基于無人機(jī)與GIS相融合的地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化勘查技術(shù)

謝 丹，楊立樹，姚益峰

（湖州創(chuàng)新國土測繪規(guī)劃設(shè)計有限公司，浙江 湖州 313000）

隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各種類型的資源需求度也在不斷攀升，嚴(yán)重的資源短缺制約著各國經(jīng)濟(jì)的正常運轉(zhuǎn)，成為阻礙經(jīng)濟(jì)繼續(xù)發(fā)展的核心問題。如何保證在資源開采力度的基礎(chǔ)上擴(kuò)大地質(zhì)資源開發(fā)力度并保證地質(zhì)結(jié)果的穩(wěn)定性成為現(xiàn)階段地質(zhì)資源勘查亟待解決的問題[1]。進(jìn)入二十一世紀(jì)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化勘查技術(shù)成為地質(zhì)資源勘查的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘探一般利用平面圖與地質(zhì)剖面圖來展示其地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部復(fù)雜的地質(zhì)情況，一定程度上較難直觀展示出地質(zhì)結(jié)構(gòu)的實際情況，極易造成數(shù)據(jù)信息失真，不利于對該區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步研究，如何利用強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)信息化技術(shù)手段為區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化提供技術(shù)支持，將地下實際地質(zhì)結(jié)構(gòu)直觀展示，推進(jìn)地質(zhì)勘探工作的順利進(jìn)行，降低地質(zhì)資源開采周期成為地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘查技術(shù)發(fā)展目標(biāo)。

本次研究中，應(yīng)用無人機(jī)與GIS相融合的新型數(shù)據(jù)技術(shù)手段，利用無人機(jī)所拍攝的圖像信息結(jié)合GIS將可視化數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，將地質(zhì)結(jié)構(gòu)的實際情況信息化、數(shù)字化地展示出來，通過可視化數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、分析與處理，全面直觀展示地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息，將抽象的信息轉(zhuǎn)化為圖像，提升地質(zhì)勘探者對該區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)的直觀理解與分析，利用可視化手段深化地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘探技術(shù)，解決實際地質(zhì)勘探中出現(xiàn)的問題。

1 基于無人機(jī)與GIS相融合的地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化勘查技術(shù)設(shè)計

目前，地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化技術(shù)有很多種，但在使用過程中存在這樣或是那樣的問題，為了更好的對地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在本次研究中使用上述設(shè)定的流程，構(gòu)建應(yīng)用無人機(jī)與GIS技術(shù)的可視化勘查方法，本次研究將主要針對地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化部分展開設(shè)計。

1.1 虛擬現(xiàn)實平臺構(gòu)建

通過文獻(xiàn)研究可知，虛擬現(xiàn)實圖像化程序已經(jīng)在GIS平臺中得到普及應(yīng)用，使用DirectX相關(guān)技術(shù)可以使得三維模型可視化、數(shù)據(jù)圖像化[2]。因此，在本次研究中將首先構(gòu)建虛擬現(xiàn)實平臺。根據(jù)GIS系統(tǒng)的使用特征，選用EV-Globe SDK作為虛擬現(xiàn)實平臺的開發(fā)平臺并與GIS系統(tǒng)集成連接。

由于無人機(jī)與GIS系統(tǒng)中使用的坐標(biāo)不同，在此平臺中需要使兩者的坐標(biāo)相統(tǒng)一。此次設(shè)計中主要使用視口變換技術(shù)完成此部分處理。將得到的圖像放入平臺運行程序，并在其中選擇一個合適的矩形區(qū)域，將圖形坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)的平臺空間中。而后，使用T&L流水線，對圖像進(jìn)行坐標(biāo)投影、色彩調(diào)整與裁剪，存放到可視化空間中，根據(jù)要求對圖像進(jìn)行縮放，并將其傳輸?shù)较乱粋€處理階段中。

為了使后續(xù)的處理過程更為便利，將對圖像的色彩與像素展開處理，使用geometry shader程序?qū)υ紙D形展開處理，剔除圖像中的無用信息，而后按照光柵化要求將圖像整合為片段的形式，進(jìn)行插值、著色。同時，根據(jù)像素光照混合原理使用可編程頂點著色器完成像素處理階段。將上述設(shè)定的原始圖像處理技術(shù)引入地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化虛擬現(xiàn)實平臺，實現(xiàn)此平臺的基礎(chǔ)性能。

1.2 地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間插值設(shè)定

為了更好的實現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化，使用空間插值技術(shù)，規(guī)劃地質(zhì)構(gòu)造中的其他數(shù)據(jù)，對當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)空間進(jìn)行全面的分析。選用無人機(jī)航拍圖像中的相關(guān)數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)，確定其空間位置與屬性，同時采用反距離權(quán)重法，完成計算過程。

設(shè)定此插值為已知數(shù)據(jù)中的一個數(shù)據(jù)點，則其計算結(jié)果可表示為：

在上式中，A0表示未知點的估算結(jié)果，s表示圖像中已知數(shù)據(jù)點參與計算的個數(shù)，Ai表示已知數(shù)據(jù)點i的對應(yīng)計算數(shù)據(jù)值，k表示確定局部地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的冪，gi表示點i與未知點之間的距離。根據(jù)此公式完成差值估算過程，計算中需要控制k的取值范圍，避免出現(xiàn)生成結(jié)果不平滑的問題，造成未知點附近形成凸出與凹陷。通過文獻(xiàn)研究可知，插值結(jié)果應(yīng)控制在上述公式的取值范圍的最大值與最小值，為此將計算結(jié)果中等值線剔除，得到具體的差值結(jié)果，并將其與已知數(shù)據(jù)整合。

1.3 地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維模型構(gòu)建

通過上述設(shè)定，完成了地質(zhì)數(shù)據(jù)的獲取與處理過程，在本次研究中，將使用處理后的數(shù)據(jù)構(gòu)建地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維模型，為后續(xù)的地質(zhì)勘查提供圖像基礎(chǔ)。為了構(gòu)建此三維模型，需要對勘查地點的平面圖、剖面圖以及地質(zhì)鉆探數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

同時，根據(jù)平面圖中的高程點、等高線等數(shù)據(jù)，將三維模型中的圖像矢量化，獲取圖像中的特征點。根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化方法，將二維數(shù)據(jù)中的圖像坐標(biāo)(x,y)轉(zhuǎn)化為三維模型中的坐標(biāo)(x'，y'，z)，令x'=x，y'=y，使得二維數(shù)據(jù)與三維數(shù)據(jù)相對應(yīng)。而后，使用ArcSence三維展示軟件[3]，對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到地質(zhì)結(jié)構(gòu)基本單元模型使用海倫公式獲取模型中各結(jié)構(gòu)面積。將計算得出的結(jié)構(gòu)面積進(jìn)行組合，得到整體地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。

對文中提出的相關(guān)處理過程進(jìn)行整合，至此，基于無人機(jī)與GIS相融合的地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化勘查技術(shù)設(shè)計完成。

2 技術(shù)應(yīng)用測試分析

2.1 技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)與對比指標(biāo)

在本次研究中提出了基于無人機(jī)與GIS相融合的地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化勘查技術(shù)，為證實此技術(shù)的使用效果，在本次研究中設(shè)定了相應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用測試環(huán)節(jié)，將其與目前使用中的多種可視化勘查技術(shù)進(jìn)行對比。選擇某礦山作為研究對象，并設(shè)定10個測定點，使用文中設(shè)計技術(shù)與目前使用中技術(shù)對其進(jìn)行模型構(gòu)建，并獲取應(yīng)用結(jié)果。為提升技術(shù)應(yīng)用測試的對比性，將對比指標(biāo)設(shè)定為可視化結(jié)果與實測結(jié)果數(shù)據(jù)誤差比重，對比進(jìn)行分析確定文中設(shè)計技術(shù)與目前使用中技術(shù)的使用差異。

2.2 應(yīng)用測試結(jié)果分析

表1 可視化結(jié)果與實測結(jié)果數(shù)據(jù)誤差比重（單位：%）

由上述測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，文中提出的可視化技術(shù)其模型構(gòu)建結(jié)果與實測結(jié)果較為接近，目前使用中技術(shù)與實測結(jié)果相差較大。將上述結(jié)果應(yīng)用在實際勘查中可以發(fā)現(xiàn)，使用文中提出技術(shù)可提升地質(zhì)結(jié)果的勘查精度與效果，避免勘查失誤情況的出現(xiàn)。但目前使用中技術(shù)無法保證勘查結(jié)果的有效性，不利于地質(zhì)研究的推進(jìn)。由此可知，文中提出的可視化技術(shù)使用效果優(yōu)于目前使用中的可視化技術(shù)。在日后的地質(zhì)研究過程中，應(yīng)多使用文中提出技術(shù)，推動地質(zhì)研究的深入與發(fā)展。

3 結(jié)語

根據(jù)無人機(jī)與GIS相融合的全新技術(shù)手段，將地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘查進(jìn)行可視化處理，并根據(jù)上文中所研究的可視化數(shù)據(jù)處理手段對地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘探進(jìn)行詳細(xì)分析，將傳統(tǒng)地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘探技術(shù)中二維平面數(shù)據(jù)圖像融入新型GIS可視化數(shù)據(jù)處理，對原有復(fù)雜、多變的地質(zhì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行直觀可視化處理，提升數(shù)據(jù)可視化分析使用效率，減少傳統(tǒng)地質(zhì)勘查過程中對于大量地質(zhì)信息數(shù)據(jù)的處理環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提升地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘探速率。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化勘查技術(shù)的開發(fā)與研究尚處于探索的初步階段，其內(nèi)部方法與理論并不十分成熟，希望以此文作為該項可視化勘查技術(shù)研究基礎(chǔ)，進(jìn)一步對該問題進(jìn)行深入研究與改進(jìn)。