可定位圖像移動采集系統設計

吳 勇，羅騰元，王美珍

(1. 福建師范大學 地理科學學院，福建 福州 350007； 2. 福建省陸地災害監測評估工程技術研究中心，福建 福州 350007； 3. 南京師范大學 虛擬地理環境教育部重點實驗室，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、生動直觀的特性逐漸成為一種大眾化、社會化的地理信息來源和GIS地理表達的重要手段[1]。同時，空間數據實時獲取技術迅猛發展，定位技術愈趨精確，空間信息作為整個社會信息流中的重要組成部分及基于位置服務的重要支撐，無論是在人類的日常生活中，還是在行業應用中，都成為一種不可或缺的重要信息。然而在一些應用中，如野外農作物病蟲害調查中，不僅需要采集農田作物的長勢、病蟲害的圖像信息，更希望能同時記錄農田的位置[2]；在數字城管違法糾察中，在記錄當前位置違法場景的同時，還需將采集到的信息實時上報[3]。可見，行業需求不斷推動GIS應用模式革新，尤其在數據采集方面，由傳統單源信息、離線的采集方式，向多源信息綜合集成、移動化、實時化采集方式轉變。

近年來，以平板電腦、智能手機為代表的智能移動終端呈現爆炸式的增長，終端不僅集成了攝像機、電子羅盤、GPS及無線傳輸等多種傳感器，而且具有操作系統便于定制靈活的應用程序，為多信息綜合集成、移動實時化采集提供了良好的平臺。基于此，本文提出了可定位圖像表達模型，并通過Android移動終端對圖像內容、地理位置、圖像描述等信息實時集成，同時實現了無線網絡環境下可定位圖像的實時傳輸。

二、系統組成

可定位圖像移動采集系統由采集終端與遠程服務器平臺兩部分組成。采集終端包括平板電腦、手機等Android智能終端，集成攝像機模塊、GPS模塊、電子羅盤及無線傳輸模塊，主要用于可定位圖像的壓縮采集和無線傳輸。遠程服務器平臺通過接入Internet接收經終端傳輸的可定位圖像，并實時進行圖像解碼、地圖展示。系統的組成如圖1所示。

圖1 可定位圖像采集與無線傳輸系統組成

三、關鍵技術

1. 可定位圖像采集

(1) 可定位圖像表達模型

目前，大多應用中僅將圖像作為一種可視化載體，而對象實體往往還具有空間特征、屬性特征、內容特征等，因此，需構建一種新的圖像表達模型實現多元異構特征對象的綜合表達。針對上述需求，本研究提出了可定位圖像表達模型，包括圖像、元數據、描述信息及空間信息4個部分，其結構如圖2所示。 圖像指實體目標的實景信息；元數據包括圖像分辨率、焦距、采集時間、曝光度等參數，用于描述圖像的基本參數，上述參數可用于推斷圖像隱含的語義信息，如從焦距計算圖像視野范圍，從曝光度判斷拍攝地點處于室內或室外；描述信息主要通過文本信息、特征信息及音頻信息3種方式進行記錄，文本信息指場景、事件或地點的文字描述，特征信息包括圖像顏色、紋理、形狀等內容特征，音頻信息則可記錄用戶對實體或事件的語音描述；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景的朝向。

圖2 可定位圖像表達模型

(2) 可定位圖像模型組織

圖像與地理信息等參數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。前兩種方式從本質上來說圖像與地理信息等參數是分離存儲的，通過中間文件進行外部關聯[7]，分離存儲不利于信息同步傳輸，且安全性、通用性、擴展性都較差。

EXIF格式是由日本電子工業發展協會(Japan Electronic Industry Development Association，JEIDA) 為數碼圖像制訂的標準，可記錄數碼圖像的屬性信息和拍攝數據[8]。 EXIF格式數據存儲與JPEG格式是完全相同的，本質上就是在JPEG格式頭部插入圖像信息，由應用標記段、圖像壓縮編碼參數段及圖像內容數據段3部分組成，如圖3所示。應用標記段采用標簽圖像文件格式(tagged image file format，TIFF)存儲圖像參數，APP0用于JPEG文件交換格式(JPEG file interchange format，JFIF)存儲圖像配置信息與縮略圖，APP1標記段則是EXIF格式用于避免JFIF存儲格式沖突而使用的標記段，包含EXIF IFD、GPS IFD、Interoperability IFD 3個部分。EXIF IFD部分不僅可存儲數碼相機數據、攝影參數、日期和時間信息，還能通過UserComment和RelatedSoundFile標簽記錄文字描述及音頻；GPS IFD部分記錄經緯度坐標、方位、速度等參數；Interoperability IFD部分則用于存儲圖像互操作參數。此外，EXIF格式預留了APPN多個標記段，用戶可根據具體需求進行擴展。與前兩種分離存儲方式相比，EXIF方式可將地理信息等屬性直接嵌入圖像，實現相關描述參數與圖像的高度整合，而且擴展性和通用性較好，非常適合于可定位圖像的存儲。

圖3 EXIF圖像格式結構圖

(3) 可定位圖像采集實現

在Android系統中實現可定位圖像采集，主要涉及攝像機模塊、電子羅盤模塊、GPS定位模塊及百度地圖SDK的調用，并采用EXIF格式進行存儲。具體步驟如圖4所示。

1) 創建圖像Intent，并設置其為圖像采集模式，調用startActivityForResult()方法啟動攝像頭采集圖像

Intent picture=new Intent(MediaStore.ACTION_

IMAGE_CAPTURE);

2) 在系統服務中獲取電子羅盤服務，并設置其監聽器，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()方法獲取位置服務并創建位置管理器LocationManager實例，再通過調用實例getLastKnownLocation()方法獲取GPS信息；如果無法獲取GPS信息，可手動在百度地圖標識點位方式代替

LocationManager gps = (LocationManager) this.

getSystemService(Context.LOCATION_SERVICE);

Location loc =gps.getLastKnownLocation(provider);

double latitude = loc.getLatitude();

double longitude= loc.getLongitude();

4) 首先進行地圖初始化，接著創建LocationCLient對象并設定定位條件，同時注冊位置監聽器，通過監聽器中回調函數onReceiveLocation()返回當前位置地址

LocationClient client=new LocationClient(this);

locationClient.registerLocationListener(new BDLoca

tionListener(){

public void onReceiveLocation(BDLocation location)

{

mAddrStr=location.getAddrStr();

}

})

5) 調用ExifInterface接口中的setAttribute()方法將上述獲取的參數寫入圖像，同時在SDcard中保存圖像。

圖4 可定位圖像采集實現流程

2. 可定位圖像傳輸

隨著3G通信技術成熟，以及3G網絡覆蓋面日趨完善，移動網絡帶寬大幅提升，同時智能終端應用的普及，使得圖像/視頻等多媒體傳輸成為可能，為動態采集現場信息、實時掌握現場真實情況提供了強有力的保障。

(1) 圖像傳輸機制

Android系統提供了基于HTTP協議(超文本傳輸協議)和基于Socket套接字兩類網絡編程方式[9]。HTTP協議是Web瀏覽器和Web服務器端的應用層協議，支持客戶與服務器之間HTTP頁面、圖像等數據傳輸，廣泛用于Web應用方面。由于HTTP協議采用請求與響應模式，請求永遠由客戶端發起，致使其無法實現服務器推送消息給客戶端，而且服務器限制HTTP協議傳輸文件的大小，諸多限制使得HTTP協議不太適用于圖片傳輸。基于Socket套接字傳輸方式可實現單機或跨網絡通信，支持多個客戶端同時連接到同一個服務器，具有UDP與TCP兩種模式。TCP和UDP是兩個性質不同的通信協議，主要用來向高層用戶提供不同的服務。UDP是一個簡單的、盡力而為的面向無連接的數據報傳輸協議，面向無連接方式使得其傳輸效率較高，能滿足視頻等對實時性要求較高的應用，但是不能確保數據報的可靠傳輸，特別在網絡信道環境較差的環境下會出現大量數據丟包、亂序等現象，嚴重影響傳輸質量。TCP可以提供面向連接的、可靠的(沒有數據重復和丟失)、全雙工的數據傳輸服務。雖然采用面向連接的方式犧牲了部分傳輸效率，但是其數據包確認、重傳機制有效避免了丟包、亂序現象[10]。與傳輸效率相比，圖像傳輸應用更注重可靠性，因此采用TCP方式比較適合于圖像傳輸。

(2) 圖像傳輸實現

在Android Socket網絡編程中，主要分為客戶端與服務器端兩部分。通過調用Socket、ServerSocket類建立基于TCP協議的網絡通信，Socket類用于建立客戶端程序，ServerSocket類用于建立服務器端程序，兩者之間的圖像傳輸實現過程如圖5所示。

客戶端主要負責圖片數據傳輸的請求操作，實現步驟如下：

1) 創建Socket類實例，通過指定的遠程服務器地址和端口來建立連接，并向服務器發出連接請求

ClientSocket cSocket=new ClientSocket(IP,PORT)；

2) 利用OutputStream類創建輸出流，并通過write()方法將圖片數據讀入，最后調用flush()方法刷新實現數據發送

OutputStream out=Socket.getOutputStream();

out.write(buf,0,read);

out.flush();

3) 圖像數據發送完畢，通過調用Socket類的close()方法關閉連接。

服務器端通過建立一個通信的端點，等待客戶端發送的請求，實現步驟如下：

1) 創建ServerSocket類實例，并指定本地的端口，用于監聽客戶端連接請求

ServerSocket sSocket=new ServerSocket(PORT);

2) 重復以下步驟：

a. 調用accept()方法獲取客戶端連接請求，并通過返回的socket實例建立一個與客戶端的連接

Socket client=serverSocket.accept();

b. 通過DataInputStream類創建輸入流，接收客戶端傳來的數據包并保存為圖像

InputStream in=client.getInputStream();

c.圖像接收完畢后，通過調用Socket類的close()方法關閉連接。

圖5 基于TCP協議的圖片傳輸流程圖

四、系統實現與測試

系統采用C/S體系架構，客戶端采用N7100三星智能手機為采集平臺，以帶有Android開發包插件(Android development toolkit，ADT)的Eclipse集成環境為開發平臺，服務器端采用MyEclipse編程環境，基于上述關鍵技術實現了可定位圖像移動采集系統。

1. 圖像采集測試

提取可定位圖像中存儲的經緯度、方位、地址等參數信息，并自動將位置、方位標注于百度地圖上，驗證采集方法的正確性、有效性。通過標注與實地位置對比，發現拍攝位置由于GPS單點定位精度影響存在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前圖像的拍攝位置，扇形的區域范圍代表了拍攝方向及視野范圍，也可通過點擊扇形標注，獲取圖像、經緯度值、方位值、時間及地址描述，如圖6(b)所示。

圖6 可定位圖像采集終端界面

2. 圖像無線傳輸測試

網絡測試環境：采集端采用包括移動、聯通及電信三大網絡運營商不同制式、不同傳輸速度的無線網絡，服務器端采用電信小區寬帶，帶寬為10 MB。傳輸對象：一幅640像素×480像素分辨率的圖像，圖像大小為91.9 KB。測試方法：在同一地點、同一時間采用不同網絡分別進行10次無線傳輸測試。采集端與服務器端界面如圖7所示，(a)為采集端網絡設置界面，用于設置服務器IP地址及端口號；(b)為服務器端系統界面，系統接收到圖像后，在地圖窗口中顯示圖像的采集位置與方位，同時在界面下方顯示圖像本身，以及采集時間、采集地址、經緯度值、方位值等參數信息。

圖7 可定位圖像無線傳輸界面

測試結果見表1，采用2G網絡、3G網絡均能順利并可靠完成可定位圖像傳輸，測試中發現3G傳輸速度相對較快，可滿足更高分辨率圖像的傳輸需要，服務端接收到的圖像未出現缺失、模糊現象，說明基于TCP無線圖像傳輸方案是可行的。

表1 可定位圖像無線傳輸測試結果

五、結束語

本文提出了可定位圖像表達模型，通過Android移動終端實現了圖像信息、方位信息、定位信息及地址描述信息等多要素實時采集和綜合集成，同時從傳輸效率與可靠性方面，分析了無線傳輸機制的優缺點，并基于TCP傳輸方式實現了圖像無線傳輸功能。通過測試表明，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，而且在地圖上能準確反映拍攝位置與方位，同時采用不同制式、不同速率網絡均能確保數據在傳輸過程中未亂序丟包，可靠地實現圖像傳輸。該方法不僅豐富了GIS采集方式，而且為數字城管、環境監察、野外考察等行業應用提供了參考價值。

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