空间图片空间

第27卷第4期农业工程学报Vol.
27No.
41962011年4月TransactionsoftheCSAEApr.
2011面向农田信息采集的数字照片空间标识索引方法孟志军1,赵春江1,刘卉2,陈竞平1,付卫强1(1.
国家农业信息化工程技术研究中心,北京100097;2.
首都师范大学信息工程学院,北京100048)摘要:针对精准农业多源信息采集管理应用的实际需求,提出一种基于时间阈值的数字照片自动空间位置标识方法和基于空间位置的数字照片索引及热链接方法.
利用该方法开发了面向精准农业的农田空间多媒体信息采集管理软件,软件将数字照片采集、空间标识、快速索引、热链接表达和数据转换等环节作为一个完整的流程处理,支持普通数码照相机配合手持GPS设备、GPS数码相机和具有定位拍照功能手持设备等多种数据采集方式下的空间多媒体数据采集、空间位置标识索引和数据交换,实现了地理信息系统环境下的数字照片动态索引和关联,并给出了匹配照片时间阈值ε的取值范围.
通过精准农业农田基础设施空间多媒体数据采集融合实际应用,验证了该方法的有效性和实用性.
关键词:农田信息采集,数字照片,空间标识,索引,GPS,GISdoi:10.
3969/j.
issn.
1002-6819.
2011.
04.
034中图分类号:S29,TP37文献标志码:A文章编号:1002-6819(2011)-04-0196-05孟志军,赵春江,刘卉,等.
面向农田信息采集的数字照片空间标识索引方法[J].
农业工程学报,2011,27(4):196-200.
MengZhijun,ZhaoChunjiang,LiuHui,etal.
Digitalphotogeocodingandindexingmethodforfielddatacollection[J].
TransactionsoftheCSAE,2011,27(4):196-200.
(inChinesewithEnglishabstract)0引言农业资源环境数字化采集管理技术是精准农业技术体系中的关键环节,是实施精准农业的前提条件[1].
近年来,以"3S"技术为代表的空间信息技术已经应用于农业资源环境数字化采集管理,如基于GPS的测土配方土壤调查、农田病虫害信息采集、林草生长信息监测调查等领域中都充分应用了GPS、GIS和RS等空间信息技术手段[2-5].
在基于GIS的应用软件中,仅仅基于文本和数值对空间对象进行定性或定量描述已远远不能满足农业资源环境信息数字化采集管理工作的需要,多媒体技术日益成熟使现场采集大量数字图像信息成为可能,也对GIS应用系统管理空间对象的多媒体属性数据提出新要求.
一些学者研究通过关系数据库建立与空间实体的关联[6-8],以热链接的方式将数字图像信息直接硬性关联到某一地理空间对象上,无法实现将数字图像和空间位置真正关联起来,缺乏灵活性且不便于不同GIS系统之间进行数据交换.
本文介绍了一种数字图像空间位置标识方法,实现GPS位置数据与数字图像信息自动融合;并能够在GIS环境下为数字图像自动建立基于空间位置的索引和链接,实现收稿日期:2010-08-03修订日期:2010-12-22基金项目:北京市自然科学基金项目"面向农业资源环境管理的空间多媒体信息融合方法研究(4072011)"、国家科技支撑计划"热带农业信息服务链关键技术研究与应用"(2009BADA1B01)、国家科技支撑计划"中部粮食生产区增量经济型土地整理技术开发(2008BAB38B06)"、公益性行业(农业)科研专项"农药风险评估综合配套技术研究"课题"基于GIS的高毒高风险农药综合信息管理系统研究开发"(200903054-08)作者简介:孟志军(1975-),男,河南潢川人,副研究员,博士,主要从事农业智能装备与导航技术研究.
北京国家农业信息化工程技术研究中心,100097.
Email:mengzj@nercita.
org.
cn基于空间对象数字图像属性的快速索引与查询浏览.
同时开发了一个空间多媒体GIS应用软件系统,并尝试在精准农业农田信息采集管理工作中进行应用.
1数字照片的空间标识方法1.
1数字图像文件的数据结构本文所指的数字图像是指数码相机拍摄的数字照片.
目前,多数厂商的数码相机所拍摄的图像格式文件都采用可交换图像文件格式EXIF(exchangeableimagefile)来记录数码照片的属性信息[9-10].
EXIF文件格式基于现有的图像文件格式,如压缩图像格式JPEG、非压缩图像格式TIFF,数码相机在拍摄时实时采集EXIF信息,并存放于JPEG等图像格式的文件头.
EXIF信息由一组拍摄参数组成,包括相机品牌和型号,色彩编码,摄影时的光圈、快门、闪光灯数据,日期时间等数据.
以基于JPEG(ISO/IEC10918-1)图像格式的EXIF信息为例说明数字图像的数据结构,如图1所示.
JPEG文件交换格式JFIF(JPEGfileinterchangeformat)定义了许多标记(Marker)用来区分和识别图像数据及其他相关信息,但实际上JPEG文件一般仅由8个主要部分组成,即SOI、APP1、APPn、DQT、DHT、SOF、SOS、EOI.
EXIF扩展定义使用了APP1和APP2这2个标记段.
APP1Marker的值为FFE1,APP1Length的值为Length以后所有字节长度,其余便是EXIF数据,包括EXIF头、TIFF头和IFD(imagefiledirectory)链表部分.
EXIF只使用了2个TIFFIFD,IFD0和IFD1,但自定义了3个IFD,分别为EXIFIFD、GPSIFD、InteroperabilityIFD,其结构与标准TIFFIFD相同,但不记录在TIFF的IFD链表中,而是作为IFD0的扩展记录.
其中,EXIFIFD中包括了EXIF版本、影像设置、日期时间、曝光时间等拍摄参数;GPSIFD第4期孟志军等:面向农田信息采集的数字照片空间标识索引方法197中包括经纬度、GPS时间、接收机状态等一组GPS信息;InteroperabilityIFD包括一些与互操作相关的附加信息.
一些厂商推出了具有GPS定位功能的数码相机,可以将GPS位置信息直接写入数字图像文件中,但目前成本较高,因此可采用数据后处理方式为数字图像添加空间属性信息.
图1JPEG图像格式的EXIF数据结构Fig.
1EXIFdatastructureofJPEGfile1.
2基于时间容限的空间属性匹配方法为了实现数字图像与GPS接收机位置信息自动精确匹配,提出基于时间容限的数字图像空间位置属性融合方法.
时间容限匹配是根据给定的时间范围,比较不同数据源中的时间量,当它们差的绝对值不超过给定阈值时,认为两者时间信息匹配,即通过时间量将2个数据源关联起来,实现信息融合.
如图2所示,基于时间容限的数字图像空间标识流程如下:1)进行数字照片空间标识的数据准备.
具体包括如下2个步骤,其一,读入需要处理的数字照片和GPS记录数据(航迹点、航迹线或原始NMEA协议格式的输出语句);其二,读入显示GPS设备时间信息页面的照片,以下简称配准照片.
从配准照片文件中读出照片拍摄时间Tc,同时,从得到配准照片上显示的GPS设备UTC时间Tu.
将GPS设备UTC时间Tu转换为本地时间Tl,Tc和Tl的差值即为校准时间δt.
2)设定时间阈值ε,作为空间地物对象的照片拍摄时间和定位时间之间的匹配容限.
时间阈值ε是一个根据具体数据采集应用可调的参数.
3)读取一幅数字照片和GPS数据(航迹点、航迹线或原始NMEA协议格式的输出语句),获得数字照片EXIFIFD标签中的日期时间信息,将该时间值与GPS语句时间值比较.
通过比较满足设定阈值条件的则认为匹配成功.
上述过程可以描述为:设一次读入m幅数字照片,构成数字照片集合},,,,,{21mippppP;读入n个航点(或航迹点,n条含位置和UTC时间的NMEA协议语句z),构成航点集合},,,,,{21njWWWWW;对于任意一幅读入的数字照片Pi,读取PiEXIFIFD标签中的拍摄时间Ti,在集合W中每个航点的定位时间Tj,如果满足如下条件:itjTT≤(1)图2基于时间容限的数字图像空间标识流程图Fig.
2Flowchartofdigitalphotospatialencodingbasedontimethreshold则认为数字照片Pi与航点Wj是针对同一地物对象F的照片信息和位置数据,可以将数字照片Pi作为地物F农业工程学报2011年198的多媒体属性数据,Wj作为地物对象F的空间位置数据,构成一个空间地物属性集F(Wj,Pi).
在此基础上,将航点Wj的经纬度位置坐标(Latj,Lonj)和其他GPS相关数据写入Pi的GPSIFD标签段,完成对数字照片Pi的空间位置标识过程,从而使普通的数字图像成为具有位置属性的空间多媒体数据.
图3所示为经过空间标识的数字照片,不仅具有GPS位置和时间属性信息,还将此位置、时间信息作为标签显示在照片文件上.
图3具有坐标与时间标识的数字照片Fig.
3Digitalphotowithtimeandspatiallabel根据野外数据采集工作方式不同,时间阈值ε的取值也有相应规则和经验范围.
分2种情况描述如下:1)在相邻2个地物信息采集时间间隔较小且地物分布比较规律的情况下,可将GPS设备设置为固定时间间隔或距离间隔采点定位,如每隔1s(或固定距离即规律分布的地物最小间隔距离)自动定位记录.
假设相邻两个地物定位记录的时间间隔为δtG,则时间阈值ε的取值范围应满足如下规则:/2tGtG≤≤(2)δtG是根据具体外业数据采集工作中地物分布情况在GPS采集设备中设定的,一般手持GPS在缺省情况下按1s间隔自动记录位置点.
可以根据地物分布规律适当增大δtG的值可以减少数据记录量.
2)在相邻2个地物采集时间间隔较大且地物分布没有规律的情况下,若设置GPS设备为固定时间间隔记录,会增加数据记录量,也可能漏掉定位采集地物的机会.
这种情况下设置GPS设备为手动定位采点的方式记录地物的位置信息,而时间阈值ε的取值要根据外业采集人员完成一个地物定位和地物拍照2个采集动作的时间间隔来确定.
假设针对特定外业采集作业和操作人员,根据作业人员经验,试验得出一个典型地物定位和地物拍照2个采集动作的时间间隔最大值为δtPG;而相邻2个地物定位时间间隔的最小值δtGmin(该值可以根据所有定位时间计算得出),则时间阈值ε的取值应满足如下规则:ε=δtPG&ε≤δtGmin(3)δtPG是一个常量.
在应用软件系统中,将该值设置为可以由用户根据采集作业可调的量.
2基于矢量地图的数字图像空间索引与数据交换通常在地理信息系统中链接多媒体数据的典型技术策略是将多媒体数据文件存储路径或多媒体数据编码作为关系数据库表单中的一列特殊属性来处理.
采用多媒体文件存储路径方式,方法简单、易于实现,但是一旦多媒体数据存储路径发生变更,将无法正确实现数据的关联播放,需要重新修改关系数据库中多媒体文件路径属性列,灵活性差.
采用多媒体文件编码方式,虽然解决了文件存储路径变更所导致的关联问题,但是将空间对象的专业属性和多媒体属性混在一起,且繁琐编码更增加了应用系统程序设计的复杂性,影响数据处理效率.
然而,具有空间位置属性的数字图像使得基于矢量地图的动态空间索引成为可能,为多媒体数据在地理信息系统中的应用开辟了新的研究思路.
从数字图像文件中提取经度、纬度和高程空间属性数据生成一个空间位置,即一个点对象,那么一组图像文件则对应生成基于矢量地图的一个点图层.
通过此点图层的点对象位置属性索引对应的数字图像,从而实现基于矢量地图的数字图像空间位置索引.
经过空间标识的数字照片已经具有空间位置属性,同时,这个空间位置属性也是对数字照片进行索引和创建空间矢量对象的依据.
在对数字照片进行空间位置标识的基础上,提出了数字照片的动态空间索引方法.
具体实施方案如下,设针对一个有n幅具有空间位置属性的数字照片集合},,,,,{21nippppP;读取数字照片pi的EXIFGPSIFD标签段,得到pi的位置坐标(Lati,Loni),由该坐标生成一个空间矢量点对象Fi(Lati,Loni).
因此,对具有空间标识的数字照片集合P可以读取并生成一个空间矢量点对象集合F={F1,F2,…,Fi,…,Fn};由Fn可以构建一个矢量图层,图层属性信息包括指向数字照片的链接信息和其他GPS属性和数字照片属性信息.
通过此矢量图层的点对象位置属性索引对应的数字照片文件,实现点对象与数字照片的动态关联,从而实现基于矢量地图的数字图像空间位置索引.
经过这种动态空间索引建立的矢量图层可以根据应用需求和具体软件环境生成不同格式的空间矢量文件或空间数据库,方便不同应用系统之间数据交换.
3数字图像空间索引方法的应用研究将GPS、GIS和多媒体技术集成,能够提高精准农业资源信息采集管理的效率[11-16].
本文利用上述数字照片空间位置标识及索引方法,研究开发了精准农业空间多媒体信息采集管理系统,并在地块基础信息、农场设施分布和作物病虫害信息采集管理过程中进行应用,取得了较为理想的效果.
精准农业空间多媒体信息采集管理系统基于GPS、GIS和数字照片空间位置标识索引技术构建,包括GPS定位数据与多媒体数据的融合处理、GIS功能、数据交换、移动设备数据处理等主要功能模块,系统功能结构如图4所示.
此系统实现了从农田现场照片拍摄、GPS定位采集、现场数码照片定位标识、多媒体GIS数据处理与数据交换的完整流程,较好地解决了精准农业空间多媒体数据采集、融合和数据发第4期孟志军等:面向农田信息采集的数字照片空间标识索引方法199布等问题.
在多媒体数据采集方面,系统支持手持GPS定位仪/数码相机、一体化数码相机、便携式手持设备等多种工作方式采集数据的快速处理.
在数据交换方面,系统支持空间多媒体数据与通用GIS数据格式、GoogleEarth数据格式及HTML格式之间灵活转换.
总之,系统使得野外数码设备采集的图像等多媒体数据具有了位置属性,扩展现有GIS平台的多媒体数据查询与管理功能,增强GIS系统的直观性和感观效果.
图5所示为系统的主界面.
图4空间多媒体信息采集管理系统结构Fig.
4Structureofspatialmultimediadatacollectionandmanagementsystem图5系统主界面Fig.
5Maininterface在实际应用中,基本操作流程如下:1)图像定位采集:采用普通数码相机和手持GPS接收机分别进行独立且同步数据采集.
采集前,首先进行时间标定,最简单的时间标定方法是用数码相机拍摄一张GPS接收机UTC时间显示界面的照片,所拍摄的时间标定照片用于数据后处理过程中的空间属性融合.
此外设置GPS输出GGA和RMC语句.
在图像的定位采集过程中,可在记录GPS轨迹同时拍摄兴趣点处的数码照片,或者在拍摄照片的位置处记录下GPS航迹点,操作过程中二者尽量保持同步,以便于在时间容限内有效匹配图像的空间位置属性.
2)数据后处理:将GPS设备和数码相机通过串行端口或USB分别连接到计算机上,通过空间多媒体信息采集软件的自动数据向导功能完成数字图像的空间标识与索引,实现空间多媒体数据的融合,设置地图显示效果,就生成了一幅内容丰富的多媒体电子地图.
4结论1)提出了一种面向精准农业农田信息采集应用的数字照片空间位置标识和索引方法.
采用基于时间阈值的数字照片自动空间标识方法,提高了数字照片的空间位置标识效率,便于大量数字照片的管理.
提出并实现基于空间位置的数字照片索引和热链接方法,实现基于地理信息系统的数字照片动态索引和关联方法,不受数字照片存储位置和方式的限制.
2)基于数字照片空间位置标识和索引方法,开发了面向精准农业农田空间多媒体信息采集管理软件.
软件将数字照片采集、空间标识、快速索引、热链接表达和数据转换等环节作为一个完整的流程处理,实现了基于普通数码照相机和手持GPS设备的空间多媒体数据采集、空间位置标识索引和数据交换,突破了传统地理信息系统管理属性数据的局限性.
实现空间多媒体矢量数据与通用地理信息系统应用软件的数据交换,便于空间多媒体数据的采集管理和共享.
3)结合农田基础设施空间多媒体数据采集融合等实际应用,验证了采集方法的有效性和实用性.
4)在实际农业资源环境外业数据采集工作中,如果地物位置点和数字照片采集量较大情况下,本文提出的基于时间阈值的数字照片空间位置标识方法需要解决搜索效率和匹配精度的问题,在后续研究中可以进一步结合这种方法的特点,设计效率更高的搜索和重复匹配算法,以提高这种方法的适用范围和应用效果.
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InformationEngineeringCollege,CapitalNormalUniversity,Beijing100048,China)Abstract:Akindofautomaticdigitalphotogeocodingmethodbasedontimethreshold,photoindexingandhotlinkwasdevelopedforprecisionagriculturefielddatacollectionandmanagement.
Bythismethod,fieldmultimediaGISsoftwarewasdevelopedwithfunctionsofdigitalphotocollection,automaticsynchronizationandgeocoding,indexing,hotlinkanddataconversionasanintegratedflow.
Thissoftwaresupportsdifferentdatacollectionwayssuchascommondigitalcameraswithhand-heldGPSdevices,digitalcameraswithbuilt-inGPSmoduleorsmarthand-heldPDAwithGPSandvideocamera,whichcanachievedynamicphotoindexingandlinkingunderGISenvironment.
Validityandpracticalityofthemethodandsoftwareweretestedbyapplicationonfieldfacilitiesdistributiongeo-referencedmultimediadatacollectionandprocess.
Keywords:fielddatacollection,digitalphoto,geocoding,indexing,GPS,GIS