可定位圖像移動(dòng)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳 勇，羅騰元，王美珍

(1. 福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007； 2. 福建省陸地災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350007； 3. 南京師范大學(xué) 虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210046)

一、引 言

自2007年Google街景推出，圖像/視頻等媒體以一種全新的方式映入大眾視野，并以其客觀形象、生動(dòng)直觀的特性逐漸成為一種大眾化、社會(huì)化的地理信息來(lái)源和GIS地理表達(dá)的重要手段[1]。同時(shí)，空間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取技術(shù)迅猛發(fā)展，定位技術(shù)愈趨精確，空間信息作為整個(gè)社會(huì)信息流中的重要組成部分及基于位置服務(wù)的重要支撐，無(wú)論是在人類的日常生活中，還是在行業(yè)應(yīng)用中，都成為一種不可或缺的重要信息。然而在一些應(yīng)用中，如野外農(nóng)作物病蟲害調(diào)查中，不僅需要采集農(nóng)田作物的長(zhǎng)勢(shì)、病蟲害的圖像信息，更希望能同時(shí)記錄農(nóng)田的位置[2]；在數(shù)字城管違法糾察中，在記錄當(dāng)前位置違法場(chǎng)景的同時(shí)，還需將采集到的信息實(shí)時(shí)上報(bào)[3]?？梢?，行業(yè)需求不斷推動(dòng)GIS應(yīng)用模式革新，尤其在數(shù)據(jù)采集方面，由傳統(tǒng)單源信息、離線的采集方式，向多源信息綜合集成、移動(dòng)化、實(shí)時(shí)化采集方式轉(zhuǎn)變。

近年來(lái)，以平板電腦、智能手機(jī)為代表的智能移動(dòng)終端呈現(xiàn)爆炸式的增長(zhǎng)，終端不僅集成了攝像機(jī)、電子羅盤、GPS及無(wú)線傳輸?shù)榷喾N傳感器，而且具有操作系統(tǒng)便于定制靈活的應(yīng)用程序，為多信息綜合集成、移動(dòng)實(shí)時(shí)化采集提供了良好的平臺(tái)。基于此，本文提出了可定位圖像表達(dá)模型，并通過Android移動(dòng)終端對(duì)圖像內(nèi)容、地理位置、圖像描述等信息實(shí)時(shí)集成，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可定位圖像的實(shí)時(shí)傳輸。

二、系統(tǒng)組成

可定位圖像移動(dòng)采集系統(tǒng)由采集終端與遠(yuǎn)程服務(wù)器平臺(tái)兩部分組成。采集終端包括平板電腦、手機(jī)等Android智能終端，集成攝像機(jī)模塊、GPS模塊、電子羅盤及無(wú)線傳輸模塊，主要用于可定位圖像的壓縮采集和無(wú)線傳輸。遠(yuǎn)程服務(wù)器平臺(tái)通過接入Internet接收經(jīng)終端傳輸?shù)目啥ㄎ粓D像，并實(shí)時(shí)進(jìn)行圖像解碼、地圖展示。系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 可定位圖像采集與無(wú)線傳輸系統(tǒng)組成

三、關(guān)鍵技術(shù)

1. 可定位圖像采集

(1) 可定位圖像表達(dá)模型

目前，大多應(yīng)用中僅將圖像作為一種可視化載體，而對(duì)象實(shí)體往往還具有空間特征、屬性特征、內(nèi)容特征等，因此，需構(gòu)建一種新的圖像表達(dá)模型實(shí)現(xiàn)多元異構(gòu)特征對(duì)象的綜合表達(dá)。針對(duì)上述需求，本研究提出了可定位圖像表達(dá)模型，包括圖像、元數(shù)據(jù)、描述信息及空間信息4個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。 圖像指實(shí)體目標(biāo)的實(shí)景信息；元數(shù)據(jù)包括圖像分辨率、焦距、采集時(shí)間、曝光度等參數(shù)，用于描述圖像的基本參數(shù)，上述參數(shù)可用于推斷圖像隱含的語(yǔ)義信息，如從焦距計(jì)算圖像視野范圍，從曝光度判斷拍攝地點(diǎn)處于室內(nèi)或室外；描述信息主要通過文本信息、特征信息及音頻信息3種方式進(jìn)行記錄，文本信息指場(chǎng)景、事件或地點(diǎn)的文字描述，特征信息包括圖像顏色、紋理、形狀等內(nèi)容特征，音頻信息則可記錄用戶對(duì)實(shí)體或事件的語(yǔ)音描述；空間信息主要包括GPS信息與方位信息，GPS信息用于描述圖像拍攝位置，方位信息則用于描述圖像場(chǎng)景的朝向。

圖2 可定位圖像表達(dá)模型

(2) 可定位圖像模型組織

圖像與地理信息等參數(shù)集成方式主要有基于XML文件[4]、Shapefile文件[5]及EXIF(exchangeable image file)[6]格式3種。前兩種方式從本質(zhì)上來(lái)說圖像與地理信息等參數(shù)是分離存儲(chǔ)的，通過中間文件進(jìn)行外部關(guān)聯(lián)[7]，分離存儲(chǔ)不利于信息同步傳輸，且安全性、通用性、擴(kuò)展性都較差。

EXIF格式是由日本電子工業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)(Japan Electronic Industry Development Association，JEIDA) 為數(shù)碼圖像制訂的標(biāo)準(zhǔn)，可記錄數(shù)碼圖像的屬性信息和拍攝數(shù)據(jù)[8]。 EXIF格式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與JPEG格式是完全相同的，本質(zhì)上就是在JPEG格式頭部插入圖像信息，由應(yīng)用標(biāo)記段、圖像壓縮編碼參數(shù)段及圖像內(nèi)容數(shù)據(jù)段3部分組成，如圖3所示。應(yīng)用標(biāo)記段采用標(biāo)簽圖像文件格式(tagged image file format，TIFF)存儲(chǔ)圖像參數(shù)，APP0用于JPEG文件交換格式(JPEG file interchange format，JFIF)存儲(chǔ)圖像配置信息與縮略圖，APP1標(biāo)記段則是EXIF格式用于避免JFIF存儲(chǔ)格式?jīng)_突而使用的標(biāo)記段，包含EXIF IFD、GPS IFD、Interoperability IFD 3個(gè)部分。EXIF IFD部分不僅可存儲(chǔ)數(shù)碼相機(jī)數(shù)據(jù)、攝影參數(shù)、日期和時(shí)間信息，還能通過UserComment和RelatedSoundFile標(biāo)簽記錄文字描述及音頻；GPS IFD部分記錄經(jīng)緯度坐標(biāo)、方位、速度等參數(shù)；Interoperability IFD部分則用于存儲(chǔ)圖像互操作參數(shù)。此外，EXIF格式預(yù)留了APPN多個(gè)標(biāo)記段，用戶可根據(jù)具體需求進(jìn)行擴(kuò)展。與前兩種分離存儲(chǔ)方式相比，EXIF方式可將地理信息等屬性直接嵌入圖像，實(shí)現(xiàn)相關(guān)描述參數(shù)與圖像的高度整合，而且擴(kuò)展性和通用性較好，非常適合于可定位圖像的存儲(chǔ)。

圖3 EXIF圖像格式結(jié)構(gòu)圖

(3) 可定位圖像采集實(shí)現(xiàn)

在Android系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可定位圖像采集，主要涉及攝像機(jī)模塊、電子羅盤模塊、GPS定位模塊及百度地圖SDK的調(diào)用，并采用EXIF格式進(jìn)行存儲(chǔ)。具體步驟如圖4所示。

1) 創(chuàng)建圖像Intent，并設(shè)置其為圖像采集模式，調(diào)用startActivityForResult()方法啟動(dòng)攝像頭采集圖像

Intent picture=new Intent(MediaStore.ACTION_

IMAGE_CAPTURE);

2) 在系統(tǒng)服務(wù)中獲取電子羅盤服務(wù)，并設(shè)置其監(jiān)聽器，然后通過OnSensorChanged()事件獲得方位值

Sensororient=sensorManager.getDefaultSensor(

Sensor.TYPE_ORIENTATION);

sensorManager.registerListener(this,orient,SensorManager. SENSOR_DELAY_GAME);

3) 通過getSystemService()方法獲取位置服務(wù)并創(chuàng)建位置管理器LocationManager實(shí)例，再通過調(diào)用實(shí)例getLastKnownLocation()方法獲取GPS信息；如果無(wú)法獲取GPS信息，可手動(dòng)在百度地圖標(biāo)識(shí)點(diǎn)位方式代替

LocationManager gps = (LocationManager) this.

getSystemService(Context.LOCATION_SERVICE);

Location loc =gps.getLastKnownLocation(provider);

double latitude = loc.getLatitude();

double longitude= loc.getLongitude();

4) 首先進(jìn)行地圖初始化，接著創(chuàng)建LocationCLient對(duì)象并設(shè)定定位條件，同時(shí)注冊(cè)位置監(jiān)聽器，通過監(jiān)聽器中回調(diào)函數(shù)onReceiveLocation()返回當(dāng)前位置地址

LocationClient client=new LocationClient(this);

locationClient.registerLocationListener(new BDLoca

tionListener(){

public void onReceiveLocation(BDLocation location)

{

mAddrStr=location.getAddrStr();

}

})

5) 調(diào)用ExifInterface接口中的setAttribute()方法將上述獲取的參數(shù)寫入圖像，同時(shí)在SDcard中保存圖像。

圖4 可定位圖像采集實(shí)現(xiàn)流程

2. 可定位圖像傳輸

隨著3G通信技術(shù)成熟，以及3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋面日趨完善，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)帶寬大幅提升，同時(shí)智能終端應(yīng)用的普及，使得圖像/視頻等多媒體傳輸成為可能，為動(dòng)態(tài)采集現(xiàn)場(chǎng)信息、實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況提供了強(qiáng)有力的保障。

(1) 圖像傳輸機(jī)制

Android系統(tǒng)提供了基于HTTP協(xié)議(超文本傳輸協(xié)議)和基于Socket套接字兩類網(wǎng)絡(luò)編程方式[9]。HTTP協(xié)議是Web瀏覽器和Web服務(wù)器端的應(yīng)用層協(xié)議，支持客戶與服務(wù)器之間HTTP頁(yè)面、圖像等數(shù)據(jù)傳輸，廣泛用于Web應(yīng)用方面。由于HTTP協(xié)議采用請(qǐng)求與響應(yīng)模式，請(qǐng)求永遠(yuǎn)由客戶端發(fā)起，致使其無(wú)法實(shí)現(xiàn)服務(wù)器推送消息給客戶端，而且服務(wù)器限制HTTP協(xié)議傳輸文件的大小，諸多限制使得HTTP協(xié)議不太適用于圖片傳輸?；赟ocket套接字傳輸方式可實(shí)現(xiàn)單機(jī)或跨網(wǎng)絡(luò)通信，支持多個(gè)客戶端同時(shí)連接到同一個(gè)服務(wù)器，具有UDP與TCP兩種模式。TCP和UDP是兩個(gè)性質(zhì)不同的通信協(xié)議，主要用來(lái)向高層用戶提供不同的服務(wù)。UDP是一個(gè)簡(jiǎn)單的、盡力而為的面向無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸協(xié)議，面向無(wú)連接方式使得其傳輸效率較高，能滿足視頻等對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用，但是不能確保數(shù)據(jù)報(bào)的可靠傳輸，特別在網(wǎng)絡(luò)信道環(huán)境較差的環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)大量數(shù)據(jù)丟包、亂序等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響傳輸質(zhì)量。TCP可以提供面向連接的、可靠的(沒有數(shù)據(jù)重復(fù)和丟失)、全雙工的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。雖然采用面向連接的方式犧牲了部分傳輸效率，但是其數(shù)據(jù)包確認(rèn)、重傳機(jī)制有效避免了丟包、亂序現(xiàn)象[10]。與傳輸效率相比，圖像傳輸應(yīng)用更注重可靠性，因此采用TCP方式比較適合于圖像傳輸。

(2) 圖像傳輸實(shí)現(xiàn)

在Android Socket網(wǎng)絡(luò)編程中，主要分為客戶端與服務(wù)器端兩部分。通過調(diào)用Socket、ServerSocket類建立基于TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信，Socket類用于建立客戶端程序，ServerSocket類用于建立服務(wù)器端程序，兩者之間的圖像傳輸實(shí)現(xiàn)過程如圖5所示。

客戶端主要負(fù)責(zé)圖片數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼?qǐng)求操作，實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1) 創(chuàng)建Socket類實(shí)例，通過指定的遠(yuǎn)程服務(wù)器地址和端口來(lái)建立連接，并向服務(wù)器發(fā)出連接請(qǐng)求

ClientSocket cSocket=new ClientSocket(IP,PORT)；

2) 利用OutputStream類創(chuàng)建輸出流，并通過write()方法將圖片數(shù)據(jù)讀入，最后調(diào)用flush()方法刷新實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送

OutputStream out=Socket.getOutputStream();

out.write(buf,0,read);

out.flush();

3) 圖像數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，通過調(diào)用Socket類的close()方法關(guān)閉連接。

服務(wù)器端通過建立一個(gè)通信的端點(diǎn)，等待客戶端發(fā)送的請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1) 創(chuàng)建ServerSocket類實(shí)例，并指定本地的端口，用于監(jiān)聽客戶端連接請(qǐng)求

ServerSocket sSocket=new ServerSocket(PORT);

2) 重復(fù)以下步驟：

a. 調(diào)用accept()方法獲取客戶端連接請(qǐng)求，并通過返回的socket實(shí)例建立一個(gè)與客戶端的連接

Socket client=serverSocket.accept();

b. 通過DataInputStream類創(chuàng)建輸入流，接收客戶端傳來(lái)的數(shù)據(jù)包并保存為圖像

InputStream in=client.getInputStream();

c.圖像接收完畢后，通過調(diào)用Socket類的close()方法關(guān)閉連接。

圖5 基于TCP協(xié)議的圖片傳輸流程圖

四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

系統(tǒng)采用C/S體系架構(gòu)，客戶端采用N7100三星智能手機(jī)為采集平臺(tái)，以帶有Android開發(fā)包插件(Android development toolkit，ADT)的Eclipse集成環(huán)境為開發(fā)平臺(tái)，服務(wù)器端采用MyEclipse編程環(huán)境，基于上述關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了可定位圖像移動(dòng)采集系統(tǒng)。

1. 圖像采集測(cè)試

提取可定位圖像中存儲(chǔ)的經(jīng)緯度、方位、地址等參數(shù)信息，并自動(dòng)將位置、方位標(biāo)注于百度地圖上，驗(yàn)證采集方法的正確性、有效性。通過標(biāo)注與實(shí)地位置對(duì)比，發(fā)現(xiàn)拍攝位置由于GPS單點(diǎn)定位精度影響存在3～5 m的漂移外，拍攝方位完全正確，可滿足采集需求，可定位圖像采集界面如圖6所示。圖6(a)中扇形的圓心指示了當(dāng)前圖像的拍攝位置，扇形的區(qū)域范圍代表了拍攝方向及視野范圍，也可通過點(diǎn)擊扇形標(biāo)注，獲取圖像、經(jīng)緯度值、方位值、時(shí)間及地址描述，如圖6(b)所示。

圖6 可定位圖像采集終端界面

2. 圖像無(wú)線傳輸測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)測(cè)試環(huán)境：采集端采用包括移動(dòng)、聯(lián)通及電信三大網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商不同制式、不同傳輸速度的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器端采用電信小區(qū)寬帶，帶寬為10 MB。傳輸對(duì)象：一幅640像素×480像素分辨率的圖像，圖像大小為91.9 KB。測(cè)試方法：在同一地點(diǎn)、同一時(shí)間采用不同網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行10次無(wú)線傳輸測(cè)試。采集端與服務(wù)器端界面如圖7所示，(a)為采集端網(wǎng)絡(luò)設(shè)置界面，用于設(shè)置服務(wù)器IP地址及端口號(hào)；(b)為服務(wù)器端系統(tǒng)界面，系統(tǒng)接收到圖像后，在地圖窗口中顯示圖像的采集位置與方位，同時(shí)在界面下方顯示圖像本身，以及采集時(shí)間、采集地址、經(jīng)緯度值、方位值等參數(shù)信息。

圖7 可定位圖像無(wú)線傳輸界面

測(cè)試結(jié)果見表1，采用2G網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)均能順利并可靠完成可定位圖像傳輸，測(cè)試中發(fā)現(xiàn)3G傳輸速度相對(duì)較快，可滿足更高分辨率圖像的傳輸需要，服務(wù)端接收到的圖像未出現(xiàn)缺失、模糊現(xiàn)象，說明基于TCP無(wú)線圖像傳輸方案是可行的。

表1 可定位圖像無(wú)線傳輸測(cè)試結(jié)果

五、結(jié)束語(yǔ)

本文提出了可定位圖像表達(dá)模型，通過Android移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)了圖像信息、方位信息、定位信息及地址描述信息等多要素實(shí)時(shí)采集和綜合集成，同時(shí)從傳輸效率與可靠性方面，分析了無(wú)線傳輸機(jī)制的優(yōu)缺點(diǎn)，并基于TCP傳輸方式實(shí)現(xiàn)了圖像無(wú)線傳輸功能。通過測(cè)試表明，可定位圖像采集與傳輸方法是可行且可靠的，采集的可定位圖像不僅具有一般圖像信息，而且在地圖上能準(zhǔn)確反映拍攝位置與方位，同時(shí)采用不同制式、不同速率網(wǎng)絡(luò)均能確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中未亂序丟包，可靠地實(shí)現(xiàn)圖像傳輸。該方法不僅豐富了GIS采集方式，而且為數(shù)字城管、環(huán)境監(jiān)察、野外考察等行業(yè)應(yīng)用提供了參考價(jià)值。

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