北斗短报文应急救灾遥感图像传输研究及应用

周菲 王春梅 刘书伟



北斗短报文应急救灾遥感图像传输研究及应用

周菲1王春梅2刘书伟1

1.广州市粤峰高新技术股份有限公司，广东 广州 510663 2.广东金融学院互联网金融与信息工程学院，广东 广州 510521

针对北斗短报文通信带宽窄与图像数据量大的问题，提出构建基于窄带条件下的静态图像输压缩算法研究，利用OpenCV提供的JPEG压缩函数实现最优压缩质量的无损压缩。实验证明，该技术可行有效。这对于充分利用北斗导航卫星报文通信功能，更大程度地发挥北斗导航系统的作用，具有一定理论和现实的指导意义。

北斗卫星；短报文；图像传输

引言

北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统主要由空间段、地面段和用户段三部分组成，具有短报文通信、精密授时、高精度定位三大功能[1]。与美国的GPS系统、欧洲的伽俐略系统及俄罗斯的格洛纳斯系统相比，北斗卫星导航系统不仅具有导航定位的功能，且具有双向短报文通信能力[2]。通过星载通信中转站，用户终端可以进行短报文文字通信，此外通信还具有全天候、实时性的特点。这一突出特点，在汶川地震抗震救灾中显示了巨大的优越性[3]。地震发生后，常规通信网络中断（移动通信网络和固话通信网络），救灾人员携带北斗导航卫星终端进入灾区，通过北斗终端的以短报文通信方式，及时报告了灾区受灾情况，为领导了解灾区受灾程度、及时科学决策做出重要的贡献。

图像具有直观性强的特点。如果能利用北斗短报文通信系统进行图像传输，通过实地照片报告灾区受灾情况，就将为领导科学决策提供更加直观的依据。但当前北斗双向影像传输还存在突出的技术难题，主要是因为卫星通信信道较窄这一客观原因（普通用户最高传输速度为240字节或120汉字/次），北斗卫星导航系统在设计之初并未考虑到传输非短报文数据。从某种意义上说，北斗双向通信功能是为短报文通信而定制的，因而通信的频度、通信量、通信带宽、通信的方式等是有别于专用的通信卫星系统的[4]。因此利用北斗短报文传输影像数据，带宽小是制约这一应用实现的根本的问题，特别是遥感影像的传输就显得尤为突出。因而，研究基于北斗短报文系统通信功能下动态影像的传输技术就具有一定的理论和应用价值。

1 北斗系统工作原理及组成

1.1 系统工作原理

北斗导航卫星采用双星定位原理实现导航定位[5]，是根据已知卫星位置、测站至卫星的斜距和测站点的大地高，利用数学方法计算出来的。

1.2 系统组成

北斗系统主要包括空间段、地面段、用户段三部分，如图1所示。其中，空间段负责执行地面段与用户段之间的双向无线电信号中继任务；地面段负责无线电信号发射和接收；用户段负责接收地面段经空间段卫星转发的测距信号，并向卫星发射应答信号。

图1 北斗系统

2 北斗的应用领域

目前北斗卫星导航技术主要应用的领域包括：军用领域和民用领域。民用领域中主要应用在：地理信息数据采集、高精度测量、车辆监控调度与导航服务、航空航海救援导航、机械控制和民用消费（如移动目标位置跟踪、登山探险野外拓展导航）等方面。

3 北斗短报文传输图像的研究

由于北斗短报文通信带宽非常窄，而图像的数据量大，因此必须采用压缩图像数据的方法来解决。

3.1 JPEG 2000图像压缩标准

JPEG 2000将顺序模式、渐进模式、无损模式和层次模式集成在一个标准之中。在编码端以最大的压缩质量和最大的图像分辨率压缩图像，在解码端从码流中以任意的图像质量和分辨率解压图像。

JPEG 2000编码过程可概括为：预处理、分量变换、离散小波变换（DWT）、量化和熵编码五个部分。JPEG 2000编码器的结构框图如图2（a）所示；解码器是编码器的逆过程，如图2（b）所示。提高编码的效率意味着也提高了解码的效率。

3.2 压缩算法比较与选择

作为新一代压缩标准，JPEG 2000与JPEG 相比，在压缩速度、图像效果、压缩比等方面有着较好的效果，具体表现在以下方面。

（1）JPEG 2000具有更高的压缩率，压缩比可在JPEG基础上提高10%～30%，且图像更加细腻平滑。

（2）JPEG 2000提供开放的框架结构，用以实现核心的工具算法和码流的解析。

图2 JPEG 2000 编码和解码流程图

（3）JPEG 2000在图像处理时提供图像文档、索引和搜索等内容的描述等等。

4 图像压缩程序

采用OpenCV库中的图像压缩函数：

#设置编码

import sys

reload(sys)

sys.setdefaultencoding('utf-8')

#导入计算机视觉库opencv和图像处理库PIL

from PIL import Image

from PIL import ImageEnhance

from PIL import ImageFilter

import cv2

import time

time1 = time.time()

#自定义图像压缩函数

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)

#主函数

if __name__ == '__main__':

path=u"c:/pic/"

filename1="0.jpg"

filename2="1.jpg"

img_zip(path,filename1,filename2)

time2 = time.time()

print '总共耗时：' + str(time2 - time1) + 's'

程序调试结果：一个4.17  M的图像能压缩到290 K。

5 结束语

基于北斗报文的动态影像传输为目标，以关键技术问题的解决为手段，在数据组织、数据压缩、数据传输控制等方面进行了深入研究，并以实验验证了理论和技术的可行性与有效性。这对于充分利用北斗导航卫星报文通信功能，更大程度地发挥北斗导航系统的作用具有一定理论和现实的指导意义。

[1]沈华飞. 北斗卫星一代短报文通信技术及应用[J]. 电子制作，2014（23）：106.

[2]康望东，覃远超，唐静. 基于北斗系统的对空情报传送方式[J]. 指挥信息系统与技术，2012（6）：68-71

[3]朱永辉. 基于北斗卫星的地质灾害实时监测系统研究与应用[D]. 北京：清华大学，2010.

[4]贠敏，武云东，靳颖. 邀上北斗去探空，直上青天挥浮云——北斗探空系统研制成功[J]. 卫星应用，2014（2）：24-27.

[5]郝潇敏. 基于北斗卫星船载导航系统研究[D]. 大连：大连海事大学，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

广东省科技计划项目（2014B010102007资助），2018高校双创教育实践研究培育项目（SMPY1729资助）。

周菲（1981—），女，汉族，江西九江人，本科学历，研究方向计算机应用。王春梅（1974—），女，汉族，山东荣成人，硕士研究生学历，讲师，研究方向为并行计算、多媒体技术。刘书伟（1986—），女，汉族，吉林蛟河人，双学士，研究方向为信号处理技术。