基于三維GIS技術(shù)的固體礦產(chǎn)勘查系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王曉強(qiáng)

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 酒泉 735000）

固體礦產(chǎn)勘查系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析等多功能地質(zhì)勘查系統(tǒng)，在應(yīng)用過程中要具有對固體礦產(chǎn)勘查對象綜合分析的功能，由于傳統(tǒng)系統(tǒng)所確定的靶區(qū)與實(shí)際礦產(chǎn)資源所在位置存在一定距離，不能準(zhǔn)確反映出礦床所在具體位置，為此提出基于三維GIS技術(shù)的固體礦產(chǎn)勘查系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用，利用三維GIS技術(shù)優(yōu)勢，提高系統(tǒng)勘查精度。

1 基于三維GIS技術(shù)的固體礦產(chǎn)勘查系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 無線傳感器

無線傳感器的作用是對固體礦產(chǎn)勘查數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，為了保證數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)、有效，此次采用集成的多光譜相機(jī)作為傳感器，負(fù)責(zé)礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)采集。多光譜相機(jī)分為多鏡頭分光和單鏡頭分光兩種，由于此次開發(fā)的是固體礦產(chǎn)勘查系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集范圍比較寬廣，且對數(shù)據(jù)采集質(zhì)量要求較高，所以選擇單鏡頭分光更有利于礦產(chǎn)勘查數(shù)據(jù)采集，單鏡頭分光結(jié)構(gòu)的多光譜相機(jī)在高空環(huán)境下對數(shù)據(jù)采集具有更大的優(yōu)勢，不會(huì)出現(xiàn)各個(gè)波段圖像上礦山水工環(huán)地質(zhì)圖像的不完全重合現(xiàn)象，除此之外該相機(jī)在數(shù)據(jù)采集過程中，光照、氣象、飛速、氣流等因素對其影響較小，采集的多光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量較高[1]。所以此次采用美國HKH公司生產(chǎn)的嵌入式多光譜相機(jī)，該相機(jī)擁有五個(gè)獨(dú)立的成像器，分別配上特制的濾光片，能讓每個(gè)成像器接收到波長范圍的光譜。它為礦業(yè)級(jí)別的成像儀，具有不同光照狀態(tài)下的高動(dòng)態(tài)量程，同時(shí)沒有一般無人機(jī)錄像和拍照時(shí)產(chǎn)生的偽象[2]。除此之外還具有一個(gè)熱成像的功能，使外界環(huán)境因素對其影響較小，且能夠捕獲對齊的高分辨率、多光譜和熱圖像。重要的是該多光譜相機(jī)具有較高的空間分辨率和地物分辨率，意味著更準(zhǔn)確的數(shù)字表面模型，采用USB的接口容量可以達(dá)到128GB，通過Ethernet或串口與飛行器連接，實(shí)現(xiàn)直接配置，狀態(tài)變化以及相機(jī)控制，下表為多光譜相機(jī)電氣參數(shù)。

表1 光譜相機(jī)電氣參數(shù)

1.2 無人機(jī)

無人機(jī)是無線傳感器搭載平臺(tái)，主要作用是攜帶無線傳感器采集固體礦產(chǎn)勘查數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，此次采用六旋翼無人機(jī)，六旋翼無人機(jī)相比較雙旋翼無人機(jī)和四旋翼無人機(jī)具有良好的飛行優(yōu)勢，在飛行過程中能夠通過六個(gè)或八個(gè)控制量產(chǎn)生六個(gè)自由度的輸出，來改變飛行動(dòng)作、方向、姿勢和位置，且六旋翼無人機(jī)屬于高階非線性多變量強(qiáng)偶合的欠驅(qū)動(dòng)裝置，在對固體礦產(chǎn)勘探數(shù)據(jù)采集過程中可以對其進(jìn)行容錯(cuò)飛行控制，如果在飛行過程中出現(xiàn)電機(jī)故障，無人機(jī)仍然可以繼續(xù)飛行，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性[3]。此次采用德國進(jìn)口GFT-64型號(hào)六旋翼無人機(jī)，該無人機(jī)采用先進(jìn)的高強(qiáng)度、高剛性進(jìn)口碳纖維復(fù)合材料，一體成型技術(shù)，根據(jù)機(jī)身不同部位的受力分析設(shè)計(jì)相應(yīng)的紗層厚度，從而在保證剛性和強(qiáng)度的情況下保持機(jī)身重量最輕。低速盤式電機(jī)和大尺寸碳槳的高效率組合使得單機(jī)臂提供近5Kg的拉力，并且飛行器可以懸掛不同重量的負(fù)載以及應(yīng)對高海拔作業(yè)[4]。全碳纖維機(jī)身、剛性好、重量輕，負(fù)載荷飛行大于50分鐘，上翹機(jī)臂設(shè)計(jì)，增加飛行平穩(wěn)性，抗風(fēng)能力大于6級(jí)，可在海拔5千米以上地區(qū)飛行，插拔式快拆結(jié)構(gòu)，展開時(shí)間小于5分鐘，高度集成防雨云臺(tái)套件設(shè)計(jì)，可雨中飛行，智能飛控系統(tǒng)，支持手動(dòng)精準(zhǔn)操控及自主飛行模式，能夠輔助多光譜相機(jī)完成固體礦產(chǎn)勘查數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

2 基于三維GIS技術(shù)的固體礦產(chǎn)勘查系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集

上文中提到數(shù)據(jù)采集過程中應(yīng)用的硬件設(shè)備有無線傳感器和無人機(jī)，在該過程中應(yīng)用的軟件技術(shù)主要是三維GIS技術(shù)。三維GIS技術(shù)主要是采集到固體礦產(chǎn)三維數(shù)據(jù)，其采集到的數(shù)據(jù)具有固定的數(shù)據(jù)幀格式，且采集數(shù)據(jù)有兩種模式，一種是廣播模式，另一種是默認(rèn)模式，在廣播模式下，三維GIS技術(shù)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，默認(rèn)的數(shù)據(jù)采集頻率為165Hz，同時(shí)也可以通過發(fā)送SET-BROADCASTMODE數(shù)據(jù)包，來自行匹配廣播模式下的采集頻率，配置范圍在45Hz-120Hz之間，在廣播模式下，系統(tǒng)默認(rèn)接收全部的六個(gè)自由度GIS數(shù)據(jù)[5]。除此之外還可以根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集需求，通過發(fā)送SET-ACTIVE-CHANNELS數(shù)據(jù)包設(shè)置GIS數(shù)據(jù)活動(dòng)通道的數(shù)量，接收數(shù)據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)固體礦產(chǎn)勘查三維數(shù)據(jù)采集。下表為三維GIS技術(shù)常用數(shù)據(jù)包。

表2 三維GIS技術(shù)常用數(shù)據(jù)包

2.2 數(shù)據(jù)處理

由于三維GIS技術(shù)采集到的數(shù)據(jù)格式有的為ASCLL碼，有的數(shù)據(jù)格式為十六位進(jìn)制，將采集的數(shù)據(jù)寫入到TXT文本文件中時(shí)，一部分?jǐn)?shù)據(jù)不能被直接讀取，為了能夠更好的實(shí)現(xiàn)固體礦產(chǎn)勘查數(shù)據(jù)分析，需要對采集的數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，將無線傳感技術(shù)與三維GIS技術(shù)采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為十六位進(jìn)制數(shù)據(jù)格式，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將有效的數(shù)據(jù)按一定的排列格式寫入TXT文件中[6]。除此之外，還要將無線傳感技術(shù)采集到的圖片數(shù)據(jù)利用LAB VIEW圖形化語言編寫軟件進(jìn)行圖像格式處理，LAB VIEW圖形化語言編寫軟件是一個(gè)專用的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件，圖像數(shù)據(jù)處理過程由TXT文件讀取、圖像數(shù)據(jù)校驗(yàn)、圖像數(shù)據(jù)解算、圖像數(shù)據(jù)波形顯示和數(shù)據(jù)再存儲(chǔ)五個(gè)步驟，通過LAB VIEW圖形化語言編寫軟件處理后可以得到六自由度的數(shù)據(jù)，最后將處理后的圖像數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行再存儲(chǔ)，共同保存到新的文本文件中，以此實(shí)現(xiàn)固體礦產(chǎn)勘查數(shù)據(jù)處理。

2.3 數(shù)據(jù)分析

基于三維GIS技術(shù)的固體礦產(chǎn)勘查系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析功能主要是利用三維地質(zhì)勘查模型軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，將處理后的數(shù)據(jù)輸入到三維地質(zhì)勘查模型中，模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，將所有采集到的數(shù)據(jù)一對一標(biāo)注到模型上，形成一個(gè)與實(shí)際勘查項(xiàng)目相一致的三維地質(zhì)勘查模型。該軟件技術(shù)能夠提供矢量化礦產(chǎn)勘查地質(zhì)剖面圖，根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中保存的數(shù)據(jù)，自動(dòng)分析出礦產(chǎn)地層、構(gòu)造、巖漿巖等地質(zhì)特征；根據(jù)輸入的礦產(chǎn)巖性數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成礦產(chǎn)巖土體分界曲面，用于分析礦產(chǎn)巖石特征；通過輸入的GIS數(shù)據(jù)，分析出礦產(chǎn)資源具體所在位置，以及礦產(chǎn)規(guī)模和礦床走向等。通過該軟件技術(shù)對數(shù)據(jù)的分析，確定出最終固體礦產(chǎn)開采靶區(qū)，以此實(shí)現(xiàn)基于三維GIS技術(shù)的固體礦產(chǎn)勘查系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)

此次實(shí)驗(yàn)以某礦區(qū)作為實(shí)驗(yàn)對象，根據(jù)礦區(qū)勘查范圍，利用五個(gè)傳感裝置對數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)采集，采集頻率為140Hz，GIS數(shù)據(jù)采集波特率設(shè)置為12500bps，數(shù)據(jù)輸出格式為GPGGA，利用此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對該礦區(qū)進(jìn)行礦產(chǎn)勘查，對比兩種系統(tǒng)勘查誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。

圖1 兩種系統(tǒng)勘查誤差對比

從上圖可以看出，此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)勘查誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)系統(tǒng)，得到的勘查結(jié)果與實(shí)際礦產(chǎn)所在位置相符合，所以實(shí)驗(yàn)證明了此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠滿足固體礦產(chǎn)勘查精度需求。

4 結(jié)束語

此次將三維GIS技術(shù)應(yīng)用到固體礦產(chǎn)勘查系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)勘查數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)整合，使固體礦產(chǎn)勘查系統(tǒng)能夠直觀分析出固體礦產(chǎn)所在位置，有效降低了系統(tǒng)勘查誤差，對固體礦產(chǎn)勘查具有較高的應(yīng)用價(jià)值。由于個(gè)人能力有限，雖然此次取得了一定的研究成果，但該系統(tǒng)尚未經(jīng)過大量實(shí)際應(yīng)用操作，可能還存在一些不足之處，還需要在今后應(yīng)用過程中對其進(jìn)行完善和創(chuàng)新。