CN107356231A - 一种基于无人机的深孔地质观测系统及观测方法 - Google Patents

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李建英
朱磊
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Abstract

一种基于无人机的深孔地质观测系统及观测方法，该观测系统在无人机上设图像采集设备和激光测距仪，两者均连接处理单元。该观测方法为：一、通过激光测距仪测量空洞的深度，处理单元将此空洞平均等分成若干的图像采集层；二、操作无人机在每个图像采集层上旋转一圈以测量每个图像采集层处的空洞侧壁的图像信息，再操作无人机逐层下落到下一层的图像采集层上重复上述过程进行图像采集，直至降落至空洞的底部；三、处理单元对空洞内的地貌形态进行三维重建，再将三维模型图像由观测终端进行显示。本发明通过无人机搭载图像采集设备和激光测距仪来对空洞内的图像信息和深度信息进行采集，由处理单元进行三维重建，以便还原空洞内真实的形貌。

Description

一种基于无人机的深孔地质观测系统及观测方法
技术领域：
本发明涉及地质勘探技术领域，具体涉及一种基于无人机的深孔地质观测系统。
背景技术：
随着我国国民经济的快速发展，大规模的桩基础工程建设正在兴起，如房建桩基础、桥梁桩基础以及大型建筑物桩基础等。上述桩基础工程在施工中开孔后孔下地层、地貌、塌孔以及有无溶洞、土洞、偏孔的情况是施工人员最为关心的问题。尤其在施工过程中发现地下具有空洞时对工程进度造成极大阻碍，由于地下空洞大小无法计量，故施工中无法准确的估算灌注所需的混凝土方量，容易造成因灌注不及时而产生的二次封底以及断桩的情况，且施工成本无法估算给施工带来极大的不确定性。
发明内容：
本发明为克服上述技术问题，提供了一种基于无人机的深孔地质观测系统及观测方法，其通过无人机搭载图像采集设备和激光测距仪来对空洞内的图像信息和深度信息进行采集，再通过观测方法根据采集的图像信息和深度信息对空洞进行三维重建，以便还原空洞内真实的形貌，为地质勘探的研究人员提供有效的帮助。
本发明的基于无人机的深孔地质观测系统，为实现上述目的所采用的技术方案在于：包括无人机、服务器端和观测终端，所述无人机上设有图像采集设备和激光测距仪，所述服务器端包括设置在地面上的相互连接的存储单元和处理单元，所述图像采集设备和激光测距仪均通过无线通信模块连接处理单元，处理单元通过通信网络与观测终端相连，所述处理单元接收并处理图像采集设备和激光测距仪所传递的检测数据，再对处理后的数据进行存储和传递，所述观测终端用于向飞行器发送控制指令，并接收处理单元所传递的三维重建图像进行显示。
作为本发明的进一步改进，所述观测终端为PC机或智能手机或平板电脑或头戴式VR系统。
本发明的观测方法，为实现上述目的所采用的技术方案在于包括以下步骤：
一、当无人机进入空洞内后，首先通过激光测距仪测量空洞的深度，将深度数据传送给处理单元，处理单元根据空洞的深度确定合适的图像采集层的数量，再根据图像采集层的数量确定每个图像采集层的平均距离，将此空洞按测量深度平均等分成若干的图像采集层；
二、操作无人机按由上到下的顺序使无人机在每个图像采集层上旋转一圈，同时使图像采集设备朝向空洞的侧壁，以周向测量每个图像采集层处的空洞侧壁的图像信息，再操作无人机逐层下落到下一层的图像采集层上重复上述过程进行图像采集，直至降落至空洞的底部；
三、处理单元将照图像采集设备所采集的图像实时传递给观测终端，由观测终端对空洞内的图像进行实时显示，观测终端在虚拟显示过程中进行虚拟拍照，在图像采集设备的视频录制结束后，处理单元按照图像采集设备所采集的各层图像信息和各层距离数据信息来对空洞内的地貌形态进行三维重建，并将所重建的三维模型图像由观测终端进行显示。
进一步地，步骤二中，无人机降落到空洞的底部时，要与空洞的底部至少保持5cm的距离。
进一步地，步骤三中，处理器将每层的图像采集层进行编号，此编号与该层的图像采集层所对应的深度位置相对应。
本发明的有益效果是：本发明通过操控无人机搭载红外全景摄像机对地下空洞情况进行实时拍摄，施工人员可以在地面观测终端观察孔壁、孔底以及孔洞中的情况，确认空洞的大小及是否串联等。本发明的观测系统首先能够实现全方位360度自由观察孔壁情况、观察孔底有无斜岩，自由切换观看角度，实现孔下无死角观察，尤其是在发现孔下具有空洞后，能有效的确认空洞的大小；其次具有局限性小、灵活多变的特性，它利用无人机灵活的特性实现孔下的横向移动，探查串联的空洞，帮助施工人员调整具体的施工方案；最后可以为复杂地质情况留下视频资料，并以此为地质勘探的研究人员提供有效帮助。本发明的观测方法通过逐层对空洞内的等间距的图像采集层处的孔壁形貌和孔洞中的形态进行采集，由处理单元对根据采集的各层图像采集层的图像信息和深度位置信息来对空洞进行三维重建，以便对空洞进行还原，可更为直观形象地观测空洞内的形貌。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式：
参照图1，本发明的基于无人机的深孔地质观测系统，包括无人机1、服务器端2和观测终端3，所述无人机1上设有图像采集设备4和激光测距仪5，所述服务器端2包括设置在地面上的相互连接的处理单元6和存储单元7，所述图像采集设备4和激光测距仪5均通过无线通信模块8连接处理单元6，处理单元6通过通信网络与观测终端3相连，所述处理单元6接收并处理图像采集设备4和激光测距仪5所传递的检测数据，再对处理后的数据进行存储和传递，所述观测终端3用于向飞行器发送控制指令，并接收处理单元6所传递的三维重建图像进行显示。
所述观测终端3为PC机或智能手机或平板电脑或头戴式VR系统。
当旋挖钻机施工时，如果空洞顶持力层破裂，加压钻杆会突然下滑，可初步判定孔底具有前期勘探未发现的空洞，操纵搭载有图像采集设备4和激光测距仪5的无人机1，使无人机1进入空桩孔并深入孔底，由图像采集设备4采集其视野内的图像数据发送给地面服务器端2中的处理单元6，处理单元6将接收到的图像数据进行处理，将处理后的数据存储到存储单元7，并且分发给观测终端3，施工人员通过观测终端实3时观察地下空洞情况，如果发现串联空洞，可操控无人机1横向进入串联的空洞，对空洞整体贯通环境进行观察。在观察过程中，施工人员可以根据需要虚拟拍照，保留重要地质图像数据，还可以查看或者下载一定时段内保存的历史视频数据，以便事后查看、分析复杂的地质情况。
以下对基于该观测系统的观测方法进行详细说明：
本发明的观测方法，包括以下步骤：
一、当无人机1进入空洞内后，首先通过激光测距仪5测量空洞的深度，将深度数据传送给处理单元6，处理单元6根据空洞的深度确定合适的图像采集层的数量，再根据图像采集层的数量确定每个图像采集层的平均距离，将此空洞按测量深度平均等分成若干的图像采集层；
二、操作无人机1按由上到下的顺序使无人机在每个图像采集层上旋转一圈，同时使图像采集设备4朝向空洞的侧壁，以周向测量每个图像采集层处的空洞侧壁的图像信息，再操作无人机1逐层下落到下一层的图像采集层上重复上述过程进行图像采集，直至降落至空洞的底部；
三、处理单元6将照图像采集设备4所采集的图像实时传递给观测终端3，由观测终端3对空洞内的图像进行实时显示，观测终端3在虚拟显示过程中进行虚拟拍照，在图像采集设备4的视频录制结束后，处理单元6按照图像采集设备4所采集的各层图像信息和各层距离数据信息来对空洞内的地貌形态进行三维重建，并将所重建的三维模型图像由观测终端3进行显示。
步骤二中，无人机1降落到空洞的底部时，要与空洞的底部至少保持5cm的距离。
步骤三中，处理单元6将每层的图像采集层进行编号，此编号与该层的图像采集层所对应的深度位置相对应。
上述方法中，通过激光测距仪5来测量空洞的深度并传送给处理单元6，处理单元6根据空洞的深度来将空洞等分成若干的图像采集层，等分的图像采集层的数量要保证处理单元6在将空洞进行三维重建时可清晰形象地展示空洞的形貌，图像采集层包括空洞入口处和空洞的底部，处理单元确定完图像采集层的数量后，用空洞的深度和图像采集层的数量这两个已知参数来计算相邻两层的图像采集层的距离，具体计算公式如式(1)
h＝H/(n-1) (1)
式中，h表示相邻两个图像采集层的距离，H表示空洞的深度，n表示图像采集层的数量。
确定距离h后，从空洞入口的图像采集层开始，将空洞入口的图像采集层作为第一层的图像采集层，操控无人机1旋转一圈对空洞入口处的内壁形貌进行图像采集，同时记录图像采集层的深度位置，然后下降一个距离h到第二层的图像采集层，对空洞内处于第二层的图像采集层处的内壁的形貌进行图像采集，同时记录图像采集层的深度位置，以此类推，重复上述过程直至无人机1下落到空洞的底部，当无人机1下落到空洞的底部时，为确保无人机1能处于飞行状态，无人机1与空洞的底部要保持至少5cm的距离，虽然无人机1未降落到空洞的底部，但5cm的距离足以确保图像采集设备4能够照射清楚空洞底部的形貌和空洞底部侧壁的形貌。
当无人机1采集完最底层的图像采集层的图像后，观测终端向无人机1发送命令，使无人机1上升而退出空洞。
上述所述图像采集设备4为红外全景摄像机。

Claims (5)

1.一种基于无人机的深孔地质观测系统，其特征在于：包括无人机(1)、服务器端(2)和观测终端(3)，所述无人机(1)上设有图像采集设备(4)和激光测距仪(5)，所述服务器端(2)包括设置在地面上的相互连接的处理单元(6)和存储单元(7)，所述图像采集设备(4)和激光测距仪(5)均通过无线通信模块(8)连接处理单元(6)，处理单元(6)通过通信网络与观测终端(3)相连，所述处理单元(6)接收并处理图像采集设备(4)和激光测距仪(5)所传递的检测数据，再对处理后的数据进行存储和传递，所述观测终端(3)用于向飞行器发送控制指令，并接收处理单元(6)所传递的三维重建图像进行显示。
2.如权利要求1所述的一种基于无人机的深孔地质观测系统，其特征在于：所述观测终端(3)为PC机或智能手机或平板电脑或头戴式VR系统。
3.一种基于权利要求2所述的观测系统的观测方法，其特征在于包括以下步骤：
一、当无人机(1)进入空洞内后，首先通过激光测距仪(5)测量空洞的深度，将深度数据传送给处理单元(6)，处理单元(6)根据空洞的深度确定合适的图像采集层的数量，再根据图像采集层的数量确定每个图像采集层的平均距离，将此空洞按测量深度平均等分成若干的图像采集层；
二、操作无人机(1)按由上到下的顺序使无人机在每个图像采集层上旋转一圈，同时使图像采集设备(4)朝向空洞的侧壁，以周向测量每个图像采集层处的空洞侧壁的图像信息，再操作无人机(1)逐层下落到下一层的图像采集层上重复上述过程进行图像采集，直至降落至空洞的底部；
三、处理单元(6)将照图像采集设备(4)所采集的图像实时传递给观测终端(3)，由观测终端(3)对空洞内的图像进行实时显示，观测终端(3)在虚拟显示过程中进行虚拟拍照，在图像采集设备(4)的视频录制结束后，处理单元(6)按照图像采集设备(4)所采集的各层图像信息和各层距离数据信息来对空洞内的地貌形态进行三维重建，并将所重建的三维模型图像由观测终端(3)进行显示。
4.如权利要求3所述的观测方法，其特征在于：步骤二中，无人机(1)降落到空洞的底部时，要与空洞的底部至少保持5cm的距离。
5.如权利要求3或4所述的观测方法，其特征在于：步骤三中，处理单元(6)将每层的图像采集层进行编号，此编号与该层的图像采集层所对应的深度位置相对应。
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