CN104089604A - 一种用于勘探溶洞内部结构的探测装置及其勘探方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于勘探溶洞内部结构的探测装置及其勘探方法，涉及溶洞探测领域，包括第一防护罩、第二防护罩、第三防护罩和测试电缆，第一防护罩通过第二防护罩与第三防护罩连接，所述第二防护罩、第三防护罩均采用透明材料制成，第二防护罩的内部设置有旋转摄像头、激光头和第一照明装置，旋转摄像头与第一照明装置固定连接，所述激光头设置于旋转摄像头的镜头下方，旋转摄像头与动力装置、信号转换装置电连接；所述第三防护罩的内部设置水平设置有第二照明装置，第二照明装置的底部设置有用于探测深度的深度摄像头。本发明不仅能够判定溶洞的存在，而且能够准确勘探溶洞的深度和内部产状。

Description

一种用于勘探溶洞内部结构的探测装置及其勘探方法

技术领域

本发明涉及溶洞探测领域，具体涉及一种用于勘探溶洞内部结构的探测装置及其勘探方法。

背景技术

在修建公路桥梁和铁路的过程中，通常需要预先勘探钻孔之处是否存在溶洞，并探测溶洞的内部结构，现阶段通常使用的勘探方法包括电法勘探、地震勘探、声波勘探、重力勘探、磁力勘探、放射性勘探和地质雷达勘探、无线电波透视法和地震CT(ComputedTomography计算机断层扫描)法。

现有的勘探方法存在以下缺陷：

(1)电法勘探、地震勘探、声波探测、重力勘探、磁力勘探、放射性勘探和地质雷达勘探均只能判断是否存在溶洞，难以确定溶洞的大小及其内部结构，需要对所有的溶洞采取相同的清理措施，清理成本较高。

(2)无线电波透视法和地震CT法需要预先开挖钻孔，然后在孔内架设测试仪器并进行探测，由于溶洞内地质条件复杂，无线电波***器和CT仪的分辨率均较低，后期需要对图像进行多次校正，不仅增加了劳动强度，而且延长了施工周期。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于勘探溶洞内部结构的探测装置及其勘探方法，能够降低清理成本，缩短施工周期。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种用于勘探溶洞内部结构的探测装置，包括第一防护罩、第二防护罩、第三防护罩和测试电缆，第一防护罩通过第二防护罩与第三防护罩连接，测试电缆设置于第一防护罩的顶部，所述第一防护罩的内部设置有动力装置和信号转换装置；

所述第二防护罩的内部设置有旋转摄像头、激光头和第一照明装置，可旋转摄像头水平放置，所述激光头位于旋转摄像头的镜头下方，激光头与旋转摄像头固定连接，定义激光头与旋转摄像头之间的距离为L2，为3cm≤L2≤20cm处，激光头与竖直方向之间的夹角α为40°～70°；可旋转摄像头与第一照明装置固定连接，旋转摄像头与动力装置、信号转换装置电连接；

所述第三防护罩的内部设置水平设置有第二照明装置，第二照明装置的底部纵向设置有用于探测深度的深度摄像头。

在上述技术方案的基础上，所述第一照明装置包括第一电路板和若干第一LED灯，第一电路板竖直设置于第二防护罩的内部，所述若干第一LED灯均位于第一电路板的一侧，若干第一LED灯均与第一电路板电连接；所述旋转摄像头的镜头与若干第一LED灯同侧设置。

在上述技术方案的基础上，所述第二照明装置包括第二电路板和若干第二LED灯，第二电路板水平设置于第三防护罩的内部，若干第二LED灯均位于电路板的下表面，若干第二LED灯均与第二电路板电连接，所述深度摄像头位于第二电路板的底部。

在上述技术方案的基础上，所述L2为6cm。

在上述技术方案的基础上，所述第二防护罩、第三防护罩均采用透明材料制成。

在上述技术方案的基础上，所述α为60°。

在上述技术方案的基础上，所述旋转摄像头的视角为120°～160°。

一种基于如权利要求1～7中任一项所述的用于勘探溶洞内部结构的探测装置的勘探方法，包括以下步骤：

A、将探测装置放入待测钻孔内，通过深度摄像头拍摄钻孔底部的图像，根据钻孔底部的图像判断钻孔内是否为溶洞，若是，转入步骤B；若否，停止勘探；

B、将测试电缆放入待探测的溶洞洞口，调整测试电缆进入洞口的长度为h1，10cm≤h1≤30cm，选择溶洞内的任意一个溶洞壁作为待测溶洞壁，通过激光灯在待测溶洞壁上投点，将该投点作为待测点；通过旋转摄像头拍摄待测点所在平面的图像，作为待测图像；

C、确定摄像头中心在图像上的投影点，作为参考点，计算参考点与待测点之间的距离；将参考点与待测点之间的距离定义为L1，将横向摄像头的中心与待测点所在的平面之间的距离定义为L3；

根据公式(L1+L2)/L3＝cotβ，β＝α，可知cotβ＝cotα，L3＝(L1+L2)/cotα；

D、调整测试电缆进入洞口的长度至h2，5cm≤h2-h1≤10cm，h2＜(溶洞深度-探测装置深度)，重复执行步骤B～C，直至确定溶洞内的全景。

在上述技术方案的基础上，步骤C中所述确定摄像头中心在图像上的投影点包括以下步骤：

C1、预制高斯模板，高斯模板的正态分布方程为：

$f[i,j]=\mathrm{Ce}\frac{-(i^2+j^2)}{2{\mathrm{\δ}}^2},$

方程中，δ＝3，-5≤i≤5，-5≤j≤5，i、j均为整数；C＝255；

高斯模板的直径为4≤R≤7；

确定待测图像的图像帧，对待测图像进行中值滤波，得到预处理图像，确定预处理图像中待测点所在的区域，作为搜索区，遍历搜索区中的所有像素点，选择亮度为220～255像素的所有像素点作为起始搜索点，任意两个起始搜索点之间的距离均大于2R；

C2、选取任意一个起始搜索点作为原点，以1/2R为第一搜索步长，计算原点的八邻域处图像与其在高斯模板残差平方和，将八邻域处图像中残差平方和最小的点作为第一最佳匹配点；

C3、将第一最佳匹配点作为C2中的原点，以1/4R为第二搜索步长，计算第一最佳匹配点的八邻域处图像与其在高斯模板的残差平方和，将残差平方和最小的点作为参考点，判定参考点与搜索区的中心之间的距离为1/2R，转入步骤C4；

C4、重复步骤C2～C3，得到所有起始搜索点的参考点，选择所有参考点中，残差平方和最小的参考点作为待测点。

在上述技术方案的基础上，步骤C3和C4之间，还包括以下步骤：判定参考点与搜索区的中心之间的距离小于或者大于1/2R，重复执行步骤C3。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明中用于勘探溶洞内部结构的探测装置，包括旋转摄像头、第一照明装置、深度摄像头和第二照明装置，旋转摄像头的下方设置有激光装置，激光装置与竖直方向的夹角为40°～70°，通过旋转摄像头、第一照明装置和激光装置确定探测装置与溶洞内溶洞壁的方向和距离，进而确定溶洞的大小和内部结构；通过深度摄像头和第二照明装置能够判断钻孔内是否存在溶洞，并确定溶洞的深度，与现有技术中只能判断是否存在溶洞相比，能够准确判定溶洞的存在，准确勘探溶洞的深度和内部产状，有效降低清理成本。

(2)本发明中勘探溶洞内部结构的探测方法，包括激光头在溶洞壁投点，旋转摄像头拍摄该投点所在的图像，确定图像上的参考点，根据参考点计算溶洞壁与可旋转摄像头之间的距离，与现有技术中后期需要对图像进行多次校正相比，劳动强度较小，准确度较高。

附图说明

图1为本发明中用于勘探溶洞内部结构的探测装置的结构示意图；

图2为本发明测定溶洞壁的光路图。

图中：1-探测连接装置，2-第一防护罩，3-第二防护罩，4-第一电路板，5-第三防护罩，6-信号转换装置，7-动力装置，8-旋转摄像头，9-激光装置，10-第二电路板，11-深度摄像头，12-待测溶洞壁。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种用于勘探溶洞内部结构的探测装置及其勘探方法，该装置包括第一防护罩2、第二防护罩3、第三防护罩5和测试电缆，第一防护罩2通过第二防护罩3与第三防护罩5连接，测试电缆设置于第一防护罩2的顶部。第二防护罩3、第三防护罩5均采用透明材料制成，在本发明实施例中，第二防护罩3和第三防护罩5均采用石英玻璃制成。

第一防护罩2的顶部设置有用于与测试电缆连接的探测连接装置1，第一防护罩2的内部设置有动力装置7和信号转换装置6。

第二防护罩3的内部设置有旋转摄像头8、用于与可旋转摄像头配合使用的激光头9和第一照明装置，旋转摄像头8与第一照明装置固定连接，激光头9固定连接于旋转摄像头8的下方，激光头9与旋转摄像头8之间的距离为3～20cm(最优为6cm)。旋转摄像头8与动力装置7、信号转换装置6电连接。

第一照明装置包括第一电路板4和若干第一LED灯，第一电路板4竖直设置于第二防护罩3的内部，第一LED灯均位于第一电路板4的一侧，旋转摄像头8水平放置，旋转摄像头8的镜头与第一LED灯位于第一电路板4的同侧，旋转摄像头8的视角为120°～160°(最优为140°)。

定义激光头9与竖直方向之间的夹角为α，40°≤α≤70°(最优为60°)。

第三防护罩5的内部设置水平设置有第二照明装置，第二照明装置的底部设置有用于探测深度的深度摄像头11，深度摄像头11的视角为120°～160°(最优为140°)。

第二照明装置包括第二电路板10和若干第二LED灯，第二电路板10水平放置于第三防护罩5的内部，若干LED灯均位于第二电路板10的下表面，深度摄像头11位于第二电路板10的下方。

本发明实施例中用于勘探溶洞内部结构的探测装置的勘探方法如下：

S1：将探测装置放入待测钻孔内，通过深度摄像头11拍摄钻孔内部的图像，根据钻孔底部的图像判断钻孔内是否为溶洞，若是，转入步骤S2；若否，停止勘探。

S2：将测试电缆放入溶洞洞口内，调整测试电缆进入溶洞洞口的长度至h1，选择溶洞内的任意一个溶洞壁作为待测溶洞壁12，通过激光灯在待测溶洞壁12上投点，将该投点作为待测点。

S3：通过旋转摄像头8拍摄待测点所在平面的图像，作为待测图像，将待测图像通过信号转化装置输入处理软件中。

S4、预制高斯模板，高斯模板的正态分布方程为：

$f[i,j]=\mathrm{Ce}\frac{-(i^2+j^2)}{2{\mathrm{\δ}}^2},$

方程中，δ＝3，-5≤i≤5，-5≤j≤5，i、j均为整数；C＝255；

高斯模板的直径为4≤R≤7；

S5：确定待测图像的图像帧，对待测图像进行中值滤波，得到预处理图像，确定预处理图像中待测点所在的区域，作为搜索区，遍历搜索区中的所有像素点，选择亮度为220～255像素的所有像素点作为起始搜索点，任意两个起始搜索点之间的距离均大于2R。

S6、选取任意一个起始搜索点作为原点，以1/2R为第一搜索步长，计算原点的八邻域处图像与其在高斯模板残差平方和，将八邻域处图像中残差平方和最小的点作为第一最佳匹配点；

S7、将第一最佳匹配点作为C2中的原点，以1/4R为第二搜索步长，计算第一最佳匹配点的八邻域处图像与其在高斯模板的残差平方和，将残差平方和最小的点作为参考点。

S8判断参考点与搜索区的中心之间的距离是否为1/2R，若是，转入步骤S9，若否，重复执行步骤S7。

S9、重复步骤S6～S8，得到所有起始搜索点的参考点，将所有参考点中，残差平方和最小的参考点为摄像头中心在图像上的投影点，将该点作为待测点。

S9：处理软件确定，参见图2所示，定义处理软件计算参考点与待测点之间的距离L1，定义旋转摄像头8与激光头9之间的距离为L2，定义横向摄像头的中心与待测点所在的平面之间的距离为L3，由于α＝β，

根据公式(L1+L2)/L3＝cotβ＝cotα，得到L3＝(L1+L2)/cotα。

S10：调整测试电缆进入洞口的长度至h2，h1＜h2＜(溶洞深度-探测装置深度)，重复执行步骤S2～S9，直至确定溶洞内的全景。

本发明实施例中，八邻域是指与原点之间的距离为对应搜索步长的8个点，在图像中，八个点分别位于原点的左上，正上，右上，左，右，左下，正下，右下。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种用于勘探溶洞内部结构的探测装置，包括第一防护罩(2)、第二防护罩(3)、第三防护罩(5)和测试电缆，第一防护罩(2)通过第二防护罩(3)与第三防护罩(5)连接，测试电缆设置于第一防护罩(2)的顶部，其特征在于：所述第一防护罩(2)的内部设置有动力装置(7)和信号转换装置(6)；

所述第二防护罩(3)的内部设置有旋转摄像头(8)、激光头(9)和第一照明装置，可旋转摄像头(8)水平放置，所述激光头(9)位于旋转摄像头(8)的镜头下方，激光头(9)与旋转摄像头(8)固定连接，定义激光头(9)与旋转摄像头(8)之间的距离为L2，3cm≤L2≤20cm，激光头(9)与竖直方向之间的夹角α为40°～70°；可旋转摄像头(8)与第一照明装置固定连接，旋转摄像头(8)与动力装置(7)、信号转换装置(6)电连接；

所述第三防护罩(5)的内部设置水平设置有第二照明装置，第二照明装置的底部纵向设置有用于探测深度的深度摄像头(11)。

2.如权利要求1所述的用于勘探溶洞内部结构的探测装置，其特征在于：所述第一照明装置包括第一电路板(4)和若干第一LED灯，第一电路板(4)竖直设置于第二防护罩(3)的内部，所述若干第一LED灯均位于第一电路板(4)的一侧，若干第一LED灯均与第一电路板(4)电连接；所述旋转摄像头(8)的镜头与若干第一LED灯同侧设置。

3.如权利要求1所述的用于勘探溶洞内部结构的探测装置，其特征在于：所述第二照明装置包括第二电路板(10)和若干第二LED灯，第二电路板(10)水平设置于第三防护罩(5)的内部，若干第二LED灯均位于电路板的下表面，若干第二LED灯均与第二电路板(10)电连接，所述深度摄像头(11)位于第二电路板(10)的底部。

4.如权利要求1所述的用于勘探溶洞内部结构的探测装置，其特征在于：所述L2为6cm。

5.如权利要求1所述的用于勘探溶洞内部结构的探测装置，其特征在于：所述第二防护罩(3)、第三防护罩(5)均采用透明材料制成。

6.如权利要求1所述的用于勘探溶洞内部结构的探测装置，其特征在于：所述α为60°。

7.如权利要求1所述的用于勘探溶洞内部结构的探测装置，其特征在于：所述旋转摄像头(8)的视角为120°～160°。

8.一种基于如权利要求1～7中任一项所述的用于勘探溶洞内部结构的探测装置的勘探方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、将探测装置放入待测钻孔内，通过深度摄像头(11)拍摄钻孔底部的图像，根据钻孔底部的图像判断钻孔内是否为溶洞，若是，转入步骤B；若否，停止勘探；

B、将测试电缆放入待探测的溶洞洞口，调整测试电缆进入洞口的长度为h1，10cm≤h1≤30cm，选择溶洞内的任意一个溶洞壁作为待测溶洞壁(12)，通过激光灯在待测溶洞壁(12)上投点，将该投点作为待测点；通过旋转摄像头(8)拍摄待测点所在平面的图像，作为待测图像；

C、确定摄像头中心在图像上的投影点，作为参考点，计算参考点与待测点之间的距离；将参考点与待测点之间的距离定义为L1，将横向摄像头的中心与待测点所在的平面之间的距离定义为L3；

根据公式(L1+L2)/L3＝cotβ，β＝α，可知cotβ＝cotα，L3＝(L1+L2)/cotα；

D、调整测试电缆进入洞口的长度至h2，5cm≤h2-h1≤10cm，h2＜(溶洞深度-探测装置深度)，重复执行步骤B～C，直至确定溶洞内的全景。

9.如权利要求8所述的勘探溶洞内部结构的勘探方法，其特征在于：步骤C中所述确定摄像头中心在图像上的投影点包括以下步骤：

C1、预制高斯模板，高斯模板的正态分布方程为：

$f[i,j]=\mathrm{Ce}\frac{-(i^2+j^2)}{2{\mathrm{\δ}}^2},$

方程中，δ＝3，-5≤i≤5，-5≤j≤5，i、j均为整数；C＝255；

高斯模板的直径为4≤R≤7；

确定待测图像的图像帧，对待测图像进行中值滤波，得到预处理图像，确定预处理图像中待测点所在的区域，作为搜索区，遍历搜索区中的所有像素点，选择亮度为220～255像素的所有像素点作为起始搜索点，任意两个起始搜索点之间的距离均大于2R；

C2、选取任意一个起始搜索点作为原点，以1/2R为第一搜索步长，计算原点的八邻域处图像与其在高斯模板残差平方和，将八邻域处图像中残差平方和最小的点作为第一最佳匹配点；

C3、将第一最佳匹配点作为C2中的原点，以1/4R为第二搜索步长，计算第一最佳匹配点的八邻域处图像与其在高斯模板的残差平方和，将残差平方和最小的点作为参考点，判定参考点与搜索区的中心之间的距离为1/2R，转入步骤C4；

C4、重复步骤C2～C3，得到所有起始搜索点的参考点，选择所有参考点中，残差平方和最小的参考点作为待测点。

10.如权利要求9所述的勘探溶洞内部结构的勘探方法，其特征在于：步骤C3和C4之间，还包括以下步骤：判定参考点与搜索区的中心之间的距离小于或者大于1/2R，重复执行步骤C3。