CN104359422A - 一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的装置，包括数字摄像机、锥面镜、感光元件、数据线、外壳、计算机和方位探测仪；还涉及一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的方法，适用于地下工程岩体钻孔空腔几何轮廓的测试。该方法是利用装置中的数字摄像机对任意选定的点进行对焦操作，并利用透镜成像公式，计算出腔壁探测点的距离，最终测得空腔的空间几何形态。通过该装置及方法，可以在钻孔全景成像的同时探测所遇到的空腔形态大小。

Description

一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的装置及方法

技术领域

本发明属于岩土测量技术领域，具体地涉及一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的装置，还涉及一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的方法，适用于地下工程岩体钻孔空腔几何轮廓的测试。

背景技术

钻孔全景摄像是矿业、水利、土木、交通、等领域工程围岩勘探时非常直观有效的观测手段。该技术通过摄像头对岩体中圆柱面钻孔壁进行全景光学摄影和图像拼接，辨认出岩石结构面和岩性，并进行相对位置的计算以获取岩石表面特征、结构面宽度和距钻孔口深度等等有用信息，如中国专利2354158Y和98232288.7所述的数字式全景钻孔摄像装置。但是，已有的钻孔全景摄像只能对极近距离的钻孔壁进行光学摄影，其目标是将标准圆柱面的钻孔壁拍摄成照片并拼接成虚拟岩芯。当钻孔穿过岩体中一定大小空腔时，该方法设备不能对钻孔遇到的空腔体积进行有效地探测和分析。比如，在深部煤矿探测围岩裂隙的原生分布和演化时，会遇到内部的空洞；或者在岩溶地区修建建筑物需要了解地下岩土层的承载力时，必须钻孔探测岩性分布，常常遇到初期勘察时地震勘探不易辨认的较小孔洞。在钻孔全景摄像的同时，了解孔洞在空间上的位置，还需要初步估计孔洞的体积大小和形态。改进的钻孔全景摄像，如201310308144.9所述的孔内立体成像方法，采用双锥面镜的全景成像技术，从二个不同方向对圆柱形孔壁同一区域进行成像，提高了对孔壁起伏不定目标的识别能力和探测的精度，但仍然无法解决全景摄像的同时对所遇较大孔洞形态测量与体积估计的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的装置，还提供了一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的方法，计算评估空洞的形状和大小。通过该装置，可以在钻孔全景成像实施同时探测空洞形态大小。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的装置，包括外壳，还包括设置在外壳内的数字摄像机、用于将孔壁图像反射到数字摄像机的锥面镜和用于确定方位的方位探测仪，数字摄像机为任意点自动对焦数字摄像机，数字摄像机的光轴与锥面镜同轴。

如上所述的外壳与钢丝绳连接。

一种钻孔摄像空腔几何轮廓的测试方法，包括以下步奏：

步骤1、在数字摄像机的感光元件上以光轴为中心设定对焦圆周，在对焦圆周上选取对焦点序列；

步骤2、将装置推进孔洞，开启数字摄像机的点对焦功能；

步骤3、依次针对对焦点序列的每一点，实施自动对焦获得对焦后的像距，根据像距和对应的焦距获得对焦点序列的各个对焦点的物距，根据方位探测仪获得各个对焦点的方位角；

步骤4、建立二维坐标系，以坐标原点为中心点，通过各个对焦点对应的物距与方位角在二维坐标系上确定相应的腔壁探测点，将相邻腔壁探测点进行连线得到闭合圈，闭合圈作为当前孔壁扫描层几何形状；

步骤5、将装置沿钻孔方向移动一个扫描间距，返回步骤3直至扫描完毕。

本发明具有以下的优点：①可快速探测计算钻孔周边的小型孔洞的几何形态；②可直接基于现有的全景摄像设备构架，既可以对正常圆柱状孔壁实施全景光学测量，又可以对遭遇的孔洞进行形态估算，形成完整的结构面和空腔三维数据，对地下工程围岩稳定分析有良好的支撑作用。③数字摄像机镜头不需要旋转，利于稳定性和耐久性地提高。

附图说明

图1A为装置连接结构示意图，

图中：1-数字摄像机，2-锥面镜，5-外壳，7-方位探测仪。

图1B为装置运行状态示意图，

4-数据线，6-计算机。

图2为外界图像信息反应到感光元件上示意图，

图中：1-数字摄像机，2-锥面镜，3-感光元件，5-外壳，9-凸透镜，10-孔壁。

图3为数字摄像机感光元件上对焦点序列示意图，

图中：3-感光元件，8-对焦点序列。

图4为扫描层几何形状合成示意图，图中数字为腔壁探测点物距，

图5A为各扫描层效果图。

图5B为拼接和最后效果图。

图6为实际测量合成效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：

本发明公开了一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的装置，它包括数字摄像机1，锥面镜2，感光元件3，数据线4，外壳5，计算机6和方位探测仪7。数字摄像机1装在锥面镜2后端轴线上，数字摄像机1的光轴与锥面镜2同轴。数字摄像机1通过数据线4与计算机6相连。数字摄像机1，具备CCD任意点对焦功能。还应用上述装置进行钻孔空腔的探测和形态计算。

如图1A-图1B所示，在封闭壳体5内，数字摄像机1安放在锥面镜2的上端(即锥面镜2后端轴线上)，并且数字摄像机1的光轴与锥面镜2同轴。壳体内的方位探测仪7用以确定获得图像的方位信息。壳体5通过与钢丝绳的连接实现上下移动的操作。数字摄像机通过数据线4与计算机6连接，用以传输所获图像信息。如图2所示，孔壁10的图像信息通过锥面镜2折射到摄像机1内，再通过凸透镜9成像于数字摄像机1感光元件3上。锥面镜2上一个垂直于摄像机1光轴的截面的特点为：该截面折射的图像信息在感光元件3上表现为一个像素圆周。一般可在该像素圆周上选取若干点为对焦点序列，如图3所示。如图4，为一个扫描层几何形状合成示意图，对每个对焦点进行定点对焦后，获得相应物距，表现为图中的具体数字。即会得到一系列散点，将各散点连接，可得到该扫描层的几何形状。如图5A，5B所示；图4A为经过若干次扫描后，得到的第一扫描层、第二扫描层···图4B为将各扫描层经过合成拼接后的最后效果图，即孔洞的空间形态。

具体操作步骤如下：

步骤(1)在数字摄像机的感光元件上以光轴为中心点的对焦圆周上，定义一个对焦点序列；例如，以第一象限OX轴上与圆周相交的点为第一个对焦点。

步骤(2)在钻孔全景摄像推进到孔洞，需要进行几何形态估算时，开启点对焦功能；如果提示光线太弱，打开辅助灯光。

步骤(3)依次针对对焦点序列中每一个点，实施自动对焦和物距计算，记录每个对焦点所对应的物距与对应方位；

自动对焦和物距计算包括以下步奏：进行自动对焦操作，获取对焦成功后的像距v，再根据对焦点对应的焦距f计算对焦点对应的物距u,由公式即得到此对焦点所对应方向孔洞壁的距离；

根据方位探测仪的读数和对焦点的序号，可确定该点在孔洞中的具体方位角度。

步骤(4)对焦完成后，根据得到的物距作图。建立一个二维坐标系，以坐标原点为中心点，通过各个对焦点对应的物距与方位角在二维坐标系上确定相应的腔壁探测点，将相邻腔壁探测点进行连线得到闭合圈，作为当前扫描层几何形状；

步骤(5)全景光学探头沿着钻孔方向移动一个扫描间距，返回步骤(3)，直至全景光学探头移出孔洞范围。

步骤(6)根据得到的每层扫描层几何形状与钻孔孔洞前后的全景摄像拼接在一起得到岩体与孔洞一体的几何模型。

具体实施时，数字摄像机1可采用佳能S100，其特点在于能够对感光元件上任意点处进行对焦操作。锥面镜2为截头的锥面反射镜。其尺寸由圆锥底面直径、圆锥顶面直径和圆锥底面角确定。此处锥面镜的三个尺寸选为70mm、30mm、60°。使数字摄像机1的光轴与锥面镜2同轴安装在封闭壳体5内。壳体顶部通过钢丝绳与滑轮连接，使之可以上下移动。摄像机1获得的图像信息通过数据线4传输到计算机6内。此处，在锥面镜2高度一半的地方选取垂直于光轴的截面，在该截面折射到感光元件上的像素圆周上等角度选取16个对焦序列点。以OX轴上点为第一对焦点，顺时针对各个点进行对焦操作。对焦成功后，由对焦后的像距(v)和已知参数焦距(f)，根据光学公式计算得物距u。依次对16个点进行此操作，获得相应物距。新建一个二维坐标系，以坐标原点为中心点，对应感光元件上所选对焦点的位置和已测得的物距，对该扫描层进行作图。具体方法为：根据每个对焦点对应的方位角度和该点反应的物距，在坐标系中确定一个点，逐步操作，16个点确定完成后，将这16个散点连接成一个闭合圈，即得到该扫描层几何形状示意图。扫描完成后，将摄像机向前推进5cm重复上述步骤，直至摄像机移出此孔洞。最后，把各个扫描层的几何形状合成到一起，最终得到孔洞的空间几何形态。下表1-1～1-2为石灰岩地层中探测操作所获得的空腔数据：

表1-1

	0°	22.5°	45°	67.5°	90°	112.5°	135°	157.5°
									第一层	35.5	38.6	52.8	50.3	48.2	49.0	37.1	40.2
第二层	50.7	54.1	69.2	63.6	60.3	62.8	52.3	56.0
									第三层	61.8	65.4	80.7	72.9	70.4	73.1	63.4	67.2
第四层	46.1	49.0	63.2	61.3	60.0	62.3	49.2	53.1
									第五层	30.2	32.3	48.1	46.2	42.1	43.8	32.4	35.7

表1-2

	180°	202°	225°	247.5°	270°	292.5°	315°	337.5°
									第一层	57.6	54.2	55.0	58.3	40.7	46.5	50.1	52.6
第二层	73.1	70.2	71.4	73.1	53.9	60.8	64.3	70.1
									第三层	84.5	81.3	82.3	83.6	65.1	72.0	73.6	82.5
第四层	68.2	64.3	67.0	69.2	50.8	57.1	62.1	63.4
									第五层	51.8	50.9	48.7	52.6	35.1	40.8	45.4	47.6

根据表格数据作图，得到岩溶空腔空间形态立体图，如图6所示。

本说明书中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的装置，包括外壳（5），其特征在于，还包括设置在外壳（5）内的数字摄像机（1）、用于将孔壁图像反射到数字摄像机（1）的锥面镜（2）和用于确定方位的方位探测仪（7），数字摄像机（1）为任意点自动对焦数字摄像机，数字摄像机（1）的光轴与锥面镜（2）同轴。

2.根据权利要求1所述的一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的装置，其特征在于，所述的外壳（5）与钢丝绳连接。

3.一种利用权利要求1所述装置进行钻孔摄像空腔几何轮廓的测试方法，其特征在于，包括以下步奏：

步骤1、在数字摄像机的感光元件上以光轴为中心设定对焦圆周，在对焦圆周上选取对焦点序列；

步骤2、将装置推进孔洞，开启数字摄像机的点对焦功能；

步骤3、依次针对对焦点序列的每一点，实施自动对焦获得对焦后的像距，根据像距和对应的焦距获得对焦点序列的各个对焦点的物距，根据方位探测仪获得各个对焦点的方位角；

步骤4、建立二维坐标系，以坐标原点为中心点，通过各个对焦点对应的物距与方位角在二维坐标系上确定相应的腔壁探测点，将相邻腔壁探测点进行连线得到闭合圈，闭合圈作为当前孔壁扫描层几何形状；

步骤5、将装置沿钻孔方向移动一个扫描间距，返回步骤3直至扫描完毕。