余詠勝，易桂軒，尹言軍，高雅冰

(武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

近年來，無人機(jī)航空攝影技術(shù)發(fā)展迅速，因其具有精度高、速度快、成本低等優(yōu)勢(shì)，已成為空間數(shù)據(jù)獲取的一種重要手段，在城市規(guī)劃、國土資源管理、農(nóng)林監(jiān)測(cè)、災(zāi)害應(yīng)急等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。采用無人機(jī)設(shè)備進(jìn)行航空攝影時(shí)，部分?jǐn)?shù)碼相機(jī)可以直接獲取攝影時(shí)GPS定位信息，也有較多相機(jī)不能直接獲取定位信息，需要輔助POS等相關(guān)設(shè)備才能得到攝影時(shí)的位置和姿態(tài)信息。對(duì)于后一種情況，一般需要作業(yè)員根據(jù)需要將影像和定位信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理。

通常POS數(shù)據(jù)是以文本文件方式提供，作業(yè)員需要根據(jù)不同的無人機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所要求的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行整理，將指定路徑下影像文件和定位信息逐一關(guān)聯(lián)，輸入的任何字符遺漏、大小寫錯(cuò)誤或路徑變更等問題都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)導(dǎo)入失敗，需要反復(fù)檢查修改，給后續(xù)無人機(jī)影像自動(dòng)化處理工作帶來極大不便。本文針對(duì)這些問題，提出了基于Exif信息的無人機(jī)影像定位信息處理方法，并在Python環(huán)境下對(duì)該數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了程序?qū)崿F(xiàn)。

2 圖像文件的Exif信息

Exif是Exchangeable Image File(可交換圖像文件)的縮寫，它是由日本電子工業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)(JEIDA)制定的相機(jī)文件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，用來記錄攝影時(shí)的各種狀態(tài)參數(shù)[2，3]。Exif信息包含了TIFF/JPEG等圖像文件格式的攝影參數(shù)信息，它將攝影時(shí)的光圈、快門、白平衡等參數(shù)信息、相機(jī)品牌型號(hào)、圖像尺寸、攝影時(shí)間以及GPS定位等信息以文件頭形式存儲(chǔ)在TIFF/JPEG文件中，在Windows系統(tǒng)中可以通過文件屬性查看圖像的詳細(xì)Exif信息。

以JPEG文件為例，影像文件由標(biāo)記塊組成，每個(gè)標(biāo)記塊由2字節(jié)標(biāo)記碼0xFFXX標(biāo)記描述信息，所有JPEG文件都是以0xFFD8表示圖像開始(SOI)，0xFFD9表示圖像結(jié)束(EOI)，其中0xFFE0～0xFFEF之間的標(biāo)記稱為應(yīng)用標(biāo)記。JPEG文件常用的應(yīng)用標(biāo)記有Jfif和Exif兩種類型，Jfif使用APP0(0xFFE0)應(yīng)用標(biāo)記來插入數(shù)碼相機(jī)的配置信息和縮略圖信息，為了避免與Jfif信息沖突，Exif使用APP1(0xFFE1)來標(biāo)記信息。Exif標(biāo)記記錄的攝影信息更加全面，目前除部分老式數(shù)碼相機(jī)采用Jfif應(yīng)用標(biāo)記外，主流的數(shù)碼相機(jī)均使用Exif規(guī)范來存儲(chǔ)攝影相關(guān)參數(shù)信息。

Exif信息以IFD結(jié)構(gòu)方式保存，APP1應(yīng)用標(biāo)記中包含2個(gè)IFD結(jié)構(gòu)：IFD0用來存儲(chǔ)主圖的元數(shù)據(jù)信息，IFD1用來存儲(chǔ)縮略圖的元數(shù)據(jù)信息。IFD0除了包含常規(guī)攝影參數(shù)信息外，還包括Sub IFD項(xiàng)(包含Interoperability IFD和MakerNote IFD子項(xiàng))和GPS IFD項(xiàng)，其中GPS IFD項(xiàng)就是用來存儲(chǔ)圖像的GPS定位相關(guān)信息，GPS信息的標(biāo)簽值、字段名稱和類型等參數(shù)如表1所示。部分無人機(jī)攝影時(shí)，數(shù)碼相機(jī)可通過Exif信息直接記錄攝影瞬間影像的GPS相關(guān)信息。

GPS屬性信息表 表1

續(xù)表1

值得注意的是，應(yīng)用標(biāo)記并不是JPEG圖像解碼的必要標(biāo)記信息，通過Photoshop等圖像處理軟件編輯過的影像可能會(huì)刪除APP0或APP1標(biāo)記，同時(shí)插入APP2(ICC色彩配置)、APP13(Photoshop IRB圖像資源)、APP14(Adobe標(biāo)識(shí))等應(yīng)用標(biāo)記，從而造成Jfif/Exif信息的丟失。

3 基于Python的定位信息處理

Python是一種面向?qū)ο蟮慕忉屝统绦蛟O(shè)計(jì)語言，首次公開發(fā)行是1991年，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，Python已成為廣泛應(yīng)用的編程語言之一。從ArcGIS 9開始，Python作為使用ArcObject空間處理框架的腳本語言與軟件其他組件一起自動(dòng)安裝到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上[4]。Python程序不需要像其他編程語言那樣編譯成二進(jìn)制代碼即可運(yùn)行，同時(shí)還可以通過標(biāo)準(zhǔn)庫和第三方擴(kuò)展庫拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，ArcGIS軟件缺省安裝的Python是2.7版本。

3.1 提取影像文件的GPS信息

在Python中操作影像文件的Exif信息需要使用pyexiv2第三方擴(kuò)展，該擴(kuò)展庫是C++程序庫exiv2的綁定，用于操作Exif、IPTC和XMP圖像元數(shù)據(jù)等信息。通過pyexiv2擴(kuò)展庫，程序可以自動(dòng)定位到GPS IFD塊，并根據(jù)表1中的GPS屬性字段名稱獲取所需的GPS信息。在Python中調(diào)用pyexiv2擴(kuò)展庫的函數(shù)，需要使用以下代碼：

from pyexiv2 import *

在讀取影像文件的GPS信息之前，必須通過GPSTag標(biāo)簽判斷GPS信息是否存在，然后根據(jù)GPS屬性字段名稱獲取對(duì)應(yīng)的GPS定位信息。根據(jù)影像文件的Exif信息讀取攝影時(shí)經(jīng)度、緯度和高程值等信息的相關(guān)代碼如下：

dms2deg=lambda lst：float(lst[0])+float(lst[1])/60.+ float(lst[2])/3600.

im=ImageMetadata(r'd： est.jpg')

im.read()

if "Exif.Image.GPSTag" in im.exif_keys：

lst1=im["Exif.GPSInfo. GPSLongitude"].value

lng=dms2deg(lst1)

lst2=im["Exif.GPSInfo.GPSLatitude"].value

lat=dms2deg(lst2)

alt=float(im["Exif.GPSInfo. GPSAltitude"].value)

通過Exif.GPSInfo標(biāo)簽返回的經(jīng)緯度數(shù)值為度分秒形式的字符串列表，必須將字符串轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)值后再換算成小數(shù)度形式，方便后續(xù)矢量要素生成等操作。

無人機(jī)航空攝影完成后，往往需要快速地將像主點(diǎn)位置疊加到工作底圖上，檢查航線分布和重疊度等飛行質(zhì)量。在完成影像文件的GPS信息提取后，還需要將定位信息轉(zhuǎn)換成ESRI Shapefile文件，方便后續(xù)檢查處理，相關(guān)代碼如下：

import arcpy

arcpy.CreateFeatureclass_management('d：\'，'test.shp'，'point')

rows=arcpy.da.InsertCursor(shpPathName，["SHAPE@"])

rows.insertRow([[lng，lat]])

del rows

以上代碼僅完成了單幅影像經(jīng)緯度坐標(biāo)的寫入，對(duì)于多幅航空影像，只需要進(jìn)行一次簡單的循環(huán)遍歷即可完成所有的操作。在Shapefile文件中，還可以將影像文件名、高程值、攝影時(shí)間等相關(guān)信息作為屬性字段加入矢量文件中，使檢查工作更加便捷、高效。

3.2 將GPS信息寫入影像文件

很多情況下，無人機(jī)攝影獲取的影像數(shù)據(jù)沒有附加GPS信息，相關(guān)定位信息通常以文本文件形式單獨(dú)提供，給后續(xù)的影像位置關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)處理帶來不便。對(duì)于不包含任何Exif信息的影像文件來說，必須先進(jìn)行APP1應(yīng)用標(biāo)記插入，再將IFD0結(jié)構(gòu)和GPS IFD結(jié)構(gòu)嵌入影像文件后才能進(jìn)行GPS相關(guān)信息寫入操作。

GPS標(biāo)簽是Exif標(biāo)準(zhǔn)的一部分，將GPS信息寫入影像時(shí)，必須設(shè)置GPSLatitude、 GPSLatitudeRef、GPSLongitude、GPSLongitudeRef、GPSAltitude和GPSAltitudeRef等標(biāo)簽。其中，GPSLatitudeRef 標(biāo)簽值只能取字符“N”或“S”表示北緯或南緯，GPSLongitudeRef 標(biāo)簽值只能取字符“E”或“S”表示東經(jīng)或西經(jīng)，GPSLatitudeRef 標(biāo)簽值只能取數(shù)字“0”或“1”表示高于或低于海平面的高程值。經(jīng)緯度和高程值不能直接使用浮點(diǎn)型數(shù)值，必須采用有理型數(shù)值，其中GPSLatitude和GPSLongitude使用三個(gè)有理型分別表示度、分、秒數(shù)值，GPSAltitude使用一個(gè)有理型表示高程值。Python可以通過Rational(n，d)函數(shù)實(shí)現(xiàn)有理型數(shù)值的生成，其中n表示有理數(shù)的分子，d表示分母，分母通常為1或10的指數(shù)倍。GPS信息中的其他屬性標(biāo)簽值可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行取舍，典型的GPS信息寫入影像文件的程序代碼如下：

im=ImageMetadata(r'd： est.jpg')

im.read()

im["Exif.Image.GPSTag"]=654

im["Exif.GPSInfo.GPSVersionID"]='2 2 0 0'

im["Exif.GPSInfo.GPSMapDatum"]="WGS-84"

lng=(Rational(114，1)，Rational(30，1)，Rational(30，1))

im["Exif.GPSInfo.GPSLongitude"]=lng

im["Exif.GPSInfo.GPSLongitudeRef"]='E'

lat=(Rational(30，1)，Rational(15，1)，Rational(15，1))

im["Exif.GPSInfo.GPSLatitude"]=lat

im["Exif.GPSInfo.GPSLatitudeRef"]='N'

im["Exif.GPSInfo.GPSAltitude"]=Rational(alt*1000，1000)

im["Exif.GPSInfo.GPSAltitudeRef"]=0

im.write()

將無人機(jī)設(shè)備獲取的GPS信息寫入影像文件后，無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件就可以直接讀取相關(guān)定位數(shù)據(jù)并進(jìn)行后續(xù)處理。

3.3 GPS坐標(biāo)讀寫精度分析

Python支持4種不同的數(shù)值類型：int(整型)、long(長整型)、float(浮點(diǎn)型)、complex(復(fù)數(shù)型)，Python內(nèi)部自動(dòng)將整數(shù)處理為整型和長整型數(shù)值。整型數(shù)值長度為機(jī)器位長，通常為32位，超過這個(gè)范圍的整數(shù)自動(dòng)作為長整型處理，長整型對(duì)數(shù)值的大小沒有限制。Exif信息中支持的GPS坐標(biāo)采用有理型數(shù)值，組成分子和分母的數(shù)值必須采用無符號(hào)整型數(shù)值，長度不超過32位，最大數(shù)值不能超過4294967295L。

按照WGS84參考橢球參數(shù)，子午線的緯線弧長每1度長度約為 111 km，平行圈的經(jīng)線弧長僅在赤道附近與子午線弧長大致相等，經(jīng)線弧長隨緯度的增加而快速減少，每1度長度值從 111 km～0 km不等[5]。因此，當(dāng)緯度值精確到10-4秒時(shí)可以達(dá)到毫米級(jí)精度，以度為單位時(shí)需要精確到10-8度才能達(dá)到毫米級(jí)精度。根據(jù)Exif信息中的有理型計(jì)數(shù)規(guī)則，GPS坐標(biāo)以有理型度、分、秒數(shù)值寫入時(shí)可完全滿足毫米級(jí)以上的位置精度，當(dāng)GPS坐標(biāo)以度為單位時(shí)分母最大值可取至10-7，即最高可達(dá)到分米級(jí)精度要求，此時(shí)可以不進(jìn)行度分秒數(shù)值轉(zhuǎn)換而直接使用。例如，當(dāng)已知緯度值為45.2084028°時(shí)，可以直接將緯度值轉(zhuǎn)換為以下表示形式：

lat1=(Rational(45.2084028e7，1e7)，Rational(0，1)，Rational(0，1))

如果將緯度值進(jìn)行度分秒換算，即將以上緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為45°12＇30.25＂，其坐標(biāo)值也可以等價(jià)地表示為以下形式：

lat2=(Rational(45，1)，Rational(12，1)，Rational(3025，100))

4 數(shù)據(jù)測(cè)試

通常，無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件如PhotoScan、Pix4D、Smart3D、PixelFactory等處理影像數(shù)據(jù)時(shí)，可以直接通過影像的Exif信息讀取影像的GPS定位信息，不需要IMU數(shù)據(jù)和人工交互式操作即可完成自動(dòng)數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)生成正射影像并完成鑲嵌和勻色操作，影像數(shù)據(jù)成果可以用GIS或RS軟件進(jìn)行顯示。

本文以Smart3D為平臺(tái)，對(duì)武漢市東湖綠道范圍內(nèi)約 15 km2范圍的無人機(jī)影像進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理。Smart3D采用獨(dú)特的處理模型，可以根據(jù)無人機(jī)數(shù)據(jù)生成基于真實(shí)影像的高密度點(diǎn)云，并以此構(gòu)建具有真實(shí)影像紋理的高分辨率實(shí)景三維模型。項(xiàng)目影像數(shù)據(jù)預(yù)處理采用本文方法在影像文件中寫入GPS信息，并根據(jù)定位信息直接生成Shape file文件便于飛行質(zhì)量檢查。為提高數(shù)據(jù)處理效率，項(xiàng)目采用了多臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行并行處理，本文處理方式可以快速發(fā)現(xiàn)并剔除冗余數(shù)據(jù)，高效進(jìn)行數(shù)據(jù)分區(qū)部署，提高了整體作業(yè)效率。在Smart3D中進(jìn)行數(shù)據(jù)分區(qū)部署后載入的影像數(shù)據(jù)情況如圖1所示。

5 結(jié) 語

本文以Python的pyexiv2擴(kuò)展庫為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)影像數(shù)據(jù)定位信息的處理。該方法以TIFF/JPEG等圖像文件的Exif信息為GPS定位信息的主要處理對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了影像文件定位信息的讀取和外部GPS定位數(shù)據(jù)的寫入，并對(duì)寫入的GPS坐標(biāo)精度進(jìn)行了分析。與常規(guī)影像定位信息關(guān)聯(lián)的處理方式相比，本文處理方法高效、可靠，提高了無人機(jī)影像數(shù)據(jù)自動(dòng)處理的效率和靈活性，在無人機(jī)數(shù)據(jù)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。

圖1在Smart3D中分區(qū)部署后載入的影像數(shù)據(jù)