CN110824576A - 浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置与方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置与方法。其中，该装置包括可伸缩探管，探管的一端通过方向驱动机构与探测终端，另一端与支架相连；探管内穿设有电缆，电缆一端与探测终端相连，另一端与数据处理终端相连；探测终端包括同步工作的激光点云扫描模块和钻孔数字成像模块，激光点云扫描模块包括可调激光波长的激光光源，其用于根据空腔类灾害源含水情况及充水环境清晰度来调节激光光源发出的激光波长，进而获取空腔类灾害源的三维点云数据并传送至数据处理终端；钻孔数字成像模块用于同步获取空腔类灾害源的岩壁结构面岩体图像并传送至数据处理终端。

Description

浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置与方法

技术领域

本公开属于探测成像技术领域，尤其涉及一种浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置与方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着铁路、轨道交通等基础设施的进一步建设，在岩溶发育区现场施工过程中所产生的地质次生灾害显得尤为突出，常常导致隧道在开挖过程中发生局部坍塌、掉块、落石等现象。因此有必要针对不同的地质情况，进行相对应的灾害源精细化探测，对科学设计施工具有重要推动意义。

目前激光点云扫描技术多应用于大型开发溶洞及其它的露天地质探测等方面。发明人发现，对于现存地下工程施工中遇到的溶洞等空腔问题，目前溶洞探测有地质雷达法成像、高密度电法成像、跨孔CT成像、电磁波层析等方法，鉴于当下技术水平，上述方法易受复杂地质条件干扰，在探测成像精度方面仍存在精度、规模大小误差较大不准确等问题。

发明内容

为了解决上述问题，本公开提供一种浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置与方法，其能够对复杂地层进行精确化划分，实现灾害源的可视化重构。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开的第一方面提供一种浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置，包括：

可伸缩探管，所述探管的一端通过方向驱动机构与探测终端，另一端与支架相连；所述探管内穿设有电缆，所述电缆一端与探测终端相连，另一端与数据处理终端相连；

连接探测终端的探管一端伸入空腔类灾害源内，所述方向驱动机构用于驱动探测终端在空腔类灾害源的任一水平面内360度转动；所述探测终端包括同步工作的激光点云扫描模块和钻孔数字成像模块，激光点云扫描模块包括可调激光波长的激光光源，其用于根据空腔类灾害源含水情况及充水环境清晰度来调节激光光源发出的激光波长，进而获取空腔类灾害源的三维点云数据并传送至数据处理终端；钻孔数字成像模块用于同步获取空腔类灾害源的岩壁结构面岩体图像并传送至数据处理终端。

本公开的第二方面提供一种浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置的使用方法，包括：

(1)使用前，将探测终端置于钻孔水平口中心，并逐渐下放至浅层空腔类灾害源内；

(2)调整探测终端的方位，根据空腔类灾害源含水情况及充水环境清晰度来调节激光光源发出的激光波长，进而获取空腔类灾害源的三维点云数据并传送至数据处理终端；同时，钻孔数字成像模块同步获取空腔类灾害源的岩壁结构面岩体图像并传送至数据处理终端；

(3)探测终端数据采集完毕后，将探测终端及探管从空腔类灾害源中收回，并在数据处理终端内根据空腔类灾害源的三维点云数据，建立溶洞形态模型，并将溶洞形态模型三维数据化；提取空腔类灾害源的岩壁结构面岩体图像的特征点，进而根据钻孔数字成像模块与岩壁结构面岩体图像的成像关系，得到特征点的三维坐标；将三维数据化的溶洞形态模型与特征点的三维坐标进行统一，构建出空腔类灾害源三维模型。

本公开的有益效果是：

本公开在地下溶洞探测，尤其是含水溶洞探测方面，根据空腔类灾害源含水情况及充水环境清晰度来调节激光光源发出的激光波长，进而获取空腔类灾害源的三维点云数据并传送至数据，极大的扩大了该探测装置的适用范围；

而且在获取空腔类灾害源的三维点云数据的同时，利用钻孔数字成像模块同步获取空腔类灾害源的岩壁结构面岩体图像，并与空腔类灾害源的三维点云数据匹配构建出空腔类灾害源三维模型，使得空腔类灾害源的可视化，达到了灾害源精细可视化重构的目的。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开实施例的浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置示意图；

图2是本公开实施例的浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置侧视图；

图3是本公开实施例的浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置俯视图；

图4是本公开实施例中探测终端在浅层空腔类灾害源中扫描的示意图；

图5是本公开实施例中探测终端示意图。

其中，1.数据处理终端，2.电缆，3.支架，4.探孔，5.探管，6.支架的头部，7.空腔类灾害源，8.方向驱动机构，9.探测终端，10.第一调节杆，11.第二调节杆，12.激光点云扫描模块，13.钻孔数字成像模块，14.蓝激光源，15.近红外激光源，16.远红外激光源，17.补光灯，18.水下CCD相机，19.方位校正装置。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

本实施例的一种浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置，其包括：

可伸缩探管5，所述探管5的一端通过方向驱动机构8与探测终端9，另一端与支架3相连；所述探管5内穿设有电缆2，所述电缆2一端与探测终端9相连，另一端与数据处理终端1相连，如图1和图2所示；

如图3所示，连接探测终端9的探管5一端通过探孔4伸入空腔类灾害源7内，所述方向驱动机构用于驱动探测终端在空腔类灾害源的任一水平面内360度转动；如图4所示，所述探测终端9包括同步工作的激光点云扫描模块12和钻孔数字成像模块13，激光点云扫描模块包括可调激光波长的激光光源，其用于根据空腔类灾害源含水情况及充水环境清晰度来调节激光光源发出的激光波长，进而获取空腔类灾害源的三维点云数据并传送至数据处理终端；钻孔数字成像模块用于同步获取空腔类灾害源的岩壁结构面岩体图像并传送至数据处理终端。

作为一种具体实施方式，所述数据处理终端，用于：

根据空腔类灾害源的三维点云数据，建立溶洞形态模型，并将溶洞形态模型三维数据化；

提取空腔类灾害源的岩壁结构面岩体图像的特征点，进而根据钻孔数字成像模块与岩壁结构面岩体图像的成像关系，得到特征点的三维坐标；

将三维数据化的溶洞形态模型与特征点的三维坐标进行统一，构建出空腔类灾害源三维模型。

作为一种实施方式，所述支架为三角架，由三根等长的可伸缩杆构成。

在具体实施中，支架的头部内置有探管固定装置，探管固定装置用于固定探管。

在具体实施中，支架的头部还内置有一个滑轮和深度计数装置，深度计数装置与滑轮相连，所述电缆缠绕在滑轮上，深度计数装置用来记录测量的深度并传送至数据处理终端。

作为一种实施方式，如图4所示，所述方向驱动机构8包括：第一调节杆10和第二调节杆11，第一调节杆10和第二调节杆11分别与第一驱动机构和第二驱动机构相连，所述第一驱动机构和第二驱动机构均与数据处理终端相连，所述数据处理终端用于控制第一驱动机构驱动第一调节杆在垂直平面上左右摆动，以及控制第二驱动机构驱动第二调节杆绕垂直轴线360度转动。

作为另一种实施方式，如图5所示，所述方向驱动机构8还包括方位校正装置19，所述方位校正装置由电子罗盘、纵向传感器及横向传感器构成，且均与数据处理终端相连。

作为一种实施方式，如图5所示，所述激光点云扫描模块12包括蓝激光源14、近红外激光源15和远红外激光源16；

在无水空腔类灾害源情况下，启用远红外激光源；

在含水空腔类灾害源情况下，当充水环境清晰度不低于预设阈值时，启用蓝激光源；

在含水空腔类灾害源情况下，当充水环境清晰度低于预设阈值时，启用近红外激光源。

作为一种实施方式，所述钻孔数字成像模块13由水下CCD相机18及相机外圈的多个补光灯17组成，补光灯17均匀分布在水下CCD相机18周围一圈。

本实施例的浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置的使用方法，其包括：

(1)使用前，将探测终端置于钻孔水平口中心，并逐渐下放至浅层空腔类灾害源内；

(2)调整探测终端的方位，根据空腔类灾害源含水情况及充水环境清晰度来调节激光光源发出的激光波长，进而获取空腔类灾害源的三维点云数据并传送至数据处理终端；同时，钻孔数字成像模块同步获取空腔类灾害源的岩壁结构面岩体图像并传送至数据处理终端；

(3)探测终端数据采集完毕后，将探测终端及探管从空腔类灾害源中收回，并在数据处理终端内根据空腔类灾害源的三维点云数据，建立溶洞形态模型，并将溶洞形态模型三维数据化；提取空腔类灾害源的岩壁结构面岩体图像的特征点，进而根据钻孔数字成像模块与岩壁结构面岩体图像的成像关系，得到特征点的三维坐标；将三维数据化的溶洞形态模型与特征点的三维坐标进行统一，构建出空腔类灾害源三维模型。

本实施例在地下溶洞探测，尤其是含水溶洞探测方面，根据空腔类灾害源含水情况及充水环境清晰度来调节激光光源发出的激光波长，进而获取空腔类灾害源的三维点云数据并传送至数据，极大的扩大了该探测装置的适用范围；

而且在获取空腔类灾害源的三维点云数据的同时，利用钻孔数字成像模块同步获取空腔类灾害源的岩壁结构面岩体图像，并与空腔类灾害源的三维点云数据匹配构建出空腔类灾害源三维模型，使得空腔类灾害源的可视化，达到了灾害源精细可视化重构的目的。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置，其特征在于，包括：

可伸缩探管，所述探管的一端通过方向驱动机构与探测终端，另一端与支架相连；所述探管内穿设有电缆，所述电缆一端与探测终端相连，另一端与数据处理终端相连；

连接探测终端的探管一端伸入空腔类灾害源内，所述方向驱动机构用于驱动探测终端在空腔类灾害源的任一水平面内360度转动；所述探测终端包括同步工作的激光点云扫描模块和钻孔数字成像模块，激光点云扫描模块包括可调激光波长的激光光源，其用于根据空腔类灾害源含水情况及充水环境清晰度来调节激光光源发出的激光波长，进而获取空腔类灾害源的三维点云数据并传送至数据处理终端；钻孔数字成像模块用于同步获取空腔类灾害源的岩壁结构面岩体图像并传送至数据处理终端。

2.如权利要求1所述的浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置，其特征在于，所述数据处理终端，用于：

根据空腔类灾害源的三维点云数据，建立溶洞形态模型，并将溶洞形态模型三维数据化；

提取空腔类灾害源的岩壁结构面岩体图像的特征点，进而根据钻孔数字成像模块与岩壁结构面岩体图像的成像关系，得到特征点的三维坐标；

将三维数据化的溶洞形态模型与特征点的三维坐标进行统一，构建出空腔类灾害源三维模型。

3.如权利要求1所述的浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置，其特征在于，所述支架为三角架，由三根等长的可伸缩杆构成。

4.如权利要求3所述的浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置，其特征在于，支架的头部内置有探管固定装置，探管固定装置用于固定探管。

5.如权利要求3所述的浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置，其特征在于，支架的头部还内置有一个滑轮和深度计数装置，深度计数装置与滑轮相连，所述电缆缠绕在滑轮上，深度计数装置用来记录测量的深度并传送至数据处理终端。

6.如权利要求1所述的浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置，其特征在于，所述方向驱动机构包括：第一调节杆和第二调节杆，第一调节杆和第二调节杆分别与第一驱动机构和第二驱动机构相连，所述第一驱动机构和第二驱动机构均与数据处理终端相连，所述数据处理终端用于控制第一驱动机构驱动第一调节杆在垂直平面上左右摆动，以及控制第二驱动机构驱动第二调节杆绕垂直轴线360度转动。

7.如权利要求6所述的浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置，其特征在于，所述方向驱动机构还包括方位校正装置，所述方位校正装置由电子罗盘、纵向传感器及横向传感器构成，且均与数据处理终端相连。

8.如权利要求1所述的浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置，其特征在于，所述激光点云扫描模块包括蓝激光源、近红外激光源和远红外激光源；

在无水空腔类灾害源情况下，启用远红外激光源；

在含水空腔类灾害源情况下，当充水环境清晰度不低于预设阈值时，启用蓝激光源；

在含水空腔类灾害源情况下，当充水环境清晰度低于预设阈值时，启用近红外激光源。

9.如权利要求1所述的浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置，其特征在于，所述钻孔数字成像模块由水下CCD相机及相机外圈的多个补光灯组成，补光灯均匀分布在水下CCD相机周围一圈。

10.一种如权利要求1-9中任一项所述的浅层空腔类灾害源精细化探测成像装置的使用方法，其特征在于，包括：

(1)使用前，将探测终端置于钻孔水平口中心，并逐渐下放至浅层空腔类灾害源内；

(2)调整探测终端的方位，根据空腔类灾害源含水情况及充水环境清晰度来调节激光光源发出的激光波长，进而获取空腔类灾害源的三维点云数据并传送至数据处理终端；同时，钻孔数字成像模块同步获取空腔类灾害源的岩壁结构面岩体图像并传送至数据处理终端；

(3)探测终端数据采集完毕后，将探测终端及探管从空腔类灾害源中收回，并在数据处理终端内根据空腔类灾害源的三维点云数据，建立溶洞形态模型，并将溶洞形态模型三维数据化；提取空腔类灾害源的岩壁结构面岩体图像的特征点，进而根据钻孔数字成像模块与岩壁结构面岩体图像的成像关系，得到特征点的三维坐标；将三维数据化的溶洞形态模型与特征点的三维坐标进行统一，构建出空腔类灾害源三维模型。

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