呂寶利

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250000）

UAV又被稱為無(wú)人機(jī)，在應(yīng)用中，是指使用無(wú)線傳感設(shè)備與遙控設(shè)備，按照設(shè)定的程序，對(duì)不載人的飛行器進(jìn)行飛行操控的小型飛機(jī)。目前，UVA已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到事故現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、礦山地質(zhì)測(cè)量、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。相比常規(guī)的載人飛機(jī)，使用UAV可以執(zhí)行更多具有一定危險(xiǎn)性的任務(wù)[1]。同時(shí)，由于無(wú)人機(jī)體型較小，因此也可以使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行待勘察現(xiàn)場(chǎng)的低空航測(cè)。盡管無(wú)人機(jī)在應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)較為顯著，但在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查數(shù)據(jù)的獲取時(shí)，由于缺少載人飛機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的及時(shí)處理，因此會(huì)導(dǎo)致前端反饋的數(shù)據(jù)缺少一定的時(shí)效性，甚至?xí)骨岸朔答伒臄?shù)據(jù)出現(xiàn)不規(guī)則與無(wú)序等問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在市場(chǎng)內(nèi)更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，本文將以礦山地質(zhì)測(cè)量工作為例，從硬件與軟件兩個(gè)方面，對(duì)基于UAV低空航測(cè)的測(cè)量數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)反饋測(cè)量信息的智能化分類，實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)勘查工作的高效性與質(zhì)量性。

1 硬件設(shè)計(jì)

為了確保設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有真正的地質(zhì)測(cè)量與分類功能，需要在規(guī)劃其功能前，進(jìn)行系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[2]。如下圖1所示。

從圖1可以看出，構(gòu)成本文系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括UAV航拍儀器、驅(qū)動(dòng)裝置、數(shù)據(jù)采集器、CAM芯片、通信接口。下述將以UAV航拍儀器與采集器為例，進(jìn)行系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

圖1 數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行UAV航拍儀器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到此系統(tǒng)是應(yīng)用于礦山地質(zhì)測(cè)量的系統(tǒng)，因此航拍的攝像頭應(yīng)當(dāng)參照線陣相機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。此種攝像頭在完成對(duì)地圖數(shù)據(jù)的獲取后，會(huì)向接收端傳輸大量的POS數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)后自主進(jìn)行投影。為了確保投影的數(shù)據(jù)可以滿足礦山作業(yè)需求，在攝像頭上集成一個(gè)面陣傳感器，傳感器通過(guò)感知數(shù)據(jù)的返回路徑，對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃與拼接，以此種方式便可以達(dá)到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圖像信息有效反饋的效果。

采集器的電源由單片機(jī)集成，單片機(jī)運(yùn)行后可產(chǎn)生一定的電壓，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的驅(qū)動(dòng)裝置將根據(jù)需求端的需求電壓，進(jìn)行采集設(shè)備的供電。通常情況下，采集器的傳輸程序可根據(jù)web端網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，進(jìn)行電壓信號(hào)的預(yù)測(cè)，并在完成預(yù)測(cè)后，向前端輸送3.0V的電壓。當(dāng)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電壓數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換后，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)與拍攝信息的針對(duì)性獲取。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于UAV低空航測(cè)的數(shù)據(jù)特征提取

在硬件結(jié)構(gòu)的支撐下，下文將對(duì)系統(tǒng)的軟件功能進(jìn)行開發(fā)。在此過(guò)程中，使用UAV低空航測(cè)技術(shù)，進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)特征的針對(duì)性提取?？紤]到無(wú)人機(jī)獲取的數(shù)據(jù)是由點(diǎn)、線、面等信息集成構(gòu)成的，因此，在提取特征數(shù)據(jù)時(shí)，僅需要根據(jù)拍攝端獲取的數(shù)據(jù)集合進(jìn)行融合處理，并提取其中數(shù)據(jù)的高階特征，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分類[3]。假定高階特征量表示為z，對(duì)應(yīng)高階特征在無(wú)人機(jī)傳輸端的回歸方程表達(dá)式如下：

公式（2）中：y(t)表示為UAV低空航測(cè)中每個(gè)對(duì)應(yīng)維度t內(nèi)的空間信息狀態(tài)；P表示為數(shù)據(jù)嵌入維度；τ表示為無(wú)人機(jī)的有效測(cè)量范圍（通常情況下，取值為120.0°）。在完成上文研究后，進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的融合，提取融合中超過(guò)有效測(cè)量范圍的前端數(shù)據(jù)，將此部分?jǐn)?shù)據(jù)作為測(cè)量過(guò)程中的高維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)特征的提取。

2.2 特征數(shù)據(jù)內(nèi)核分類端設(shè)計(jì)

通過(guò)設(shè)計(jì)特征數(shù)據(jù)內(nèi)核分類端，可以實(shí)現(xiàn)人工操作分類行為的解放，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可將上文獲取的高維度數(shù)據(jù)通過(guò)通信接口進(jìn)行秩序?qū)?。此時(shí)，特征數(shù)據(jù)的分類端將根據(jù)最優(yōu)分類原理，進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)特征向量機(jī)的分解，并將分解后的數(shù)據(jù)按照局部支撐內(nèi)容，進(jìn)行最優(yōu)平面的分類。在此過(guò)程中考慮到UAV航拍儀器獲取的特征信息也可能存在局限，因此，需要在完成數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，定位特征信息的所在端，進(jìn)行任意矢量的匹配，并將匹配后的信息通過(guò)采集器獲取。此過(guò)程可用下述計(jì)算公式表示：

公式（3）中：ci表示為任意矢量i的匹配過(guò)程；Xs表示為采集器對(duì)匹配結(jié)果s的獲取，其中s的取值在[1～n]范圍內(nèi)；ωi表示為對(duì)矢量i所在端的定位過(guò)程；Xi表示為對(duì)矢量的獲取過(guò)程；n表示為匹配行為發(fā)生次數(shù)；i表示為采集信息內(nèi)的任意特征矢量。按照上述計(jì)算公式，完成n次匹配行為，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)前端測(cè)量數(shù)據(jù)的分類，完成本文系統(tǒng)軟件功能的開發(fā)。

3 實(shí)驗(yàn)

結(jié)合本文上述論述內(nèi)容，從硬件層面和理論層面實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為了驗(yàn)證該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性及效果，選擇將基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)作為對(duì)照組，將本文基于UAV低空航測(cè)的數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)組，開展如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)：

選擇將某進(jìn)行礦產(chǎn)資源開發(fā)的礦山項(xiàng)目作為依托，針對(duì)該項(xiàng)目當(dāng)中的礦山，在獲取到其各類地質(zhì)測(cè)量數(shù)據(jù)后，分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)組分類系統(tǒng)和對(duì)照組分類系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行分類和存儲(chǔ)。在該礦山內(nèi)，將礦山每2平方公里作為一個(gè)研究區(qū)域，共劃分為5個(gè)研究區(qū)域，對(duì)五個(gè)2平方公里的研究區(qū)域礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取。已知每個(gè)區(qū)域測(cè)量數(shù)據(jù)規(guī)模為1000MBit，數(shù)據(jù)當(dāng)中包含了t1、t2和t3共三個(gè)類別屬性，為了方便驗(yàn)證，人為將三個(gè)類別當(dāng)中的數(shù)據(jù)設(shè)定為對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)規(guī)模，并將兩種系統(tǒng)運(yùn)行后得出的結(jié)果與設(shè)定的數(shù)據(jù)規(guī)模進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算分類系統(tǒng)的誤分率δ，其中δ的計(jì)算公式為：

公式（4）中，W表示為系統(tǒng)給出的分類結(jié)果數(shù)據(jù)量；Wti表示為某一類屬性當(dāng)中對(duì)應(yīng)的真實(shí)數(shù)據(jù)規(guī)模，其中屬性的取值為1、2、3。按照上述公式，計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的值，并繪制成表1。

表1 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組δ值對(duì)比

結(jié)合表1中數(shù)據(jù)得出，實(shí)驗(yàn)組的δ值均在5.50%以下，而對(duì)照組的δ值均超過(guò)50.0%。因此，通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的分類系統(tǒng)在應(yīng)用到實(shí)際礦山地質(zhì)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行分類時(shí)，誤分率更低，分類結(jié)果精度更高。

4 結(jié)束語(yǔ)

本次研究從硬件與軟件兩個(gè)方面入手，在完成實(shí)驗(yàn)后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方式，證明了設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有一定實(shí)用性，但此次實(shí)驗(yàn)研究選擇的參照對(duì)象較少，僅選擇了一個(gè)礦山作為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能存在偶然性，因此，可在后期的研究中，通過(guò)設(shè)置多個(gè)研究對(duì)象的方式，對(duì)本文設(shè)計(jì)成果加以討論，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能的完善。