基于GIS的雙通道遙感地形影像高速采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文良軍

（佛山市測(cè)繪地理信息研究院，廣東 佛山 528000）

0.引言

地質(zhì)調(diào)查是一項(xiàng)具有戰(zhàn)略意義的綜合基礎(chǔ)性工作，地形勘探是地質(zhì)調(diào)查的基本工作內(nèi)容之一。地形是指分布在地表上的各種形態(tài)，特別是在地表以上的固定物所表現(xiàn)的高低起伏的各種狀態(tài)。地勢(shì)不同于地貌，地貌也不同于陸地表面的各種形態(tài)，統(tǒng)稱地形。其中，表面起伏的形式稱為地勢(shì)，表面起伏的形式也稱為地貌[1]。為獲取更為精確的地形數(shù)據(jù)，采用遙感技術(shù)對(duì)地形進(jìn)行采樣，研制了一套遙感地形圖像采樣系統(tǒng)。取樣是將時(shí)間域或空間域中的連續(xù)量離散化的過(guò)程，通過(guò)照相方法得到目標(biāo)地區(qū)的地形采樣結(jié)果。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于雙通道遙感地形圖像采集系統(tǒng)的研究成果比較多，主要有基于IDL的采樣系統(tǒng)、基于FPGA技術(shù)的采樣系統(tǒng)和基于三維建模技術(shù)的采樣系統(tǒng)等，但對(duì)雙通道遙感地形圖像采集系統(tǒng)的研究起步較晚，相關(guān)學(xué)者在研究中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，其中包括采樣速度慢、采樣精度不高等，因此將GIS（geographic Information System，GIS）技術(shù)引入到傳統(tǒng)采樣系統(tǒng)中。GIS是一種具有廣泛應(yīng)用前景的空間信息系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)硬件、軟件系統(tǒng)支持下，采集、存儲(chǔ)、管理、操作、分析、展示和描述地球表面全部或部分空間地理分布數(shù)據(jù)的技術(shù)系統(tǒng)。利用GIS技術(shù)提高雙通道遙感地形圖像高速采樣系統(tǒng)的精度和速度，從而為中國(guó)的地形勘探工作提供精確的參考數(shù)據(jù)。

1.雙通道遙感地形影像高速采樣硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙通道遙感地形影像高速采樣系統(tǒng)中的雙通道是一種能夠讓電腦性能增加的技術(shù)，將多個(gè)串聯(lián)存儲(chǔ)單元改進(jìn)為并行存儲(chǔ)單元，從而獲得更大的帶寬。然后，利用GIS技術(shù)分別從硬件、數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件三個(gè)方面對(duì)遙感地形圖像高速采集系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 主控芯片DSP選型

TMS320DM642是一種高性能、低功耗、高性價(jià)比的數(shù)字信號(hào)處理器。它擁有豐富的硬件資源，具有I2C、PCI、HPI、網(wǎng)絡(luò)端口、串口等多種接口[3]。DM642特別適用于視音頻處理、網(wǎng)絡(luò)處理等，芯片的參考資料和軟件支持非常豐富，其性能足以滿足優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，因此選擇DM642作為主控盤。

1.2 遙感相機(jī)搭載設(shè)備選型

在雙通道高速遙感地形圖像采集系統(tǒng)中，無(wú)人機(jī)作為遙感相機(jī)的載體設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)遙感地形圖像的采集，因此在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中應(yīng)盡量保證相機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定。遙感相機(jī)承載著無(wú)人機(jī)的機(jī)身，主要包括機(jī)身、起落架和云架，云架是承載熱紅外相機(jī)等傳感器的平臺(tái)。多旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)身的合理性直接關(guān)系到其可靠性和圖像等遙感影像產(chǎn)品的質(zhì)量。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括主體材料、結(jié)構(gòu)布置等。通過(guò)對(duì)主體材料的綜合比較，確定主體材料為碳纖維[4]。為提高無(wú)人機(jī)遙感地形圖像采集系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性，確定無(wú)人機(jī)的布局形式為X型；為提高無(wú)人機(jī)遙感圖像采集系統(tǒng)飛行中攝像機(jī)的穩(wěn)定性，確定無(wú)人機(jī)機(jī)身槳盤布局為傾斜式；為縮小無(wú)人機(jī)遙感圖像采集系統(tǒng)室外作業(yè)的體積，確定無(wú)人機(jī)機(jī)身折疊方式為傘式折疊。無(wú)人機(jī)平臺(tái)所需的載荷約為800克，這取決于攝像機(jī)的重量和穩(wěn)定的云臺(tái)（云臺(tái)承載著相當(dāng)重量和尺寸的攝像機(jī)）。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)機(jī)體軸距為700mm，能夠滿足載荷要求，因此確定無(wú)人機(jī)軸距為700mm。此外，在力學(xué)方面，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和螺旋槳之間的尺寸關(guān)系（如圖1所示）：

圖1 機(jī)身主體與螺旋槳之間的尺寸關(guān)系圖

式（1）中，采用了最大半徑范圍［1.05rp，1.2rp］控制無(wú)人機(jī)螺旋槳，其中rp為螺旋槳實(shí)際半徑［5］。

1.3 遙感相機(jī)云臺(tái)選型

在選擇過(guò)程中，遙感相機(jī)支架必須滿足支架結(jié)構(gòu)中相機(jī)框架的尺寸。足以容納ADC Lite相機(jī)以及相機(jī)電源系統(tǒng)可以驅(qū)動(dòng)200g以上負(fù)載兩個(gè)條件。遙感相機(jī)遙攝傾斜的基本穩(wěn)定原理（如圖2所示）：

圖2 遙感相機(jī)云臺(tái)穩(wěn)定原理圖

1.4 遙感地形影像采樣與處理設(shè)備

視頻傳感器和圖像采集卡構(gòu)成了遙感地形圖像采集單元。系統(tǒng)通過(guò)電纜與CPU的圖像采集接口相連，實(shí)現(xiàn)了地形圖像的實(shí)時(shí)采集。圖像采集卡的工作原理是利用高光譜成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)圖像幾何特征和光譜特征的同步采集。首先，利用成像設(shè)備在入射狹縫中對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行成像，以入射狹縫作為確定視場(chǎng)；然后，通過(guò)準(zhǔn)直鏡和分光組件將目標(biāo)輻射按不同波長(zhǎng)進(jìn)行分離；最后，利用會(huì)聚鏡對(duì)探測(cè)器進(jìn)行成像。該系統(tǒng)由遙感相機(jī)承載設(shè)備和云平臺(tái)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同位置地物遙感圖像的實(shí)時(shí)成像，處理后存儲(chǔ)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。ADC模塊作為專用的AD芯片，具有雙模擬輸入和8位量化輸出。采樣時(shí)鐘設(shè)計(jì)為20.456MHz，采樣率設(shè)置足夠高，以提高等信號(hào)帶寬模式下遙感信號(hào)的信噪比。該芯片具有雙通道功能。配置采樣時(shí)鐘邊沿觸發(fā)模式時(shí)，可完成同一采樣時(shí)鐘的兩路輸入輸出，兩路輸出樣本間隔排列合并成一路；USB芯片采用內(nèi)置8051單片機(jī)的高速驅(qū)動(dòng)芯片。當(dāng)采樣時(shí)鐘頻率為24MHz時(shí)，采樣時(shí)鐘頻率為40.912MHz。另外，上位機(jī)配置系統(tǒng)采樣、量化位數(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率等參數(shù)，可以滿足不同數(shù)據(jù)源遙感影像原始數(shù)據(jù)后處理軟件的要求。

1.5 雙通道遙感地形影像存儲(chǔ)器

對(duì)來(lái)自視頻處理模塊Bt.656格式的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼后，各通道的數(shù)據(jù)流將由串行信號(hào)轉(zhuǎn)換為雙向并行信號(hào)傳輸。由于解碼后的視頻幀需要進(jìn)一步去噪，因此需要設(shè)置視頻幀緩沖區(qū)，以便后續(xù)處理模塊對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。雙通道遙感圖像高速采集系統(tǒng)需要對(duì)采集的圖像進(jìn)行緩存，每個(gè)通道采集的圖像大小為720×576像素。DDR2幀存儲(chǔ)器的整體結(jié)構(gòu)（如圖3所示）：

圖3 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖

存儲(chǔ)功能主要包括數(shù)據(jù)寫入單元、視頻讀取單元、判斷讀寫仲裁單元，DDR2的IP核訪問(wèn)、DDR2實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫。

1.6 硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

1.6.1 遙感采集電路

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)雙信道的地形影像的采樣間隔時(shí)間的精準(zhǔn)控制，選用AD976A芯片作為遙感采集電路的核心設(shè)備，該設(shè)備具有16bit的轉(zhuǎn)換精度和200kbps的采樣率，采集信號(hào)輸入范圍為-10～＋10 V，逐次逼近型。遙感采集電路中數(shù)字信號(hào)和電壓之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，如公式（2）所示：

式（2）中，V為遙感采集電路的電壓。

建筑工程包含了較多的數(shù)據(jù)信息，只有將不同建筑工程環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析與整合，才能確保建筑工程全過(guò)程管理的實(shí)施效果。然而部分設(shè)計(jì)師在進(jìn)行項(xiàng)目圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常因?qū)嵉乜己藬?shù)據(jù)信息不準(zhǔn)確，而對(duì)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)未能進(jìn)行規(guī)范性的內(nèi)容標(biāo)注，導(dǎo)致建筑工程進(jìn)行全過(guò)程項(xiàng)目管理時(shí)，存在實(shí)際管理與圖紙要求不一致的情況，進(jìn)而需要重新進(jìn)行相關(guān)環(huán)節(jié)審查與改進(jìn)，影響到整體建設(shè)周期與水平。

1.6.2 PCI總線接口電路

PCI總線接口芯片的連接電路（如圖4所示），可以快速將本地總線轉(zhuǎn)換為PCI總線，由FPGA、PLX9054、FIFO和FIFO組成接口連線，并通過(guò)FPGA對(duì)接口進(jìn)行時(shí)序控制。

圖4 PCI總線接口電路圖

2.雙通道遙感地形影像高速采樣系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)總體數(shù)據(jù)方案的指導(dǎo)下，遵循高速雙通道遙感圖像采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)原則，為數(shù)據(jù)服務(wù)。數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循規(guī)范化、數(shù)據(jù)冗余、標(biāo)準(zhǔn)化理論和數(shù)據(jù)安全的原則。從數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容分析，根據(jù)地形信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求和系統(tǒng)管理需求，地形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)主要由兩部分組成：空間數(shù)據(jù)，即柵格遙感影像數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)；地形信息數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)采集到的地形信息數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)情況（如表1、表2所示）：

表1 遙感地形影像數(shù)據(jù)要素存儲(chǔ)信息表

表2 地形數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

3.雙通道遙感地形影像高速采樣系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

3.1 GIS軟件選型

選擇UCMap For Android手機(jī)GIS類庫(kù)組件作為GIS軟件開發(fā)平臺(tái)，擴(kuò)展了Android平臺(tái)上的GIS應(yīng)用。在移動(dòng)GIS中，地圖是核心部分，由多個(gè)層次組成。在實(shí)現(xiàn)UCMap For Android時(shí)，每個(gè)層對(duì)應(yīng)一個(gè)FeatureClass空間數(shù)據(jù)表FeatureClass，每個(gè)FeatureClass有兩個(gè)概念：記錄和字段。FeatureClass是特征的集合，其字段分為屬性字段和幾何字段。屬性場(chǎng)由特征值得到，幾何場(chǎng)由特征形狀得到。一個(gè)圖層上有很多元素，通常一個(gè)圖層對(duì)應(yīng)一個(gè)符號(hào)樣式，圖層上的所有元素都可以用不同的符號(hào)樣式繪制，或者UCMap提供不同的渲染工具Rendero。

3.2 采樣起始時(shí)間可控與采樣間隔可變處理

根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的地形特征和實(shí)際需要，對(duì)端口進(jìn)行擴(kuò)充或縮減處理，由每個(gè)端口訪問(wèn)RAM的頻率來(lái)確定相應(yīng)端口訪問(wèn)的優(yōu)先級(jí)順序。按以下順序計(jì)算優(yōu)先級(jí)Y：

式（3）中，TCLK和TMIN分別為訪問(wèn)RAM的時(shí)鐘周期和最短時(shí)間，而TMAX為以最高優(yōu)先級(jí)數(shù)端口訪問(wèn)RAM時(shí)間間隔。每個(gè)信道根據(jù)接收到的注數(shù)指令確定開始收集時(shí)間。在收到開始脈沖信號(hào)和采集開始時(shí)間之后，啟動(dòng)控制模塊進(jìn)行判斷，當(dāng)計(jì)數(shù)器到達(dá)開始時(shí)間后，向AD芯片發(fā)送開始信號(hào)，控制采集。注數(shù)指令不僅包含了每個(gè)信道采集的開始時(shí)間，還包含了每個(gè)信道采集的間隔時(shí)間。工時(shí)模塊根據(jù)不同工時(shí)模式，確定不同的采樣點(diǎn)。向控制AD芯片采集的模塊發(fā)送采樣點(diǎn)數(shù)量，通過(guò)判斷采集次數(shù)結(jié)束單周期采樣循環(huán)。

3.3 雙通道遙感地形影像采樣結(jié)果的可視化輸出

連續(xù)獲取遙感地形影像和定位信息，為每張地形照片實(shí)時(shí)分配定位信息及其屬性信息，屬性包括固定屬性和可編輯屬性。系統(tǒng)在GIS系統(tǒng)下判斷自動(dòng)實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，可編輯屬性由各采樣單位根據(jù)其位置和時(shí)間，結(jié)合目標(biāo)地形類型創(chuàng)建。為更有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺度分散樣線的快速采集，系統(tǒng)需要在目標(biāo)位置窗口中預(yù)先設(shè)置采樣線和采樣時(shí)間，并與實(shí)時(shí)顯示的目標(biāo)位置相結(jié)合，使其能夠在距離預(yù)定樣線較近的情況下進(jìn)行快速采集，從而達(dá)到高效采集的目的。使用者可在GIS環(huán)境下根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整圖層順序，配合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示位置訊號(hào)，便于快速到達(dá)。將實(shí)時(shí)雙通道遙感地形圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，并進(jìn)行幾何校正處理，通過(guò)等高線數(shù)據(jù)采集、等高線數(shù)據(jù)清理等步驟，將遙感地形圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入3DS MAX軟件，形成三維基礎(chǔ)地形圖。提取各類專題圖像，生成符合規(guī)范的貼圖文件，繪制出三維地形，生成DWF文件，即為雙通道遙感地形圖像采樣結(jié)果。

4.系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試設(shè)計(jì)的基于GIS的雙通道遙感地形影像高速采樣系統(tǒng)的采樣性能，特設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并分別從采樣速度和采樣精度兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能的測(cè)試。開發(fā)采樣系統(tǒng)所用的仿真工具為Modelsim，具有仿真速度快、精度高等特點(diǎn)。在測(cè)試硬件時(shí)可以使用QuartusII自帶的SignaltapII對(duì)FPGA進(jìn)行在線邏輯分析。而SignaltapII的優(yōu)點(diǎn)就是它能把電路中所有的插針都拉出來(lái)，觀察信號(hào)的變化，同時(shí)它還能把信號(hào)的采集儲(chǔ)存在內(nèi)部寄存器里。只需通過(guò)JTAG將編譯后的程序做成FPGA內(nèi)的寄存器，就可以直接觀察到數(shù)據(jù)的變化，從而提高程序調(diào)試的效率，因此，采用Signaltap法來(lái)觀察系統(tǒng)數(shù)據(jù)。對(duì)GIS技術(shù)的操作參數(shù)和遙感地形圖像采集設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試，具體設(shè)置（如表3所示）：

表3 系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)設(shè)置表

另外，由于優(yōu)化設(shè)計(jì)的雙通道遙感地形影像高速采樣系統(tǒng)應(yīng)用了GIS技術(shù)，因此需要在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中配置GIS技術(shù)的運(yùn)行環(huán)境，具體的GIS運(yùn)行界面（如圖5所示）：

圖5 GIS運(yùn)行主界面

利用系統(tǒng)中的一系列硬件設(shè)備，收集實(shí)時(shí)遙感地形影像，其中設(shè)計(jì)系統(tǒng)的遙感影像收集結(jié)果（如圖6所示）：

圖6 遙感地形影像收集結(jié)果

為了形成實(shí)驗(yàn)對(duì)比，除了設(shè)計(jì)的基于GIS的雙通道遙感地形影像高速采樣系統(tǒng)外，還設(shè)置了傳統(tǒng)的遙感地形影像采樣系統(tǒng)以及文獻(xiàn)中[5]提出的多通道并行可程控遙感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)對(duì)比系統(tǒng)，將三個(gè)系統(tǒng)以相同的方式進(jìn)行編碼并導(dǎo)入到實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，通過(guò)運(yùn)行得出采樣結(jié)果，其中設(shè)計(jì)系統(tǒng)的采樣輸出結(jié)果（如圖7所示）：

圖7 遙感地形影像采樣結(jié)果

設(shè)置系統(tǒng)的測(cè)試變量分別為采樣精度和采樣速度，經(jīng)過(guò)三種系統(tǒng)結(jié)果和耗時(shí)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)與比對(duì)，得出系統(tǒng)測(cè)試對(duì)比結(jié)果（如表4所示）：

從表4中可以看出，相比于兩個(gè)對(duì)比系統(tǒng)，設(shè)計(jì)采樣系統(tǒng)采樣結(jié)果的分辨率更高，即采樣精度更高。從采樣耗時(shí)方面來(lái)看，三種采樣系統(tǒng)的平均采樣耗時(shí)分別為71.0s、50.2s和23.0s，相比之下設(shè)計(jì)系統(tǒng)的采樣速度更快。

表4 系統(tǒng)性能測(cè)試對(duì)比結(jié)果

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，從系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果中可以看出，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的采樣效率具有較高的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際的地形勘探工作中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。