CN103152574A - 基于特征配准的速率受限的遥感图像传输系统 - Google Patents

Abstract

基于特征配准的传输速率受限的遥感图像传输系统属于遥感图像传输技术领域，其特征在于，是一种由遥感用航天器、速率受限的空天传输链路及地面遥感控制站共同构成以用于下传基于先验信息的图像传输系统，所述先验信息是指按具体应用需求分类、以地理信息或实时遥感图像特征值及其坐标为索引、经通用遥感图像处理算法得到的基准图像及其特征值和坐标，遥感用航天器通过特征匹配算法提取实时遥感图像与基准图像的配准信息，通过图像校正方程生成参考图像，从遥感图像和参考图像中取得增量信息，下传到地面控制站，从地面先验信息数据库取得基准图像，反向求取，依次得到参考图像和重建的遥感图像，本发明解决了受限空天传输能力下的数据下传问题。

Description

基于特征配准的速率受限的遥感图像传输系统

技术领域

本发明提供了一种基于特征配准的速率受限的遥感图像传输系统，属于无线通信与数字图像处理的交叉技术领域。本发明特别涉及一种通过引入先验信息/基准信息，并采用图像特征配准技术，为海量遥感图像数据提供速率受限信道下高性能传输服务的通信系统及其相应的通信方法。

背景技术

二十世纪以来，遥感技术得到了快速而深入的发展，并在地理信息、资源勘探、天气监测、军事情报、救灾抢险等诸多方面得到了重要的应用。数十年内，遥感图像采集能力不断提升：由灰度图像到全彩色图像，再到多光谱图像；图像分辨率由米级到分米级，再到厘米级；量化精度由8比特到11比特，并有进一步扩展的趋势。

不断提升的遥感图像采集能力，带来的是不断膨胀的遥感图像数据量，以及对星地传输链路所构成的巨大压力。以我国于2012年发射升空的资源三号遥感测绘卫星为例，该卫星具有4部米级分辨率的相机，每天传输数据量约1790GB，空天数传链路码率约为900Mbps。对于军事领域及其他特殊领域的遥感应用，厘米级遥感图像的数据规模将是上述数据量的10⁴倍，而空天数传链路码率不可能获得同等幅度的扩展。因此，在速率受限信道下进行高性能海量遥感图像数据传输，是未来遥感技术发展与应用所必须解决的基础问题。

为实现有限通信速率下的海量数据传输，当前的遥感应用系统采用图像压缩方法减少实际需要传输的数据规模。遥感系统常用的数据压缩方法有基于离散余弦变换（Discrete CosineTransform,DCT）的JPEG通用图像压缩标准以及基于离散小波变换（Discrete WaveletTransform,DWT）的JPEG2000通用图像压缩标准。JPEG及JPEG2000作为通用图像压缩标准，针对自然图像具有较为理想的压缩性能。但是，由于遥感应用对于遥感图像的失真度具有严格限制，通常仅能使用低压缩率（2:1到8:1之间）的JPEG/JPEG2000实现方案以保证遥感图像的还原可信度；对于军事情报等特殊应用场合，需要进一步使用无损JPEG/JPEG2000实现方案，所能够获得的压缩率更为有限。

与此同时，迅猛增长的遥感数据正在对空天传输链路构成前所未有压力，而由于发射机功率、星地链路条件等实际因素的限制，星地传输链路所能够支持的数据传输速率难以以相同的速度增长。因此，如何在有限的星地链路数据传输能力条件下，实现海量遥感数据的高性能传输，是未来遥感技术发展需要解决的具有基础意义的重要问题。

针对迅猛增长的遥感数据规模与有限的数据压缩和星地链路传输能力之间的矛盾，本发明提出了一种基于特征配准的速率受限的遥感图像传输系统。本发明将数字图像处理技术引入无线通信领域，发掘并利用相同目标区域遥感数据信息在时间维度上的相关性，采用基于特征的图像配准技术，将现有的通用图像压缩编码传输方案转化为有先验信息的图像编码传输方案，通过提取增量信息及变换参数，大幅降低实际需要传输的数据量。同已有遥感数传系统相比，本发明将先验信息引入通信过程，通过将无线通信与数字图像处理技术相结合，利用计算、存储能力换取通信能力，在满足遥感数据失真度要求的前提下，能够在速率受限的传输信道上大幅度提升系统对遥感数据的实际传输能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于特征配准的受限速率遥感图像传输系统及通信方法。该系统针对遥感信息数据规模迅速增加的实际问题，使用数字图像处理方法，利用先验信息及遥感图像的时间相关特性，提供速率受限信道下的高性能海量遥感图像传输服务。

基于特征配准的传输速率受限的遥感图像传输系统，其特征在于，是在一个由遥感用航天器、传输速率受限的空天传输链路以及遥感用地面控制站共同构成的基于先验信息的遥感图像传输系统，其中：

遥感用航天器，其中的中央控制计算机内，设置有：至少一组遥感图像采集设备、至少一个基于特征的遥感图像配准单元、至少一个基于特征配准信息的低速率遥感图像编码单元以及控制器，还连接着至少一个第一先验信息数据库，其中：

第一先验信息数据库，设有：包括具体应用需求和遥感对象地理信息在内的检索请求类型的输入端，预置有二层检索数据索引：基于地理信息的数据索引和基于实时遥感图像特征的数据索引，所述基于地理信息的数据索引包括：具体应用需求→地理信息→作为先验信息的基准遥感图像→基准遥感图像的图像特征，所述基于遥感图像特征的数据索引包括：具体应用请求→实时遥感图像的图像特征→基准遥感图像的图像特征→基准遥感图像，所述具体应用需求至少包括：资源监测、气候监测和军事情报，还设有：对应于检索请求的基准遥感图像及其图像特征；

控制器，设有：遥感控制指令输入端，通过所述空天传输链路输入来自所述遥感用地面控制站发来的遥感控制指令，包括：具体应用请求和遥感对象的地理信息，还设有遥感指令输出端；

遥感图像采集设备，设有：遥感指令输入端，接收来自所述控制器输出的遥感指令，包括：具体应用需求、遥感对象地理信息和遥感命令，还设有：遥感数据输入端，输入以矩阵数组或高维数组表述的实时遥感图像的像素点信息，同时，向所述基于特征的遥感图像配准单元和基于特征配准信息的低速率遥感图像编码单元输出加注有具体应用需求和遥感对象地理信息的实时遥感图像的像素点信息以及包括拍摄位置及姿态信息、分辨率、镜头参数、光谱参数以及传感器量化精度在内的遥感参数；

基于特征的遥感图像配准单元，设有：图像特征提取模块和图像特征匹配模块，其中：

图像特征提取模块，从所述遥感图像采集设备输入所述的实时遥感图像的像素点信息，并从设定的具体应用需求——遥感图像特征提取算法的映射表中获得对应的遥感图像特征提取算法，得到所述实时遥感图像的图像特征，包括：以高维向量簇形式描述的特征点及其坐标，并把结果输入所属的图像特征配准模块，同时又以包括具体应用需求、遥感对象的地理信息以及实时遥感图像的图像特征在内的检索请求形式输入到所述先验信息数据库中；

图像特征匹配模块，设有：来自所述图像特征提取模块的所述实时遥感图像的图像特征的输入端以及来自所述第一先验信息数据库的基准遥感图像以及对应的图像特征，图像特征是以高维向量簇形式描述的特征点及其坐标，并从预置的具体应用需求——遥感图像特征匹配算法映射表中选取对应的特征匹配算法进行匹配，进行双方特征点坐标的匹配，并把配准信息及对应的基准遥感图像输出到所述基于特征匹配信息的低速率遥感图像编码单元中，配准信息以结构体形式进行组织，包括有：以字符串形式表述的基准遥感图像索引编码、以二维数组形式表述的由特征点坐标匹配结果导出的射影变换矩阵、以一维数组形式表述的实时遥感图像的灰度分布函数、以一维数组形式组织的零个、一个或多个辅助校正参数点对信息；

基于特征配准信息的低速率遥感图像编码单元，设有：图像校正模块、增量信息提取模块以及数据编码模块，依次按以下步骤生成输入到所述控制器的发送数据：

第一步，图像校正模块输入所述配准信息、所述基准图像及其图像特征、所述实时遥感图像及其图像特征，根据配准信息建立图像校正方程，并对基准数据进行畸变校正及变换，减少所述基准图像数据与实时遥感图像数据之间的空间畸变和光照畸变，把点对基准图像校正后得到的图像作为参考图像；

第二步，增量信息提取模块，输入所述遥感图像数据与参考图像数据，在设定的欧几里德空间下，通过差分方法提取欧几里德空间的坐标增量信息，所述增量信息由高维数组形式组织，高维数组包含三个维度，第一维度与第二维度由所述实时遥感图像的空间尺度维度确定，第三维度由差分方法提取得到的增量数据的二进制表示形式的不同数据位确定；

第三步，数据编码模块，输入所述配准信息、增量信息、图像校正方程以及实时遥感图像特征信息，经过编码生成二进制码流，送往所述控制器，经加注具体应用需求以及地理信息标志后，经所述速率受限的空天链路后下送至所述遥感图像地面控制站；

遥感图像地面控制站，其中的地面控制计算机内，设有：一个基于特征配准信息的低速率遥感图像解码单元，其中还连接一个与所述第一先验信息数据库完全相同的第二先验信息数据库，其中：

地面控制计算机，设有：基于特征配准信息的低速率遥感图像解码单元，在收到从所述速率受限的空天传输链路通过天线输入的所述二进制码流后，按下述步骤得到所述实时遥感图像及其特征信息：

第a步，解码模块对输入的二进制码流进行结构化的数据解码，得到输入基准图像解析模块的所述实时遥感图像特征信息、图像配准信息，得到输入图像校正模块的图像校正方程，得到输入基于增量信息的图像重建模块的增量信息以及解码日志；

第b步，基准图像解析模块根据所述实时遥感图像特征信息及配准信息，从所述第二先验信息数据库中检索出对应的基准图像及图像特征，输入图像校正模块；

第c步，图像校正模块，根据所述图像校正方程，以所述基准图像及其特征为基础，用图像校正方程进行校正变换，得到参考图像；

第d步，基于增量信息的图像重建模块，输入所述参考图像和增量信息，使用与所述增量信息提取模块相对应的方法，重建实时遥感图像及其图像特征信息。

本发明所描述的基于特征配准的速率受限的遥感图像传输系统具有广泛的适用性，其各个组成单元均可以独立地针对特定类型的遥感图像特性及应用需求进行专门设计与优化，从而在保持系统完整性、可维护性、可更新性的同时针对特定应用情景与遥感数据类型提升性能。该通信机制引入了计算通信的思想，面对空天链路传输能力有限的问题，使用计算资源换取通信能力，通过数字图像处理技术，充分挖掘特定类型遥感信息的数据冗余度与时间相关性，利用图像配准方法，结合先验信息数据库，提取最低限度的增量信息，减少相同性能下系统实际传输的数据量，从而降低空天链路的实际数据传输压力。基于特征配准方法，该系统可以实现遥感图像与先验图像的精确匹配、对准与重建恢复，满足遥感技术应用对于图像失真度的要求。本发明所描述的基于特征配准的速率受限的遥感图像传输系统能够解决遥感数据规模迅速增长与有限的空天链路数据传输能力之间的矛盾，保证遥感技术的平稳发展与广泛应用。

附图说明：

图1基于特征配准的速率受限的遥感图像传输系统框图。

图2基于特征配准的速率受限的遥感图像通信体制流程图。

图3先验信息数据库结构图。

图4先验信息数据库的组织调度流程图。

图5基于特征的图像配准单元结构框图。

图6基于特征的图像配准机制流程图。

图7基于特征配准的低速率遥感图像编码单元结构框图。

图8基于特征配准的低速率遥感图像编码流程图。

图9基于特征配准的低速率遥感图像解码单元结构框图。

图10基于特征配准的低速率遥感图像解码流程图。

具体实施方式

基于特征配准的受限速率遥感图像传输系统，其特征在于，运用基于特征配准的数字图像处理技术进行遥感图像信息的高性能编码传输，利用图像特征提取与匹配方法，通过对先验基准信息的图像配准及畸变校正，高效提取时间维度下的增量信息，实现失真度受限条件下遥感数据的大幅度压缩；基于先验信息数据库，并结合特定应用下特殊的数据内容特性、数据结构特性、数据相关性，使用计算和存储能力的开销换取通信能力的大幅提升，在传输链路速率受限的条件下提升信息传输的效能；通过数字图像处理技术在无线通信领域中的应用，实现大规模数据的高性能压缩，解决高分辨率、宽光谱、高量化精度的海量遥感数据在有限速率的空天链路上进行可靠传输的业务需求，为遥感技术的长期发展提供可能的通信体制支持。

基于特征配准的受限速率遥感图像传输系统及通信方法，其特征在于，它包括：至少一组遥感图像采集设备；至少一个先验信息数据库；至少一个基于特征的图像配准单元；至少一个基于特征配准的低速率遥感图像编码单元；至少一个基于特征配准的低速率遥感图像解码单元；具有速率限制的空天传输链路。具体包括：

所述的基于特征的受限速率遥感图像传输系统按照以下步骤执行的组织调度机制：遥感图像采集设备进行遥感数据信息采集，得到遥感图像（以矩阵或高位数组形式组织的遥感图像像素点信息）以及遥感参数（包含拍摄位置及姿态、镜头参数、光谱参数、矩阵参数、量化精度等必要信息）；遥感图像及遥感参数输入基于特征的图像配准单元。图像配准单元根据遥感图像及遥感参数，同先验信息数据库进行交互，获得图像配准信息，包括基准图像及图像配准参数；遥感图像及图像配准信息输入基于特征配准的低速率遥感图像编码单元，编码得到发送数据；发送数据经空天传输链路传输，在接收端解码得到接收数据；接收数据输入基于特征配准的低速率遥感图像解码单元，该单元同先验信息数据库进行交互，重建得到重建图像信息。

遥感图像采集设备，输出如下遥感数据信息：以矩阵（高维数组）形式组织的遥感图像像素点信息，包括拍摄位置及姿态、镜头参数、光谱参数、矩阵（数组）参数、量化精度等在内的参数信息。根据分辨率、镜头类型（灰度、全彩色、多光谱）、传感器量化精度等的不同，遥感数据信息相应存在差异。

先验信息数据库：根据遥感图像采集设备的类型（分辨率、镜头类型、量化精度等），结合应用需求（资源监测、气候监测、军事情报等），选取相应的现有数据建立先验信息数据库。先验信息数据库为图像配准单元提供基准图像。

所述的先验信息数据库按照以下步骤执行的组织调度机制：根据先验信息数据库所存储的数据类型和内容，选择与之相适应的数据库组织结构及索引机制；根据图像特征提取及配准方法，计算并存储必要的冗余信息以提高数据库存取效率；根据具体的应用模式，建立与之相适应的数据检索方法。具体实施步骤为：检索输入接口接收来自数据库外部的检索请求；判断检索请求类型，如果是基于地理信息的检索，则查询基于地理信息的数据索引，如果是基于图像特征的检索，则查询基于图像特征的数据索引；若查询成功，且查询的是基于地理信息的数据索引，则根据索引信息获得遥感图像，随后查询图像与图像特征双向索引，获得与之相对应的图像特征，若查询仍然成功，且查询的是基于图像特征的数据索引，则根据索引信息获得遥感图像特征，随后根据图像与图像特征双向索引，获得与之相对应的遥感图像；若查询失败，则说明查询的数据不包含在先验信息数据库中，生成空图像及空图像特征；整合遥感图像及遥感图像特征查询结果，输出数据库。

基于特征的图像配准单元以遥感图像采集设备采集得到的遥感图像数据为数据输入，利用遥感图像数据的参数信息在先验信息数据库中检索得到的先验图像数据为基准输入，通过基于图像特征的方法进行图像配准。含有：图像特征提取模块，图像特征匹配模块，其中：

图像特征提取模块以矩阵（多维数组）形式组织的遥感图像数据像素信息为输入，使用与应用类型相适应的遥感图像特征提取算法提取图像特征。提取得到的图像特征包括特征点坐标及特征点描述。其中，特征点描述以高维向量簇的形式进行组织，供图像特征匹配模块进行特征匹配。

图像特征匹配模块以数据输入和基准输入的遥感图像的图像特征提取结果为输入，并在两组输入的图像特征中使用匹配方法进行匹配，进行数据输入与基准输入的遥感图像的特征点的坐标对应。

所述的基于特征的图像配准单元按照以下步骤执行的图像配准操作：面向特定的遥感图像数据处理应用，设计、选取合适的特征提取算法，使得算法能够适应遥感图像细节丰富、频谱信息丰富的特点，有效应对拍摄角度不同所引起的空间仿射畸变及光照、热度条件不同所引起的亮度畸变，获得稳定的特征点坐标提取方法及描述方法。在图像特征提取算法设计的基础上，选择、设计合适的特征匹配算法，达到匹配性能与运算效率的均衡。具体实施步骤为：遥感图像采集设备采集得到遥感图像与遥感参数；图像特征提取模块对遥感图像进行处理，提取得到遥感图像的图像特征；根据遥感参数及遥感图像的图像特征建立数据库查询条件，与先验信息数据库进行交互，得到基准图像及基准图像的图像特征；将遥感图像及基准图像的图像特征输入图像特征配准模块，进行图像特征匹配操作，得到图像配准信息；将图像配准信息及基准图像输出。

基于特征配准的低速率遥感图像编码单元结合基于图像特征的配准单元的匹配结果、遥感图像采集设备采集得到的遥感图像数据、利用遥感图像数据的参数信息在先验信息数据库中检索得到的先验图像数据，提取遥感图像数据相对于先验图像数据的增量信息，并进行数据编码。基于特征配准的低速率遥感图像编码单元包括图像校正模块，增量信息提取模块，数据编码器。

图像校正模块根据图像特征匹配结果，建立图像校正方程，以先验图像数据为基准数据，以遥感图像数据为目标数据，对基准数据进行畸变校正及变换，减小以致消除基准数据与目标数据之间的空间畸变和光照畸变，最小化特定度量空间意义下基准数据与目标数据之间的度量。对基准图像进行校正得到的结果为参考图像。

增量信息提取模块以遥感图像和参考图像为输入，通过与特定度量空间相适应的方法提取增量信息。当特定度量空间为欧几里德空间时，增量信息可直接通过差分方法获取。

数据编码器以图像特征匹配结果、图像校正方程、增量信息、遥感图像参数信息及其他必要的信息为输入，进行结构化的数据编码。编码器对于重要参数提供额外的编码保护，从而控制数据传输过程中产生的失真对数据解码造成的影响。数据编码器生成二进制码流通过传输链路发送给基于特征配准的低速率遥感图像解码单元。

基于特征配准的低速率遥感图像编码单元具体实施步骤为：将基于特征的图像配准单元生成的基准图像及图像配准信息输入图像校正模块，生成参考图像及图像校正参数；将来自要按信息采集设备的遥感图像及来自图像校正模块的参考图像输入增量信息提取模块，得到增量信息；将来自遥感图像采集设备的遥感参数，来自增量信息提取模块的增量信息，来自图像校正模块的校正参数，来自图像配准单元的图像配准信息输入数据编码器，得到发送数据。

基于特征配准的低速率遥感图像解码单元以基于特征配准的低速率遥感图像编码单元所输出的经传输链路发送的二进制码流为输入，对编码后的数据进行解码，并结合先验信息数据库，利用接收解码得到的增量信息、图像特征匹配结果、图像校正方程等参数，重建遥感图像采集设备采集得到的遥感数据信息。基于特征配准的低速率遥感图像解码单元包括数据解码器，基准图像解析模块，图像校正模块，基于增量信息的图像重建模块。

数据解码器以于特征配准的低速率遥感图像编码单元所输出的经传输链路发送的二进制码流为输入，进行结构化的数据解码，并进行必要的数据检错及纠错。数据解码器输出图像特征匹配结果、图像校正方程、增量信息、解码日志及其他必要的信息。

基准图像解析模块根据遥感图像参数信息及图像特征配准结果，从先验信息数据库中调取相对应的先验图像信息作为基准图像。

图像校正模块根据图像校正方程，以先验图像信息作为基准数据，进行图像校正变换，得到参考图像。

基于增量信息的图像重建模块以参考图像和增量信息为输入，使用与增量信息提取模块相对应的方法，重建得到遥感数据信息的遥感图像信息。

基于特征配准的低速率遥感图像解码单元具体实施步骤为：数据解码器进行数据解码，得到增量信息、校正参数、图像配准信息、遥感参数；将图像配准信息输入到基准图像解析模块，进行数据库操作，得到基准图像；图像校正模块根据基准图像及校正参数生成参考图像；基于增量信息的重建模块以增量信息和参考图像为输入，重建得到遥感图像信息；将遥感图像信息与遥感参数信息进行整合，得到重建信息。

具有速率限制的空天传输链路提供二进制码流的空天信息传输，连接遥感平台信息发送端（编码单元）及数据中心信息接收端（解码单元）。该传输链路具有能够支持的传输速率上限。

基于特征配准的速率受限的遥感图像传输系统，其特征在于，所述系统是按照以下步骤实现的：

1）遥感图像采集设备进行遥感数据信息采集，得到遥感图像（以矩阵或高位数组形式组织的遥感图像像素点信息）以及遥感参数（包含拍摄位置及姿态、镜头参数、光谱参数、矩阵参数、量化精度等必要信息）。

2）遥感图像及遥感参数输入基于特征的图像配准单元。图像配准单元根据遥感图像及遥感参数，同先验信息数据库进行交互，获得图像配准信息，包括基准图像及图像配准参数。

3）遥感图像及图像配准信息输入基于特征配准的低速率遥感图像编码单元，编码得到发送数据。

4）发送数据经空天传输链路传输，在接收端解码得到接收数据。

5）接收数据输入基于特征配准的低速率遥感图像解码单元，该单元同先验信息数据库进行交互，重建得到重建图像信息。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式说明如下。

本发明所述的基于特征配准的速率受限的遥感图像传输系统，其体系框架与基本结构参见附图1。该基本结构中含有：

至少一组遥感图像采集设备，它输出一路遥感数据信息，包括以矩阵（高维数组）形式组织的遥感图像像素点信息，以及包含拍摄位置及姿态、镜头参数、光谱参数、矩阵（数组）参数、量化精度等在内的参数信息。

面向特定应用的先验信息数据库及相应的组织调度机制，数据库根据特定应用需求与场景使用先验信息建立，并能够支持相应的数据检索操作。此处，先验信息为应用场景下的遥感图像数据信息。

基于特征的图像配准单元及机制，以一幅遥感图像采集设备采集得到的遥感数据信息为输入，并具有先验信息数据库访问接口，将遥感图像信息与数据库中相匹配的先验图像信息使用图像特征方法进行配准，生成配准参数，并给出对应的先验图像信息作为基准图像。基于特征的图像配准单元以遥感图像采集设备为输入，与先验信息数据库进行交互，以基于特征配准的低速率遥感图像编码单元为输出。

至少一个基于特征配准的低速率遥感图像编码单元，根据基于特征的图像配准单元所给出的配准参数及基准图像，使用增量信息提取方法，提取遥感图像相对于基准图像的增量信息，并与配准参数信息、遥感数据参数信息等必要信息一起，采用结构化的方式编码，成为发射数据，由空天传输链路传输。基于特征配准的低速率遥感图像编码单元以遥感图像采集设备和基于特征的图像配准单元为输入，输出端接入空天传输链路。

至少一个基于特征配准的低速率遥感图像解码单元，根据空天传输链路传输得到的二进制码流，解码获得增量信息及其他参数信息，并结合与遥感平台相同的先验信息数据库的支持，利用图像特征配准结果及增量信息提取方法的特性，重建得到遥感数据信息，完成基于特征配准的低速率遥感图像传输。基于特征配准的低速率遥感图像解码单元接收来自空天传输链路的数据，与先验信息数据库进行交互，并输出得到重建数据。

具有速率限制的空天传输链路，提供二进制码流的空天信息传输，连接遥感平台信息发送端（编码单元）及数据中心信息接收端（解码单元）。该传输链路具有能够支持的传输速率上限。

根据上述基于特征配准的速率受限的遥感图像传输系统的基本结构的描述，本发明的实现流程包括以下步骤，参见附图2：

1）遥感图像采集设备进行遥感数据信息采集，得到遥感图像（以矩阵或高位数组形式组织的遥感图像像素点信息）以及遥感参数（包含拍摄位置及姿态、镜头参数、光谱参数、矩阵参数、量化精度等必要信息）。

2）遥感图像及遥感参数输入基于特征的图像配准单元。图像配准单元根据遥感图像及遥感参数，同先验信息数据库进行交互，获得图像配准信息，包括基准图像及图像配准参数。

3）遥感图像及图像配准信息输入基于特征配准的低速率遥感图像编码单元，编码得到发送数据。

4）发送数据经空天传输链路传输，在接收端解码得到接收数据。

5）接收数据输入基于特征配准的低速率遥感图像解码单元，该单元同先验信息数据库进行交互，重建得到重建图像信息。

本发明的重要特征还在于它包含先验信息数据库及相应的组织调度机制。先验信息数据库的组织结构参见附图3，它包括：

检索输入接口，接收来自外部的检索请求，并进行检索类型分析，将检索请求转化为数据库检索命令发送到合适的数据索引。检索输入接口的输入端口向数据库外界开放，输出端口连接到基于地理信息的数据索引和基于图像特征的数据索引。

基于地理信息的数据索引，以地理信息为索引关键字，组织遥感图像信息在数据库中的存储模式，以便于快速查找访问。基于地理信息的数据索引接受来自检索输入接口的输入，检索得到针对请求的数据访问指令，输出到遥感图像数据库。

基于图像特征的数据索引，以图像特征为关键字，组织遥感图像特征在数据库中的存储模式，以便于快速查找访问。基于图像特征的数据索引接受来自检索输入接口的输入，检所得到针对请求的数据访问指令，输出到遥感图像特征数据库。

遥感图像数据库，以基于矩阵（数组）的像素组织形式存储遥感图像信息，接受来自基于地理信息的数据索引或图像与图像特征双向索引的图像检索指令，并将相应遥感图像信息输出到数据输出接口。同时，遥感图像数据库可以接入图像与图像特征双向索引，以检索输出与指定遥感图像相对应的图像特征。

遥感图像特征数据库，以图像特征的形式存储遥感图像信息，接受来自基于图像特征的数据索引或图像与图像特征双向索引的图像特征检索指令，并将相应遥感图像特征信息输出到数据输出接口。同时，遥感图像特征数据库可以接入图像与图像特征双向索引，以检索输出与制定遥感图像特征相对应的遥感图像。

图像与图像特征双向索引，记录遥感图像数据库与遥感图像特征数据库中数据元素的对应关系，接收来自遥感图像数据库或遥感图像特征数据库的索引请求，并输出查询信息到遥感图像特征数据库或遥感图像数据库。

数据输出接口，将来自遥感图像数据库或遥感图像特征数据库的查询结果输出数据库。

根据上述先验信息数据库的组织结构描述，其调度机制包括以下步骤，参见附图4：

1）检索输入接口接收来自数据库外部的检索请求。

2）判断检索请求类型，如果是基于地理信息的检索，则查询基于地理信息的数据索引；如果是基于图像特征的检索，则查询基于图像特征的数据索引。

3-a）若查询成功，且查询的是基于地理信息的数据索引，则根据索引信息获得遥感图像，随后查询图像与图像特征双向索引，获得与之相对应的图像特征；若查询成功，且查询的是基于图像特征的数据索引，则根据索引信息获得遥感图像特征，随后根据图像与图像特征双向索引，获得与之相对应的遥感图像。

3-b）若查询失败，则说明查询的数据不包含在先验信息数据库中，生成空图像及空图像特征。

4）整合遥感图像及遥感图像特征查询结果，输出数据库。

本发明的重要特征还在于它包含至少一个基于特征的图像配准单元。基于特征的图像配准单元的结构框图参见附图5，它包括：

图像特征提取模块，接收来自遥感图像采集设备的遥感图像信息，使用图像特征提取算法提取其图像特征。此处，图像特征提取算法可以使用针对自然图像的通用图像特征提取算法，包括SIFT、SURF等，也可以使用针对特定的遥感图像类型专门设计的遥感图像特征提取算法。遥感图像特征的提取结果输出到图像特征匹配模块，同时输出到数据库访问接口。

数据库访问接口与输出接口，根据遥感图像采集设备所包含的遥感图像采集地理信息，以及图像特征提取模块提取得到的图像特征信息，设计检索请求，发送到先验信息数据库，并接收先验信息数据库返回的基准图像信息与对应的图像特征信息。基准图像信息直接输出到图像编码单元，图像特征信息输出到图像特征匹配模块。

图像特征匹配模块以图像特征提取模块提取到的遥感图像的图像特征，以及数据库输出接口给出的基准图像的图像特征为输入，进行图像特征匹配，并将匹配信息输出至图像编码单元。图像特征匹配算法可以使用KNN、K-Means Cluster等成熟通用算法，也可以使用针对特定类型的图像特征所专门设计的匹配算法。

根据上述基于特征的图像配准单元的结构描述，其运行机制包括以下步骤，参见附图6：

1）遥感图像采集设备采集得到遥感图像与遥感参数。

2）图像特征提取模块对遥感图像进行处理，提取得到遥感图像的图像特征。

3）根据遥感参数及遥感图像的图像特征建立数据库查询条件，与先验信息数据库进行交互，得到基准图像及基准图像的图像特征。

4）将遥感图像及基准图像的图像特征输入图像特征配准模块，进行图像特征匹配操作，得到图像配准信息。

5）将图像配准信息及基准图像输出。

本发明的重要特征还在于它包含至少一个基于特征配准的低速率遥感图像编码单元。基于特征配准的低速率遥感图像编码单元的结构框图参见附图7，它包括：

图像校正模块，以图像配准单元提供的图像配准信息和基准图像信息为输入，建立变换方程，生成校正参数与基于校正参数进行变换得到的参考图像。参考图像输出到增量信息提取模块，校正参数直接输出到数据编码器。

增量信息提取模块，以遥感图像采集设备采集得到的遥感图像与图像校正模块生成的参考图像为输入，提取增量信息。在退化情况下，可以直接使用差分方式提取增量信息。将提取得到的增量信息送入数据编码器。

数据编码器，以增量信息提取模块生成的增量信息、图像配准单元给出的图像配准信息、图像校正模块生成的校正参数以及遥感图像采集设备给出的遥感参数为输入，分别使用与数据特性相适应的数据编码方案，进行结构化的数据编码，输出到空天传输链路。

根据上述特征配准的低速率遥感图像编码单元的结构描述，其运行机制包括以下步骤，参见附图8：

1）将基于特征的图像配准单元生成的基准图像及图像配准信息输入图像校正模块，生成参考图像及图像校正参数。

2）将来自要按信息采集设备的遥感图像及来自图像校正模块的参考图像输入增量信息提取模块，得到增量信息。

3）将来自遥感图像采集设备的遥感参数，来自增量信息提取模块的增量信息，来自图像校正模块的校正参数，来自图像配准单元的图像配准信息输入数据编码器，得到发送数据。

本发明的重要特征还在于它包含至少一个基于特征配准的低速率遥感图像解码单元。基于特征配准的低速率遥感图像解码单元的结构框图参见附图9，它包括：

数据解码器，接收来自空天传输链路的数据，并进行数据解码，将解码得到的数据分发输出到基于增量信息的重建模块，图像校正模块，以及基准图像解析模块。

基准图像解析模块，根据数据解码器发送的信息，调用数据库访问接口，从数据库中提取基准图像。

数据库访问接口及输出接口，接收来自基础图像解析模块的请求，同先验信息数据库进行交互，并将查询得到的基准图像信息输出到图像校正模块。

图像校正模块，以来自数据解码器的校正参数和来自数据库输出接口的基准图像信息为输入，使用图像校正算法，重建参考图像，输出到基于增量信息的重建模块。

基于增量信息的重建模块，接收来自数据解码器的增量信息与遥感参数信息，根据来自图像校正模块的参考图像，整合得到重建的陶干数据信息。

根据上述特征配准的低速率遥感图像解码单元的结构描述，其运行机制包括以下步骤，参见附图10：

1）数据解码器进行数据解码，得到增量信息、校正参数、图像配准信息、遥感参数。

2）将图像配准信息输入到基准图像解析模块，进行数据库操作，得到基准图像。

3）图像校正模块根据基准图像及校正参数生成参考图像。

4）基于增量信息的重建模块以增量信息和参考图像为输入，重建得到遥感图像信息。

5）将遥感图像信息与遥感参数信息进行整合，得到重建信息。

Claims (1)

1.基于特征配准的传输速率受限的遥感图像传输系统，其特征在于，是在一个由遥感用航天器、传输速率受限的空天传输链路以及遥感用地面控制站共同构成的基于先验信息的遥感图像传输系统，其中：

遥感用航天器，其中的中央控制计算机内，设置有：至少一组遥感图像采集设备、至少一个基于特征的遥感图像配准单元、至少一个基于特征配准信息的低速率遥感图像编码单元以及控制器，还连接着至少一个第一先验信息数据库，其中：

第一先验信息数据库，设有：包括具体应用需求和遥感对象地理信息在内的检索请求类型的输入端，预置有二层检索数据索引：基于地理信息的数据索引和基于实时遥感图像特征的数据索引，所述基于地理信息的数据索引包括：具体应用需求→地理信息→作为先验信息的基准遥感图像→基准遥感图像的图像特征，所述基于遥感图像特征的数据索引包括：具体应用请求→实时遥感图像的图像特征→基准遥感图像的图像特征→基准遥感图像，所述具体应用需求至少包括：资源监测、气候监测和军事情报，还设有：对应于检索请求的基准遥感图像及其图像特征；

控制器，设有：遥感控制指令输入端，通过所述空天传输链路输入来自所述遥感用地面控制站发来的遥感控制指令，包括：具体应用请求和遥感对象的地理信息，还设有遥感指令输出端；

遥感图像采集设备，设有：遥感指令输入端，接收来自所述控制器输出的遥感指令，包括：具体应用需求、遥感对象地理信息和遥感命令，还设有：遥感数据输入端，输入以矩阵数组或高维数组表述的实时遥感图像的像素点信息，同时，向所述基于特征的遥感图像配准单元和基于特征配准信息的低速率遥感图像编码单元输出加注有具体应用需求和遥感对象地理信息的实时遥感图像的像素点信息以及包括拍摄位置及姿态信息、分辨率、镜头参数、光谱参数以及传感器量化精度在内的遥感参数；

基于特征的遥感图像配准单元，设有：图像特征提取模块和图像特征匹配模块，其中：

图像特征提取模块，从所述遥感图像采集设备输入所述的实时遥感图像的像素点信息，并从设定的具体应用需求——遥感图像特征提取算法的映射表中获得对应的遥感图像特征提取算法，得到所述实时遥感图像的图像特征，包括：以高维向量簇形式描述的特征点及其坐标，并把结果输入所属的图像特征配准模块，同时又以包括具体应用需求、遥感对象的地理信息以及实时遥感图像的图像特征在内的检索请求形式输入到所述先验信息数据库中；

图像特征匹配模块，设有：来自所述图像特征提取模块的所述实时遥感图像的图像特征的输入端以及来自所述第一先验信息数据库的基准遥感图像以及对应的图像特征，图像特征是以高维向量簇形式描述的特征点及其坐标，并从预置的具体应用需求——遥感图像特征匹配算法映射表中选取对应的特征匹配算法进行匹配，进行双方特征点坐标的匹配，并把配准信息及对应的基准遥感图像输出到所述基于特征匹配信息的低速率遥感图像编码单元中，配准信息以结构体形式进行组织，包括有：以字符串形式表述的基准遥感图像索引编码、以二维数组形式表述的由特征点坐标匹配结果导出的射影变换矩阵、以一维数组形式表述的实时遥感图像的灰度分布函数、以一维数组形式组织的零个、一个或多个辅助校正参数点对信息；

基于特征配准信息的低速率遥感图像编码单元，设有：图像校正模块、增量信息提取模块以及数据编码模块，依次按以下步骤生成输入到所述控制器的发送数据：

第一步，图像校正模块输入所述配准信息、所述基准图像及其图像特征、所述实时遥感图像及其图像特征，根据配准信息建立图像校正方程，并对基准数据进行畸变校正及变换，减少所述基准图像数据与实时遥感图像数据之间的空间畸变和光照畸变，把点对基准图像校正后得到的图像作为参考图像；

第二步，增量信息提取模块，输入所述遥感图像数据与参考图像数据，在设定的欧几里德空间下，通过差分方法提取欧几里德空间的坐标增量信息，所述增量信息由高维数组形式组织，高维数组包含三个维度，第一维度与第二维度由所述实时遥感图像的空间尺度维度确定，第三维度由差分方法提取得到的增量数据的二进制表示形式的不同数据位确定；

第三步，数据编码模块，输入所述配准信息、增量信息、图像校正方程以及实时遥感图像特征信息，经过编码生成二进制码流，送往所述控制器，经加注具体应用需求以及地理信息标志后，经所述速率受限的空天链路后下送至所述遥感图像地面控制站；

遥感图像地面控制站，其中的地面控制计算机内，设有：一个基于特征配准信息的低速率遥感图像解码单元，其中还连接一个与所述第一先验信息数据库完全相同的第二先验信息数据库，其中：

地面控制计算机，设有：基于特征配准信息的低速率遥感图像解码单元，在收到从所述速率受限的空天传输链路通过天线输入的所述二进制码流后，按下述步骤得到所述实时遥感图像及其特征信息：

第a步，解码模块对输入的二进制码流进行结构化的数据解码，得到输入基准图像解析模块的所述实时遥感图像特征信息、图像配准信息，得到输入图像校正模块的图像校正方程，得到输入基于增量信息的图像重建模块的增量信息以及解码日志；

第b步，基准图像解析模块根据所述实时遥感图像特征信息及配准信息，从所述第二先验信息数据库中检索出对应的基准图像及图像特征，输入图像校正模块；

第c步，图像校正模块，根据所述图像校正方程，以所述基准图像及其特征为基础，用图像校正方程进行校正变换，得到参考图像；

第d步，基于增量信息的图像重建模块，输入所述参考图像和增量信息，使用与所述增量信息提取模块相对应的方法，重建实时遥感图像及其图像特征信息。

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