CN107389030A - 一种地下空洞三维结构的探测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地下空洞三维结构的探测方法及装置，其特征在于：该方法是通过探头采集空洞的三维数据对地下空洞三维结构进行探测；该探测装置，包括主机和通过线缆与主机连接的探头。本发明在满足探测基本需求的情况下，与常规探测手段相比，既能降低探测难度、提高探测精度和安全系数，还具有实时性强、可操作性高的优点；与现有三维激光扫描系统相比，本发明具有设备价格低廉、操作容易、生产成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种工程勘探方法及装置，特别是一种地下空洞三维结构的探测方法及装置。
背景技术
溶洞、采空区等地下空洞对水利水电、地表建筑、道路、桥梁、隧道等建设工程造成越来越严重的威胁，因此，在工程勘察检测项目中，对地下空洞的精确探测也越来越迫切。地下空洞的精确探测对于分析地质构造等具有重要意义，能有效地指导工程施工处理，消除由于地下空洞所带来的系列安全隐患。
常见的地下空洞探测手段包括电法、瞬变电磁、探地雷达、地震反射、地质钻探、钻孔电视等，这些常规的探测手段能够找到地下空洞的大致位置，但是无法精确探明地下空洞的形态和体积。由于地下空洞普遍存在埋深大、空间形态复杂、人员及测量设备无法到达、安全风险大等情况，无法实施人工常规工程测量，因此，也无法确定地下空洞的形态和体积，探测的局限性较大。地下空洞三维激光探测能很好的解决这个问题，这是因为激光具有普通光所完全不具备的四大特性：
(1) 定向发光。普通光源向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在0.001弧度立体角内，接近平行发光。
亮度极高。激光是当代最亮的光源，尽管激光的总能量并不一定很大，但能量高度集中，激光的亮度与阳光之间的比值是百万级的，而且它是人类创造的。
单色性好。光首先是一种电磁波，光的颜色取决于它的波长。普通光源发出的光通常包含着各种波长，是各种颜色光的混合，而激光的波长只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。
相干性好。干涉是波动现象的一种属性，基于激光具有高方向性和高单色性的特性，因此，它的相干性极好。
目前，国外仅有OPTECH公司的CMS(空区3D三维激光扫描系统)和MDL公司的C-ALS(地下洞穴三维激光扫描系统)可以对地下空洞的内部结构进行三维激光精确扫描，还可以利用自带的摄像机实时地观测地下空洞的内部情况，但由于其系统价格昂贵，技术壁垒严重，很难在国内普及应用。
因此，目前在地下空洞三维结构的探测过程中，存在采用常规探测手段探测地下空洞的形态和体积难度很大、实时性较差、探测精度较低、直观性较差、安全系数较低的缺点；采用国外CMS、C-ALS三维激光扫描系统进行探测，设备价格昂贵、操作较为复杂、探测成本高。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种地下空洞三维结构的探测方法及装置。本发明在满足探测需求的情况下，既能降低探测难度、提高探测精度和安全系数，又具有设备价格低廉、操作容易、生产成本低的特点。
本发明的技术方案：一种地下空洞三维结构的探测方法，该方法是通过探头采集空洞的三维数据对地下空洞三维结构进行探测。
前述的一种地下空洞三维结构的探测方法中，所述方法是将探头放入空洞中，探头发射激光并接收洞壁的反射光，从而获得空洞的三维数据，对地下空洞三维结构进行探测。
前述的一种地下空洞三维结构的探测方法中，该方法是通过探头的激光测距装置测量发射激光和接收到洞壁反射光的时间差，测量探头到洞壁之间的距离，探头通过从上到下或从下到上按照一定间距逐层水平方向360°扫描一圈获取空洞的若干轮廓点数据，再将探头获取的各层轮廓点数据传输给主机，经采集软件处理后，由三维处理软件整合生成三维模型，即可测出空洞的走向、形状和大小。
前述的一种地下空洞三维结构的探测方法中，所述采集软件包括人机交互模块、通信模块、数据采集模块、文件读写模块和数据处理模块；所述人机交互模块用于参数输入；通信模块用于主机和探头之间的指令及数据传输；数据采集模块用于实时采集探头传输的数据和实时显示水平断面已采集数据的轮廓示意图，并按照xml格式进行保存，生成采集文件；文件读写模块用于对采集文件进行读写操作；数据处理模块用于对采集文件中的数据进行处理，可生成水平断面轮廓示意图，用户可定位读取每个轮廓点的三维数据信息。
前述的一种地下空洞三维结构的探测方法中，在测量过程中通过三维电子罗盘对探头进行定位；当探头到达设定位置后，驱动探头水平旋转测量空洞该层面的轮廓点数据。
按照前述的一种地下空洞三维结构的探测方法所用的探测装置，包括主机和通过线缆与主机连接的探头。
前述的探测装置中，所述主机和探头之间采用RS485接口连接。
前述的探测装置中，所述探头包括微处理器和与微处理器连接的电源A，所述探头还包括与微处理器连接的步进电机以及经RS232拓展一拖二电路与微处理器连接的激光测距装置和三维电子罗盘，所述激光测距装置和三维电子罗盘与步进电机固定连接，跟随步进电机一起旋转；所述微处理器上连接有RS485接口和调试接口。
前述的探测装置中，所述微处理器可采用STM32F103VET6。
前述的探测装置中，所述探头直径为63～67mm。
前述的探测装置中，所述主机包括处理器和与处理器连接的电源B，所述主机还包括与处理器连接的旋钮编码器以及经USB拓展一拖四电路与处理器连接的U盘、鼠标和数字键盘；所述处理器上设有RS485接口，处理器还连接有显示器。
前述的探测装置中，所述处理器可采用S5PV210。
前述的探测装置中，所述线缆缠绕设置在孔口绞车上，所述孔口绞车包括手柄、传动装置和停止器等。
与现有技术相比，本发明采用非接触主动测量方式，获取三维数据，能够对空洞内壁进行自动化扫描，且没有时间限制，相比传统测量方式具有实时性强、精度高、可操作性强、全数字特征等特点，系统本身成本低、使用简单便捷、工作效率较高，并且探测方式安全性高，克服了传统测量技术的局限性。
本发明通过在探头中设置激光测距装置来测量探头与洞壁之间的直线距离；通过在探头中设置三维电子罗盘来测量激光发射的方向；通过在探头中设置的步进电机来进行水平任意角度旋转；通过在探头中设置的微处理器来操作激光测距装置、三维电子罗盘和步进电机等；通过主机来设定采集深度范围、深度间隔、水平扫描角度间隔等参数，以及获取探头采集到的数据，并进行处理。将探头下放到主机设定的某个深度，启动采集，步进电机就会驱动激光测距装置和三维电子罗盘水平360°自动旋转，旋转过程中每间隔一定角度，测量一次距离值和方位值，一周扫描完毕后，就可以获取整个水平断面的轮廓点数据；扫描过程中探头实时将测量到的数据传输给主机，主机中的采集软件对探头采集的数据进行处理后，用户可通过主机采集软件生成的空洞水平断面的轮廓示意图来判断某些采集值是否异常，如果有异常，可对这些异常点进行重新测量。待整个钻孔空洞段从上到下或者从下到上测量完毕之后，利用三维处理软件生成三维模型，即可计算出空洞的走向、形状和大小，可为施工和施工处理后的效果评价提供较为精确的基础数据。
探头直径为63～67mm，一般钻孔的直径为76mm左右，探头便于放入钻孔中对地下空洞进行探测，因此，本发明可以普遍应用到钻孔勘探或检测项目中，满足生产需要；并且，本发明结构简单，相比现有三维激光扫描系统成本更低，更加便于操作，使用简单，可操作性较强。
综上所述，本发明在满足探测基本需求的情况下，与常规探测手段相比，既能降低探测难度、提高探测精度和安全系数，还具有实时性强、可操作性高的优点；与现有三维激光扫描系统相比，本发明具有设备价格低廉、操作容易、生产成本低的特点。
附图说明
图1是本发明进行探测的结构示意图；
图2是本发明的电路框图；
图3是岩溶区局部三维视图A；
图4是岩溶区局部三维视图B；
图5是岩溶区局部三维视图C；
图6是岩溶走向示意图。
附图中的标记为：1-主机，2-线缆，3-探头，4-绞车。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1。一种地下空洞三维结构的探测方法，如图1和图2所示，该方法是通过探头采集空洞的三维数据对地下空洞三维结构进行探测。
所述方法是将探头放入空洞中，探头发射激光并接收洞壁的反射光，从而获得空洞的三维数据，对地下空洞三维结构进行探测。
所述方法是通过探头的激光测距装置测量发射激光和接收到洞壁反射光的时间差，测量探头到洞壁之间的距离，探头通过从上到下或从下到上按照一定间距逐层水平方向360°扫描一圈获取空洞的若干轮廓点数据，再将探头获取的各层轮廓点数据传输给主机，经采集软件处理后，由三维处理软件（如Voxler）整合生成三维模型，即可测出空洞的走向、形状和大小。
所述采集软件包括人机交互模块、通信模块、数据采集模块、文件读写模块和数据处理模块；所述人机交互模块用于参数输入；通信模块用于主机和探头之间的指令及数据传输；数据采集模块用于实时采集探头传输的数据和实时显示水平断面已采集数据的轮廓示意图，并按照xml格式进行保存，生成采集文件；文件读写模块用于对采集文件进行读写操作；数据处理模块用于对采集文件中的数据进行处理，可生成水平断面轮廓示意图，用户可定位读取每个轮廓点的三维数据信息。
在测量过程中通过探头中的三维电子罗盘对激光测距装置发射激光的方向进行测量。
一种地下空洞三维结构的探测方法所用的探测装置，包括主机1和通过线缆2与主机1连接的探头3。
所述主机1和探头3之间采用RS485接口连接；所述探头3包括微处理器和与微处理器连接的电源A，所述探头3还包括与微处理器连接的步进电机以及经RS232拓展一拖二电路与微处理器连接的激光测距装置和三维电子罗盘，所述激光测距装置和三维电子罗盘与步进电机固定连接，跟随步进电机一起旋转；所述微处理器上连接有RS485接口和调试接口；所述主机1包括处理器和与处理器连接的电源B，所述主机1还包括与处理器连接的旋钮编码器以及经USB拓展一拖四电路与处理器连接的U盘、鼠标和数字键盘；所述处理器上还连接有显示器；所述线缆2缠绕设置在绞车4上，所述绞车4包括手柄、传动装置和停止器。
实施例2。申请人将本发明应用到多个工程项目中，其中对某水电站顶层右岸帷幕岩溶进行了探测工作，探测成果如图3至图6所示，根据探测结果显示：钻孔附近溶洞呈“胃”状，近东西走向，溶洞为东小西大，东高西低，体积约150m3。经后期施工验证探测结果无偏差，且探测结果精度较高。
工作原理：在岩溶地区勘探的工作中常遇到以溶洞为主的大量地下空洞，采用本发明能较精确的探测空洞的走向、形状和大小。首先利用常规勘探手段确定地下空洞的位置，然后在地表布置钻孔；连接本发明的各个组件，主机1设定好采集深度范围、深度间隔、水平扫描角度间隔等参数后，将探头3通过钻孔放入地下空洞中，当探头3到达主机1设定的某个深度时，启动采集，步进电机就会驱动激光测距装置和三维电子罗盘水平360°自动旋转，旋转过程中每间隔一定角度，利用激光测距装置测量发射点到洞壁之间的直线距离，利用三维电子罗盘测量激光发射的方向，一周扫描完毕后，就可以获取整个水平断面的轮廓点数据；扫描过程中探头3实时将测量到的数据传输给主机1，主机1中的采集软件对探头3采集的数据进行处理，所述采集软件中的人机交互模块用于参数输入；通信模块用于主机和探头之间的指令及数据传输；数据采集模块用于实时采集探头传输的数据和实时显示水平断面已采集数据的轮廓示意图，并进行保存，生成采集文件；文件读写模块用于对采集文件进行读写操作；数据处理模块用于对采集文件中的数据进行处理，生成水平断面轮廓示意图，根据采集软件生成的空洞水平断面的轮廓示意图来判断某些采集值是否异常，如果有异常，可对这些异常点进行重新测量。待整个钻孔空洞段从上到下或者从下到上测量完毕之后，利用三维处理软件（如Voxler）生成三维模型，即可计算出空洞的走向、形状和大小，可为施工和施工处理后的效果评价提供较为精确的基础数据。
Claims (10)
1.一种地下空洞三维结构的探测方法，其特征在于：该方法是通过探头采集空洞的三维数据对地下空洞三维结构进行探测。
2.根据权利要求1所述的一种地下空洞三维结构的探测方法，其特征在于：该方法是将探头放入空洞中，探头发射激光并接收洞壁的反射光，从而获得空洞的三维数据，对地下空洞三维结构进行探测。
3.根据权利要求2所述的一种地下空洞三维结构的探测方法，其特征在于：该方法是通过探头的激光测距装置测量发射激光和接收到洞壁反射光的时间差，测量探头到洞壁之间的距离，探头通过从上到下或从下到上按照一定间距逐层水平方向360°扫描一圈获取空洞的若干轮廓点数据，再将探头获取的各层轮廓点数据传输给主机，经采集软件处理后，由三维处理软件整合生成三维模型，即可测出空洞的走向、形状和大小。
4.根据权利要求3所述的一种地下空洞三维结构的探测方法，其特征在于：所述采集软件包括人机交互模块、通信模块、数据采集模块、文件读写模块和数据处理模块；所述人机交互模块用于参数输入；通信模块用于主机和探头之间的指令及数据传输；数据采集模块用于实时采集探头传输的数据和实时显示水平断面已采集数据的轮廓示意图，并进行保存，生成采集文件；文件读写模块用于对采集文件进行读写操作；数据处理模块用于对采集文件中的数据进行处理，可生成水平断面轮廓示意图，用户可定位读取每个轮廓点的三维数据信息。
5.根据权利要求2所述的一种地下空洞三维结构的探测方法，其特征在于：在测量过程中通过探头中的三维电子罗盘对激光测距装置发射激光的方向进行测量。
6.按照权利要求1~5任一权利要求所述的一种地下空洞三维结构的探测方法所用的探测装置，其特征在于：包括主机（1）和通过线缆（2）与主机（1）连接的探头（3）。
7.根据权利要求6所述的探测装置，其特征在于：所述主机（1）和探头（3）之间采用RS485接口连接。
8.根据权利要求6所述的探测装置，其特征在于：所述探头（3）包括微处理器和与微处理器连接的电源A，所述探头（3）还包括与微处理器连接的步进电机以及经RS232拓展一拖二电路与微处理器连接的激光测距装置和三维电子罗盘，所述激光测距装置和三维电子罗盘与步进电机固定连接，跟随步进电机一起旋转；所述微处理器上连接有RS485接口和调试接口。
9.根据权利要求6所述的探测装置，其特征在于：所述主机（1）包括处理器和与处理器连接的电源B，所述主机（1）还包括与处理器连接的旋钮编码器以及经USB拓展一拖四电路与处理器连接的U盘、鼠标和数字键盘；所述处理器上还连接有显示器。
10.根据权利要求6所述的探测装置，其特征在于：所述线缆（2）缠绕设置在绞车（4）上，所述绞车（4）包括手柄、传动装置和停止器。
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