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(jī)航測的方法不夠精準(zhǔn)并且存在相對危險(xiǎn)，不能滿足礦山測繪工作的實(shí)際需要。無人機(jī)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(jī)感測繪技術(shù)克服了傳統(tǒng)人機(jī)航測的缺點(diǎn)，具有成本低、故障少、效率高的顯著特點(diǎn)，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(jī)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(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 無人機(jī)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(jì)無人機(jī)遙感測繪裝置

本研究主要使用瑞士生產(chǎn)的型號(hào)eBeeAg的固定翼無人機(jī)，此無人機(jī)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(jī)姿態(tài)、氣壓傳感器主要是測量飛機(jī)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(jī)身內(nèi)置飛控模板，用于保證計(jì)算機(jī)與飛控軟件實(shí)時(shí)連接的。其次，判斷無人機(jī)設(shè)計(jì)是否成功，主要通過觀察飛機(jī)飛行姿態(tài)的平穩(wěn)度、飛行的續(xù)航時(shí)間和速度、飛行的高度和起降方式以及飛機(jī)所能承載的荷載。飛機(jī)性能的好壞將直接影響到無人機(jī)航拍采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。主要包括無人機(jī)系統(tǒng)的承載平臺(tái)飛行平臺(tái)、保證無人機(jī)在飛行時(shí)的正常運(yùn)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(jī)具體航拍流程如下：

（1）對航拍作業(yè)使用的無人機(jī)及搭載的相機(jī)進(jìn)行性能、安全性檢查

（2）對航拍路線進(jìn)行規(guī)劃并確定實(shí)際航拍線路

（3）使用無人機(jī)按照確定的路線進(jìn)行航拍

（4）將無人機(jī)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(jī)航拍具備有下列優(yōu)勢：

①拍攝照片便利，在整個(gè)操作過程中都不用專門的技術(shù)人員進(jìn)行，在需要我們在操作進(jìn)行前進(jìn)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(xué)操作培訓(xùn)，操作人員即可掌握。②成本低廉，無人機(jī)遙感平臺(tái)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(jià)格大概在10萬元到100萬元左右，對于企業(yè)和個(gè)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(jī)在進(jìn)行起飛時(shí)不需要專門的飛機(jī)跑道，也能適應(yīng)多種起飛環(huán)境，并且適應(yīng)性極強(qiáng)，不僅在平地可以進(jìn)行航拍，即使在山區(qū)和低洼的丘陵地帶也可以成功的進(jìn)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(qiáng)風(fēng)的天氣，無人機(jī)都能進(jìn)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(jī)具有操作簡便、靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢，但這也導(dǎo)致機(jī)身的重量不能保證機(jī)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(jī)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(jī)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(zhǔn)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(diǎn)，多角度取景來矯正畸變。

1.2 布設(shè)像控點(diǎn)

像控點(diǎn)是指傳統(tǒng)測量中的控制點(diǎn)，設(shè)置相控點(diǎn)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(yùn)用航帶網(wǎng)和區(qū)域網(wǎng)的布點(diǎn)形式。要想達(dá)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(diǎn)，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(diǎn)，采用特殊的布設(shè)方法，提高可靠性。比如對某礦區(qū)進(jìn)行測量，就要考慮當(dāng)?shù)厍闆r，先進(jìn)行小范圍內(nèi)的像控點(diǎn)布設(shè)，主要是通過實(shí)驗(yàn)分析來確定布點(diǎn)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(diǎn)時(shí)，要求要根據(jù)實(shí)驗(yàn)來確定，其中以平面點(diǎn)按航向方向跨度小于7條基線、高程點(diǎn)按航向基線跨度小于4條基線，進(jìn)行具體像控點(diǎn)點(diǎn)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(shí)段內(nèi)的任一衛(wèi)星有效觀測時(shí)長≥15min；

（4）平均重復(fù)設(shè)站數(shù)：≥1.6；

（5）采用時(shí)長：≥45min；

（6）數(shù)據(jù)采樣間隔為：15s；

（7）點(diǎn)位幾何圖形強(qiáng)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(jìn)行網(wǎng)平差數(shù)據(jù)處理，利用WGS-84進(jìn)行三維無約束網(wǎng)平差計(jì)算，最后輸入已知點(diǎn)數(shù)據(jù)，解算加密坐標(biāo)。為更好保證像控點(diǎn)成果精度，在測量全過程中，應(yīng)該隨機(jī)與源數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，平面點(diǎn)位誤差在5cm以下，高程點(diǎn)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(jìn)行地物提取，首先要對礦區(qū)地物進(jìn)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(jìn)行分類，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行地物提取，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以讓機(jī)器從學(xué)習(xí)中自動(dòng)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(jìn)單體模型的準(zhǔn)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(jìn)入，在卷積層進(jìn)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(jìn)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(zhǔn)確性。在計(jì)算過程中運(yùn)用非線性激活函數(shù)能使運(yùn)算的過程更像復(fù)雜函數(shù)，計(jì)算更加精準(zhǔn)，本文主要使用的是ReI.U函數(shù)，是一個(gè)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(dāng)x＜0時(shí)，導(dǎo)數(shù)恒等于0，當(dāng)x＞_0時(shí)，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(shí)更新網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，緩解過擬合問題，同時(shí)計(jì)算速度也很快。

1.4 實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)測繪

無人機(jī)航測技術(shù)的實(shí)施過程中測繪數(shù)據(jù)必須要真實(shí)、準(zhǔn)確，因此，通過將三維數(shù)據(jù)建模應(yīng)用在無人機(jī)航測技術(shù)中，有利于提高測繪工作的準(zhǔn)確性，得到的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。將數(shù)據(jù)建成地質(zhì)空間復(fù)合體，通過點(diǎn)、線、面、體的地址三位數(shù)據(jù)模型來進(jìn)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(diǎn)、內(nèi)插結(jié)點(diǎn)和控制點(diǎn)、內(nèi)插點(diǎn)為點(diǎn)的主要工具對連接線和弧線進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)中采用隨機(jī)采樣的方法，在測試的礦山區(qū)域隨機(jī)選擇500個(gè)樣本點(diǎn)，可以將這些樣本點(diǎn)視為像素點(diǎn)，并將這些像素點(diǎn)所代表的區(qū)域進(jìn)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(jì)的測繪方法和傳統(tǒng)的測繪方法對500個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行分類識(shí)別，兩種礦區(qū)測繪方法的識(shí)別結(jié)果如下表所示：

表1 兩種測繪方法的識(shí)別結(jié)果

從上表中的結(jié)果可以計(jì)算出傳統(tǒng)方法總體識(shí)別精度約為65.3%，本文測繪方法的總體識(shí)別精度可以達(dá)到89.1%。以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的基于無人機(jī)遙感測繪技術(shù)對地物識(shí)別的精度有效提高?？傮w上來看，本文設(shè)計(jì)的測繪方法在地物識(shí)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(jī)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(jī)的飛行姿態(tài)進(jìn)行控制，對影像的自動(dòng)轉(zhuǎn)點(diǎn)過程進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究，對于數(shù)據(jù)的采集使用更加精準(zhǔn)的公式和計(jì)算方法，確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。