1.5 遥感数据传输/接收链路

航空遥感和航天遥感获取的遥感数据最终都要送回地面。遥感图像的回收方式包括以下两种。

（1）直接回收式：此时成像传感器把图像数据记录在胶卷或磁带上，待载荷系统返回地面时回收。该方式回收方便、信息损失少、保密性强。但该方式非实时，存储容量受限。因此，该回收方式主要适合航空遥感。

（2）无线传输方式：此时主要是通过无线电将图像数据传输到地面接收站，再存储、分发和处理。对于无线传输型的遥感系统，其数据必须通过建立遥感地面接收站来完成数据的接收，而与之对应的是遥感平台上载荷的发射系统。遥感数据发射-接收系统及其信道链路一起构成了遥感数据传输系统，如图1-27所示。

1.5.1 遥感数据发射系统

在遥感数据传输系统中，探测载荷探测到的遥感图像数据由遥感数据发射系统经过传输信道发往地面接收站。

遥感数据传输系统面临的最大技术难点是日益增长的数据量问题。我们知道，遥感图像的突出特点之一就是数据量极大、信息丰富。例如，一幅陆地卫星图像，如果其覆盖的地面尺寸为185 km×185 km，图像空间分辨率为30 m，辐射分辨率为8 bit（1 Byte），则其数据量大约为36 MB，这样大的数据量给遥感图像传输或存储都带来了极大的困难。因此，在图像处理领域出现了一个相对独特的数据处理技术，即图像压缩编码。对于遥感数据传输系统而言，遥感图像在发射平台上需要进行图像的压缩编码，在地面站接收端需要进行相应的解码。需要说明的是，在通信领域发射端的数据编码一般称为信源编码，而在图像处理领域也往往把图像压缩编码看作信源编码。二者的最大差异在于，信源编码是利用数据间的冗余度，实现无失真编码来减少传输率；图像压缩编码大多时候是有失真压缩，以便进一步减小传输率和存储空间。关于遥感图像压缩编码技术将在第6章详细介绍。

1.5.2 遥感数据接收系统

遥感数据接收系统主要布置在遥感卫星地面站，负责遥感数据的接收、处理、存档、分发等。当卫星处在地面站的覆盖范围之内时，通常采用卫星实时传输的数据传输方式；当卫星超出地面站的覆盖范围时，采用任务数据记录仪（mission data recorder，MDR）或跟踪数据中继卫星（tracking and data relay satellite，TDRS）两种数据传输方式。前者为实时传输，后者为准实时传输。

值得注意的是，地面接收站接收到的遥感数据，经过图像链传输时，会受载荷特性、大气环境、地球曲率等众多因素的影响，遥感数据在几何和辐射特性上会或多或少地降质，必须经过几何和辐射校正等（预）处理，形成分级产品后才能提供给用户使用。遥感数据产品分级体系如表1-4所示。通常所用的遥感图像一般都是3级产品 ^[5] 。

1.5.3 遥感图像处理系统

图像处理的先决条件是要有图像处理系统。一方面，计算机的高速发展使得图像处理系统的发展极其迅速；另一方面，半导体器件的快速发展解决了大量图像数据存储问题，也加快了图像处理系统的发展速度。从本质上讲，遥感图像处理系统除了一些适合遥感平台的特殊要求外，在实现原理上与通常的图像处理系统没有太大区别，主要包括高性能图像处理机、大容量图像存储器和相应的图像输入/输出系统等，如图1-28所示。

在具体应用中，图像处理系统又分为通用图像处理系统和专用图像处理系统两大类。如果图像处理机由通用计算机来完成，即图像处理系统作为计算机系统的一个外部设备，这种图像处理系统被称为通用图像处理系统。通用图像处理系统的突出特点是它的通用性，因此被大家广泛应用，这里不作过多介绍。通用图像处理系统的最大问题是不能完成特定的任务，如星上实时处理系统。因此在实际应用中，专用图像处理系统更具有实用价值。专用图像处理系统是指最终用户使用的系统，它的发展完全依赖于半导体器件的发展，通常以专用集成电路（application specific integrated circuit，ASIC）、数字信号处理器（digital signal processor，DSP）、现场可编程逻辑门阵列（field programmable gate array，FPGA）等硬件为基础。相应的专用图像处理系统设计也主要包括以下3类。

（1）基于数字信号处理器等芯片的图像处理系统。该类系统的最大优点是全硬件实现，特别适合科学计算。但其最大的问题是成本较高、灵活性较差。

（2）基于现场可编程门阵列等的图像处理系统。该类系统的主要优点是片上资源丰富、具有可重复性。但其最大的问题是不具备专用优化算法，而且功耗比较大。

（3）基于数字信号处理器和现场可编程逻辑门阵列等的图像处理系统。这类系统综合了以上两种方法的优点：数字信号处理器对数字信号处理的良好支持、现场可编程逻辑门阵列对高速数据控制的灵活性及并行性等。

1.5.4 星上实时图像处理系统

随着遥感技术的飞速发展，卫星载荷产生数据的速率和数据量持续增长，而卫星到地面站的有效下行链路带宽却相对受限。这样，面向特定任务的星上实时图像处理系统应运而生，它也是遥感应用系统的一个新挑战和发展方向。

就目前遥感图像处理技术发展和应用需求而言，星上实时图像处理技术主要包括图像预处理、图像压缩、自动特征提取等，其目标是依靠星上实时图像处理系统，最大限度地减少地面干预，实现星上有针对性的图像处理。目前，星上实时图像处理技术主要涉及两个方面，如图1-29所示 ^{[ 14]} ：①在传输前对获得的图像数据进行星上有损或无损压缩，这样被压缩的图像数据流被下传，并进一步在地面处理；②根据某种应用需求在星上进行处理，这样只有处理的结果被传输给地面站。

对于星上实时图像处理系统，必须具备以下3个特性：①它必须具备高计算性能，因为目前众多压缩和处理算法都具有大量相关的计算负担；②它应该具有体积小、质量轻、功耗低的性能；③它必须具备抗损或抗故障能力。作为目前星上实时图像处理系统较好的应用范例，遥感图像压缩系统与地面普通图像压缩系统存在较大区别。首先地面普通图像压缩系统一般对实时性要求不高（解压缩实时性要求高），遥感图像压缩系统则强调能够对采集到的遥感图像数据量进行即时的压缩存储。其次，地面普通图像压缩系统可以采用较大型的处理设备进行压缩处理。但受遥感载荷及空间限制，遥感图像压缩系统多采用数字信号处理器、现场可编程逻辑门阵列及专用芯片进行压缩处理，这样既减小了系统的体积又降低了功耗。最后，地面普通图像压缩系统出现误码，甚至难以解码的情况时，可以对原始图像重新压缩，而遥感图像压缩系统则与特定的时相相匹配，如果误码率过高将会造成不可逆的损失。