無人機遙感測繪技術(shù)在礦山地質(zhì)測繪中的應(yīng)用研究

席凱林

（江西省自然資源測繪與監(jiān)測院 ，江西 南昌 330002）

傳統(tǒng)人機航測的方法不夠精準并且存在相對危險，不能滿足礦山測繪工作的實際需要。無人機遙感測繪技術(shù)就成為礦山地質(zhì)測繪必不可少的技術(shù)。無人機感測繪技術(shù)克服了傳統(tǒng)人機航測的缺點，具有成本低、故障少、效率高的顯著特點，對于資源充分開采利用，提高礦山采收率具有重要作用。通過對無人機遙感技術(shù)的研究，以期為礦山后期規(guī)劃及資源分配提供最真實的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 無人機遙感測繪技術(shù)在礦山地質(zhì)測繪中的應(yīng)用研究

1.1 設(shè)計無人機遙感測繪裝置

本研究主要使用瑞士生產(chǎn)的型號eBeeAg的固定翼無人機，此無人機集成了GPS、慣性傳感器、氣壓傳感器、空氣速度傳感器、地面?zhèn)鞲衅骱惋w控系統(tǒng)，其中，GPS主要用于記錄拍照片的位置信息、慣性傳感器主要是記錄照片拍攝中無人機姿態(tài)、氣壓傳感器主要是測量飛機起飛位置的高度、空氣速度傳感器主要是測量空氣速度、地面?zhèn)鞲衅魇菧y量與地面的距離、飛控系統(tǒng)主要是通過機身內(nèi)置飛控模板，用于保證計算機與飛控軟件實時連接的。其次，判斷無人機設(shè)計是否成功，主要通過觀察飛機飛行姿態(tài)的平穩(wěn)度、飛行的續(xù)航時間和速度、飛行的高度和起降方式以及飛機所能承載的荷載。飛機性能的好壞將直接影響到無人機航拍采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。主要包括無人機系統(tǒng)的承載平臺飛行平臺、保證無人機在飛行時的正常運轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)、完成數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)傳輸之間的通訊系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)。

無人機具體航拍流程如下：

（1）對航拍作業(yè)使用的無人機及搭載的相機進行性能、安全性檢查

（2）對航拍路線進行規(guī)劃并確定實際航拍線路

（3）使用無人機按照確定的路線進行航拍

（4）將無人機降落并取得拍攝的影像數(shù)據(jù)

相較于傳統(tǒng)的航天航拍來說，低空無人機航拍具備有下列優(yōu)勢：

①拍攝照片便利，在整個操作過程中都不用專門的技術(shù)人員進行，在需要我們在操作進行前進行簡單的技術(shù)講解和培訓(xùn)即可，操作過程較簡捷，通過簡單的教學操作培訓(xùn)，操作人員即可掌握。②成本低廉，無人機遙感平臺和傳感器投入的成本相對于其他技術(shù)系統(tǒng)來說，成本是低廉的，在市場上整套設(shè)備的價格大概在10萬元到100萬元左右，對于企業(yè)和個體來說都在其可承受范圍內(nèi)[1]。③具有靈活性，設(shè)備齊全并且安全性能好的無人機在進行起飛時不需要專門的飛機跑道，也能適應(yīng)多種起飛環(huán)境，并且適應(yīng)性極強，不僅在平地可以進行航拍，即使在山區(qū)和低洼的丘陵地帶也可以成功的進行航拍。④受氣候干擾小，一般情況下除去惡劣的雨雪天氣，或者伴有強風的天氣，無人機都能進行航飛任務(wù)，受外界惡劣天氣干擾性較小。

雖然低空無人機具有操作簡便、靈活性強等優(yōu)勢，但這也導(dǎo)致機身的重量不能保證機身在飛行過程中姿態(tài)的穩(wěn)定。存在的這些問題給無人機技術(shù)的研究和應(yīng)用帶來以下挑戰(zhàn)：1.具有不穩(wěn)定性、旋轉(zhuǎn)角度偏差大，降低無人機匹配的可靠性[2]；2.像幅小、需要航拍的照片較多，致使工作量較大，技術(shù)的應(yīng)用不夠完善導(dǎo)致效率較低，不利于精準度的把握。為了解決這種情況，可以通過在不同位置布設(shè)像控點，多角度取景來矯正畸變。

1.2 布設(shè)像控點

像控點是指傳統(tǒng)測量中的控制點，設(shè)置相控點的主要目的是要通過布設(shè)控制網(wǎng)來掌握成果精度，主要運用航帶網(wǎng)和區(qū)域網(wǎng)的布點形式。要想達到航帶網(wǎng)的絕對定向，并且使航帶網(wǎng)變形得到改正，就要充分利用航帶網(wǎng)布設(shè)野外控制點，在每條航帶之間間隔一定的布設(shè)，由于攝影和成圖比例尺的差異，間隔的基線數(shù)也具有差異性。針對關(guān)鍵部位的布應(yīng)該布設(shè)雙平高點，采用特殊的布設(shè)方法，提高可靠性。比如對某礦區(qū)進行測量，就要考慮當?shù)厍闆r，先進行小范圍內(nèi)的像控點布設(shè)，主要是通過實驗分析來確定布點方案。在對該礦采用區(qū)域網(wǎng)布設(shè)的形式布設(shè)像控點時，要求要根據(jù)實驗來確定，其中以平面點按航向方向跨度小于7條基線、高程點按航向基線跨度小于4條基線，進行具體像控點點位布設(shè)。目前主要采用的方法是GPS靜態(tài)觀測，具體網(wǎng)平差要求:

（1）衛(wèi)星高度角≥15°；

（2）有效觀測衛(wèi)星數(shù)≥4；

（3）在觀測中的任意時段內(nèi)的任一衛(wèi)星有效觀測時長≥15min；

（4）平均重復(fù)設(shè)站數(shù)：≥1.6；

（5）采用時長：≥45min；

（6）數(shù)據(jù)采樣間隔為：15s；

（7）點位幾何圖形強度因子（PDOP）＜6。

一般采用Topcon Tools v.7.5.2處理基線數(shù)據(jù)，生成基線向量文件；采用CGO技術(shù)進行網(wǎng)平差數(shù)據(jù)處理，利用WGS-84進行三維無約束網(wǎng)平差計算，最后輸入已知點數(shù)據(jù)，解算加密坐標。為更好保證像控點成果精度，在測量全過程中，應(yīng)該隨機與源數(shù)據(jù)進行校核，平面點位誤差在5cm以下，高程點位誤差在10cm以下。

1.3 提取礦山地物

利用傳統(tǒng)方法對礦區(qū)進行地物提取，首先要對礦區(qū)地物進行人工目視解譯，然后提取人工分類的地物的特征，再利用其指導(dǎo)未分類地物進行分類，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行地物提取，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以讓機器從學習中自動獲取數(shù)據(jù)特征并指導(dǎo)地物分類，為礦區(qū)地物提取提供了新的解決思路，最后為改進單體模型的準確率基于4種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型提出多數(shù)投票算法及打分算法2種集成模型。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分明，各結(jié)構(gòu)之間分工明確，其中數(shù)據(jù)由輸入層進入，在卷積層進行圖像特征提取，在池化層對特征圖稀疏處理，在全連接層進行分類，最后輸出層顯示結(jié)果。

線性模型的表征能力存在不足，為了使測量更具有準確性。在計算過程中運用非線性激活函數(shù)能使運算的過程更像復(fù)雜函數(shù)，計算更加精準，本文主要使用的是ReI.U函數(shù)，是一個分段線性函數(shù)，具體公式如下所示：

式中x為參數(shù)因子。

從公式和函數(shù)中可知，ReLU函數(shù)具有單側(cè)抑制特性，當x＜0時，導(dǎo)數(shù)恒等于0，當x＞_0時，導(dǎo)數(shù)恒等于1，即梯度保持不變。這種方法使得模型收斂速度更加穩(wěn)定，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反向傳播中也更有效地將誤差向前傳遞，及時更新網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，緩解過擬合問題，同時計算速度也很快。

1.4 實現(xiàn)礦山地質(zhì)測繪

無人機航測技術(shù)的實施過程中測繪數(shù)據(jù)必須要真實、準確，因此，通過將三維數(shù)據(jù)建模應(yīng)用在無人機航測技術(shù)中，有利于提高測繪工作的準確性，得到的數(shù)據(jù)更加準確可靠。將數(shù)據(jù)建成地質(zhì)空間復(fù)合體，通過點、線、面、體的地址三位數(shù)據(jù)模型來進行測繪，其中總體分為簡單體和復(fù)雜體，以體元為構(gòu)成要素，以控制性結(jié)點、內(nèi)插結(jié)點和控制點、內(nèi)插點為點的主要工具對連接線和弧線進行分析。

2 實驗

在實驗中采用隨機采樣的方法，在測試的礦山區(qū)域隨機選擇500個樣本點，可以將這些樣本點視為像素點，并將這些像素點所代表的區(qū)域進行分類，可以劃分為礦區(qū)地面、道路、車輛和建筑四大類，分別使用本文設(shè)計的測繪方法和傳統(tǒng)的測繪方法對500個像素點進行分類識別，兩種礦區(qū)測繪方法的識別結(jié)果如下表所示：

表1 兩種測繪方法的識別結(jié)果

從上表中的結(jié)果可以計算出傳統(tǒng)方法總體識別精度約為65.3%，本文測繪方法的總體識別精度可以達到89.1%。以上的實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的基于無人機遙感測繪技術(shù)對地物識別的精度有效提高?？傮w上來看，本文設(shè)計的測繪方法在地物識別方面具有一定的優(yōu)越性。

3 結(jié)束語

目前在國內(nèi)無人機航測技術(shù)已經(jīng)在逐漸普及和應(yīng)用，也取得了一些成就。但仍存在影像畸變大、飛行姿態(tài)不穩(wěn)定、比例尺不一致、數(shù)據(jù)量較大等問題，這些問題是無法忽視的，我們要有針對性的采取措施。要對無人機的飛行姿態(tài)進行控制，對影像的自動轉(zhuǎn)點過程進行進一步的深入研究，對于數(shù)據(jù)的采集使用更加精準的公式和計算方法，確保數(shù)據(jù)的真實性和準確性。