馮自成， 趙國鳳， 孫?，摚?陳　偉， 劉俊伯

(江蘇省地質勘查技術院，江蘇南京210049)

?

基于無人飛艇平臺的航磁測量數據野外快速處理系統(tǒng)的實現

馮自成， 趙國鳳， 孫?，摚?陳偉， 劉俊伯

(江蘇省地質勘查技術院，江蘇南京210049)

摘要：介紹了基于無人飛艇平臺的航磁測量數據野外快速處理系統(tǒng)的研發(fā)背景，闡述了該系統(tǒng)的研發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)架構、數據組織、系統(tǒng)數據處理框架、系統(tǒng)功能以及系統(tǒng)特點。結合基于無人飛艇平臺的航磁測量實際情況，研發(fā)了數據管理、數據質量評價、數據校正以及數據制圖等應用功能。

關鍵詞：無人飛艇；航磁測量；數據處理；系統(tǒng)功能

0引言

近年來，無人機航磁測量技術(晏磊等，2004；李軍峰等，2014；崔志強等，2015)得到了快速發(fā)展與應用。無人飛艇平臺的航磁測量(彭曉東等，2009；張津偉等，2014)可在小范圍區(qū)域內開展大比例尺快速精細勘查，具有晝夜連續(xù)工作的特點。目前，國外航磁測量數據處理軟件使用較為廣泛的是Oasismontaj(加拿大Geosoft公司)，但對于無人飛艇平臺的航磁測量而言，在使用中會遇到下列問題：(1) 無法直接導入航磁測量架次數據，需借助其他軟件將其轉換為可導入的格式。(2) 航線設計功能沒有考慮航線沿地形起伏，只提供單條測線的首尾點坐標，無法滿足實際飛行需求。(3) 生成的飛行架次數據質量統(tǒng)計以圖面形式顯示，無法導出質量統(tǒng)計報告。國內所使用的野外航磁測量數據處理軟件多為各自內部開發(fā)使用。

無人飛艇平臺的航磁測量野外數據處理與常規(guī)航磁測量數據處理方法基本相同，主要依據航空磁測技術規(guī)范，需要完成航磁測量采集數據格式轉換、坐標轉換、質量統(tǒng)計、數據校正以及數據成圖等工作，但因為是無人駕駛飛行平臺，所采集的航磁測量數據每架次為連續(xù)數據，不區(qū)分單條測線的開始與結束，需要后期的測線裁剪處理。上述工作通常采用常規(guī)軟件按流程分步處理:(1) 采集數據格式轉換：使用儀器廠家提供的磁力儀數據轉換軟件將采集的二進制文件轉換成TXT文檔；(2) 坐標轉換：首先使用MicrosoftExcel對坐標格式(度分轉換成度)進行轉換，然后使用坐標轉換工具將經緯度坐標轉換為平面直角坐標；(3) 測線裁剪：使用MapInfo對架次數據進行裁剪，得到有效測線數據；(4) 質量統(tǒng)計：使用MicrosoftExcel對日變觀測靜態(tài)噪聲、測線動態(tài)噪聲、飛行高度進行統(tǒng)計，使用AutoCAD對測線長度以及偏航距進行統(tǒng)計;(5) 數據校正：分別使用GeoMag、GemLink和MicrosoftExcel對航磁測量數據進行正常場校正、日變校正以及飛行方向差和滯后校正;(6) 數據成圖：使用MapInfo對校正數據繪制航磁異常剖面平面圖。

綜上所述，無人飛艇平臺的航磁測量數據處理需要投入多專業(yè)技術人員同時使用多種軟件才能完成，處理流程復雜，而且容易出現差錯；同時因采集的航磁測量數據采樣率相對地磁數據較高，數據量大，普通軟件常常因無法加載全部數據易出現崩潰，或只能分段處理，使野外數據處理需要花費較長時間，工作效率低下。為了快速處理采集的航磁測量數據，研發(fā)了相應的數據處理系統(tǒng)，以滿足野外數據處理快速化、流程化、規(guī)范化。

1系統(tǒng)研發(fā)

1.1研發(fā)環(huán)境

WindowsXP及以上版本操作系統(tǒng)、VisualC++軟件開發(fā)工具及VisualC++語言。

1.2系統(tǒng)架構

采用MVC框架模式(甘早斌等，2005；黎永良等，2005；李春紅等，2007)，M層為數據庫和數據服務層，數據庫為Access數據庫，負責存儲各類屬性表數據；數據服務依靠Access屬性表管理引擎，實現對航磁測量原始資料數據和各圖層數據存取管理。C層為業(yè)務平臺和業(yè)務應用層，業(yè)務平臺主要為系統(tǒng)業(yè)務功能提供支撐，包括GIS基礎平臺、通用業(yè)務處理模塊等；業(yè)務應用是基于數據庫、數據服務以及業(yè)務平臺的功能，實現面向用戶的業(yè)務邏輯功能(尚建嘎等，2007)。V層為數據表現層，實現數據通過用戶界面(窗口)顯示給用戶，同時接受用戶的交互導入(圖1)。

圖1　系統(tǒng)架構圖Fig.1　Diagram of system structure

1.3數據組織

系統(tǒng)基于Access數據庫(劉向東等，2012)設計，Access表格類型主要有工區(qū)管理、地圖投影、起降坪管理、設計測線管理、航線設計管理、日變觀測、架次管理、臨時測線管理、成果測線管理等(表1),Access數據庫中各管理表格之間通過關鍵字鏈接。這樣設計可保證重要數據不被隨便覆蓋，且各種預處理過程和步驟可以追溯，方便項目質量檢查。

1.4系統(tǒng)數據處理框架

系統(tǒng)遵循數據快速入庫，數據快速處理原則，主要實現原始數據直接入庫、查詢、測線裁剪、質量統(tǒng)計、數據校正、數據制圖等基本功能。其內部數據處理框架見圖2。

表1　Access數據庫管理表格類型及內容

圖2　數據處理框架Fig.2　Data processing framework

2系統(tǒng)功能

系統(tǒng)的主要功能分為數據管理、數據質量評價、數據校正和數據制圖4個部分(圖3)。

圖3　系統(tǒng)功能結構圖Fig.3　System function diagram

2.1數據管理功能

包括工區(qū)參數設置、數據導入和導出、航線設計以及測線裁剪等模塊。

2.1.1工區(qū)參數設置主要包括數據庫新建、投影參數設置、工區(qū)新建、坐標轉換等功能。

2.1.2數據導入和導出數據導入主要包括設計測線數據導入、磁日變觀測數據導入和架次數據導入等功能。數據導出主要包括生成的航線架次文件導出、測線數據導出、質量統(tǒng)計報告導出等。

2.1.3航線設計基于工區(qū)設計測線數據、工區(qū)地形數據、設計飛行高度以及飛艇爬升性能等因素，充分考慮航線沿地形起伏飛行，綜合計算出每架次航線上的控制點坐標和高程，避免因人工取點出現的人為誤差，從而有效提高無人飛艇平臺的航磁測量工作效率(圖4)。

圖4　航線設計Fig.4　Route design

2.1.4測線裁剪利用建立的工區(qū)范圍，通過人機交互方式對飛艇起飛、降落和轉彎時采集的無用數據進行刪除，保留有效測線數據(圖5)。

圖5　測線裁剪Fig.5　Survey line cutting(a) flight data before survey line cutting; (b) effective lines after survey line cutting

2.2數據質量評價功能

按照航空磁測技術規(guī)范要求，對采集數據進行統(tǒng)計與控制，保證測量數據滿足工作設計和規(guī)范要求。數據質量評價主要包括測線動態(tài)噪聲水平、測線長度統(tǒng)計、飛行高度統(tǒng)計以及偏航距統(tǒng)計等。

統(tǒng)計結果以圖表窗口方式展示，并支持打印出圖，方便用戶編寫質量報告。

2.2.1測線動態(tài)噪聲水平測線裁剪工作完成后，即可統(tǒng)計測線動態(tài)噪聲水平。

測線動態(tài)噪聲水平功能實現過程：(1) 導入實測航線數據；(2) 搜索實測航線上各采樣點對應的航空磁力儀讀數Ti；(3) 采用抽點方法，保證采樣間隔為0.5s，并舍掉水平梯度>600nT/km異常上的測點值，統(tǒng)計參加計算的采樣點總數n，按照公式(1)計算測線動態(tài)噪聲水平Si。

(1)

Bi=Ti-2-4Ti-1+6Ti-4Ti+1+Ti+2

(2)

(3)

2.2.2測線長度統(tǒng)計測線裁剪工作完成后，可對單條測線進行長度統(tǒng)計。

測線長度統(tǒng)計功能實現過程：導入實測航線數據，搜索單條實測航線上首尾點對應的x坐標值和y坐標值，按照公式(4)，計算單條測線長度L。

(4)

2.2.3測線飛行高度統(tǒng)計測線裁剪完成后，可對單條測線進行飛行高度統(tǒng)計。

測線飛行高度統(tǒng)計功能實現過程：(1) 導入實測航線數據;(2) 搜索實測航線上各采樣點對應的雷達高度計讀數ΔhRi，同時搜索測線實測采樣點總數N;(3) 根據ΔhRi和N，統(tǒng)計每條測線平均飛行高度、最大飛行高度、最小飛行高度以及不同飛行高度區(qū)間采樣點占測線總采樣點數的百分數。

(5)

2.2.4測線偏航距統(tǒng)計測線裁剪完成后，可對單條測線進行偏航距統(tǒng)計。測線飛行高度統(tǒng)計功能實現過程：(1) 實測航線數據和設計航線數據；(2) 根據實測采樣點數在設計航線上內插設計點坐標，計算實測點與設計點之間的距離δi，同時搜索測線實測采樣點總數N；(3) 根據δi和N統(tǒng)計出平均偏航距A、最大偏航距以及按照設定的偏航等級統(tǒng)計出不同偏航區(qū)間采樣點占總采樣點的百分數(圖6)。平均偏航距A的計算公式為：

(6)

圖6　測線偏航距統(tǒng)計界面Fig.6　Interface of statistics of survey line cross track distance

2.2.5質量評價功能實例以L666主測線為例，分別使用該系統(tǒng)和航空磁測技術規(guī)范中列出的公式統(tǒng)計該條測線的動態(tài)噪聲水平、測線長度、平均飛行高度以及平均偏航距(表2)。

表2　L666線質量統(tǒng)計表

由表2可知，使用該系統(tǒng)統(tǒng)計的各項質量指標結果與使用規(guī)范(DZ/T0142—2010)中的公式計算結果幾乎一致，證明系統(tǒng)運算結果可信。

2.3數據校正功能

根據航空磁測技術規(guī)范要求，采集的航磁測量原始數據值(Ti 1)需要進行各項校正，主要有地磁正常場校正(Ti 2)、磁日變校正(ΔTi 3)、滯后校正(ΔTi 4)以及飛行方向差校正(ΔTi 5)等模塊。

原始數據Ti1按下式進行計算，求得采樣點i的ΔTi值：

ΔTi= Ti 1-Ti 2-ΔTi 3-ΔTi 4-ΔTi 5

(7)

地磁正常場校正(Ti 2)：采用國際地磁參考場IGRF2010.0模型提供的系數計算，即從每個采樣點的實測值中減掉其實測經緯度計算出具體的IGRF值。

磁日變校正(ΔTi 3)：檢查磁日變實測記錄，去掉記錄中的人文磁干擾和其他非磁日變成分，然后減去連續(xù)觀測24h磁日變后計算的基本場值得到磁日變校正值，再對航空磁測原始數據逐點校正。

滯后校正(ΔTi 4)：由于負責采集磁場原始數據的航磁儀探頭和負責采集坐標數據的GPS之間存在一定的距離，根據飛行載體的飛行速度，計算出滯后時間，再根據采樣率，便可進行滯后校正工作。

飛行方向差校正(ΔTi 5)：通過高度十字剖面飛行獲取數據，并分析磁補償后數據中殘余的方向影響，計算出方向差校正值，并應用其對航空磁測原始數據進行校正。

2.4數據制圖功能

系統(tǒng)主要支持繪制航磁異常剖面平面圖，圖形文件可轉換為MapGIS明碼格式，便于后期在MapGIS軟件中的使用整飾。

圖7　 航磁異常剖面平面圖界面Fig.7　Interface of profiles and planes of aeromagnetic anomaly

圖7為我國黑龍江省某地區(qū)1∶1萬艇載航空磁測航磁異常剖面平面示意圖，成圖采用慣用的顏色方案，即正值部分選用紅色漸變表示，負值部分選用藍色漸變表示。

3系統(tǒng)特點

系統(tǒng)按照航空磁測技術規(guī)范要求，各個關鍵步驟按數據處理流程在軟件中運行；實現數據的預處理和質量評價計算機化和自動化，提高工作效率；重要的數據和資料統(tǒng)一集中用數據庫進行存儲和管理，避免手工操作多個數據文件引起誤刪、覆蓋等；防止無授權的復制和修改，保證數據安全。

3.1實現航空磁測數據快速處理

系統(tǒng)集成的坐標轉換、數據導入和測線裁剪功能使得數據處理工作大大簡化，無需借助其他軟件或工具，便可完成架次數據格式轉換、目標源坐標轉換以及測線裁剪工作，以往多專業(yè)人員參與和各種軟件使用的情況不再出現，完全由系統(tǒng)自動化替代，從而真正實現航空磁測數據快速處理的目的。

3.2多類型航磁測量數據格式識別

系統(tǒng)能夠識別多類型航磁測量數據格式，主要有RS-HGB10數據文件(*.mgt)、PicoAGISPEI數據文件(*.p??)、GeosoftOasismontaj文件(*.xyz)和ASCII文件(*.txt、*.csv、*.area)等。其中RS-HGB10數據文件(*.mgt)為二進制文件，在加載該類型文件時，無需借助二進制數據轉換軟件進行格式轉換便可直接讀取。

3.3剖面平面圖方式的數據顯示

利用GIS的圖層管理模式(陳建春，2000；于長春等，2003)，以剖面平面顏色漸變圖方式動態(tài)直觀地顯示測線數據，克服單一剖面顯示方式不能觀測測區(qū)整體情況(胥值禮等，2014)的缺陷。系統(tǒng)生成的剖面平面圖中，可以根據成圖比例尺大小調整測線剖面縱比例尺范圍，確保圖面滿足規(guī)范要求且美觀。

4結論

該系統(tǒng)自研發(fā)成功，先后應用于西非塞拉利昂、我國的福建、黑龍江以及青海等地的無人飛艇平臺航磁測量項目。系統(tǒng)數據處理測線已達1.69萬km。大量實測數據的處理結果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠很好地滿足航磁測量數據野外快速處理的要求。

隨著該系統(tǒng)后續(xù)的持續(xù)使用以及數據處理的信息反饋，會對功能進行完善和增加，例如測線設計、儀器穩(wěn)定性統(tǒng)計、磁測總精度計算等，使之能夠成為航磁測量野外數據快速處理綜合軟件，進而更好地服務于無人飛艇平臺的航磁測量系統(tǒng)。

參考文獻：

陳建春，2000.VisualC++開發(fā)GIS系統(tǒng)[M].北京:電子工業(yè)出版社.

崔志強,胥值禮,孟慶敏，等，2015.現行三類平臺航磁勘查系統(tǒng)特點及勘查效果評述[J].物探化探計算技術,37(4):437-443.

DZ/T0142—2010,航空磁測技術規(guī)范[S].

甘早斌,彭彬,李志欣，2005.基于集中控制的MVC模型[J].計算機工程與設計, 26(2):454-455.

黎永良,崔杜武，2005.MVC設計模式的改進與應用[J].計算機工程,31(9):96-97.

李春紅,高建華，2007.使用分層模型改進MVC設計架構[J].計算機工程與設計,28(4):766-769.

劉向東,張立海,趙立鴻,等，2012.鉆孔基本信息數據庫建設與信息化管理應用開發(fā)[J].地質學刊,36(4):360-365.

李軍峰,李文杰,秦緒文,等，2014.新型無人機航磁系統(tǒng)在多寶山礦區(qū)的應用試驗[J].物探與化探,38(4):846-850.

彭曉東,林宗堅，2009.無人飛艇低空航測系統(tǒng)[J].測繪科學,34(4):11-14.

尚建嘎,劉修國,張寶一，2007.層次風格固體礦產儲量估算軟件體系結構設計[J].計算機應用研究,24(8):255-257.

胥值禮,孟慶敏,李文杰,等,2014.基于OasisMontaj平臺的航空物探數據處理軟件系統(tǒng)[J].物探化探計算技術,36(3):257-261.

于長春,郭志宏,眭素文，2003.航空物探領域的GIS開發(fā)與應用[J].物探化探計算技術,25(1):39-44.

晏磊,呂書強,趙紅穎,等，2004.無人機航空遙感系統(tǒng)關鍵技術研究[J].武漢大學學報(工學版), 37(6): 67-70.

張津偉,武力聰,楊春,等，2014.幾種低空高精度航空磁測系統(tǒng)及找礦應用分析[J].礦產與地質,28(1):124-128.

Implementation of field fast processing system of aeromagnetic survey data based on unmanned blimp platform

FENG Zicheng, ZHAO Guofeng, SUN Xiying, CHEN Wei, LIU Junbo

(GeologicalExplorationTechnologyInstituteofJiangsuProvince,Nanjing210049,Jiangsu,China)

Abstract：This paper presented development background, the development environment, system architecture, data organization, the framework of system data processing, system function and features of this fast processing system of aeromagnetic survey data based on unmanned blimp platform. In combination with the practical situation of aeromagnetic survey based on unmanned blimp platform, the authors developed some application functions such as data management, data quality evaluation, data correction and data mapping.

Keywords：unmanned blimp; aeromagnetic survey; data processing; system function

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2016.02.259

收稿日期：2015-10-08；修回日期：2015-11-20；編輯：蔣艷

基金項目：中國地質調查局地質礦產調查項目“艇載航磁勘查系統(tǒng)示范應用與推廣”(12120113090700)

作者簡介：馮自成(1983—)，男，工程師，碩士，地質勘查、航空物探專業(yè)，主要從事地質勘查與航空物探方面的工作，E-mail: 171862914@qq.com

中圖分類號：P628+.5; P631.2+22

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3636(2016)02-0259-06