基于遙感信息識別的礦山水工環地質災害數據采集系統

董玉玉

（山西省第二地質工程勘察院，山西 侯馬 043011）

遙感信息識別技術是指在高空作業環境中通過搭載傳感設備對物體信息進行識別，該技術具有精度高、效率高等優點，已經被廣泛應用到各個勘查領域中，遙感數據的空間分辨率與地物尺度之間差異對礦山水工環地質遙感信息識別存在顯著影響，如高分辨率遙感數據在邊界處的混合像元存在優勢，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地質災害環境惡劣，提高了勘探數據采集難度，傳統系統數據采集速度較慢，已經無法滿足礦山水工環地質災害需求，所以此次對基于遙感信息識別的礦山水工環地質災害數據采集系統進行研究，為該方面研究提供理論依據。

1 基于遙感信息識別的礦山水工環地質災害數據采集系統硬件設計

為了解決傳統礦山水工環地質災害數據采集系統沒有穩定云臺、無POS數據以及沒有實現數據采集飛控控制等問題，此次系統在硬件設計方面，除了一些傳統硬件設備以外，主要還增添了遙感信息識別技術中的多光譜傳感器（多光譜相機）、無人機等硬件設備設計，以此保證系統對礦山水工環地質災害數據采集質量。

無人機屬于系統的數據搭載平臺，是獲取礦山水工環地質災害數據的基礎，系統只有穩定、高效的數據搭載平臺才能保障為后續各項數據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，根據系統功能設計要求，此次選擇多旋翼無人機作為系統數據搭載平臺。采用數據搭載平臺各功能模塊組合、調試的設計方式，開發一套滿足多光譜相機搭載及數據采集要求的精度高、速度快、效率高、性能穩定的多旋翼無人機。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據搭載過程中，只能通過兩個或四個控制量產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動裝置，在對礦山水工環地質災害數據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，如果在執行飛行任務過程中出現電機故障，無人機仍然可以繼續飛行，具有良好的穩定性和可靠性，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地質數據采集。無人機作為此次設計系統中多光譜傳感器的搭載平臺，其性能好壞直接決定著系統的數據采集性能[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時，要首先從無人機載重要求上入手，根據多光譜傳感器重量對無人機各個功能模塊參數進行設計，參數設定完后要通過無人機專業評估軟件對各個參數指標進行校驗，效驗其是否符合系統要求，然后根據系統一般作業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數據采集。根據鏡頭分光形式不同，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構的多光譜相機，多鏡頭分光結構的多光譜相機在高空環境下對數據采集具有較大的優勢，其可以在任何高度下進行多光譜數據采集，并且不會出現各個波段圖像上礦山水工環地質圖像的不完全重合現象，除此之外該相機在數據采集過程中，光照、氣象、飛速、氣流等因素對其影響較小，采集的多光譜數據質量較高。所以此次選用多鏡頭分光結構的多光譜相機作為系統傳感設備。德國SRY公司生產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的多鏡頭分光相機，可以同時收集到八個不連續的多光譜波段，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和數據連結；直觀的網絡界面，能與任何WIFI設備連接；可選擇通過Ethernet或串口與飛行器連接，實現直接配置，狀態變化以及相機控制[4]。

該相機可獲取紅、綠和近紅外波段（DT4，DT3和DT2）數據，提供NDVI，SAVI、冠層分離和NIR/Green比率參數分析所需要的信息，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據，最適用于礦山水工環地質研究。相機預留快門外部觸發接口，可以實現多光譜數據采集的外部觸發。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地質災害數據采集系統軟件設計

系統軟件方面主要是通過AT指令設計，通過AT指令軟件設計實現系統各個單元之間的連接與通信。AT指令是從系統服務器終端向無人機與多光譜傳感器設備發送的控制指令，該軟件對所傳輸的數據包大小有以下定義：由于系統指令的發送，除AT兩個字符以外，最多可以接受1200個字符長度[5]。每個指令只能執行一條控制，對于系統向各個模塊發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

為了保證系統對數據接收的效率，設計一條自動接收數據指令，系統模塊不需要通過AT命令接收數據，當采集到地質數據后，會自動在串口輸出數據采集情況，以此完成系統軟件設計。

3 實驗

系統設計中完成了無人機、多光譜傳感器、AT指令的設計工作，將整個數據采集的外圍軟硬件模塊都集成到一起，現針對系統對數據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，運用此次設計系統與傳統系統對該礦山水工環地質災害數據進行采集。為了避免因天氣因素影響到實驗結果的有效性，此次實驗選擇在天氣較好的條件下，兩個系統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%的數據采集策略，對礦山100m*100m的區域進行數據采集實驗。實驗結果如下圖所示。

圖2 數據采集速度對比

從上圖可以看出，在對礦山水工環地質數據進行采集時，此次設計系統數據采集速度明顯比傳統系統數據采集速度快，此次設計系統對于數據采集速度能夠到達1GB/s，滿足礦山水工環地質災害數據采集需求。

4 結語

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