基于无人机与GIS相融合的地质结构可视化勘查技术

谢 丹，杨立树，姚益峰

（湖州创新国土测绘规划设计有限公司，浙江 湖州 313000）

随着全球经济的不断发展，各种类型的资源需求度也在不断攀升，严重的资源短缺制约着各国经济的正常运转，成为阻碍经济继续发展的核心问题。如何保证在资源开采力度的基础上扩大地质资源开发力度并保证地质结果的稳定性成为现阶段地质资源勘查亟待解决的问题[1]。进入二十一世纪，地质结构可视化勘查技术成为地质资源勘查的发展趋势。传统的地质结构勘探一般利用平面图与地质剖面图来展示其地质结构内部复杂的地质情况，一定程度上较难直观展示出地质结构的实际情况，极易造成数据信息失真，不利于对该区域地质结构进行进一步研究，如何利用强有力的数据信息化技术手段为区域地质结构可视化提供技术支持，将地下实际地质结构直观展示，推进地质勘探工作的顺利进行，降低地质资源开采周期成为地质结构勘查技术发展目标。

本次研究中，应用无人机与GIS相融合的新型数据技术手段，利用无人机所拍摄的图像信息结合GIS将可视化数据进行分解，将地质结构的实际情况信息化、数字化地展示出来，通过可视化数据进行采集、存储、分析与处理，全面直观展示地质结构信息，将抽象的信息转化为图像，提升地质勘探者对该区域地质结构的直观理解与分析，利用可视化手段深化地质结构勘探技术，解决实际地质勘探中出现的问题。

1 基于无人机与GIS相融合的地质结构可视化勘查技术设计

目前，地质结构可视化技术有很多种，但在使用过程中存在这样或是那样的问题，为了更好的对地质结构进行分析，在本次研究中使用上述设定的流程，构建应用无人机与GIS技术的可视化勘查方法，本次研究将主要针对地质结构可视化部分展开设计。

1.1 虚拟现实平台构建

通过文献研究可知，虚拟现实图像化程序已经在GIS平台中得到普及应用，使用DirectX相关技术可以使得三维模型可视化、数据图像化[2]。因此，在本次研究中将首先构建虚拟现实平台。根据GIS系统的使用特征，选用EV-Globe SDK作为虚拟现实平台的开发平台并与GIS系统集成连接。

由于无人机与GIS系统中使用的坐标不同，在此平台中需要使两者的坐标相统一。此次设计中主要使用视口变换技术完成此部分处理。将得到的图像放入平台运行程序，并在其中选择一个合适的矩形区域，将图形坐标转换到标准的平台空间中。而后，使用T&L流水线，对图像进行坐标投影、色彩调整与裁剪，存放到可视化空间中，根据要求对图像进行缩放，并将其传输到下一个处理阶段中。

为了使后续的处理过程更为便利，将对图像的色彩与像素展开处理，使用geometry shader程序对原始图形展开处理，剔除图像中的无用信息，而后按照光栅化要求将图像整合为片段的形式，进行插值、着色。同时，根据像素光照混合原理使用可编程顶点着色器完成像素处理阶段。将上述设定的原始图像处理技术引入地质结构可视化虚拟现实平台，实现此平台的基础性能。

1.2 地质结构空间插值设定

为了更好的实现地质结构可视化，使用空间插值技术，规划地质构造中的其他数据，对当地的地质空间进行全面的分析。选用无人机航拍图像中的相关数据作为样本数据，确定其空间位置与属性，同时采用反距离权重法，完成计算过程。

设定此插值为已知数据中的一个数据点，则其计算结果可表示为：

在上式中，A0表示未知点的估算结果，s表示图像中已知数据点参与计算的个数，Ai表示已知数据点i的对应计算数据值，k表示确定局部地质结构特征的幂，gi表示点i与未知点之间的距离。根据此公式完成差值估算过程，计算中需要控制k的取值范围，避免出现生成结果不平滑的问题，造成未知点附近形成凸出与凹陷。通过文献研究可知，插值结果应控制在上述公式的取值范围的最大值与最小值，为此将计算结果中等值线剔除，得到具体的差值结果，并将其与已知数据整合。

1.3 地质结构三维模型构建

通过上述设定，完成了地质数据的获取与处理过程，在本次研究中，将使用处理后的数据构建地质结构三维模型，为后续的地质勘查提供图像基础。为了构建此三维模型，需要对勘查地点的平面图、剖面图以及地质钻探数据、地质数据进行分析。

同时，根据平面图中的高程点、等高线等数据，将三维模型中的图像矢量化，获取图像中的特征点。根据坐标转化方法，将二维数据中的图像坐标(x,y)转化为三维模型中的坐标(x'，y'，z)，令x'=x，y'=y，使得二维数据与三维数据相对应。而后，使用ArcSence三维展示软件[3]，对获取的数据进行处理，得到地质结构基本单元模型使用海伦公式获取模型中各结构面积。将计算得出的结构面积进行组合，得到整体地质结构模型。

对文中提出的相关处理过程进行整合，至此，基于无人机与GIS相融合的地质结构可视化勘查技术设计完成。

2 技术应用测试分析

2.1 技术应用环节与对比指标

在本次研究中提出了基于无人机与GIS相融合的地质结构可视化勘查技术，为证实此技术的使用效果，在本次研究中设定了相应的技术应用测试环节，将其与目前使用中的多种可视化勘查技术进行对比。选择某矿山作为研究对象，并设定10个测定点，使用文中设计技术与目前使用中技术对其进行模型构建，并获取应用结果。为提升技术应用测试的对比性，将对比指标设定为可视化结果与实测结果数据误差比重，对比进行分析确定文中设计技术与目前使用中技术的使用差异。

2.2 应用测试结果分析

表1 可视化结果与实测结果数据误差比重（单位：%）

由上述测试结果可以发现，文中提出的可视化技术其模型构建结果与实测结果较为接近，目前使用中技术与实测结果相差较大。将上述结果应用在实际勘查中可以发现，使用文中提出技术可提升地质结果的勘查精度与效果，避免勘查失误情况的出现。但目前使用中技术无法保证勘查结果的有效性，不利于地质研究的推进。由此可知，文中提出的可视化技术使用效果优于目前使用中的可视化技术。在日后的地质研究过程中，应多使用文中提出技术，推动地质研究的深入与发展。

3 结语

根据无人机与GIS相融合的全新技术手段，将地质结构勘查进行可视化处理，并根据上文中所研究的可视化数据处理手段对地质结构勘探进行详细分析，将传统地质结构勘探技术中二维平面数据图像融入新型GIS可视化数据处理，对原有复杂、多变的地质数据信息进行直观可视化处理，提升数据可视化分析使用效率，减少传统地质勘查过程中对于大量地质信息数据的处理环节，进一步提升地质结构勘探速率。由于地质结构可视化勘查技术的开发与研究尚处于探索的初步阶段，其内部方法与理论并不十分成熟，希望以此文作为该项可视化勘查技术研究基础，进一步对该问题进行深入研究与改进。