無(wú)人機(jī)航拍礦山地質(zhì)測(cè)繪圖像分辨率系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

嚴(yán)榮鶴 （福建省閩西地質(zhì)大隊(duì)，福建 三明365000）

1 引言

有色金屬的礦山，大多數(shù)地形較為復(fù)雜，有些區(qū)域甚至存在塌陷、裂縫等危險(xiǎn)情況，因此，對(duì)礦山的每項(xiàng)開采工作，都需要進(jìn)行測(cè)繪、勘探、和建模，之后才能進(jìn)行開采工作。使用無(wú)人機(jī)獲取數(shù)據(jù)和圖像，貫穿于整個(gè)礦山開采的過程中。

隨著礦山資源開采工作的難度不斷增加，對(duì)礦山地質(zhì)測(cè)繪技術(shù)要求也越來(lái)越高。由于礦山的開采工作基本是在地下完成，因?yàn)槲ｋU(xiǎn)系數(shù)非常高，同時(shí)在對(duì)礦山進(jìn)行開采的時(shí)候，對(duì)環(huán)境的破壞程度非常大。因此，在開采之前，對(duì)礦山的地質(zhì)情況進(jìn)行測(cè)繪，是非常有必要的。而傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前礦山測(cè)繪工作的實(shí)際需求[1]。結(jié)合新型科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)航拍測(cè)繪技術(shù)，以其優(yōu)越的特點(diǎn)，在礦山測(cè)繪工作中，發(fā)揮著重要的作用。同時(shí)由于對(duì)圖像的分辨率要求越來(lái)越高，因此，文章對(duì)無(wú)人家航拍的礦山地質(zhì)測(cè)繪圖像的分辨率系統(tǒng)，在圖像采集與圖像儲(chǔ)存及處理上，有了新的模塊設(shè)計(jì)，得到的圖片與傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)得到的圖片相比，具有更高的分辨率，促進(jìn)了礦山行業(yè)的大力發(fā)展，也提高了無(wú)人機(jī)航拍測(cè)繪技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

2 實(shí)例分析

福建省三明市有豐富的煤礦資源，境內(nèi)主要以中低山及丘陵為主。該市西北部、中部、東南部都有山脈。峰巒聳峙，低丘起伏，溪流密布，河谷與盆地錯(cuò)落其間。該市的地勢(shì)總體上是西南部高，東北部低，最高處的海拔不到兩千米，最低處的海拔只有五十米，山地的總面積占該市總面積的百分之八十多，其地質(zhì)條件非常復(fù)雜，勘測(cè)的難度系數(shù)非常高，由于境內(nèi)大部分是山地，因此，光靠人力來(lái)進(jìn)行勘測(cè)，工作量大，同時(shí)由于地形較為復(fù)雜，在加上信息的種類及數(shù)據(jù)量較多，因此，傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)是無(wú)法完成如此量大的測(cè)繪工作[2]。

3 無(wú)人機(jī)航拍的優(yōu)越性

3.1 無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)

遙感領(lǐng)域中對(duì)地質(zhì)地形情況進(jìn)行測(cè)繪的一種新型的技術(shù)。無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用中，擁有良好的反饋能力，在資金與時(shí)間方面，不需要大量的投入。與傳統(tǒng)的飛機(jī)搭載攝像機(jī)進(jìn)行航拍相比，無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)存在巨大的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的航拍模式，需要有較大的起降場(chǎng)，而無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)不需要起降場(chǎng)，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行起降，工作流程非常簡(jiǎn)單，不僅降低了成本，也使得測(cè)繪工作變得更加的靈活。無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)可持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，且不受外界環(huán)境的影響，對(duì)自然環(huán)境要求不是很高，可以有效的控制離地的高度，獲得的圖片信息不僅詳細(xì)，而且分辨率也高，可以精確到10～50cm范圍內(nèi)，進(jìn)而保障了圖片信息的準(zhǔn)確性[3]。同時(shí)，無(wú)人機(jī)的監(jiān)測(cè)效率極高，無(wú)人機(jī)航拍能對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行大范圍的監(jiān)測(cè)，并可以迅速生成圖像數(shù)據(jù)，單臺(tái)無(wú)人機(jī)一周的檢測(cè)量可達(dá)到2000km2。因此，無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)，在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用，具有良好的實(shí)用意義，不僅促進(jìn)了無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)的發(fā)展，也提高了測(cè)繪工作的效率。如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)航拍的優(yōu)越性

在進(jìn)行礦山測(cè)繪之前，以礦山地圖作為空中測(cè)量的依據(jù)，設(shè)定航行的方向及軌跡，并對(duì)航測(cè)的參數(shù)及飛行情況進(jìn)行檢查，并對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行電量檢查，保證可以完成整個(gè)飛行過程。布點(diǎn)問題由人員野外進(jìn)行，測(cè)繪圖按照《1∶500/1、1∶1000/1∶2000地形測(cè)量規(guī)范》要求進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)點(diǎn)的布設(shè)。（如表1）

無(wú)人機(jī)參數(shù)表 表1

3.2 建立三維立體模型

為了保障對(duì)礦山地質(zhì)測(cè)繪數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)中，引用了三維數(shù)據(jù)建模來(lái)幫助測(cè)繪工作。三維數(shù)據(jù)建模具有三維空間數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)ΦV山測(cè)繪獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。三維立體模型就是將數(shù)據(jù)建立成低質(zhì)空間復(fù)合體，把礦山低質(zhì)分割成不同性質(zhì)的巖層，提高礦山測(cè)繪的準(zhǔn)確度。如圖2所示。

圖2 三維數(shù)據(jù)模型

4 無(wú)人機(jī)航拍測(cè)繪技術(shù)

礦山地質(zhì)測(cè)繪主要是對(duì)礦山的地形，位置，資源利用情況等實(shí)際信息進(jìn)行勘測(cè)，進(jìn)而獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。對(duì)礦山地質(zhì)進(jìn)行測(cè)繪，不僅有利于掌握礦山資源的實(shí)際情況，還有利于實(shí)現(xiàn)礦山資源的有效配置。隨著科技的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，無(wú)人機(jī)作為一種新型的航測(cè)技術(shù)，已經(jīng)不單單用于軍事領(lǐng)域，在其他的領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。無(wú)人機(jī)航拍，可以完成一些比較復(fù)雜的任務(wù)。采用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)，在測(cè)繪技術(shù)領(lǐng)域的運(yùn)用，對(duì)礦山地質(zhì)情況進(jìn)行測(cè)繪，大力的提高了測(cè)繪的工作效率。無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)主要是采用無(wú)線電遙控技術(shù)或者計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，程序簡(jiǎn)單，成本較低，精準(zhǔn)度及工作效率都非常的高，其優(yōu)點(diǎn)主要還表現(xiàn)在隱蔽性好、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、造價(jià)低廉、事故率低、圖像獲取快捷方便，能夠滿足大比例的成像要求。因此，具有一定的實(shí)際意義，可以有效的促進(jìn)我國(guó)礦山測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展[4]。

無(wú)人機(jī)航拍測(cè)繪技術(shù)主要是由導(dǎo)航和定位系統(tǒng)、微型無(wú)人機(jī)平臺(tái)、高分辨率數(shù)碼傳感器和數(shù)據(jù)處理等部分組成。即利用了先進(jìn)的GPS定位技術(shù)、通信技術(shù)、無(wú)人駕駛技術(shù)、遙測(cè)遙感技術(shù)、遙感傳感技術(shù)以及影像處理技術(shù)等。通過無(wú)人機(jī)攜帶數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)等數(shù)字遙感設(shè)備，對(duì)圖像進(jìn)行采集、傳輸，可以快速獲取礦山的地形、資源及環(huán)境等方面的信息，有效的對(duì)信息進(jìn)行分析處理。如圖3所示。

然而由于圖片技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前對(duì)圖像的分辨率要求越來(lái)越高，因此對(duì)無(wú)人機(jī)航拍得到的圖像的分辨率，同樣要求也越來(lái)越高。但是由于礦山的地形比較復(fù)雜，且形狀多樣，無(wú)人機(jī)航拍得到的圖像，由于受背景的影響比較大，因此有可能存在拍攝目標(biāo)與背景之間存在著邊界不夠清晰的問題。因此，圖像的高分辨率是目前無(wú)人機(jī)航拍測(cè)繪技術(shù)工作中的難點(diǎn)。因此，在圖像分辨率系統(tǒng)中，對(duì)圖像采集模塊及圖像存儲(chǔ)模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且，為了能提高圖像的分辨率，在圖片處理模塊還提出了遙感數(shù)據(jù)融合法，就是將高分辨率的圖片與低分辨率的圖片進(jìn)行融合的新方法，用以提高圖片的分辨率，進(jìn)而達(dá)到了對(duì)圖像高分辨率的要求[5]。

圖3 獲取影像

5 礦山地質(zhì)測(cè)繪圖像分辨率系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦山地質(zhì)測(cè)繪圖像分辨率系統(tǒng)設(shè)計(jì)（圖3），包含硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

圖4 圖像分辨率系統(tǒng)

5.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要是圖像采集模塊、圖像處理模塊、圖像的儲(chǔ)存模塊以及電源等方面。

首先，在圖像采集模塊方面，主要是采用高分辨率傳感器的影像設(shè)備，將采集到的圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)碼圖片，分辨率精確到厘米，其表現(xiàn)方式更為直觀。同時(shí)，為了可以對(duì)測(cè)繪到的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，所以高清數(shù)碼相機(jī)適合無(wú)人機(jī)進(jìn)行攜帶，可以有效完成系統(tǒng)中所需要的圖片的采集工作。

其次，在圖像存儲(chǔ)模塊方面，在進(jìn)行礦山地質(zhì)測(cè)繪時(shí)，是先將采集到的圖片進(jìn)行儲(chǔ)存，然后才能對(duì)其進(jìn)行處理。由于礦山地質(zhì)類型較多，數(shù)據(jù)資料量較大，所以采用了DHUGFI存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量較大。同時(shí)，在進(jìn)入該存儲(chǔ)器時(shí)，速度也是非常的快。在使用存儲(chǔ)器時(shí)，為了保障儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)不被丟失，應(yīng)先對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行時(shí)間設(shè)置，在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與數(shù)據(jù)讀取時(shí)，以時(shí)間為基準(zhǔn)，進(jìn)而有效的保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要是針對(duì)圖像處理模塊，為了提高圖像的分辨率，采用遙感數(shù)據(jù)融合法，提出了利用高分辨率的圖像來(lái)提高低分辨率的圖像，高分辨率圖像與低分辨率圖像相融合的方式。首先，對(duì)已經(jīng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，去掉尺寸小于已經(jīng)確定的頻率的高頻部分，將采集到的圖像的高分辨率與低分辨率的圖像進(jìn)行融合。為了保障能夠更好的具有平移不變形的圖像，建議采用小波算法。對(duì)圖像進(jìn)行主分量變換，在變換的過程中，會(huì)重新得到一組新的分量。為了可以更好的對(duì)主分量進(jìn)行融合，可以用圖像的相關(guān)矩陣，代替圖像的協(xié)方差矩陣，就可以有效的提高礦山地質(zhì)測(cè)繪圖像的分辨率。而將低分辨的圖像與高分辨率的圖像有效的進(jìn)行融合，還可以有效地提高整體圖像的分辨率[6]。

6 無(wú)人機(jī)航拍測(cè)繪技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)對(duì)比

文章提出的具有圖像高分辨率的無(wú)人機(jī)航拍測(cè)繪技術(shù)，在進(jìn)行礦山地質(zhì)測(cè)繪時(shí)，獲得的圖像分辨率較高，即使面對(duì)礦山復(fù)雜的地質(zhì)條件時(shí)，也可以對(duì)圖像進(jìn)行有效的處理，為測(cè)繪工作人員提供了詳細(xì)的礦山地質(zhì)信息。而傳統(tǒng)的礦山測(cè)繪技術(shù)，得到的圖片分辨率不夠高，不能對(duì)礦山測(cè)繪得到的圖片信息進(jìn)行有效的分析。因此，無(wú)人機(jī)航拍的礦山地質(zhì)測(cè)繪技術(shù)中，對(duì)圖像分辨率系統(tǒng)的設(shè)置，無(wú)論是在理論還是在實(shí)際的操作中，都大力的提高了測(cè)繪技術(shù)的準(zhǔn)確度，促進(jìn)了測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展。

7 結(jié)語(yǔ)

總之，傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前不斷發(fā)展的測(cè)繪工作的要求，而無(wú)人機(jī)航拍測(cè)繪技術(shù)的出現(xiàn)，有效的促進(jìn)了對(duì)礦山地質(zhì)測(cè)繪工作的進(jìn)一步發(fā)展。而礦山地質(zhì)測(cè)繪圖像分辨率系統(tǒng)中，增加了可以有效提高圖片分辨率的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)，通過對(duì)礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)的有效采集及存儲(chǔ)，再通過將高分辨率的圖像與低分辨率的圖像相融合的技術(shù)，進(jìn)一步的提高了圖像的分辨率，不僅能為測(cè)繪工作人員提供更為清晰及準(zhǔn)確的礦山地質(zhì)情況信息，還加快了對(duì)礦產(chǎn)資源尋找的速度，有力的促進(jìn)礦山行業(yè)的發(fā)展。與此同時(shí)，也提高了測(cè)繪工作的精準(zhǔn)度及工作效率，促進(jìn)國(guó)家的發(fā)展。