专利名称：一种数字照片自动空间标识及索引方法
技术领域：
本发明涉及空间信息技术领域，尤其涉及一种面向农业资源环境 信息数字化釆集管理应用领域的数字图像空间位置标识及索引方法。
背景技术：
农业资源环境数字化釆集管理技术已经成为促使资源消耗、环境 污染和生态脆弱的传统农业向资源节约、环境友好、生态保护的可持 续发展农业迅速过渡的一个关键技术手段，同时也是精准农业技术体 系中的关键环节，是实施精准农业的前提条件。近年来，随着精准农
业和以"3S"技术为代表的空间信息技术在农业领域的快速发展和应 用，农业资源环境信息数字化采集管理技术已经逐渐得到应用推广。 如基于GPS的测土配方土壤调查、农田病虫害信息釆集、林草生长 信息监测调查等领域中都充分应用了 GPS、 GIS和RS等空间信息信 息技术手段。地理信息系统管理空间对象的属性信息主要是文本和数 据信息，这些属性信息多用于对空间对象的定性描述性表达和基于数 值的定量表达。但是，仅仅基于文本和数值对空间对象的描述往往还 远不能满足实际工作需要，如在野外现场采集作物病虫害信息过程 中，文字和数值信息就不能全面表达某种作物病虫害特征信息。如何 能够在GIS系统中更加生动直观全面的表达空间对象的属性成为农 业资源环境信息数字化采集管理工作的新要求。随着多媒体技术曰益 成熟， 一些用于多媒体信息获取的软硬件设备如数码相机、数码摄像 机等已经广泛应用于生产、科学研究和个人生活等各个领域，且性价 比逐步提高。这就使得现场数据釆集过程中大量采集数字图像信息成 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。 一些学者已经研究在GIS平台中集成多媒体数据，将多媒体数据存储在特定目录的媒体数据库中，通过关系数据库建立与空间实体的 关联。
传统地理信息系统软件管理数字照片的方法多以热链接的方式 将数字图像信息直接硬性关联到某一地理空间对象上，不能将数字图 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。这种方法的主要缺陷在于
(1)没有将数字照片釆集、管理和应用作为一个完整流程结合 起来，仅仅关注数字照片的地理信息系统软件中使用和表达，不适合
进行大量数字照片文件管理；
(2 )传统方法以数字照片文件在操作系统文件管理中的存储的
绝对路径作为关联空间矢量对象和数字照片的链接纽带，当照片文件 的存储位置变动会导致这种硬性指定的关联失效，缺乏灵活性。
(3)传统空间矢量对象和数字照片属性关联方式对于不同应用 系统之间的数据交换困难，需要在空间矢量文件和数字照片文件在新 系统中绝对存储路径不变的情况下才能保证关联的有效性。
因此，如何将GPS、 GIS和多媒体技术集成，研究空间多媒体信 息釆集融合方法和技术，打破传统GIS在农业资源环境数据管理上 的局限性，扩展GIS系统对空间矢量数据和多媒体属性数据的支持， 对于提高农业数字资源釆集管理的效率、精确性、直观性和科学性具 有创新性意义。就精准农业意义而言， 一幅现场釆集的数字照片的真 正价值在于清楚获取这幅照片的准确位置。然而，给数字图像建立空 间位置标签是一个耗时费力的过程，特别处理野外现场大量釆集数字 照片情况下。
发明内容
本发明目的是实现一种面向农业资源环境信息数字化釆集管理 应用领域的数字图像空间位置索引方法，实现GPS位置数据与数字图 像信息自动融合；同时，实现在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方法，实现gis环境下基于空间对象的数字图 像属性快速索引与查询浏览功能。
为实现上述目的，本发明提供了 一种数字照片自动空间标识方
法，所述方法包括
Sl:读取数字图像p,的多媒体属性数据，所述属性数据包括其拍
摄时间？;；
s2:通过gps设备获取地物对象f的空间位置数据^和时间属性 数据，所述时间属性数据包括其定位时间r,;
s3:计算得到所述gps设备的定位校准时间《；
s4:若l7;+《-r」^f，则识别所述数字图像与所述地物对象相匹 配，将所述空间位置数据写入所述多媒体属性数据中，其中c为一预 置可调的参数。
其中，所述拍摄时间7;存储于f exififd标签中；
其中，所述gps设备包括gps接收机；
其中，所述空间位置数据为所述地物对象的经纬度位置坐标 (丄a。,Z朋》J
进 一步地,所述步骤s3通过读取所述gps设备的配准照片实现， 所述配准照片为显示所述gps设备时间信息页面的照片；
其中，步骤s4中，所述空间位置数据被写入f的gps ifd标签
段；
进一步地，步骤s3包括
由所述配准照片读取其拍摄时间7;和gps设备的utc时间7;;
将所述utc时间7;转化为本地时间7;;
计算得到所述gps设备的定位校准时间《=|r,-z;|。
本发明的另 一个方面提供了 一种基于空间位置的数字照片索引
方法，包括
读入一组具有空间位置标识的数字图像文件尸=",/ 2,.../7,...，凡};读取每 一 数字图像文件A的空间位置数据(Z气,￡ 0 ,); 根据所述空间位置数据生成空间矢量点对象f,丄卵,)，构成矢 量图层F;
将矢量点对象《(z"(,i:o",)所对应的数字图像文件A的相对存储
位置写入所述矢量图层F的属性信息内。
其中，所述空间位置数据(丄",/,^",)存储于《的GPSIFD标签段； 其中，所述矢量图层F可以转换为ESRI Shp文件格式、Maplnfo
Tab格式等通用地理信息系统矢量数据文件格式或Html数据格式。 与现有技术相比，本发明具有以下优势
(1) 本发明将数字照片釆集、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釆集、空间位置标识索引 和数据交换方法，突破了传统地理信息系统管理属性数据的局限性；
(2 )本发明提出了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；
(3) 本发明提出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；
(4) 本发明提出空间多媒体数据的转换方法，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 数据的釆集管理和共享。
本发明的有益效果
(1 )数字图像的空间索引方式扩展了传统GIS系统对空间矢量 数据和多媒体属性数据的支持，打破数据管理上的局限性，有利于提 高数字资源釆集管理的效率、精确性、直观性和科学性。
(2) 基于GPS、 GIS和多媒体技术和野外数据釆集方法，提出空 间多媒体信息釆集融合方法和技术，打破传统GIS在农业资源环境数据管理上的局限性，扩展GIS系统对空间矢量数据和多媒体属性数据 的支持，对于提高农业数字资源釆集管理的效率、精确性、直观性和 科学性具有创新性意义。
图l是本发明标识方法的
图2是本发明标识方法的
的数字照片；
图3是本发明索引方法的 图4是本发明索引方法的
具体实施例方式
商品化数码相机(Digital Still Camera, DSC)所拍摄的数字照片 格式文件都釆用可交换图像文件格式EXIF ( Exchangeable Image File format)来记录数码照片的属性信息。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 在拍摄时实时釆集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，包括数码相机品牌和型号、色彩编 码、摄影时的光圈、快门、闪光灯数据、日期时间等数据。本发明针 对数码相机拍摄的数字照片进行空间标识的方法就是基于扩展EXIF 属性信息的思想，在数字照片文件中写入匹配的空间位置数据，实现 对数字照片的空间标识。
数字照片JPEG文件头中定义了 一些用来区分和识别图像数据及 其它相关信息的标记(Marker), —般由S01、 APP1、 APPn、 DQT、 DHT、 SOF、 SOS、 EOI等8个主要部分组成。可以利用APP1标记 中的IFD(Image File Directory)链表存储结构的GPS IFD来存储经纬 度位置信息和高程、GPS时间等其他相关GPS信息。EXIFIFD中包 括EXIF版本、影像设置、日期时间、曝光时间等拍摄参数信息。本 发明方案中用于数字照片标识的空间位置来源于GPS接收机。GPS
一个实施例的流程一个实施例的具有空间位置和时间标识
一个实施例的流程图； 一个实施例的索引结果示意图。接收机的任何一个有效位置输出均对应一个标准的UTC (Universal Time Coordinated )时间。普通的商品化GPS接收机均提供 NMEA-0183协议语句输出，其中的GGA语句、RMC语句等均包含 UTC时间和经纬度位置信息。
基于上述数字照片文件格式和GPS数据信息，本发明提出基于时 间容限阈值的数字照片空间位置标识方法，现结合附图和实施例说明 如下
如附图1所示，本发明的标识方法的一个实施例包括以下步骤
S101:数字照片空间标识的数据准备；
更具体地，
S1011: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)；
S1012:读入显示GPS设备时间信息页面的照片，以下简称配准 照片；配准照片可以通过普通数码相机拍摄GPS手持机显示时间的 界面获得。
具体地，从配准照片文件中读出照片拍摄时间7;,同时，获取配 准照片上显示的GPS设备UTC时间r"。将GPS设备UTC时间化转 换为本地时间i;, r。和r,的差值即为校准时间《；其中，UTC时间和 本地时间之间的转换即通过时区转换得到。
S102:设定时间阈值"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，其中，时间阈值是一个可调的参数；时间阈 值的设定标准由定位过程航迹点记录的时间间隔决定， 一般取时间阔 值至少大于相邻两个航迹点记录的时间间隔。
S103: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EXIF IFD标签中的曰 期时间信息r,，将该时间值与GPS语句时间值比较，满足设定阈值 条件的则认为匹配成功。更具体地
设 一 次读入m幅数字照片，构成数字照片集合P ， i^化,P2,.^…,Pm };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)，构成航点集合『，『=，...『,...,『 };对 于任意一幅读入的数字照片《，读取《EXIF IFD标签中的拍摄时间 7;以及读取在集合『中每个航点的定位时间^;其中，所述定位时间 都由GPS手持机自动记录，通过程序读出；如果满足如下条件
|r, +《-r,l"
则认为数字照片f与航点『,是针对同 一 地物对象^的照片信息 和位置数据，可以将数字照片f作为地物F的多媒体属性数据，K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(^,f)。 在此基础上，将航点^的经纬度位置坐标(丄A,i:朋,)和其他GPS相关 数据(如高程、PDOP、可见卫星个数等)写入f的GPSIFD标签段， 完成对数字照片f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。如图2所示，图中显示了包括拍摄 的目标对象实景、曰期、时间、经度、维度、高程和坐标系等详细信 息；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， 还可将此位置、时间信息作为标签显示在照片文件上。
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。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。
如图3所示为数字照片的空间位置索引方法的具体实施例流程 图，对于一个包含"幅具有空间位置属性的数字照片的集合P, P = {A,Jp2,...A...,Jp }，读取数字照片p,EXIFGPSIFD标签段，得到p,的 位置坐标(Z加,，丄。",)，由该坐标生成一个空间矢量点对象《(i^,，Zcm,)， 具体地，利用GIS组件的矢量对象访问接口函数可以直接根据点坐标创建并形成一个空间矢量点对象。由此，对具有空间标识的数字照片 集合尸可以读取并生成一个空间矢量点对象集合F，尸=化, 由K可以构建一个矢量图层，具体地，利用GIS组件的矢量图层对象 访问接口函数，创建一个矢量图层，并将空间矢量点对象集合中的每 个空间矢量点对象顺序写入该图层；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；具体 地，动态关联的过程就是通过读取矢量图层点对象属性中数字照片存
储路径，读取的方法同样是利用GIS组件的矢量图层对象访问接口函
数实现。再根据路径读取该数字图像文件并显示，达到动态关联的效
果。如图4所示为具有空间位置标识的数字照片的索引结果。
为了便于将建立空间位置索引的矢量图层和其他地理信息系统 应用软件进行数据交换，针对基于空间标识的数字照片生成空间矢量
索引图层进行数据转换，可以将空间矢量索引图层转换为ESRI Shp 文件格式、Maplnfo Tab格式等通用地理信息系统矢量数据文件格式。 同时，考虑一般应用和浏览需要，本发明提出了将这种数字照片集的 空间矢量索引图转换为Html数据格式，支持在微软正浏览器下的显示 和交互浏览。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关 技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明 的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1、一种数字照片自动空间标识方法，其特征在于，包括S1读取数字图像pi的多媒体属性数据，所述属性数据包括数字图像pi的拍摄时间Ti；S2通过GPS设备获取地物对象F的空间位置数据Wj和时间属性数据，所述时间属性数据包括其定位时间Tj；S3计算得到所述GPS设备的校准时间δt；S4若|Ti+δt-Tj|≤ε，则识别所述数字图像与所述地物对象相匹配，将所述空间位置数据写入所述多媒体属性数据中，其中ε为一预置可调的参数。
2、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述拍摄时间7;存 储于S EXIFIFD标签中。
3、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述GPS设备包括 GPS接收机。
4、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述空间位置数据 为所述地物对象F的经讳度位置坐标(Z^,，Zo .)。
5、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述步骤S3通过读 取所述GPS设备的配准照片实现，所述配准照片为显示所述GPS设 备时间信息页面的照片。
6、 如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S3进一步包括 由所述配准照片读取其拍摄时间t;和GPS设备的UTC时间7;;将所述utc时间7;转化为本地时间:r,; 计算得到所述GPS设备的定位校准时间《=|t; -t;I 。
7、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，步骤S4中，将所述 空间位置数据写入S的GPS IFD标签段。
8、 一种基于空间位置的数字照片索引方法，其特征在于，包括 读入一组具有空间位置标识的数字图像文件P"A,^,…/V.,;U;读取每一数字图像文件a的空间位置数据(丄吒,z。 )； 根据所述空间位置数据生成空间矢量点对象巧(i^.,Z,)，构成矢量图层F;将矢量点对象巧(丄m,^",.)所对应的数字图像文件a的存储位置写入所述矢量图层F的属性信息内。
9、 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述空间位置数据 (丄A,i:o",)存储于f的GPS IFD标签段。
10、 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述矢量图层F可 以转换为ESRIShp文件格式、MapInfoTab格式等通用地理信息系统 矢量数据文件格式或Html数据格式。
全文摘要
本发明涉及空间信息技术领域。本发明提供了一种数字照片自动空间标识方法，包括读取数字图像p<sub>i</sub>的多媒体属性数据，包括其拍摄时间T<sub>i</sub>；通过GPS设备获取地物对象F的空间位置数据W<sub>j</sub>和时间属性数据，包括其定位时间T<sub>j</sub>；计算得到所述GPS设备的校准时间δ<sub>t</sub>；若|T<sub>i</sub>+δ<sub>t</sub>-T<sub>j</sub>|≤ε，则识别所述数字图像与所述地物对象相匹配，将所述空间位置数据写入所述多媒体属性数据中，其中ε为一预置可调的参数。本发明的方法实现了GPS位置数据与数字图像信息自动融合；同时，实现在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方法，实现GIS环境下基于空间对象的数字图像属性快速索引与查询浏览功能。
文档编号G06F17/30GK101609458SQ20091008859
公开日2009年12月23日 申请日期2009年7月8日 优先权日2009年7月8日
发明者付卫强, 孟志军, 徐飞军, 赵春江, 陈立平 申请人:北京农业信息技术研究中心