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1、2 0 0 8年 4月 第 6卷 第 2 期 地理空间信息 GEOS PATI AL I NFORMATI ON Ap r ，2 0 08 Vo 1 6 No 2 视频 G I S数据采集系统的设计与实现 郭 浩，孔云峰(河南 大学 中澳地理信息分析与应用研究所，河南 开封 4 7 5 0 0 4)摘 要：视频 G I S数据采集 系统是将地理信息与视频影像 实时 自动 集成，生成空间位 置与视 频影像相融合的超视 频信息。在视频 G I S数据模型原理的基础上提 出了在视频采集的 同时，按 照一 定的时间或空间间隔，记 录地理 坐标、速度和相对应 的视 频帧数，通过建 立视 频时间或视频 帧
2、与其地理位置 坐标、速度的对 照表，来实现视频数据 与空间地理数据 的有机 集 成。并详 细的阐述 了该 系统的设计和 实现。关键 词：地理信 息 系统；视频 G I S；视频采集；G P S；VF w 中图分类号：P 2 0 8 文献标 志码：B 文章编号：1 6 7 2 4 6 2 3(2 0 0 8)0 2 0 0 8 1 0 3 De s i g n a n d I mpl e m e n t a t i o n o f Vi d e o GI S Da t a Ca pt ur e S ys t e m GU0 Ha o，K ONG Yu n f e n g (C h i n a-A
3、 u s t r a l i a C o o p e r a t i v e R e s e a r c h C e n t e r f o r G e o g r a p h i c I n fo r m a t i o n A n a l y s i s a n d A p p l i c a t i o n s，H e n a n U n i v e r s i t y，K a i f e n g 4 7 5 0 0 4，C h i n a)Abs t r a c t：A v i d e o c a pt u r e s y s t e m i n Vi d e o GI S a i m
4、s a t c o mb i n i n g g e o-r e f e r e n c e d v i d e o i n for ma t i o n wi t h t r a d i t i o n a l g e o g r a p hi c i nfor ma t i o n，a n d e s t a b l i s h i n t r i n s i c l i n k b e t we e n v i d e o s p a c e a n d ma p s p a c e i n o r d e r t o p r o v i d e a mo r e c o m p r e
5、 h e n s i v e u n d e r s t a n d i n g o v e r s p a t i a l o b j e c t a n d s p a t i a l p h e n o m e n o n A w a y o f i n t e g r a t i n g v i d e o d a t a w i t h s p a t i a l d a t a i s d e s c r i b e d i n t h i s p a p e r t h a t wh i l e c a p t u r i n g v i d e o，t he y a r e b
6、 e i n g r e c o r d e d o f g e o g r a p h i c c o o r di na t e s，s p e e d a n d t h e c o r r e s p o nd i n g v i d e o f r a me c o un t i n a c e r t a i n i n t e r v a l o f t i me o r s p a c e a n d t h e n t h e c h a r t i s e s t a b l i s he d o f v i d e o t i me o r vi d e o f r a
7、me wi t h l o c a t i o n c o o r d i n a t e s a n d s p e e d I t wa s i n t r o d u c e d d e s i g n a n d i mp l e me nt a t i o n o f t he s y s t e m i n d e t a i l Ke y wo r ds：GI S；Vi d e o GI S；v i d e o c a p t u r e；GPS；VFW 视频 G I S是一个新兴的多媒体 G I S，研究视频信 息与地理空间信息的综合与交互应用 。常规 的多媒 体 G 1 S是
8、将视频数据当作地理实体的特殊属性，通过 空 间链接 的方 式播放 视频信 息 。而视 频 G I S建 立 空 间位 置和视 频 帧像 空间之 间 内在 关联，支持 地 图与视 频之 间 的交互操 作，可 应用 于公 路、铁 路、河流 等线 性设施 的管理。考 虑空 间位 置和视频数 据，建立视 频 G I S数 据模 型的研 究国内外尚不多见，但也有一些研究取得 了成 果 3-7 K y o n g H o K i m提 出 了 G e o V i d e c的概念，即把 视频本身作为一个 G I S系统，基于视频本身进行地图 浏 览、查询、编辑、空 间分析 等地 理操 作 il l。B e
9、 r r y (2 0 0 0)提 出了视频地图系统框架，即在视频的一个声道 中记录精确的位置和时间数据，并提 出了数据的外业采 集、内业处理与 实际应用 方案 3 1。N a v a r r e t e(2 0 0 2)将 收稿 日期：2 0 0 7 0 9 0 5 项 目来源：河南省高等学校创 新人才基 金资助项 目。视频影像和地理信息相结合，即建立视频片断的地理索 引，生成 能在地理 环境 中调用 的超视 频(h y p e r v i d e o)。S e u n g Y o n g L e e(2 0 0 3，2 0 0 6)提 出 了移 动 制 图 系统 4 S V a n的设计
10、。国内武汉大学开发的移动测量系统(MMS)综合用 GP S(全 球定位 系统)、CC D(视频 系 统)、I NS(惯 性 导航 系统)或航 位推 算 系统 等技 术，快速 采 集道路及 道路 两旁地物 的空间位 置数据 和属性 数 据。孔 云峰(2 0 0 7)在应 用 项 目中完成 了一 个公路 视 频 G I S，实现 了视 频和地 图的同步播放和 交互 查询。综合 地理信 息的视 频数据模 型是视频 GI S 的核 心，数 据 采 集、编辑 和 交互操 作是 其 关键 技 术。本 文尝试 利 用 G P S 和数码视 频技 术，设 计视频 数据 采集 系统，提 出 系统 的 实现 方法
11、和程序 设计技 巧，为视 频 GI S应 用 奠定基础。维普资讯 http:/ 8 2 地 理 空 间信 息 第 6 卷第 2期 1 数据采集 系统的总体 方案设计 视 频 G I S数据模 型原 理是在视 频数据 中加 入地理 位 置和其他 辅助信 息，同时，在地理 数据 中加 入视频 数据 的位 置或线路 信 息，并设 计元数 据，对 视 频数据 作概要 描述，方便 超视频 数据 的 查询 和检 索。本文提 出在视频采集的同时，按照一定的时间或空间间隔，记 录地 理 坐标、速度 和相对 应 的视 频 帧数，并将 它们保 存在一个独立的文件中。通过建立关键视频帧与其地 理位置坐标、速度的对照
12、表，实现视频数据与空间地 理数据 的交互式查询。本 系统分 为 两个模 块：视 频影像 采 集模 块 和 空间 信息采集模块。视频影像采集模块接收从摄像头或其 他视 频输入设 备输 入 的连续视 频 图像，实时显 示并记 录视频帧数，然后存入计算机硬盘中，形成地物的视 频数据。空间信 息采 集模 块主 要是 通过 G P S接 收机采 集地物 的地 理 坐标，记录摄 像 头的位 移速度，并 同时 记 录与 当前视 频采 集 的视 频 帧数，通 过 简单 插值 方法 对 地理 坐标 进行插值，生成 包含 空 问地 理信 息 的视 频 索 引文本 文件。数据 采集流程 图如 图 1 所 示。视频采
13、集 模块、，1 lJ 息采 模映 l J j 始 七 C c D摄像机 初始 L GP S 接收机 I 一 一 一一 i一 视频采集参数设 读 j I S 到缓 l l lx 一一 +；捕 捉 每 帧 视 频 数】lfj 经 纬 堕、述 1一 一 r 度、1 衙 的 、r l=【l l 频 帧 数 C cd e c 史 州 jK 视 频 频 IrJt l 一一 一 生 一 一 一 流 e 划地理嫩标进行 值计算 l _ 一 A v I n m 屯 地娜!n t 数批 I 1 磁 船艾什 V i d e o I、t。I；妞 税频索0 J Vide o A VI 文f 小 史件 图 1 数 据 采
14、 集 流 程 图 2 数据采集系统的软硬件组成 2 1 系统硬件组成 系统的硬件部 分主要 包括：C C D数 字摄像 头、G P S 接 收机、便携 式 电脑。C C D数 字摄 像 头和 GP S 接 收机 通 过 US B接 口和便携 式 电脑相 连，C C D数 字摄像 头把 图像转化为数字视频信号通过 U S B接 1：3 存储在计算机 硬盘中，同时计算机通过 串口通信技术记录 G P S接收 机上 的 G P S数 字信息。2 2 系统软件部分 系统 的软 件部 分是一个基 于 V F W(V i d e o f o r Wi n d o w)和 MS C o mm控件 的多线程应
15、 用程序，用 V C“6 0 编 写。VF w 是 Mi c r o s o f t 公 司推 出的 关于数字视 频开发 的一个软 件 包，包含 一整 套 关于视 频采 集、编码、解 码、回放和 编辑的应 用程 序接 口。VF w 不依 赖 于硬 件，提供 的接 口可 以被 大多数 的视频 采 集卡所 支持。vF w 的 A V I C a p窗口类能够直接访 问视频缓冲区，而不需要 生成 中间文件，具有很 强的 实时性。MS C o mm控件 是 Mi c r o s o f t公司开发 的专门用于串口通讯的控件。利用 MS C o m m控件编程原理上比较简单，实现容易，不必 了解 细节。
16、3 数据采集 系统的实现 3 1 视频 影像数据 的采集 视 频采集 系统软件 部分 的核 心是 对 V F w 函数 的一 系列操作，其 主要 实现 流程如 图 2。图 2 视 频捕捉流 程图 首先必须使用A VI C a p 窗口类创建一个与视频硬件 相 连 的捕获 窗，它是 所有 的视 频捕获 操作 及其他 设 置 的基础。其 次设 置视 频 格 式、预 览模 式、预 览模 式 的 显示速率等参数。再次设置必要 的系统回调函数，如 出错处理、流捕获或帧捕获等回调函数，并通过相应 的宏 注 册 回调 函数。视 频数 据 的采集是 整 个应用 的 关 键，根据应 用 的 不同可 以将视频 帧
17、存储 到 的文件 或采 集到缓存 直接 加 以处理。系统对 视频数 据 进行 实时压 缩后 再存 入硬 盘 最后 终止捕捉 断开连接 释放 系 统 资源。如何把视频帧数传递给 G P S数据采集线程，在视 频采 集 系统 中 自定 义 了全局 变量 i n t n f a me，用 于记录 写入视频文件 中的当前帧数。n ff a me在系统中有多个 线程 共 享，可 能被 同时访 问，必须 定 义一个 临界 区对 象C C r i t i c a l S e c t i o n c r i t i c a l s e c t i o n 解决资源的访问冲突，实现与 G P S数据采集模块线程
18、的通信。在视频捕捉过 程中并非所有的捕捉的视频帧都被写入视频文件中，视 频捕捉存在丢失帧的现象。在 C A P S T A T U S数据结构 维普资讯 http:/ 第 6卷第 2期 郭浩 等：视频 GI S数据 采集 系统 的设 计与 实现 8 3 中的d w C u r r e n t V i d e o F r a me 参数表示捕捉的当前所捕捉 的视频帧数，d w C u r r e n t V i d e o F r a me s D r o p p e d参数表示 当前丢失的帧数，两者相减即为记录到视频文件 中的 当前视频帧数。在 G P S数据采集的同时记录这个变量。c r i
19、 t i c a ls e c t i o n Lo c k()；nf r a me：d wCu r r e n t Vi d e o F r a med wCu r r e n t Vi d e o F r a me s Dr o p pe d；c r i t i c a ls e c t i o n Un l o c k()；另外，没有 经过压缩 的原始 A VI 格 式数据(R a w D a t a)的数 据 量是相 当大的，因此数据 的 实时压 缩是 视频 采集 系统 必须要解 决的 问题。为解决这 一 问题，我 们可 以使用 Wi n d o w s自带 C o d e c(C o
20、 mp r e s s o r De c o m p r e s s o r，编解码 器)，也可 以使 用第三 方厂 商给我们 提 供的各种通用和专用的 C o d e c。综合考虑本系统最终采 用 I n t e l I n d e o V i d e o 5 1 0编解码 器进行 A V I 文件压 缩，满足 实时压缩 的需求。3 2空间信息 的采集 U S B接 口的 G P S接收机把 G P S模块、天线和 串 口 U S B片集成在一起，通过串口 US B接 口转换 器，并 安装驱动程序可以把 US B接 口模拟成串口。因此 G P S 数据接 收程序应用串口编程具有可移植性，系统
21、使用 微软公 司开发 MS C o mm控 件 实现 串 12 1 通信。在进行 串口通信 时，必须先打开 串口并初始化，然后 才 能开 始数据 的发 送 和接 收，通信 完成后 应及 时 关闭串口。串口初始化主要用 C MS C o m m 类提供的方 法完成对 串1 2 1 的参数的设置，包括使用的端口、通信 波特率、数据位数、奇偶校检、停止位数等参数。参 数 设置后 就可 以打开 串口开始接 收数 据。G P S数据 的读取 主要 使用 C MS C o mm 类成 员函数 Ge t I n p u t 在 O n C o mm 事件 中来完成对缓冲区数据流的 接 收操作。从 G e t
22、 I n p u t 函数 返 回的值 是 V A R I A NT类型 数 据，因此 对二进 制数据 与 V AR I ANT类型 数据 的转换 是主要难 点。C O l e S a f e A r r a y类可 以直接接 受 V A R I A NT 类型 的变量，因此 引入一 个 C O l e S a f e A r r a y类 的对 象，先把 V A RIA N T 类型 的值 存入 到该对 象中，然后调 用 C O l e S a f e A r r a y 类的 G e t E l e me n t 方法把数据存 入缓 冲 区，最后把缓冲区的数据传给字符 串对 象，为下一步数
23、据 分析做 准备。串口通信遵 守一 定的通 信协议 进行 传输，要 获 取 GP S中的所需数据，必须对 G P S数据进行解译。对遵 循NME A0 1 8 3 协议 的读取 G P S 数据 的分析 处理方法为：先分析 G P S语句的结束标志 C R和 L F以找出最新的 G P S 语 句，再根 据 G P S数据 格 式规 定 的数 据顺序、位 数以及数据分割符等特征提取各个字段。由于 GP S 的数据 读入 是一秒 中处理 一次，因此要用 S e t T i me r函 数设置一个定时器，每秒发送一次 WM T I ME R消息。在 O n T i me r函数 中响应 wM T
24、I ME R消息，分析处理 G P S数据，同时记下相对应的视频帧数，最后经纬度、速度 和对 应 帧数等 写入 与视 频 文件相 对应 的 同名 文本 文件 中，形成 包含地 理 空 间信 息 的原始 索 引文件。退 出系统 时，调用 Ki l l T i me r函数 关闭定时 器。3-3 视 频索引文件的生成 视 频采 集频率和 G P S接 收机频 率不 同导致视 频 帧 数 多于 G P S数据 接 收次数，视 频 帧不能和 空间位置一 一对 应。因此在 空间采 集模块 生成 的原始 索 引文件 的 基础上，通过线性 内插的方法计算 出每一视频帧所对 应 的地理 位 置 坐标，重新 写
25、入 新 的文本 文件 中，完成 视频 索引文件 的生 成，实现视 频帧 与空 间位置 的一一 对应。拍摄过程 中车速的变化影响，必须根据车速的变 化采取 不 同的插值 方法。对地 理位置 的插值 方法如下：设 当前 帧号 为 ，介 于 关键 帧号 和 之 间，州和 分别 为关键 帧 号知-和 啦的速度，(Y )、(，)和(X k e y：，y k y 2)为视 频帧 和知：多对 应 的空 间坐标。当工程车 匀速运 动时，孕 一 砺)J k e y 2 J 、r，c“=)，研 c u r -=k e y l z -)当工程 车 匀变速运 动(启动、刹 车停 止的 过程在 短 时间 内可看 成 匀
26、变速 运动)时，+X k ey 2-X f)-+魁 2一 )4结语 本 系统的创新之 处是 建立一个 G I S 基本数据模 型，即对视 频数 据 和地理 空 间信 息进行 了有机 集成，生成 了适合视频 G I S的元数据。实践表明，本系统提 出的 基本思想和技术方案是可行的。系统具有文件结构简 单，采集获得的每个视频文件只对应一个索引文件，采 集过程中无需人 为干涉等特点，在公路 养护、河流整 治、城市管理等领域 中有极 高的应用价值。同时需要 指出，本 系统还是一个实验 系统，尚需进一步完善，以 形成 完善、实用的数据 采集 系统。本 系统仅 仅是视 频 G I S 的一个 开端，展 望
27、 未来，还有很多工作。其主要有：1)对于系统本身需利用动 维普资讯 http:/ 2 0 0 8年 4月 第 6卷 第 2 期 地理空间信息 GE OS P AT I AL I NF 0RMAT 1 0N Ap r ，2 0 0 8 Vo 1 6 No 2 基于 A r c S D E的人防地理信息系统数据库设计 李 国慧(潍坊学院，山东 潍坊 2 6 1 0 6 1)摘 要：根据某市人防空间和属性数据 的特 点，阐述 了人 防地理信 息系统数据 库的设计 原则，介 绍了基 于A r c S D E的人 防 地理信息 系统数据 库的体 系结构、建库总体 方案和 建库 总体 流程。数 据库的建立
28、为城市防空指挥 自动化 建设提供 了有 力的 技术支持。关键词：地理 信息系统；人 防地理信 息 系统；A r c S D E；g e o d a t a b a s e；数据库 中图分类号：P 2 0 8 文献标志码：B 文章编号：l 6 7 2 4 6 2 3(2 0 0 8)0 2 0 0 8 4 0 3 De s i g n o f GI S Da t a ba s e f o r Ci vi l Ai r De f e ns e Ba s e d o n Ar c SDE L I Gu o h u i(We i f a n g U n i v e r s i t y，We i f a
29、 n g 2 6 1 0 6 1，C h i n a)Abs t r a c t：Ac c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f s p a c e a n d a t t r i b u t e d a t a f o r u r b a n a i r d e f e n s e，t h i s p a pe r de s c r i be d d e s i g n p r i n c i p l e s o f t h e a i r d e f e n s e GI S d a t a b a s e，i n
30、t r o d u c e d a r c h i t e c t u r e，p l a n a n d c o n s t r u c t i o n p r o c e s s 0 f t h e d a t a b a s e b a s e d o n Ar c S D E B u i l d i n g t h e d a t a b a s e p r o v i d e s a s t r o n g t e c h n i c a l s u p p o a f o r t h e u r b a n air d e f e n s e c o mma n d K e y w
31、o r ds：GI S；GI S for c i v i l a i r d e f e ns e；Ar c S DE；g e o d a t a b a s e；d a t a ba s e 具有一定规模的城市通常是一定地 区范围内的政 治、经济、文化、军事 中心和交通枢纽，既是人 类生 产和生活的空间场所，也是军事活动的重要载体。所 以，现代城市是重要的军事 目标，是战争实力和潜力 的标志，必将成为战争争夺的焦点，更是决定战局的 重要战场 川。一旦爆发局部战争，敌我双方将不可避 免的围绕一些重要城市展开一系列的争夺战。因此研 究城市人 防地 理信 息 系统，加 强人 防指挥 自动化 建设
32、具有 重要 的现 实意 义 2,3 1。收稿 日期：2 0 0 7 0 3 2 7 、，已 j 已、，j C一，已j 已j C j I ，已 态差分 G P S 技术提高数据精度；2)基于 G I S线性参照 模型，采用 E S R I S h a p e F i l e数据格式，建立视频影像 索引图层，实现从地图到视频影像查询；3)对于视频 G I S应 用，还 需要开发 专 门的 交互查询 与动 态播 放 系 统，用于公路、街道、河流等设施的管理。参 考文献 1 Ki m K H，Ki m S S，Le e S HTh e I n t e r a c t i v e Ge o g r a
33、p h i c Vi d e o I GARS S 0 3 P r o c e e d i n g s C T o u l o u s e，F r a n c e：I EE E I n t e r n a t i o na 1 2 0 0 3 5 9 6 1 2 C a r t wr i g h t W，Hu n t e r G J T o wa r d s a Me t h o d o l o g y f o r t h e Ev a l u a t i o n o f Mu l t i me d i a Ge o g r a p h i c a l I n f o r ma t i o n
34、 P r o d u c t s J Ge o I n f o r ma t i c a，2 0 01(3)：2 9 1 3 1 5 1 人防地理信息系统概 述 人 防地 理信 息 系统是一 个 以地 理信 息为基 础、以 人 防设施 资源信息为主要管理对象的应用型辅助决策 指 挥 系统，它通过 在数 字地 图上显 示 出的必要 的静 态 和动态信息，直观、清楚地 了解城市当前人 防设施和 预案的基本情况。开发系统的 目的是建立一个能快 速地提供实时性强，真 实、准确反映人防资源信息，并 能实现快速查询、综合分析和辅助决策等操作的综合 3 B e r r y J K Ca p t u r e
35、Wh e r e a n d Wh e n o n Vi d e o Ba s e d GJ S J GE OWORL D，2 0 0 0(9)：2 6 2 7 4 L e e S Y，Ki m S B C h o i J H 4 S Va n：A P r o t o t y p e Mo b i l e Ma p p i n g S y s t e m f o r GI S J Ko r e a n J o u r n a l o f Re mo t e S e n s i n g，2 0 0 3 (1)：9 l 一 9 7 5 L e e S Y，C h o i K H，J o o I H
36、 De s i g n a n d I mp l e me n t a t i o n o f 4 S V a n：A Mo b i l e Ma p p i n g S y s t e m J】E T R I J o u r n a l，2 0 0 6(3)：25 6 2 73 6 孔 云 峰 一 个公 路 视 频 GI S的 设 计 与 实现 J 公 路 2 0 0 7(1)：l l 9 一 l 2l 7 韩鹏 地理信 息系统 开发一 Ma p O b j e c t s 方法 M 武汉：武汉大 学 出版社，2 0 0 4 第一作者简介：郭浩，硕士研究生，主要研究方 向多媒体 G I S 和移 动 GI S。维普资讯 http:/