CN111561934A - 基于无人机的地质勘探规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于无人机的地质勘探规划方法，其包括如下步骤：选定勘探区域；设定比例尺；在勘探区域边界选取指定数量的点视为边界点，在边界点中选取一点标记为初始点；以初始点为坐标原点绘制三维坐标系；按照比例尺计算所有边界点的坐标，在三维坐标系中标出所有边界点并绘制勘探区域，视为规划区域；划分规划区域为多个子区域；选取子区域中点为路径点，不重复连接路径点，绘成勘探路径；在勘探路径上确定重要位点，划定重要位点所在子区域的勘探路径段为重点路径段；给定飞行高度；控制无人机勘探系统按照勘探路径对实际勘探区域进行勘探。本发明具有有助于对重点区域进行重点勘探的效果。
Description
技术领域
本发明涉及地质勘探系统的技术领域，尤其是涉及一种基于无人机的地质勘探规划方法。
背景技术
目前，我国民用无人机正处于高速发展阶段，民用无人机的使用率越来越高。其中，固定翼无人机多被用于地质方面，在植被研究、地质调查、环境监测等方面发挥了重要的作用，能够帮助我们尽早获得详尽的信息，从而有效减少损失。无人机遥感是以无人机为飞行平台搭载传感器设备获取地面信息的遥感方式，随着社会经济的快速发展，地质环境承受着人类强烈的改造与破坏活动，地质灾害与地质环境问题日渐严重，地质环境快速而全面地监测成为当前颇为紧迫的问题，无人机遥感弥补了卫星遥感和普通航空遥感时效性不强、缺乏机动灵活性、受限于天气条件、很难获取云下影像的不足。。
现有的技术方案可参考申请公开号为CN105444740A的中国发明专利，其公开了一种小型无人机遥感辅助滑坡应急治理工程勘查设计方法。其特征在于技术步骤包括：利用小型无人机遥感系统现场快速采集滑坡工程区的高清照片；通过数字摄影测量软件处理生成滑坡工程区的正射遥感成果；利用正射遥感成果数据制作大比例尺线划地形图；基于正射影像及三维模型开展室内可视化辅助工程地质勘查；根据实地工程地质勘查成果编制可视化及传统工程地质平面图件；基于可视化工程地质平面图开展辅助治理工程设计；编制可视化及传统的滑坡应急治理工程设计平面图件。
上述中的现有技术方案存在以下缺陷：随着无人机的可控距离增加，目前越来越多的地区可以使用无人机进行初步的地质勘探，得益于无人机的悬停功能，能够进行稳定的数据勘探，但同时，因为地质环境比较复杂，通常无人机勘探的过程中难以实现对重点地质区域进行重点勘探的效果。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种有助于对重点区域进行重点勘探的基于无人机的地质勘探规划方法。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于无人机的地质勘探规划方法，包括如下步骤：
选定勘探区域；
设定比例尺；
在勘探区域边界选取指定数量的点视为边界点，在边界点中选取一点标记为初始点；
以初始点为坐标原点绘制三维坐标系；
按照比例尺计算所有边界点的坐标，在三维坐标系中标出所有边界点并绘制勘探区域，视为规划区域；
划分规划区域为多个子区域；
选取子区域中点为路径点，不重复连接路径点，绘成勘探路径；
在勘探路径上确定重要位点，划定重要位点所在子区域的勘探路径段为重点路径段；
给定飞行高度；
控制无人机勘探系统按照勘探路径对实际勘探区域进行勘探，其中，控制无人机在重点路径段的速度为其他勘探路径勘探速度的一半以下。
通过采用上述技术方案，使用本方法进行勘探，能够实现如下几个功能，首先，在进行规划的时候，因为在每个子区域仅选取一个路径点，因此不会出现重复勘探的情况，能够防止不必要的时间成本，在飞行勘探的过程中，无人机在重点路径段速度放慢，既能够有效提高对重点路径段的勘探效果，又能够通过速度变化及时提醒进行数据观测的操作人员是否开始对重点数据段进行勘探，方便操作人员进行重点数据段合适与否进行比对。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：给定飞行高度步骤具体为：
在勘探区域内的地质表面按照给定密度标定勘探点，按照比例尺换算，将所有勘探点标记在三维坐标系上，记作勘探位点；
从勘探路径做竖向投射，标记碰到的勘探位点为高度标记点；
按照比例尺换算飞行高度值为预设值，以高度标记点的横纵坐标为横纵坐标，以高度标记点的纵坐标加上预设值为新的纵坐标，在三维坐标系中标记高度预设点；
调整探测路径的高度竖坐标，保持探测路径经过所有高度预设点。
通过采用上述技术方案，通过对飞行高度的设置，能够有效保障无人机与地质表面的距离保持稳定，既能够避免无人机因为地势高低而出现碰撞损毁情况，又能够等距的进行稳定的勘探，降低因为高度原因导致勘探效果不稳定的概率。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：还包括如下步骤，
利用数学方式调整经过预设点的探测路径为平滑曲线。
通过采用上述技术方案，与预设点之间连成的折线相比，平滑曲线更符合无人机高度调整的调整特点，目前，在数学层面有多种方式能够实现对平滑曲线的生成，例如微积分、曲线拟合等方式。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：选取所有重点路径段，在高度标记点和对应的勘探位点之间选取折中点；
在折中点高度上做平行于重点路径段设置的复核路径段，将复核路径段和重点路径段两端连接，形成环状的复核轨迹；
控制无人机在勘探完重点路径段之后环绕复核轨迹进行勘探，再继续向前沿勘探路径进行勘探。
通过采用上述技术方案，在进行重点路径段的勘探时，让无人机沿符合轨迹绕行一周，能够最终输出远近两个勘探结果，通过远近勘探结果的比较，能够得到重点路径段更稳定有效的勘探数据，方便操作人员进行数据比对和融合。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：还包括以下步骤：
在进行一次无人机勘探之后，根据勘探结果标记至少一个子区域为核查子区域；
在每个核查子区域的勘探位点上方标记至少两个三维坐标均不相同的核查位点；
串联所有核查子区域的所有核查位点，形成核查路径；
控制无人机按照核查路径进行飞行勘探。
通过采用上述技术方案，在进行初次勘探后，操作人员可标记需要核查的子区域，并通过对这些核查子区域进行多个核查点的选取，更有针对性的对这些核查子区域进行二次勘探，二次勘探既能够避免无人机额外的飞行路径，又能够有重点的对核查子区域进行勘探，有效提高了勘探效率和勘探结果的稳定性。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：形成核查路径步骤具体为，
优先连接同一核查子区域内的核查位点；
遍历同一核查子区域内的核查位点后，优先连接相邻核查子区域的核查位点。
通过采用上述技术方案，在进行核查路径选取的时候，通过核查子区域内外两次就近原则进行路径规划，能够有效保障无人机飞行路径的有效性，选择最短路径进行勘探，从而实现稳定的勘探效果和高效的勘探效率。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：形成核查路径步骤还包括：
对核查子区域按照重要程度进行等级划分；
按照核查子区域的等级对其内所有核查位点进行等级划分；
对所有核查位点设置悬停时长；
核查位点的重要性等级与其悬停时长成正比。
通过采用上述技术方案，通过对核查子区域的等级划分，能够突出勘探重点，配合悬停时长的设置，能够让无人机在勘探重点区域停留较长时间，允许操作人员在悬停时长内进行稳定准确的观测和勘探，从而提高勘探效果的稳定性。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：控制无人机在核查位点做悬停时，控制无人机在竖直方向上移动。
通过采用上述技术方案，在悬停过程中控制无人机在竖直移动能够通过视野的拉远和拉进，实现对复核位点位置处的细节勘探并在视野拉远的时候对复核位点及其周围的地质环境进行对比，从而方便操作人员进行一致性和特异性的判断和比较。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述无人机上搭载有GPS定位芯片、摄像头、高光谱仪等勘探设备。
通过采用上述技术方案，GPS定位芯片能够保障无人机按照给定的路径进行运动，摄像头和高光谱仪能够对无人机下方的地质区域进行地质类型探测和图片获取，实现勘探的效果。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：完成重点勘探步骤后，对核查路线绘制步骤和重点勘探步骤进行循环，其中，每次重复减少至少一个核查子区域数量，直至核查子区域数量为一时停止循环，按照比例尺找到对应核查子区域实际位置，进行实地勘探。
通过采用上述技术方案，每次削减核查子区域，能够不断集中操作人员的勘探重点，最终得到最值得进行细致勘探的一个核查子区域，便可由操作人员进行实地勘探，详细把握地质情况，获得最有代表性的地质数据。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
1.能够对勘探区域进行遍历，形成完整的地质信息勘探，并在完整勘探之后有重点的对重点区域进行二次勘探，提高勘探结果的稳定性和有效性；
2.能够有效保障勘探路线的规划更符合无人机的飞行特性，从而保持无人机更稳定的飞行和勘探；
3.能够有效对勘探时长和勘探路径进行规划，有重点的进行勘探。
具体实施方式
以下对本发明作进一步详细说明。
本发明公开了一种基于无人机的地质勘探规划方法，包括如下步骤：
区域选定，在实际地质区域划定呈方形的区域作为勘探区域。
设定比例尺，跟句实际勘探区域的大小，设定合适的比例尺。
数字地图绘制，包括以下步骤：
选取勘探区域四角和四边中点共八个点，视为边界点，在边界点中选取勘探区域一角的点标记为初始点。
以初始点为坐标原点绘制三维坐标系。
按照比例尺计算所有边界点的坐标，在三维坐标系中标出所有边界点。
在勘探区域内的地质表面按照给定密度标定勘探点，按照比例尺换算，得到所有勘探点的三维坐标，将所有勘探点标记在三维坐标系上，记作勘探位点。
利用matlab等数学建模软件，利用勘探位点和边界点为数据基础构建勘探区域地表的三维模型，视为规划区域。
水平路径绘制，包括如下步骤：
划分规划区域为多个面积相等，形状相同的子区域。
选取每个子区域中点为路径点，不重复且遵从就近原则连接路径点，绘成勘探路径。
在勘探路径上选取确定重要位点，划定重要位点所在子区域的勘探路径段为重点路径段。
竖直路径绘制，包括如下步骤：
从勘探路径做竖向投射，标记碰到的勘探位点为高度标记点。
操作人员给定飞行高度，按照比例尺换算飞行高度值为预设值，以高度标记点的横纵坐标为横纵坐标，以高度标记点的纵坐标加上预设值为新的纵坐标，在三维坐标系中标记高度预设点。
使用高度预设点的竖坐标替换对应高度标记点位置的勘探路径的竖坐标，调整探测路径的高度竖坐标，保持探测路径经过所有高度预设点。
利用曲线拟合方式调整经过预设点的探测路径为平滑曲线。
复核路径绘制，包括如下步骤：
选取所有重点路径段，保持重点路径段上高度标记点的横纵坐标不变，以重点路径段中高度标记点竖坐标和对应的勘探位点竖坐标的平均值为新的竖坐标，得到多个折中点。
在三维坐标系中绘制复核路径段，保持复核路径段经过所有对应的折中点。
将复核路径段和重点路径段两端连接，形成环状的复核轨迹。
地图导入，将包含规划区域、勘探路径、重点路径段、复核路径段的三维坐标系导入无人机。
初次勘探，控制搭载有GPS定位芯片、摄像头、高光谱仪等勘探设备的无人机勘探系统按照勘探路径对实际勘探区域进行勘探，其中，当无人机经过重点路径段时，控制无人机速度下降为其他勘探路径勘探速度的三分之一，且控制无人机先绕复核轨迹飞行一周，再继续沿勘探路径继续飞行勘探。
至此，可控制无人机实现初次勘探操作，在勘探过程中，无人机会始终与地质表面保持稳定的高度距离，从而保持勘探数据的稳定性和有效性，同时保障无人机的飞行高度足够高，无人机本体安全。在无人机进入重点路径段的时候，能够明显出现速度降低的现象，在无人机开始沿复核路径段运动的时候，能够明显出现飞行高度降低的情况，两个明显差异能够有效提醒操作人员着重对勘探数据和图像进行查看和分析，从而指定有效的核查勘探路线进行重点勘探。其中，曲线拟合方式是使用某一个模型（或者称为方程式），将一系列的数据拟成平滑的曲线，以便观察两组数据之间的内在联系，了解数据之间的变化趋势的一种常用方法，利用曲线拟合方式对勘探路径进行处理，能够保障最终的勘探路径符合无人机的飞行轨迹和高度变化特征，从而提高无人机飞行过程中的稳定性。
本方法还包括如下步骤：
核查路线绘制，包括如下子步骤：
在进行一次无人机勘探之后，根据勘探结果标记五个子区域为核查子区域。
在每个核查子区域的勘探位点上方标记三个横坐标、纵坐标、竖坐标均不相同的核查位点。
无重复的串联同一子区域中的所有核查位点，形成子核查路径。
遵从就近原则将所有子核查路径串联，形成核查路径。
对核查子区域按照重要程度进行等级划分，重要程度最弱的核查子区域划分为1级核查子区域，根据重要程度加强，级数依次递增。
按照核查子区域的等级对其内所有核查位点进行等级划分。
对所有核查位点设置悬停时长，悬停时长=核查位点级数*10（秒）；
重点勘探，包括如下子步骤：
控制无人机按照核查路径进行飞行勘探。
控制无人机在核查位点按照设定的悬停时长做悬停，悬停时控制无人机在竖直方向上移动作往复运动。
重点筛选，对核查路线绘制步骤和重点勘探步骤进行循环，其中，每次循环减少两个核查子区域数量，直至核查子区域数量为一时停止循环。
按照比例尺反向计算，找到对应核查子区域实际位置，进行实地勘探。
从核查路线绘制步骤开始，操作人员能够在之前的勘探结果上进行重点筛选，从而控制无人机在重点区域进行反复勘探，最终找到最具代表性的子区域，并进行实地勘探作业，便可获得最值得注意或者有价值的勘探数据。在重点勘探步骤中，无人机通过悬停和竖直移动能够有效对核查位点及其周围的地质情况进行反复勘探，从而对勘探数据进行融合处理，得到该勘探位点最稳定准确的勘探数据，提高勘探的精确程度。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于无人机的地质勘探规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
选定勘探区域；
设定比例尺；
在勘探区域边界选取指定数量的点视为边界点，在边界点中选取一点标记为初始点；
以初始点为坐标原点绘制三维坐标系；
按照比例尺计算所有边界点的坐标，在三维坐标系中标出所有边界点并绘制勘探区域，视为规划区域；
划分规划区域为多个子区域；
选取子区域中点为路径点，不重复连接路径点，绘成勘探路径；
在勘探路径上确定重要位点，划定重要位点所在子区域的勘探路径段为重点路径段；
给定飞行高度；
控制无人机勘探系统按照勘探路径对实际勘探区域进行勘探，其中，控制无人机在重点路径段的速度为其他勘探路径勘探速度的一半以下。
2.根据权利要求1所述的基于无人机的地质勘探规划方法，其特征在于，给定飞行高度步骤具体为：
在勘探区域内的地质表面按照给定密度标定勘探点，按照比例尺换算，将所有勘探点标记在三维坐标系上，记作勘探位点；
从勘探路径做竖向投射，标记碰到的勘探位点为高度标记点；
按照比例尺换算飞行高度值为预设值，以高度标记点的横纵坐标为横纵坐标，以高度标记点的纵坐标加上预设值为新的纵坐标，在三维坐标系中标记高度预设点；
调整探测路径的高度竖坐标，保持探测路径经过所有高度预设点。
3.根据权利要求2所述的基于无人机的地质勘探规划方法，其特征在于：还包括如下步骤，
利用数学方式调整经过预设点的探测路径为平滑曲线。
4.根据权利要求1所述的基于无人机的地质勘探规划方法，其特征在于，还包括如下步骤：
选取所有重点路径段，在高度标记点和对应的勘探位点之间选取折中点；
在折中点高度上做平行于重点路径段设置的复核路径段，将复核路径段和重点路径段两端连接，形成环状的复核轨迹；
控制无人机在勘探完重点路径段之后环绕复核轨迹进行勘探，再继续向前沿勘探路径进行勘探。
5.根据权利要求1所述的基于无人机的地质勘探规划方法，其特征在于，还包括核查路线绘制步骤：
在进行一次无人机勘探之后，根据勘探结果标记至少一个子区域为核查子区域；
在每个核查子区域的勘探位点上方标记至少两个三维坐标均不相同的核查位点；
串联所有核查子区域的所有核查位点，形成核查路径；
控制无人机按照核查路径进行飞行勘探。
6.根据权利要求5所述的基于无人机的地质勘探规划方法，其特征在于：形成核查路径步骤具体为，
优先连接同一核查子区域内的核查位点；
遍历同一核查子区域内的核查位点后，优先连接相邻核查子区域的核查位点。
7.根据权利要求5所述的基于无人机的地质勘探规划方法，其特征在于，形成核查路径步骤还包括：
对核查子区域按照重要程度进行等级划分；
按照核查子区域的等级对其内所有核查位点进行等级划分；
对所有核查位点设置悬停时长；
核查位点的重要性等级与其悬停时长成正比。
8.根据权利要求7所述的基于无人机的地质勘探规划方法，其特征在于，还包括重点勘探步骤：控制无人机在核查位点做悬停时，控制无人机在竖直方向上移动。
9.根据权利要求1所述的基于无人机的地质勘探规划方法，其特征在于：所述无人机上搭载有GPS定位芯片、摄像头、高光谱仪等勘探设备。
10.根据权利要求7所述的基于无人机的地质勘探规划方法，其特征在于：完成重点勘探步骤后，对核查路线绘制步骤和重点勘探步骤进行循环，其中，每次重复减少至少一个核查子区域数量，直至核查子区域数量为一时停止循环，按照比例尺找到对应核查子区域实际位置，进行实地勘探。
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