RS422接口下传数据。

2) 多模态遥感器系统通过工控机利用两条数据传输链路同时将遥感数据一份存入硬盘，一份传输给到遥感数据压缩模块板，进行数据压缩，压缩后的数据经过机载遥感平台控制板数据传输线路，由贵航无人机数据传输设备实现数据对地传输（见图2）。该方案与第一种方案不同之处在于：压缩数据通过机载遥感平台控制板数据通道，统一经贵航机上高速RS422接口下传数据。

3) 多模态遥感器系统通过工控机利用两条数据传输链路同时将遥感数据一份存入硬盘备份，一份通过机载遥感平台

控制板I/O 接口送入遥感数据

压缩模块板，进行数据压缩，

压缩后的数据经过机载遥感平

台控制板数据传输线路，由贵

航无人机数据传输设备实现数

据对地传输（见图3）。该方案

与第一种方案不同之处在于：

航空遥感数据直接送入机载遥

感平台控制板数据通道， DSP

数据压缩板通过接口与机载遥

感平台控制板通讯，获取遥感数据、实现数据压缩并将压缩后的数据通过机载遥感平台控制

图1 第一种数据传输与压缩方案示意图

Fig.1 The first scheme sketch map of

data transfer and compression 图2第二种数据传输与压缩方案示意图 Fig.2 The second scheme sketch map of data transfer and compression

板数据通道，经贵航机上高速RS422接口下传数据。

比较并分析了软硬件支持状况，以及实现数据传输与压缩的方便性，我们采用了第三种数据传输与压缩方案。

根据第三种数据传输与压缩方案设计思路，研制组提出了机上遥感数据传输与压缩方案：无人机搭载的多模态CCD相机对地成象，将获取的遥感图像以数字形式记录存储，机载遥感平台控制板通过I/O设备读取遥感数据，数据通讯程序将遥感平台控制板上获取的BMP 格式的遥感图像的头文件信息和BMP遥感数据写到DSP模块板的指定内存中，DSP数据压缩模块板将获取的BMP图像数据压缩成JPEG图像数据，将生成的JPEG图像数据写到指定的内存空间。然后数据通讯程序从DSP模块板的指定内存中获取压缩后的JPEG图像数据，送到无人机数据传输链路。

遥感平台控制板与DSP模块板数据传输通过PC104+接口进行通讯。考虑到遥感图像数据量大，系统采取了DMA数据通讯方式。这种方式消耗系统资源比较多，但数据通讯速度比普通的接口通讯方式速度快得多，能够适应航空遥感大数据传输的要求。

3. 航空遥感数据压缩原理与实现

由于航空相机每次获取的航空影像尺寸为4096x4096像素，而DSP模块板由于内存容量有限，需要在影像压缩前先进行自适应分块处理。在实验中影像分块尺寸为512x512像素，每个影像块作为独立的影像进行压缩处理。

航空遥感图像采用JPEG图像压缩算法进行压缩。JPEG图像压缩算法是一种高压缩比的有损压缩算法.其图像压缩过程主要包括三个基本步骤：

1) 通过离散余弦变换（DCT）去除数据冗余。DCT是影像压缩的重要步骤，它通过正交变换将图像由空间域转换为频率域。DCT变换本身并不对影像进行压缩，对于NxN维的数据，经变换以后仍然得到NxN的数据，但变换消除了NxN维数据之间的冗余性，使得用较少的数据就能够基本还原这NxN维的数据。DCT变换是压缩过程中量化和编码的基础。

2) 使用量化表对DCT系数进行量化，量化表是根据人类视觉系统和压缩图像类型的特点进行优化的量化系数矩阵。量化的作用在于降低整数的精度，减少了整数存储所需的位数。这个步骤除掉了一些高频分量，损失了高频分量上的细节。由于人眼对高空间频率远没有低频敏感，所以处理后的视觉损失很小。量化的另一个原因是所有的影像上的点与点之间会有一个色彩或者灰度级上过渡的过程，大量的影像信息被包含在低空间频率中，经过量化处理后，在高空间频率段，将出现大量连续的零，这样有利于以后的编码减小数据量。量化效果好坏，直接影响到压缩后影像的信噪比和影像恢复的效果。

3) 对量化后的DCT系数进行编码使其熵达到最小。遥感图像数据经过DCT和量化之后，在高频率段会出现大量连续的零，采用Huffman可变字长编码，可使冗余量达到最小。动态Huffman编码则是在编码过程中形成编码树。采用动态Huffman编码方式，虽然消耗一定的编码和解码时间，但换取数据高压缩比。

根据上述JPEG数据压缩原理，在CCS环境中开发实现了图像压缩程序。CCS支持标准C 和C++，运行在PC机上。鉴于无人机上图像压缩程序运行在DSP数据压缩模块板上，我们利用仿真器将PC机和数据压缩硬件系统板相连（通过JTEG接口），在CCS环境中通过硬件仿真器进行程序的在线调试。

BMP 快视图压缩后的数据 图4 遥感数据地面接收与数据解压缩处理流程示意图 Fig.4 The flow chart of remote sensing data receiving and decompression

4. 嵌入式遥感数据压缩系统开发

嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、软件等组成的一种专用的计算机系统。图像压缩算法在DSP 模块板中的实现构成了嵌入式遥感数据压缩系统。嵌入式遥感数据压缩系统采用RTD 公司提供的SPM6030型号的DSP 模块板作为数据压缩系统板，所用芯片是TI 公司的6202芯片组，模块板载有16M 内存和2 MB 闪存，通过PCI 总线可访问所有DSP 资源。模块板配有PC104+总线接口, 通过此接口与机载遥感平台控制板进行数据通讯。该系统的作用是将机载遥感平台控制板获取的BMP 遥感图像数据，通过固化在SPM6030模块板内的JPEG 图像压缩程序进行压缩，再将压缩后的图像数据回传给机载遥感平台控制板。该模块板还配有JTEG 硬件调试接口，支持JPEG 图像压缩程序的在线调试。

针对嵌入式遥感数据压缩系统的特点，研究组对系统进行了开发与优化。

开发的内容包括JPEG 图像压缩程序和数据通讯程序代码的编写与调试，其目的是实现遥感图像数据传输与数据压缩。

优化工作主要集中在在软件结构和硬件体系等方面。软件结构上的优化主要是基于C 语言优化。主要的优化内容包括编译器，循环操作，数组使用，变量申明，逻辑运算等几个方面。DSP 模块板在硬件体系上有其自身特点，其DSP 芯片使用的是哈佛体系，数据总线和程序总线相互独立，充分利用其硬件体系上的特性，可以提高压缩程序执行的效率。硬件体系的优化主要集中在以下方面：使用DMA 进行数据通信和充分利用DSP 板上的缓冲区等。

数据压缩程序的开发与优化在CCS 环境中完成。在编译链接生成目标文件后，利用TI 公司提供的FlashBurn 烧录软件完成了目标文件烧录在压缩板的flash 中的工作，实现了嵌入式遥感数据压缩系统。

在新疆石河子市遥感实验飞行中，飞机搭载三台数码相机进行航空成像，数码相机获取的图像数据经工控机送入机载

遥感平台控制板，同时触发DSP

模块板上的数据压缩程序，实现

了遥感数据的压缩。飞行实验证

明，嵌入式遥感图像压缩系统运

行正常。

5. 遥感数据接收与解压

缩

通过无人机的机载数据无

线传输设备发送的遥感数据，在

地面移动接收系统视距内，数据

通过无线方式传给地面。若无人

机在视距外，可以利用卫星进行超视距的中继通讯，通过卫星将数据转发给地面移动接收系统[7]。接收的遥感数据是压缩后

的数据，需要进行解压缩处理（图4）。解压缩是一个解码，反量化，逆离散余旋变换，同幅影像中多个影像块进行拼接的处理过程。今年8月上旬，我们将在贵州安顺黄果树瀑布区域进行无人机遥感数据传输与机上数据压缩与下传数据解压缩实验，进一步检验无人机遥感数

据传输与压缩解压缩系统的搭载稳定性与实际压缩效率，并检验遥感图像解压缩程序的正确性和稳定性，并检验数据解压缩的实际速度等内容。

6. 结论与讨论

无人机遥感数据传输与压缩解压缩系统，是无人机航空遥感系统的重要部分，目前，已经完成该子系统与其它子系统集成，在飞行实验中实现了对 512*512像素的遥感图像数据压缩，最大压缩比达到1:13，符合实验预期要求。由于数据接口的限制，飞行实验中未能对CCD相机获取的4KX4K图像进行实时全程压缩实验，因此，系统实时压缩效果有待进一步实验。近期内，需要对无人机遥感数据传输开展以下方面的研究：

遥感数据压缩系统作为作为无人机遥感数据传输与压缩解压缩系统中的一个独立的硬件设备，具备可移植性。为满足海量遥感数据实时传输的要求，需要进一步从软硬件两方面提高嵌入式系统的压缩效率。

需要深入研究航空遥感数据上传卫星的关键技术[8]，这是利用卫星进行超视距的中继通讯，将数据转发给地面移动接收系统的制约瓶颈。今后需要对其中的关键技术进行攻关。

参考文献

[ 1 ] 任重.基于DCT的图像压缩技术[J].江西科技师范学院学报.2004,6：89—92，104.

[ 2 ] 李飞鹏,秦前清,李德仁.海量遥感影像数据库实时压缩系统的设计与实现[J].计算机工程与应用, 2003,26:9-11.

[ 3 ] 王明远.空间遥感数据压缩编码技术的发展.中国航天.2003,6：20-22.

[ 4 ] 彭启琮.DSP集成开发环境--ccs及DSP/BIOS的原理与应用[M].电子工业出版社.2004.

[ 5 ] 田元,叶秀清,顾伟康.实时图像处理系统中的DSP 优化编程 [J].电子技术.2000,10: 619-622.

[ 6 ] 陈桂林,郭强.基于双DSP的遥感图像实时并行处理系统，光学精密工程.2002,6：547-55.

[ 7 ] 王永寿.无人机的通信技术.飞航导弹.2005,2：20-27

[ 8 ] 马大玮,杨士中.基于卫星中继的无人机图像传输系统.电讯技术.2003,3：6-9.