李建鋒

（甘肅煤田地質(zhì)局一四九隊(duì)，甘肅 蘭州 730000）

礦山是地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形、地貌與地勢(shì)均十分復(fù)雜的地區(qū)，由于礦山地區(qū)的基礎(chǔ)交通設(shè)施相對(duì)滯后，并且，地區(qū)氣候變化較為極端，導(dǎo)致礦區(qū)常出現(xiàn)大型地質(zhì)災(zāi)害。而隨著相關(guān)地質(zhì)勘查工作的深入，發(fā)現(xiàn)礦區(qū)災(zāi)害會(huì)在很大程度上干預(yù)人類的正常生活行為，甚至?xí)?duì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成負(fù)面影響[1]。因此，如何使用現(xiàn)代化高新技術(shù)，對(duì)礦山地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行測(cè)繪、預(yù)測(cè)等工作，成為了礦區(qū)工作者的關(guān)注熱點(diǎn)。無人機(jī)在此時(shí)被提出，此種高空自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備又被稱為“無人駕駛飛機(jī)”，在實(shí)際應(yīng)用中，使用無線電與終端網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行連接，并在遙控設(shè)備的支撐上，對(duì)無人機(jī)的飛行進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。同時(shí)，無人機(jī)上集成了無線通信裝置，它可以將在高空中獲取的影像、視頻、圖片通信網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)角岸?。相比常?guī)的飛機(jī)，無人機(jī)更加適用于執(zhí)行存在一定危險(xiǎn)性的任務(wù)，目前，我國(guó)在無人機(jī)領(lǐng)域的研究已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)階段性過程，相關(guān)應(yīng)用也在市場(chǎng)內(nèi)取得了顯著性的成果。其中，民用的無人機(jī)裝置主要應(yīng)用在大學(xué)畢業(yè)作品制作、農(nóng)業(yè)航拍等領(lǐng)域，軍用的無人機(jī)裝置主要應(yīng)用于災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查、疾控中心傳染病控制、電力工程巡回檢查、貨物短程運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。

1 無人機(jī)在礦山地質(zhì)災(zāi)害中應(yīng)用

1.1 布設(shè)無人機(jī)在礦區(qū)的低空拍攝像控點(diǎn)

為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在礦山地質(zhì)災(zāi)害中應(yīng)用，需要在使用無人機(jī)設(shè)備前，在礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域內(nèi)，布設(shè)無人機(jī)低空拍攝的像控點(diǎn)。在此過程中，應(yīng)先利用無人機(jī)進(jìn)行礦山高空拍攝，掌握待測(cè)區(qū)域的基本地貌與地質(zhì)情況，通過此種方式，獲取礦區(qū)基本地質(zhì)資料。資料應(yīng)包括：礦山地質(zhì)全貌圖、衛(wèi)星影像等，在了解與礦區(qū)相關(guān)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息后，根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生規(guī)模，對(duì)無人機(jī)上的拍攝端進(jìn)行校正，確保后期低空拍攝獲取的相關(guān)地質(zhì)信息符合前端操作者需求[2]。同時(shí)，在礦山地形圖上擬定無人機(jī)航拍路線，并設(shè)計(jì)不同無人機(jī)在同時(shí)飛行時(shí)的航向，在有必要的情況下，可對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害中心點(diǎn)區(qū)域，或?yàn)?zāi)點(diǎn)附近設(shè)計(jì)無人機(jī)的航向重疊角度。在完成對(duì)無人機(jī)低空拍攝相關(guān)參數(shù)的獲取后，調(diào)整并校驗(yàn)無人機(jī)攝像端的分辨率，以此種方式，提高無人機(jī)獲取影像的精度。

在完成上述相關(guān)工作的基礎(chǔ)上，選擇礦區(qū)內(nèi)的像控點(diǎn)，要求選定的線控點(diǎn)可以清晰地拍攝到目標(biāo)影像，并且十分有利于后期對(duì)地質(zhì)環(huán)境的立體建模分析[3]?？紤]到礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用垂直拍攝的方式，進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的獲取，可能會(huì)受到拍攝過程中，邊緣與高程高度的影響而出現(xiàn)陰影，因此，要求選定的低空拍攝像控點(diǎn)附近高程差值較低。在選定測(cè)控區(qū)域后，在此區(qū)域內(nèi)均勻地排布像控點(diǎn)，并使用RTK網(wǎng)絡(luò)模式，將布設(shè)的像控點(diǎn)與衛(wèi)星終端之間建立某種直接通信聯(lián)系。此外，需要使用終端儀表，對(duì)獲取的間斷信號(hào)進(jìn)行連續(xù)化處理，直到所有的信號(hào)形成一個(gè)連續(xù)的圖像，即可召回?zé)o人機(jī)，停止拍攝。為了確保獲取的影像與信息具有一定時(shí)效性，可使用中桿，對(duì)布設(shè)的像控點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)測(cè)量，取多次測(cè)量的平均值作為最終結(jié)果。

1.2 快速處理礦山地質(zhì)災(zāi)害信息

考慮到使用無人機(jī)獲取的礦山地質(zhì)災(zāi)害影像信息，可能會(huì)受到外界多種因素的干擾，存在影像重疊、影像內(nèi)部陰影、影像粒子尺度不清晰等問題。因此，需要在完成對(duì)連續(xù)信號(hào)的獲取后，采用DPGrid導(dǎo)航工具，對(duì)獲取的信號(hào)與連續(xù)信息進(jìn)行快速處理與拼接，以此種方式，確保獲取的信息可以滿足終端對(duì)礦山地質(zhì)災(zāi)害處理、預(yù)測(cè)、測(cè)繪等方面的需求。

按照上述圖1所示的流程，對(duì)礦山地質(zhì)災(zāi)害基礎(chǔ)信息進(jìn)行處理，但由于獲取的部分信息屬于復(fù)雜信息，仍沿用基礎(chǔ)信息處理流程無法滿足終端對(duì)連續(xù)影像獲取的需求，因此，可在完成圖1中影像處理工作的基礎(chǔ)上，按照下述步驟，對(duì)獲取的信息進(jìn)行深度處理，具體內(nèi)容如下。

圖1 礦山地質(zhì)災(zāi)害基礎(chǔ)信息處理流程

第一步，在與無人機(jī)通信的終端設(shè)備上，建立一個(gè)新建文件夾，在文件夾內(nèi)創(chuàng)建一個(gè)Context Capture文件，并設(shè)定影像信息與連續(xù)信號(hào)的定向?qū)肼窂健?/p>

第二步，將無人機(jī)本地照片與影像導(dǎo)入此文件夾內(nèi)，對(duì)文件夾的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，設(shè)置一個(gè)可行度較高的影像采樣率[4]。同時(shí)，檢查拍攝影像與圖片的完整性，對(duì)于相同區(qū)域內(nèi)獲取的影像，將其歸為一個(gè)照片組，對(duì)其設(shè)定一個(gè)相機(jī)參數(shù)，參數(shù)設(shè)定時(shí)，可點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在菜單欄中導(dǎo)入前期對(duì)無人機(jī)設(shè)定的校正參數(shù)。

第三步，對(duì)每個(gè)照片組設(shè)定一個(gè)名稱，設(shè)定時(shí)可以根據(jù)“無人機(jī)拍攝時(shí)間—拍攝區(qū)域—拍攝內(nèi)容”進(jìn)行命名，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)空間三相角度，對(duì)圖片與影像進(jìn)行計(jì)算，并選擇默認(rèn)模式，選擇全部的影像圖片，參考影像的定位信息與地理信息，對(duì)影像文件夾進(jìn)行參考信息的重新設(shè)定。在完成相關(guān)參數(shù)的設(shè)定后，對(duì)空間信息進(jìn)行檢索，定位所有的像控點(diǎn)是否與航片中的指定拍攝點(diǎn)對(duì)應(yīng)。

第四步，構(gòu)建一個(gè)針對(duì)礦區(qū)的三維地質(zhì)模型，建模前，應(yīng)當(dāng)先生成一個(gè)產(chǎn)品類型，選擇地質(zhì)災(zāi)害的導(dǎo)入格式與縮放比例，確定地質(zhì)災(zāi)害在礦區(qū)內(nèi)的坐標(biāo)軸與平移量，完成相關(guān)操作處理后，提交三維建模成果到衛(wèi)星通信端。

第五步，打開無人機(jī)檢索引擎，對(duì)配置文件中的任務(wù)傳輸路徑進(jìn)行定位，檢查此路徑與預(yù)設(shè)的路徑是否匹配或一致，并將終端存儲(chǔ)的OSDB數(shù)據(jù)，與拍攝得到的正射影像進(jìn)行集成，將集成后的圖像導(dǎo)入EPS三維測(cè)繪軟件中，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的成圖，完成對(duì)礦山地質(zhì)災(zāi)害信息的快速處理。

1.3 礦山地質(zhì)災(zāi)害影像解譯與分析

在完成對(duì)獲取影像與圖像的處理后，需要使用終端多種設(shè)備與技術(shù)，對(duì)礦山地質(zhì)災(zāi)害影像進(jìn)行解譯與分析，與此同時(shí)，將解譯端與現(xiàn)場(chǎng)指揮部門之間建立直接通信聯(lián)系，確保前端可以第一時(shí)間獲取地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)[5]。為了使災(zāi)害發(fā)生點(diǎn)的影像成像更加清晰，可在完成上述相關(guān)工作后，將校正的影像進(jìn)行DOM疊加，將疊加后的信息與礦山地質(zhì)圖像進(jìn)行匹配，以此確定災(zāi)害中心點(diǎn)，確保災(zāi)害救援工作的有序?qū)嵤?/p>

在此基礎(chǔ)上，將無人機(jī)獲取的影像信息調(diào)整到一個(gè)較高的分辨率，此時(shí)，可在DOM影像上獲取礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生邊界，沿著邊界進(jìn)行災(zāi)害信息與數(shù)據(jù)的采集，最終按照對(duì)應(yīng)的比例尺，計(jì)算受災(zāi)區(qū)域的占地面積與規(guī)模。

同時(shí)，使用GIS軟件，在super Map工具的支撐下，沿著受災(zāi)區(qū)域邊界，繪制一個(gè)針對(duì)此區(qū)域的詳細(xì)地勢(shì)圖，形成一個(gè)具有多邊結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，在完成對(duì)邊緣數(shù)據(jù)的處理后，將5.0m作為一個(gè)間隔，進(jìn)行DEM數(shù)據(jù)的定向采集。并將地質(zhì)水平面作為高程基準(zhǔn)面，計(jì)算災(zāi)害發(fā)生中心點(diǎn)與高程位置的直線距離與垂直高度存在的差異，以此種方式，可以得到一個(gè)高程基準(zhǔn)面距離邊緣區(qū)域面的立方體區(qū)域，將此區(qū)域的立方體積定義為V1，在DEM數(shù)據(jù)集合中，按照相同的方式，計(jì)算從此區(qū)域到基準(zhǔn)面地表的立方體區(qū)域體積，將此區(qū)域的立方體積定義為V2，此時(shí)可使用V1- V2的方式，得到一個(gè)具體數(shù)值，此數(shù)值為礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生量。

此外，通過無人機(jī)航拍的多維度影像數(shù)據(jù)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域內(nèi)的路徑形狀、范圍、長(zhǎng)度等進(jìn)行綜合解析，結(jié)合區(qū)域的地形與地勢(shì)，可以得到受災(zāi)面積。以此完成礦山地質(zhì)災(zāi)害影像解譯與分析工作，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在礦山地質(zhì)災(zāi)害中應(yīng)用的研究。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

在完成無人機(jī)在礦山地質(zhì)災(zāi)害中應(yīng)用的研究后，選擇某常發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的礦區(qū)，作為此次實(shí)例應(yīng)用分析的試驗(yàn)點(diǎn)，按照1.1提出的內(nèi)容，在礦區(qū)內(nèi)布設(shè)無人機(jī)低空拍攝像控點(diǎn)，調(diào)用無人機(jī)，對(duì)圈定區(qū)域的圖像進(jìn)行獲取，以前端反饋數(shù)據(jù)的分辨率與清晰度，作為評(píng)價(jià)此次實(shí)驗(yàn)有效性的依據(jù)。根據(jù)試點(diǎn)區(qū)域的規(guī)模，選擇I、II、III、IV點(diǎn)作為像控點(diǎn)，獲取無人機(jī)在四個(gè)像控點(diǎn)獲取的影像信息，將影像與圖像分辨率整理成表格。如下表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述表1所示的信息可知，無人機(jī)獲取的圖像分辨率均在300.0dpi，此分辨率可以滿足印刷品圖像分辨率，且終端獲取的圖像信號(hào)呈現(xiàn)連續(xù)分布，因此證明本文提出的無人機(jī)應(yīng)用過程，具有一定可行性。

3 結(jié)語

在深入對(duì)無人機(jī)應(yīng)用的市場(chǎng)調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，相關(guān)無人機(jī)在礦山地質(zhì)災(zāi)害中應(yīng)用研究仍存在空白，為了發(fā)揮無人機(jī)在市場(chǎng)內(nèi)更高的作用，本文深入到與此方面相關(guān)的研究中，拓展無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，在真正意義上實(shí)現(xiàn)使無人機(jī)成為一個(gè)“會(huì)飛的相機(jī)”。