基于無人機傾斜攝影測量的礦山地質測繪數據分類系統

趙 波

（甘肅省地礦局測繪勘查院，甘肅 蘭州 730000）

傳統的衛星遙感及其測量手段會損耗工程方大量的時間和成本，這對于部分緊急情況的測繪而言，無法快速有效地將地質測繪信息更新[1]。但無人機傾斜攝影技術的優勢就是：具備較高的靈活性，在測繪上更加高效和方便，測繪結果更為精確，適合用于各種領域且成本損耗較低，特別是在小范圍應用和飛行比較困難的區域上表現出來的優勢更為突出，無人機傾斜攝影技術可以在很大程度上彌補傳統測繪手段的缺陷，取代傳統的測繪手段。本文從礦山地質測繪信息的基礎著手，仔細分析了礦山地質測繪信息的數據來源、信息特征以及分類環節，構建了數據模型，具體包括概念數據模型與邏輯數據模型，對礦山地質測繪數據進行了具體分類和組織[2]。根據地質測繪數據不同的專業方向以及數據在礦山圖形信息庫內的幾何特征，如點、線、面等，對礦山地質測繪數據進行分類，從而形成了一整套適合用于礦山地質測繪數據組織管理的分類系統。

1 基于無人機傾斜攝影測量的礦山地質測繪數據分類系統硬件組成

（1）輕型多視角航攝儀。現在的航空數碼相機主要包括兩種，即線陣相機與面陣相機。線陣相機的傳感器只具備雙行感光射線，線陣相機對于飛行環境的要求比較高且在后續數據整理的細節處理上也較為繁瑣，現行的處理系統針對部分特殊環境會產生無法處理的情況。線陣相機的影像生成在一定程度上是依賴于POS數據，生成的每一幅影像均屬于中心投影。傾斜攝影就具備成像質量高，平面精度高等特征。面陣相機獲取到影像可以滿足上列要求，同時對數據后續的細節處理更為簡單。因而，能夠將多個面陣圖像傳感器根據一定的組成方式進行拼接，之后再進行影像數據的采集。

現在傾斜航空攝影上應用比較多的就是雙拼相機、多拼相機。這些拼接組合式的相機主要包括內視場組合拼接以及外視場組合拼接兩種。在進行航空拍攝時，多個相機必須確保同時曝光。如此在完成拍攝以后，就能夠對每一個相機獲取到的面陣影像進行組合拼接，從而組成一幅無限接近單中心投影的大像幅影像。這種組合拼接的方法獲取到的大像幅影像嚴格意義上來說并不屬于中心投影。因此在綜合考慮影像重疊、圖像分辨率、傾斜角以及圖像位移等因素，在對地面物體的三維重建基礎上，選擇解放軍10001廠自主研發設計的帶有6個鏡頭相機的輕小型多視角航空攝影測量儀，其采取的主要是外視場組合拼接技術，帶有通用設備拼接裝置，能夠加載在各種型號的無人機上。

圖1 輕小型多視角航空攝影測量儀

（2）接口設計。為了保證礦山地質測繪數據分類系統和數據信息的安全，以接口方式和其它系統通信。這方面指的是測繪數據分類系統和信息管理系統，比如生產管理系統與質量管理系統之間的有效連接。通過建立數據庫的視圖，控制其它系統對本系統數據庫使用權限的手段來完成，這些用戶只可以訪問既定的視圖，且只具備查詢權。

（3）數據采集器。數據采集器的電源通過單片機產生一定電壓，借助單片機電壓調節器，從而為單片機提供礦山地質測繪數據分類系統所需額定電壓。與此同時，系統運轉產生的電壓會利用系統的上傳輸送程序對3V電壓進行控制。利用Web網絡的被預測信號經過系統調整以后，通過單片機轉化成功設備運行的電壓，從而獲取到轉換以后的相應數據，如此就實現了對礦山地質測繪數據的采集過程。

2 基于無人機傾斜攝影測量的礦山地質測繪數據分類系統軟件設計

（1）圖形數據庫及其結構。圖形數據構造主要是采取自下而上的邏輯結構，即簡單圖形根據一定的互相關系組建復雜的圖形。為了適應礦山地質測繪數據分類系統中對圖形數據量變動范圍較大的需求，除上層圖層以外，其它各層都必須采取間接式技術來完成圖像存儲結構。這一結構的圖形數據庫具有存儲巨量數據的能力。其中圖層的定義同線型同樣被登記在一個動態的數組元內，其主要是作為一個“完整圖”的直接下層而存在于系統內，屬于圖形數據庫的第一層。由圖形數據庫生成的圖像輸出文件，對應于圖像文件中的每個數據記錄和每個圖層的對應關系。圖層具體是以一個十二位字節的整數來代表其輸出順序。圖段主要用于表示兩個或多個在邏輯上具備屬性關系的圖形對象。圖組用于表示彼此之間較為獨立的圖形對象及其附屬對象。而圖元作為存儲各項基本圖素的描述數據而存在，和上述元素不同的是，其記錄長度是不均等的，而圖層、圖組、圖段內各個元素的長度則是均等的。

（2）特征數據分類端設計。特征數據分類端可以有效實現人工操作的解放，其按照圖形數據庫處理端所獲取到的大數據特點，通過分類器完成特征數據的分類工作。特征數據分類端所設計的數據根據最優分類原理，在特征向量機這一分類器的基礎上實現的。特征向量機具體是按照邏輯關系從數據中心提取出的大數據特征，將大數據分解為向量，其中的支持向量則被匹配到兩端，一端用于接收和特征數據無關的向量，一端通過最優平面完成對數據的有效分類。

航空攝影測量儀對應的局部測量坐標系選用攝像機的三維坐標系。設代表的是數據采集器1對應的局部測量坐標系；代表的是數據采集器2對應的局部測量坐標系；代表的是全局測量坐標系。

設Xw代表的是在三維坐標系中任意點對應的矢量，其表達式如下：

設Xc1代表的是在數據采集器1對應的局部測量坐標系中任意點對應的矢量，其表達式如下：

設Xc2代表的是在數據采集器2對應的局部測量坐標系中任意點對應的矢量，其表達式如下：

全局坐標系和數據采集器1、2之間通過下式進行轉變：

無人機傾斜攝影測量作為一種有效將統計學和物理學結合在一起的廣泛應用于特征數據分類的設備，其優勢是計算準確，具備很高的工作效率，且對地質測繪數據的分類限制比較少，能夠大大簡化礦山地質測繪數據特征在數據分類系統的工作流程，從而有效降低了系統的資源占用率。

3 仿真實驗論證與分析

為確保本文設計的基于無人機傾斜攝影測量的礦山地質測繪數據分類系統的有效性，進行仿真實驗論證分析。

（1）實驗準備。為了驗證上述無人機傾斜攝影測量的礦山地質測繪數據分類系統可行性及精度情況，選擇一城市郊區某礦山周圍2平方公里作為試驗區域。獲取了2平方公里傾斜影像數據，將本文設計系統與傳統系統對精度進行驗證。

（2）實驗結果分析。實驗對本文所設計的礦山地質測繪數據分類系統的穩定性進行驗證，選取兩種數據分類系統進行對比分析。結果如表1、表2所示：

表1 本文設計的數據分類系統穩定性驗證結果

表2 傳統數據分類系統穩定性驗證結果

由表1、表2中的數據可知，本文設計系統的數據分類準確率比傳統數據分類系統的數據分類準確率要高，從召回率數據來看，本文設計系統的數據分類召回率較低，由此可以得出本文設計數據分類系統的穩定性較高。

試驗過程中，通過兩種不同的系統同時在相同環境下工作，分析其分類效果的變化。具體效果對比圖如下圖所示。

通過實驗結果可知，本文提出的基于無人機傾斜攝影測量的礦山地質測繪數據分類系統，其數據分類的精確度遠高于傳統方法，具備較高的實用性和有效性。

圖2 實驗結果對比圖

4 結語

本文設計的基于無人機傾斜攝影測量的礦山地質測繪數據分類系統具備極高的有效性，有利于提高礦山測繪的工作效率。希望本文的研究能夠為我國無人機傾斜攝影測量的礦山地質測繪數據分類系統提供理論依據和參考。