基于遙感信息識別的礦山水工環(huán)地質(zhì)災害數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

董玉玉

（山西省第二地質(zhì)工程勘察院，山西 侯馬 043011）

遙感信息識別技術(shù)是指在高空作業(yè)環(huán)境中通過搭載傳感設備對物體信息進行識別，該技術(shù)具有精度高、效率高等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應用到各個勘查領域中，遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率與地物尺度之間差異對礦山水工環(huán)地質(zhì)遙感信息識別存在顯著影響，如高分辨率遙感數(shù)據(jù)在邊界處的混合像元存在優(yōu)勢，對提高地物的精度方面有幫助[1]。當空間分辨率過小時，會造成地物差異性增大，不同尺度的遙感由于礦山水工環(huán)地質(zhì)災害環(huán)境惡劣，提高了勘探數(shù)據(jù)采集難度，傳統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速度較慢，已經(jīng)無法滿足礦山水工環(huán)地質(zhì)災害需求，所以此次對基于遙感信息識別的礦山水工環(huán)地質(zhì)災害數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行研究，為該方面研究提供理論依據(jù)。

1 基于遙感信息識別的礦山水工環(huán)地質(zhì)災害數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計

為了解決傳統(tǒng)礦山水工環(huán)地質(zhì)災害數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)沒有穩(wěn)定云臺、無POS數(shù)據(jù)以及沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集飛控控制等問題，此次系統(tǒng)在硬件設計方面，除了一些傳統(tǒng)硬件設備以外，主要還增添了遙感信息識別技術(shù)中的多光譜傳感器（多光譜相機）、無人機等硬件設備設計，以此保證系統(tǒng)對礦山水工環(huán)地質(zhì)災害數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

無人機屬于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)搭載平臺，是獲取礦山水工環(huán)地質(zhì)災害數(shù)據(jù)的基礎，系統(tǒng)只有穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)搭載平臺才能保障為后續(xù)各項數(shù)據(jù)采集工作的順利開展。無人機的種類較多，其中包括無人直升機、固定翼機、多旋翼無人機、無人飛艇、無人傘翼機等等，根據(jù)系統(tǒng)功能設計要求，此次選擇多旋翼無人機作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)搭載平臺。采用數(shù)據(jù)搭載平臺各功能模塊組合、調(diào)試的設計方式，開發(fā)一套滿足多光譜相機搭載及數(shù)據(jù)采集要求的精度高、速度快、效率高、性能穩(wěn)定的多旋翼無人機。多旋翼無人機又分為雙旋翼無人機、四旋翼無人機以及六旋翼無人機，由于雙旋翼無人機與四旋翼無人機在數(shù)據(jù)搭載過程中，只能通過兩個或四個控制量產(chǎn)生六個自由度的輸出，來改變飛行動作、方向、姿勢和位置[2]。

因此，雙旋翼無人機和四旋翼無人機屬于高階非線性多變量強偶合的欠驅(qū)動裝置，在對礦山水工環(huán)地質(zhì)災害數(shù)據(jù)采集過程中難以對其進行容錯飛行控制，一旦在飛行過程中出現(xiàn)電機故障，將會導致整個無人機墜毀。相比于雙旋翼無人機與四旋翼無人機，六旋翼則可以通過八個控制量完成八個自由度的輸出，如果在執(zhí)行飛行任務過程中出現(xiàn)電機故障，無人機仍然可以繼續(xù)飛行，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，所以六旋翼無人機更適用于搭載多光譜傳感器進行礦山水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)采集。無人機作為此次設計系統(tǒng)中多光譜傳感器的搭載平臺，其性能好壞直接決定著系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集性能[3]。

為了滿足多光譜傳感器的搭載要求，在對六旋翼無人機進行開發(fā)時，要首先從無人機載重要求上入手，根據(jù)多光譜傳感器重量對無人機各個功能模塊參數(shù)進行設計，參數(shù)設定完后要通過無人機專業(yè)評估軟件對各個參數(shù)指標進行校驗，效驗其是否符合系統(tǒng)要求，然后根據(jù)系統(tǒng)一般作業(yè)要求對設計完的六旋翼無人機飛行軟件進行選型，以此完成無人機硬件設備設計。

此次選用基于遙感信息識別的多光譜相機作為傳感器，主要任務是負責地質(zhì)數(shù)據(jù)采集。根據(jù)鏡頭分光形式不同，多光譜相機分為多鏡頭分光及單個鏡頭分光兩種。相比于單鏡頭分光結(jié)構(gòu)的多光譜相機，多鏡頭分光結(jié)構(gòu)的多光譜相機在高空環(huán)境下對數(shù)據(jù)采集具有較大的優(yōu)勢，其可以在任何高度下進行多光譜數(shù)據(jù)采集，并且不會出現(xiàn)各個波段圖像上礦山水工環(huán)地質(zhì)圖像的不完全重合現(xiàn)象，除此之外該相機在數(shù)據(jù)采集過程中，光照、氣象、飛速、氣流等因素對其影響較小，采集的多光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。所以此次選用多鏡頭分光結(jié)構(gòu)的多光譜相機作為系統(tǒng)傳感設備。德國SRY公司生產(chǎn)的輕便型多光譜相機DPP Rite是一款高分辨率、多鏡頭、操作控制靈活、體積輕及快門可外部觸發(fā)的多鏡頭分光相機，可以同時收集到八個不連續(xù)的多光譜波段，校準精確，可重復測量；窄帶濾光片提供針對單一波段最大圖像分辨率；圓形的快門設計可消除各種平臺上的圖像失真；并且既能單機運行，也可選用來自飛行器的外部觸發(fā)和數(shù)據(jù)連結(jié)；直觀的網(wǎng)絡界面，能與任何WIFI設備連接；可選擇通過Ethernet或串口與飛行器連接，實現(xiàn)直接配置，狀態(tài)變化以及相機控制[4]。

該相機可獲取紅、綠和近紅外波段（DT4，DT3和DT2）數(shù)據(jù)，提供NDVI，SAVI、冠層分離和NIR/Green比率參數(shù)分析所需要的信息，其圖像存儲格式為BMP格式。BMP格式指的是圖像感應器獲取的原始數(shù)據(jù)，最適用于礦山水工環(huán)地質(zhì)研究。相機預留快門外部觸發(fā)接口，可以實現(xiàn)多光譜數(shù)據(jù)采集的外部觸發(fā)。下圖為基于遙感信息識別的DPP Rite多光譜相機。

圖1 基于遙感信息識別的DPP Rite多光譜相機

2 基于遙感信息識別的礦山水工環(huán)地質(zhì)災害數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件方面主要是通過AT指令設計，通過AT指令軟件設計實現(xiàn)系統(tǒng)各個單元之間的連接與通信。AT指令是從系統(tǒng)服務器終端向無人機與多光譜傳感器設備發(fā)送的控制指令，該軟件對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小有以下定義：由于系統(tǒng)指令的發(fā)送，除AT兩個字符以外，最多可以接受1200個字符長度[5]。每個指令只能執(zhí)行一條控制，對于系統(tǒng)向各個模塊發(fā)送的控制指令要求一行最多一個，不允許上報的一行中存在多條指示或者響應，每條AT指令以回車作為結(jié)尾[6]。下表為AT指令與功能。

表1 AT指令與功能

為了保證系統(tǒng)對數(shù)據(jù)接收的效率，設計一條自動接收數(shù)據(jù)指令，系統(tǒng)模塊不需要通過AT命令接收數(shù)據(jù)，當采集到地質(zhì)數(shù)據(jù)后，會自動在串口輸出數(shù)據(jù)采集情況，以此完成系統(tǒng)軟件設計。

3 實驗

系統(tǒng)設計中完成了無人機、多光譜傳感器、AT指令的設計工作，將整個數(shù)據(jù)采集的外圍軟硬件模塊都集成到一起，現(xiàn)針對系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集速度進行實驗檢測。此次實驗以山西省某礦山為實驗對象，運用此次設計系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對該礦山水工環(huán)地質(zhì)災害數(shù)據(jù)進行采集。為了避免因天氣因素影響到實驗結(jié)果的有效性，此次實驗選擇在天氣較好的條件下，兩個系統(tǒng)的相機快門時間設置為1ms～2ms，無人機飛行高度為120m，航向及旁向重疊度為55%的數(shù)據(jù)采集策略，對礦山100m*100m的區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集實驗。實驗結(jié)果如下圖所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集速度對比

從上圖可以看出，在對礦山水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)進行采集時，此次設計系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速度明顯比傳統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速度快，此次設計系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)采集速度能夠到達1GB/s，滿足礦山水工環(huán)地質(zhì)災害數(shù)據(jù)采集需求。

4 結(jié)語

此次將遙感信息識別技術(shù)中的多光譜傳感器應用到礦山水工環(huán)地質(zhì)災害數(shù)據(jù)采集中，開發(fā)出一套具有高采集效率系統(tǒng)，憑借其數(shù)據(jù)采集速度快、精度高等優(yōu)勢可以用于礦山水工環(huán)地質(zhì)災害數(shù)據(jù)采集，進而提高地質(zhì)災害工作效率。此次所開發(fā)的系統(tǒng)雖然可以穩(wěn)定獲取數(shù)據(jù)，但是由于無人機電池技術(shù)的限制，系統(tǒng)還存在不足之處，好需要后續(xù)進行該方面深入研究。