CN107270831B - 一种孔内空区立体轮廓高精度扫描探测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种孔内空区立体轮廓高精度扫描探测方法，获得不同深度的扫描平面上的扫描点的坐标以及扫描线的长度；设定圆柱投影面；对投影圈上的投影点进行插入补偿；对于位于不同深度的扫描平面且对应的扫描线角度相同的扫描点进行插入补偿。本发明还公开了一种孔内空区立体轮廓高精度扫描探测装置，包括孔内探测器；孔内探测器包括标定部、扫描部和密封的壳体；标定部包括标定激光传感器、平面透射板、平面反射板和直线电机；扫描部包括设置在壳体内的步进电机、电子罗盘、旋转腔体和扫描激光传感器；本发明在孔内空区探测的深度、环境、广度和精度等方面都得到显著提高，具有广阔的应用前景。

Description

一种孔内空区立体轮廓高精度扫描探测方法及装置
技术领域
本发明涉及地质测量装置领域，具体涉及一种孔内空区立体轮廓高精度扫描探测方法，还涉及一种孔内空区立体轮廓高精度扫描探测装置，适用于对各类工程领域中地质钻孔内的空区详尽勘察和扫描探测，获取空区的精细地质结构和轮廓信息，能够实现量程范围内的高精度扫描探测。
背景技术
随着我国社会、经济的迅猛发展，矿产资源的需求急剧增加，我国已经进入矿产资源大规模开发阶段且多为地下开采。矿产资源地下开采不可避免会形成大量的采空区，而采空区可能会引发井下大面积冒落、岩移及地表塌陷，造成严重的人员伤亡和设备破坏。因此，非常有必要准确掌握采空区的形态、实际边界、顶板面积和体积大小等基本信息。我国岩溶地貌分布广泛，岩溶塌陷已成为我国频发的地质灾害之一，对社会发展和工程建设具有严重的危害；岩溶的发育对于油气资源的富集与运移、地下水资源的分布与径流、与岩溶相关矿产资源的发育和分布以及对工程建设都好产生重要影响。因此，对岩溶的探测具有重要的现实意义。世界上90％的能源(石油、天然气)储存库建在盐岩介质或利用报废的废盐矿井中。对于盐穴地下储库，在投入使用前或使用一段时间后，均要进行腔体变性及密封性的现场实地测试，由于洞室的不规则性、以及各种测试方法精度较低的局限性，所获得结果的准确性和可信度有待商榷。因此，亟需提出一种新的探测系统来解决地下能源储存中溶腔精确探测的问题。
目前国内外关于空区的探测方法主要有：电法勘探、电磁法勘探、地震勘探、微重力勘探、放射性勘探和激光3D法。其中激光3D法的测量精度相对较高，但对空区内的探测环境要求也较高，主要表现在不能在有液体环境中进行探测，在液体环境中，常规的激光测量公式失效，不能有效确定激光束在液体中传播时的折射率，清水和存在扫描杂质的反射率差别较大，因而导致常规激光测量空区的设备不能正常使用；此外，传统空区立体轮廓拟合在非理想数据情况下的处理误差较大，理想的空区探测数据为有规律的有序点云，在同一水平断面上扫描点之间的夹角为固定值，不同深度的水平断面相叠加从而形成空区的全部有序点云数据，而实际探测时由于粉层和局部障碍物等不利因素影响，导致点云信息局部数据丢失，破坏了扫描点云应有的拓扑规律，如果直接将同一水平断面上相邻两测量点进行线性插值，将产生较大测量误差；在探头下放的过程中，由于操作不当或者由于时间受限，常常导致两相邻水平断面之间的间隔深度较长，在垂直断面上，若采用线性插值，也较产生较大测量误差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有空区立体轮廓拟合误差较大的技术问题，提出一种孔内空区立体轮廓高精度扫描探测方法，还提出一种孔内空区立体轮廓高精度扫描探测装置，实现空区垂直扫描断面的数据修复，从而减少垂直断面轮廓的测量误差，达到高精度测量空区立体轮廓的目的。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：
一种孔内空区立体轮廓高精度扫描探测方法，包括以下步骤：
步骤1、首先建立以地表的钻孔中心点为原点的直角坐标系，沿钻孔的轴线为Z轴，垂直于Z轴为XY轴平面，扫描平面垂直于Z轴，扫描平面与Z轴的交点为旋转中心点，扫描激光传感器的出射激光所在直线位于扫描平面且过旋转中心点，扫描激光传感器的出射激光指向的钻孔岩壁的点为扫描点，扫描点与旋转中心点之间的线段为扫描线，扫描激光传感器在扫描平面内以旋转中心点旋转扫描，获得不同深度的扫描平面上的扫描点的坐标以及扫描线的长度；
步骤2、将钻孔的轴线作为圆柱的中心轴，选取圆柱上下端面的半径为钻孔岩壁对应的最短扫描线的长度的设定倍数，圆柱的侧面为圆柱投影面；
扫描平面上的扫描点沿对应的扫描线投影到圆柱投影面上的投影点所在的圆为投影圈，
步骤3、对投影圈上的投影点进行插入补偿：
设步骤1获得的扫描平面上的扫描点为原扫描点，原扫描点对应的扫描线为原扫描线；
设原扫描点沿对应的原扫描线投影到圆柱投影面上的投影点为原投影点；
设投影圈上所有相邻原投影点的距离的平均值为距离d1；
若相邻两个原投影点之间距离与距离d1之间的差小于等于设定值；则不需要在投影圈上插入补偿投影点；
若相邻两个原投影点之间距离与距离d1之间的差大于设定值，则需要在投影圈上插入补偿投影点，使得包括原投影点和补偿投影点的所有相邻投影点的距离小于上述所有相邻投影点的平均距离，根据补偿投影点相邻的两个原投影点对应的扫描线的长度对补偿扫描点对应的补偿扫描线的长度进行插值计算；
步骤4、对于位于不同深度的扫描平面且对应的扫描线角度相同的扫描点进行插入补偿：
设步骤1获得的位于不同深度的扫描平面且对应的扫描线角度相同的扫描点为纵向扫描点；
设相邻纵向扫描点的距离的平均值为距离d2，
若相邻的两个纵向扫描点的距离与距离d2的差值小于等于设定值，则不需要对纵向扫描点进行插入补偿；
若相邻的两个纵向扫描点的距离与距离d2的差值大于设定值，则需要对纵向扫描点进行插入补偿。
如上所述的步骤3中在投影圈上插入补偿投影点包括以下步骤：
在距离大于距离d1的两个原投影点之间以距离d1插入补偿投影点，补偿投影点位于投影圈上。
如上所述的步骤3中补偿扫描线的长度进行插值计算包括以下步骤：
设定距离大于距离d1的两个原投影点分别为第一原投影点和第二原投影点，第一原投影点和第二原投影点分别对应第一原扫描点和第二原扫描点，计算补偿投影点和第一原投影点之间的距离与补偿投影点和第二原投影点之间的距离的比值M，在补偿投影点对应的补偿扫描线所在直线上找到补偿扫描点，补偿扫描点和第一原扫描点之间的距离与补偿扫描点和第二原扫描点之间的距离的比值为M，根据补偿扫描点获得补偿扫描线的长度。
如上所述的步骤4中对纵向扫描点进行插入补偿包括以下步骤：
设定距离大于距离d2的两个相邻的纵向扫描点的分别为第一纵向扫描点和第二纵向扫描点，第一纵向扫描点另一相邻的纵向扫描点为第三纵向扫描点，第二纵向扫描点另一相邻的纵向扫描点为第四纵向扫描点，
第一纵向扫描点与第二纵向扫描点之间插入纵向补偿扫描点，纵向补偿扫描点与第一纵向扫描点之间的连线和第三纵向扫描点和第二纵向扫描点之间的连线平行；纵向补偿扫描点与第二纵向扫描点之间的连线和第一纵向扫描点和第四纵向扫描点之间的连线平行。
一种孔内空区立体轮廓高精度扫描探测装置，包括孔内探测器，孔内探测器包括标定部、扫描部和密封的壳体，
标定部包括标定激光传感器、平面透射板、平面反射板、直线电机，
平面透射板设置在壳体上，直线电机设置在壳体内，平面反射板设置在壳体外，直线电机的驱动端伸出壳体与平面反射板连接，
标定激光传感器的感应端均紧贴平面透射板的内侧，
扫描部包括设置在壳体内的步进电机、电子罗盘、旋转腔体和扫描激光传感器，
壳体的下部为圆柱透射筒，步进电机的旋转轴与旋转腔体相固定，扫描激光传感器固定在旋转腔体内，步进电机的旋转轴与圆柱透射筒的中心轴共线，扫描激光传感器的感应面穿过旋转腔体与圆柱透射筒的内壁贴合，电子罗盘与步进电机之间的位置相对固定。
本发明的原理为：
1、孔内空区立体轮廓高精度扫描探测装置采用全封闭式的设计，能够确保孔内探测器适应深部的空区探测，孔内探测器内部设有标定区，实现数据的精确标定，并通过光纤将孔内探测器的全部数据高速上传，在地面上设有深度绞车，实现空区的三维探测；
2、孔内空区立体轮廓高精度扫描探测装置采用高精度的激光传感器作为空区探测的数据采集元件，能够大大提高扫描探测精度，在叠加了激光标定区之后，激光的在不同介质中的传播特性进行了相应标定，使激光探测环境更为宽泛，获取的原始数据更加真实有效；
3、在水平断面拟合上，提出了一种圆柱投影法，对圆柱投影面上的投影点进行插值补偿，修复原有的空间拓扑关系，并同步对实测扫描点进行插值，来实现空区水平扫描断面的数据修复，从而减少水平断面轮廓的测量误差；
4、在垂直断面拟合上，提出了一种纵向补偿扫描点补充拟合法，通过求解垂直断面上两个相邻纵向扫描点之间的纵向补偿扫描点，来实现数据插值补充，实现空区垂直扫描断面的数据修复，从而减少垂直断面轮廓的测量误差；
本发明主要通过对获取的数据进行实时标定、对丢失的数据进行全面修复、对垂直间距偏大的数据点进行控制点补充这三个方面，来实现孔内空区立体轮廓高精度扫描探测的目的；在孔内空区探测的深度、环境、广度和精度方面都有了显著提高，解决了常规激光探测的极限性以及常规空区探测方法的不精确问题，在空区高精度探测技术上具有突破性和实质性进展，并具有显著的科学意义和经济实用价值。
本发明相对于现有技术具有以下优势：
1、本发明采用两个激光传感器进行测距，分别作为标定激光传感器和扫描激光传感器，通过控制平面反射板与平面透射板之间的距离来进行测距值标定，使高精度的激光传感器能够适应各种复杂的探测环境，如水和雾等常规激光传感器不能胜任的环境；
2、本发明采用光纤电缆传输，使探测装置能够高速获更长距离的探测数据，探测装置通过封装处理，使探测装置能够适应深部探测环境；
3、本发明提出了一种圆柱投影法，它能够修复原有空间丢失的拓扑关系，实现空区水平扫描断面的数据修复，从而提高各个水平断面轮廓的测量精度；
4、本发明提出了一种纵向补偿扫描点补充拟合法，它能够实现数据插值补充，通过添加纵向扫描点来实现垂直断面拟合的精细化程度，从而提高各个垂直断面轮廓的测量精度；
总之，本发明通过对获取的数据进行实时标定来提高原始数据的可信度，减少测量误差，通过对水平断面上丢失的数据和垂直间距偏大的数据进行全面修复和控制点的补充，来实现数据处理上的算法优化，减少计算误差，从而实现孔内空区立体轮廓高精度扫描探测的目的，在孔内空区探测的深度、环境、广度和精度方面都有了显著提高，提高了空区探测的可靠性和应用范围。该方法设计巧妙，构思严密，结构体系简单，易于实施。
附图说明
图1为本发明装置地面和孔内的分布示意图；
图2为孔内探测器的结构示意图；
图3为标定部的工作示意图，其中(a)、(b)、(c)分别为平面透射板和平面反射板之间的距离分别为L1、L2、L3的工作示意图；
图4为水平断面拟合原理示意图；
图5为垂直断面拟合原理示意图；
图中：1-标定激光传感器；2-平面透射板；3-平面反射板；4-直线电机；5-步进电机；6-电子罗盘；7-旋转腔体；8-扫描激光传感器；9-圆柱透射筒；10-扫描圈；11-圆柱投影面；12-投影圈；1.1-标定激光发射装置；1.2-标定激光相位检测装置；8.1-扫描激光发射装置；8.2-扫描激光相位检测装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施示例对本发明进一步说明：
如图1所示，一种孔内空区立体轮廓高精度扫描探测装置，包括地面和孔内两部分装置，其中孔内部分装置主要包括光纤电缆和孔内探测器。
其中地面部分装置主要包括深度绞车、光纤调制解调器、信号存储器、信号分析仪、电源；孔内探测器用于精确扫描获取孔内探测器与钻孔岩壁之间扫描线的距离和所处地理角度，置于孔内的孔内探测器通过光纤电缆将采集到的采集信息全部上传到地面上的光纤调制解调器中，光纤调制解调器解光纤信号解压成电信号，并传入到信号存储器，存储孔内的采集信息，同时通过信号分析仪进行分析和显示，实现孔区立体轮廓的高精度扫描探测，深度绞车位于地面上的孔口，实时记录孔内探测器的下放深度，同时实现光纤电缆的下放和回收动作，地面部分装置中的电源为所有用电设备提供电力动力，孔内探测器的供电由光纤电缆内部的电源线下传，
如图2所示，一种孔内空区立体轮廓高精度扫描探测装置，包括孔内探测器，孔内探测器包括电路部、标定部、扫描部和密封的壳体，电路部位于壳体的上方一侧，电路部主要完成信号的控制、采集和传输；标定部位于壳体的上方另一侧，标定部是用来标定激光在探测环境中的传播参数，为扫描部采集的数据提供矫正依据；扫描部位于壳体的下部，扫描部完成钻孔岩壁的扫描工作，获取孔内探测器与钻孔岩壁之间扫描线的距离和所处方位。
电路部包括电路转换电路、步进电机驱动电路、直线电机驱动电路、信号发射电路、信号采集电路、信号处理电路、光纤传输电路。
如图2所示，标定部包括标定激光传感器1、平面透射板2、平面反射板3、直线电机4，标定激光传感器1位于平面透射板2的内侧，平面透射板2设置在壳体上，直线电机4设置在壳体内，平面反射板3设置在壳体外，直线电机4的驱动端伸出壳体与平面反射板3连接。标定激光传感器1，包括标定激光发射装置1.1和标定激光相位检测装置1.2。标定激光发射装置1.1产生发射激光，标定激光相位检测装置1.2检测接收到的反射激光的相位，且标定激光发射装置1.1的发射端和标定激光相位检测装置1.2的感应端均紧贴平面透射板2，平面透射板2表面光滑，能够使发射激光和反射激光几乎完全透射，并能够保护标定激光发射装置1.1和标定激光相位检测装置1.2不被液体侵入，平面反射板3与平面透射板2相对，且保持固定距离，平面反射板3与平面透射板2之间的空间为壳体的外部空间，平面反射板3上表面光滑，能够保证发射激光几乎完全反射，平面反射板3下部与直线电机4的驱动端相固定，直线电机4在电路部的直线电机驱动电路的控制下能够驱动平面反射板3靠近或者远离平面透射板2，
扫描部包括步进电机5、电子罗盘6、旋转腔体7、扫描激光传感器8，壳体的下部为圆柱透射筒9，步进电机5在电路部的步进电机驱动电路的控制下能够按照指定角度进行旋转，步进电机5的旋转轴与旋转腔体7相固定，步进电机5能够带动旋转腔体7同步旋转，旋转腔体7内部固定有扫描激光传感器8，步进电机5的旋转轴与圆柱透射筒9的中心轴共线，扫描激光传感器8的感应面穿过旋转腔体7与圆柱透射筒9的内壁贴合，在旋转腔体7带动扫描激光传感器8旋转时，能够保证扫描激光传感器8的感应端与圆柱透射筒9的内侧紧贴，并能够保持相对转动，圆柱透射筒9能够保护扫描激光传感器8不被液体侵入，电子罗盘6位于步进电机5下方，且与步进电机5保持相对固定，电子罗盘6的0度方位与步进电机5的初始方位角一致，当扫描区工作时，扫描激光传感器8全方位旋转并通过激光连续测量钻孔的岩壁的边界信息，每扫描完一圈后，停止扫描，等光缆电缆将孔内探测器下放一个指定深度后，扫描激光传感器8进行新一圈的扫描，直至完成全部的探测工作。
扫描激光传感器8，包括扫描激光发射装置8.1和扫描激光相位检测装置8.2，扫描激光发射装置8.1产生发射激光，发射激光经钻孔的岩壁反射后由扫描激光相位检测装置8.2检测接收到的反射激光的相位。
信号采集电路，分别实时采集标定激光发射装置1.1和扫描激光发射装置8.1产生的发射激光的频率和激光相位，并将采集到的发射激光的频率和激光相位传输至信号处理电路；信号采集电路还分别实时采集标定激光相位检测装置1.2和扫描激光相位检测装置8.2探测的反射激光的频率和相位，并将采集的反射激光的频率和相位实时传输至信号处理电路，
信号处理电路包括扫描激光测距计算电路和标定激光测距距离标定电路：
扫描激光测距计算电路根据扫描激光发射装置8.1的发射激光的频率和相位、扫描激光相位检测装置8.2所测反射激光的相位，计算未经标定的距离数据，
具体为：F1和F2为两次扫描激光发射装置8.1发射的激光频率；△θ1为当扫描激光发射装置8.1发射激光的频率为F1时，扫描激光发射装置8.1发射激光的相位与扫描激光相位检测装置8.2探得的反射激光的相位的相位差；△θ2为当扫描激光发射装置8.1发射的激光频率为F2时，扫描激光发射装置发射8.1的激光相位与扫描激光相位检测装置8.2探得的反射激光相位的相位差；C为激光在真空中的传播速度，通常C取2.9979×108m/s，N为激光在纯水中的折射率，通常N取1.3333，则孔内探测器的的发射端与扫描点之间的距离D为：
如图3所示，在扫描区工作的过程中，根据需要设定标定间隔时间，标定区工作时，平面透射板2的上表面与平面反射板3的上表面之间的距离为L1，标定激光测距距离标定电路根据标定激光发射装置1.1产生的发射激光的频率和相位、标定激光相位检测装置1.2所测反射激光的相位，结合关系式(1)，计算出标定距离L1’，直线电机4驱动电路驱动直线电机4向上直线运动，使平面透射板2的上表面与平面反射板3的上表面之间的距离为L2，标定激光测距距离标定电路根据标定激光发射装置1.1产生的发射激光的频率和相位、标定激光相位检测装置1.2所测反射激光的相位，结合关系式(1)，计算出标定距离L2’，直线电机驱动电路驱动直线电机4向上直线运动，使平面透射板2的上表面与平面反射板3的上表面之间的距离为L3，标定激光测距距离标定电路根据标定激光发射装置1.1产生的发射激光的频率和相位、标定激光相位检测装置1.2所测反射激光的相位，结合关系式(1)，计算出标定距离L3’，根据标定区的三次测量标定，可以获得标定系数u，标定系数计算公式如下：
孔内探测器的扫描激光发射装置8.1的发射端与扫描点之间的距离D’则为：
D'＝u·D 关系式(3)
一种孔内空区立体轮廓高精度扫描探测方法，包括水平断面拟合和垂直断面拟合，
步骤1、首先建立以地表的钻孔中心点为原点的直角坐标系，沿钻孔的轴线为Z轴，垂直于Z轴为XY轴平面，在本实施例中，Z轴垂直于水平面且正方向垂直向下，X轴正方向指向地理北，Y轴正方向指向地理东。扫描平面垂直于Z轴，扫描平面与Z轴的交点为旋转中心点，扫描激光传感器的出射激光所在直线位于扫描平面且过旋转中心点，扫描激光传感器的出射激光指向的钻孔岩壁的点为扫描点，扫描点与旋转中心点之间的线段为扫描线，扫描激光传感器在扫描平面内以旋转中心点旋转扫描，获得扫描平面上的扫描点以及扫描线的长度。通过电子罗盘6和扫描激光传感器的旋转角度获得扫描线在旋转平面上的角度，根据钻孔的轴线的倾角、扫描线的长度、扫描线在旋转平面上的角度以及扫描平面沿钻孔的轴线的深度，计算出不同深度的扫描平面上对应的扫描点的坐标。
扫描点的坐标(Xb,Yb,Zb)的表示为：
其中θ为扫描线在旋转平面上的角度，h为扫描平面沿钻孔的轴线的深度，由地表的深度绞车测量得出，D'hθ为角度θ和深度h对应的扫描线的长度。
如图4所示，水平断面拟合采用一种圆柱投影法，来实现钻孔水平扫描断面的数据修复，从而减少水平断面轮廓的测量误差，
步骤2、设定圆柱投影面，将孔内探测器的中心旋转轴线(即钻孔的轴线/z轴)视为圆柱的中心轴，选取圆柱上下端面的半径为钻孔岩壁对应的最短扫描线的长度的0.5倍，记为半径Rb，以半径Rb为上下端面半径的圆柱的侧面为圆柱投影面，
垂直于钻孔的轴线的扫描平面上的扫描点沿对应的扫描线投影到圆柱投影面上的投影点所形成的封闭环称为投影圈，投影圈对应的扫描点所形成的封闭环称为扫描圈，
步骤3、对投影圈上的投影点进行插入补偿；
设步骤1获得的扫描平面上的扫描点为原扫描点，原扫描点对应的扫描线为原扫描线；
设原扫描点沿对应的原扫描线投影到圆柱投影面上的投影点为原投影点；
设投影圈上所有相邻原投影点的距离的平均值为距离d1
若相邻两个原投影点之间距离与距离d1之间的差小于等于设定值；则不存在点数据缺失，不需要进行插入补偿；
若相邻两个原投影点之间距离与距离d1之间的差大于设定值，则认为距离过大，说明存在点缺失,需要在投影圈上插入补偿投影点，使得包括原投影点和补偿投影点的所有相邻投影点的距离小于上述所有相邻投影点的平均距离，根据补偿投影点相邻的两个原投影点对应的扫描线的长度对补偿扫描点对应的补偿扫描线的长度进行插值计算。
上述在投影圈上插入补偿投影点包括以下步骤：
在距离大于距离d1的两个原投影点之间以距离d1插入补偿投影点，补偿投影点位于投影圈上。
上述补偿扫描线的长度进行插值计算包括以下步骤：
设定距离大于距离d1的两个原投影点分别为第一原投影点和第二原投影点，第一原投影点和第二原投影点分别对应第一原扫描点和第二原扫描点，计算补偿投影点和第一原投影点之间的距离与补偿投影点和第二原投影点之间的距离的比值M，在补偿投影点对应的补偿扫描线所在直线上找到补偿扫描点，补偿扫描点和第一原扫描点之间的距离与补偿扫描点和第二原扫描点之间的距离的比值为M，根据补偿扫描点获得补偿扫描线的长度。
实例分析：
如图4所示，若两个原投影点T2和T3的连线记为T2T3，T2TN2长度值为d；
T2T3的长度值d与距离d1之间的差大于设定值F，则认为距离过大，说明存在点缺失，需要在线段T2T3之间插入补偿投影点TN2，以原投影点T2为基准且以距离距离d1在投影圈上插入补偿投影点TN2；
将插入补偿投影点TN2与原投影点T3的连线记为TN2T3,TN2T3长度值为d’；
判断d’与距离d1之间的差，若差不大于F，说明在原投影点T2和T3之间只需要插入补偿投影点TN2；
判断d’与距离d1之间的差，若差大于F，则认为距离过大，说明存在点缺失，需要在插入补偿投影点TN2和原投影点T3之间以距离d1插入补偿投影点，直至包括原投影点和补偿投影点的所有相邻投影点的距离小于上述所有相邻投影点的平均距离；
本例假设在原投影点T2和T3之间只需要插入补偿投影点TN2，在完成插入补偿投影点TN2后，进行对应补偿扫描线的长度插值计算；
计算补偿投影点TN2和原投影点T2之间的距离d与补偿投影点TN2和原投影点T3之间的距离d’的比值为d/d’；
在补偿投影点TN2对应的补偿扫描线所在直线上找到补偿扫描点SN2，补偿扫描点SN2和第一原扫描点S2之间的距离与补偿扫描点SN2和第二原扫描点S3之间的距离的比值为d/d’；
从而完成第一原扫描点S2和第二原S3之间缺失数据点的修复处理，按照此步骤，完成各个水平断面上缺失扫描点的修复，实现原有的空间拓扑关系修复，然后根据线性插值，按顺序连接包含修复点的扫描点，形成空区在各个水平断面上的轮廓。
步骤4、对于位于不同深度的扫描平面且对应的扫描线角度相同的扫描点进行插入补偿；
设步骤1获得的位于不同深度的扫描平面且对应的扫描线角度相同的扫描点为纵向扫描点；
设相邻纵向扫描点的距离的平均值为距离d2，
若相邻的两个纵向扫描点的距离与距离d2的差值小于等于设定值，则不需要对纵向扫描点进行插入补偿；
若相邻的两个纵向扫描点的距离与距离d2的差值大于设定值，则需要对纵向扫描点进行插入补偿；
上述对纵向扫描点进行插入补偿包括以下步骤：
设定距离大于距离d2的两个相邻的纵向扫描点的分别为第一纵向扫描点和第二纵向扫描点，第一纵向扫描点另一相邻的纵向扫描点为第三纵向扫描点，第二纵向扫描点另一相邻的纵向扫描点为第四纵向扫描点，
第一纵向扫描点与第二纵向扫描点之间插入纵向补偿扫描点，纵向补偿扫描点与第一纵向扫描点之间的连线和第三纵向扫描点和第二纵向扫描点之间的连线平行；纵向补偿扫描点与第二纵向扫描点之间的连线和第一纵向扫描点和第四纵向扫描点之间的连线平行。
实例分析：
如图5所示，在某同一垂直断面上，位于不同深度的扫描平面且对应的扫描线角度相同的五个相邻纵向扫描点为Si-2，Si-1，Si，Si+1，Si+2，其对应的空间直角坐标为(Xi-2,Yi-2,Zi-2)，(Xi-1,Yi-1,Zi-1)，(Xi,Yi,Zi)，(Xi+1,Yi+1,Zi+1)，(Xi+2,Yi+2,Zi+2)；
纵向扫描点Si-2和Si-1的连线记为Si-2Si-1，纵向扫描点Si-1和Si的连线记为Si-1Si，纵向扫描点Si和Si+1的连线记为SiSi+1，纵向扫描点Si+1和Si+2的连线记为Si+1Si+2；
分别判断线段Si-2Si-1，Si-1Si，SiSi+1，Si+1Si+2的长度与距离d2的差值，设Si-2Si-1，Si+ 1Si+2的长度与距离d2的差值均小于等于设定值，即不需要进行插入补偿；设Si-1Si，SiSi+1的长度与距离d2的差值均大于设定值，即需要进行插入补偿；在纵向扫描点Si-1和Si之间需要插入补偿点Ci-1，在纵向扫描点Si和Si+1之间需要插入补偿点Ci；
在插入补偿点Ci-1时，纵向补偿扫描点Ci-1与纵向扫描点Si-1之间的连线和纵向扫描点Si-2和纵向扫描点Si之间的连线平行；纵向补偿扫描点Ci-1与纵向扫描点Si之间的连线和纵向扫描点Si-1和纵向扫描点Si+1之间的连线平行；
在插入补偿点Ci时，纵向补偿扫描点Ci与纵向扫描点Si之间的连线和纵向扫描点Si-1和纵向扫描点Si+1之间的连线平行；纵向补偿扫描点Ci与纵向扫描点Si+1之间的连线和纵向扫描点Si和纵向扫描点Si+2之间的连线平行；
本发明的上述的投影圈上插入补偿投影点和纵向扫描点进行插入补偿与直接线性插值相比大大提高了拟合精度。
本文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式替代，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 (5)

1.一种孔内空区立体轮廓高精度扫描探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、首先建立以地表的钻孔中心点为原点的直角坐标系，沿钻孔的轴线为Z轴，垂直于Z轴为XY轴平面，扫描平面垂直于Z轴，扫描平面与Z轴的交点为旋转中心点，扫描激光传感器的出射激光所在直线位于扫描平面且过旋转中心点，扫描激光传感器的出射激光指向的钻孔岩壁的点为扫描点，扫描点与旋转中心点之间的线段为扫描线，扫描激光传感器在扫描平面内以旋转中心点旋转扫描，获得不同深度的扫描平面上的扫描点的坐标以及扫描线的长度；
步骤2、将钻孔的轴线作为圆柱的中心轴，选取圆柱上下端面的半径为钻孔岩壁对应的最短扫描线的长度的设定倍数，圆柱的侧面为圆柱投影面；
扫描平面上的扫描点沿对应的扫描线投影到圆柱投影面上的投影点所在的圆为投影圈，
步骤3、对投影圈上的投影点进行插入补偿：
设步骤1获得的扫描平面上的扫描点为原扫描点，原扫描点对应的扫描线为原扫描线；
设原扫描点沿对应的原扫描线投影到圆柱投影面上的投影点为原投影点；
设投影圈上所有相邻原投影点的距离的平均值为距离d1；
若相邻两个原投影点之间距离与距离d1之间的差小于等于设定值；则不需要在投影圈上插入补偿投影点；
若相邻两个原投影点之间距离与距离d1之间的差大于设定值，则需要在投影圈上插入补偿投影点，使得包括原投影点和补偿投影点的所有相邻投影点的距离小于上述所有相邻投影点的平均距离，根据补偿投影点相邻的两个原投影点对应的扫描线的长度对补偿扫描点对应的补偿扫描线的长度进行插值计算；
步骤4、对于位于不同深度的扫描平面且对应的扫描线角度相同的扫描点进行插入补偿：
设步骤1获得的位于不同深度的扫描平面且对应的扫描线角度相同的扫描点为纵向扫描点；
设相邻纵向扫描点的距离的平均值为距离d2，
若相邻的两个纵向扫描点的距离与距离d2的差值小于等于设定值，则不需要对纵向扫描点进行插入补偿；
若相邻的两个纵向扫描点的距离与距离d2的差值大于设定值，则对纵向扫描点进行插入补偿。
2.根据权利要求1所述的一种孔内空区立体轮廓高精度扫描探测方法，其特征在于，所述的步骤3中在投影圈上插入补偿投影点包括以下步骤：
在距离大于距离d1的两个原投影点之间以距离d1插入补偿投影点，补偿投影点位于投影圈上。
3.根据权利要求1所述的一种孔内空区立体轮廓高精度扫描探测方法，其特征在于，所述的步骤3中补偿扫描线的长度进行插值计算包括以下步骤：
设定距离大于距离d1的两个原投影点分别为第一原投影点和第二原投影点，第一原投影点和第二原投影点分别对应第一原扫描点和第二原扫描点，计算补偿投影点和第一原投影点之间的距离与补偿投影点和第二原投影点之间的距离的比值M，在补偿投影点对应的补偿扫描线所在直线上找到补偿扫描点，补偿扫描点和第一原扫描点之间的距离与补偿扫描点和第二原扫描点之间的距离的比值为M，根据补偿扫描点获得补偿扫描线的长度。
4.根据权利要求1所述的一种孔内空区立体轮廓高精度扫描探测方法，其特征在于，所述的步骤4中对纵向扫描点进行插入补偿包括以下步骤：
设定距离大于距离d2的两个相邻的纵向扫描点分别为第一纵向扫描点和第二纵向扫描点，第一纵向扫描点另一相邻的纵向扫描点为第三纵向扫描点，第二纵向扫描点另一相邻的纵向扫描点为第四纵向扫描点，
第一纵向扫描点与第二纵向扫描点之间插入纵向补偿扫描点，纵向补偿扫描点与第一纵向扫描点之间的连线和第三纵向扫描点和第二纵向扫描点之间的连线平行；纵向补偿扫描点与第二纵向扫描点之间的连线和第一纵向扫描点和第四纵向扫描点之间的连线平行。
5.一种孔内空区立体轮廓高精度扫描探测装置，包括孔内探测器，其特征在于，孔内探测器包括标定部、扫描部和密封的壳体，
标定部包括标定激光传感器(1)、平面透射板(2)、平面反射板(3)、直线电机(4)，
平面透射板(2)设置在壳体上，直线电机(4)设置在壳体内，平面反射板(3)设置在壳体外，直线电机(4)的驱动端伸出壳体与平面反射板(3)连接，
标定激光传感器(1)的感应端均紧贴平面透射板(2)的内侧，
扫描部包括设置在壳体内的步进电机(5)、电子罗盘(6)、旋转腔体(7)和扫描激光传感器(8)，
壳体的下部为圆柱透射筒(9)，步进电机(5)的旋转轴与旋转腔体(7)相固定，扫描激光传感器(8)固定在旋转腔体(7)内，步进电机(5)的旋转轴与圆柱透射筒(9)的中心轴共线，扫描激光传感器(8)的感应面穿过旋转腔体(7)与圆柱透射筒(9)的内壁贴合，电子罗盘(6)与步进电机(5)之间的位置相对固定。
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