基于數(shù)字化制圖技術(shù)的礦山地質(zhì)測繪精準(zhǔn)定位系統(tǒng)

李婷婷

（黑龍江省第七地質(zhì)勘查院，黑龍江 綏化 152000）

數(shù)字化制圖技術(shù)是指集成信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，將其與電子測量技術(shù)、圖像繪制技術(shù)進(jìn)行融合，以此種方式，實(shí)現(xiàn)將礦山地質(zhì)圖像清晰地呈現(xiàn)在終端顯示屏幕上，從而輔助礦區(qū)地質(zhì)勘查工作與礦山工程的順利實(shí)施，為我國礦產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展與可持續(xù)建設(shè)提供技術(shù)層面支撐。本文將設(shè)計(jì)一種基于數(shù)字化制圖技術(shù)的礦山地質(zhì)測繪精準(zhǔn)定位系統(tǒng)，以此種方式，為我國地質(zhì)探測工程與礦山工程的有序?qū)嵤┨峁椭?/p>

1 硬件設(shè)計(jì)

為了確保本文設(shè)計(jì)的礦山地質(zhì)測繪精準(zhǔn)定位系統(tǒng)，可在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮其應(yīng)有的價(jià)值與作用，需要在開展相關(guān)工作前，對系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖1所示。

圖1 礦山地質(zhì)測繪精準(zhǔn)定位系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

綜合上述圖1可知，本文系統(tǒng)主要由GPS無人機(jī)、攝像傳感器、電源、電路等硬件構(gòu)成，下述將對系統(tǒng)中的GPS無人機(jī)的型號與攝像傳感器參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)描述。具體內(nèi)容如下。

本文系統(tǒng)應(yīng)用的GPS無人機(jī)為廣州紅鵬企業(yè)研發(fā)的六旋翼無人機(jī)，此無人機(jī)的型號為AD1122，此種型號的無人機(jī)在實(shí)際使用中，通過鋰電池供電，此種供電方式，可以為無人機(jī)運(yùn)行提供可持續(xù)的供電[1]。在對AD1122型號的GPS無人機(jī)進(jìn)行性能分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，其最高飛行限度為+1000.0m，在礦區(qū)上方飛行時(shí)，可控半徑為±1000.0m，整體飛行范圍為1.0×103m～5.0×103m。無人機(jī)的正常載重為2.5kg，在正常載重條件下，鋰電池的最高續(xù)航時(shí)長為30.0min，最大升降速度為±8.0m/s。在礦區(qū)內(nèi)巡航時(shí)，平均巡航速度約為15.0m/s，空中懸停精度在水平方向?yàn)椤?.0m，垂直方向?yàn)椤?.0m，經(jīng)過技術(shù)開發(fā)人員的實(shí)際檢測，GPS無人機(jī)在飛行過程中，可抵御最高39.0km/h的風(fēng)速正常飛行（約5.0級風(fēng)速）。因此，將此種無人機(jī)應(yīng)用到礦山地質(zhì)測繪精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，具有較高的可行性。

在對攝像傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可選擇索尼廠家的DSCWX200型號的鏡頭作為傳感設(shè)備，此傳感器由5.0個(gè)攝像頭構(gòu)成，每個(gè)攝像頭的旋轉(zhuǎn)角度為120.0°，可在礦山地質(zhì)勘測中獲取更為全面的地質(zhì)信息。其中5.0個(gè)攝像頭中包含2個(gè)直視鏡頭與3個(gè)斜側(cè)視鏡頭，鏡頭尺寸為14.5mm×8.5mm，支撐2.50μm以上的像元。使用此種攝像頭可以獲得分辨率在5500.0×3700.0的圖像，同時(shí)，此傳感器在獲取礦山地質(zhì)圖像時(shí)，可從終端獲取到常規(guī)的勘測點(diǎn)三視圖。

考慮到不同攝像頭在獲取圖像信息時(shí)，可能出現(xiàn)圖像重疊的現(xiàn)象，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通過設(shè)計(jì)垂直螺旋槳方向的方式，對傳感器的傳感方位進(jìn)行調(diào)整，以此種方式，為礦山地質(zhì)測繪精準(zhǔn)定位相關(guān)工作提供幫助。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于數(shù)字化制圖技術(shù)構(gòu)建礦山地質(zhì)測繪三維模型

在完成本文系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)后，使用GPS無人機(jī)進(jìn)行礦山地質(zhì)信息的獲取，并將獲取的地質(zhì)圖像進(jìn)行集成，結(jié)合數(shù)字化制圖技術(shù)在此過程中的應(yīng)用，構(gòu)建礦山地質(zhì)測繪三維模型[2]。

在礦區(qū)內(nèi)，無論是地質(zhì)勘查工程，或是礦山資源開發(fā)工程，均需要在相關(guān)工作前，進(jìn)行礦山地質(zhì)測繪工作，而測繪工作的內(nèi)容不僅包括礦山地勢、地貌等基礎(chǔ)信息的獲取，還需要對礦層巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、礦產(chǎn)資源遷移等信息進(jìn)行針對性獲取。在完成對圖像的拼接后，將圖像上傳到可視化處理端，將所有的礦山地質(zhì)信息進(jìn)行集成，考慮到此過程中，可能會出現(xiàn)圖像斑點(diǎn)。

因此，在完成上述相關(guān)處理后，利用TIN網(wǎng)格，對模型中的礦山地質(zhì)圖像進(jìn)行重建，并修復(fù)模型在可視化處理中存在的漏洞，將圖像信息與X-Y-Z三維坐標(biāo)進(jìn)行映射處理，得到一個(gè)同名像點(diǎn)。按照“像點(diǎn)”坐標(biāo)，將其與網(wǎng)格進(jìn)行比對，經(jīng)過比對后，倘若坐標(biāo)信息可以完全匹配，證明此時(shí)構(gòu)建的礦山地質(zhì)測繪三維模型，符合地質(zhì)測繪工作需求。反之，倘若發(fā)現(xiàn)坐標(biāo)信息存在不匹配的問題，需要再次調(diào)用“GIS+RS”技術(shù)，按照上文提出的方式，對獲取的遙感圖像進(jìn)行處理，直到處理后的圖像可滿足坐標(biāo)配準(zhǔn)需求，才可認(rèn)為完成對三維模型的構(gòu)建。

2.2 融合礦山地質(zhì)關(guān)鍵信息的測繪點(diǎn)校正與精準(zhǔn)定位

在完成對礦山地質(zhì)關(guān)鍵信息的提取后，應(yīng)明確不同類型的地質(zhì)信息均會影響到測繪點(diǎn)定位結(jié)果，因此，需要再次提取測繪點(diǎn)信息，并明確影響測繪點(diǎn)的影響因子與權(quán)重，而此時(shí)定位的易發(fā)性因子也是影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵因素。為此，可通過建立關(guān)鍵信息之間關(guān)聯(lián)函數(shù)的方式，得到因子的權(quán)重值。

在此過程中，首先可構(gòu)建一個(gè)階梯式的層級結(jié)構(gòu)，將定位的測繪點(diǎn)劃分為三個(gè)層級，分別為精準(zhǔn)目標(biāo)層、信息獲取準(zhǔn)則層與校正層。三個(gè)層級需要按照一定的順序進(jìn)行排序，并按照層級聯(lián)系，構(gòu)建判斷矩陣，使用1.0～10.0的標(biāo)度法，進(jìn)行重要性標(biāo)注，將標(biāo)注的結(jié)果作為判斷矩陣構(gòu)造結(jié)果，使用1/1或1/9進(jìn)行重要性表示。

3 對比實(shí)驗(yàn)

上文從硬件與軟件兩個(gè)方面，對基于數(shù)字化制圖技術(shù)的礦山地質(zhì)測繪精準(zhǔn)定位系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，在完成設(shè)計(jì)后，為了證明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以在投入使用后，為地質(zhì)工作者提供輔助性作用，設(shè)計(jì)了如下所示的對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，選擇基于GIS技術(shù)的礦山地質(zhì)測繪精準(zhǔn)定位系統(tǒng)作為對照系統(tǒng)，并選擇某個(gè)待開發(fā)礦區(qū)作為此次實(shí)驗(yàn)的試點(diǎn)區(qū)域。礦層由下至上地構(gòu)成為：基巖層、碳酸鹽層、貝巖層、礦產(chǎn)資源層、細(xì)砂層、土層、水層。

在掌握與礦區(qū)地質(zhì)相關(guān)的信息后，選定I點(diǎn)、II點(diǎn)、III點(diǎn)、IV點(diǎn)、V點(diǎn)作為礦層測繪點(diǎn)，并使用本文系統(tǒng)與對照系統(tǒng)，對礦山地質(zhì)測繪點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，獲取經(jīng)過精準(zhǔn)匹配后的測繪點(diǎn)信息，以信息的連續(xù)性與價(jià)值性作為評估系統(tǒng)有效性的依據(jù)。實(shí)施此次對比實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成表格，如下表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在經(jīng)過本文系統(tǒng)對測繪點(diǎn)的定位處理后，所獲取與礦山地質(zhì)相關(guān)的信息，均可以精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位，相比傳統(tǒng)的系統(tǒng)，本文系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的精度更高，可為礦山工作者，提供更加真實(shí)的地質(zhì)數(shù)據(jù)，為我國礦山工程的實(shí)施提供更大的幫助。

4 結(jié)語

目前，我國技術(shù)研究單位對于數(shù)字化制圖技術(shù)的研究已趨近于白熱化階段，盡管與此方面相關(guān)的研究成果較多，但將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到礦山地質(zhì)測繪精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，仍未有單位涉及。

因此，本文基于數(shù)字化制圖技術(shù)的應(yīng)用，對此系統(tǒng)展開設(shè)計(jì)研究。此次設(shè)計(jì)從硬件與軟件兩個(gè)方面展開工作，硬件包括GPS無人機(jī)、攝像傳感器、電源、電路等，在硬件設(shè)備的支撐下，構(gòu)建礦山地質(zhì)測繪三維模型，校正與精準(zhǔn)定位測繪點(diǎn)。并在完成設(shè)計(jì)后，通過對比實(shí)驗(yàn)的方式，證明了本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，可以定位到高精度礦山地質(zhì)信息。因此，希望通過此次的研究工作，為我國礦山工程的實(shí)施提供幫助。