一種鑽孔攝像探測空腔幾何輪廓的裝置及方法
2023-10-07 17:44:04 2
一種鑽孔攝像探測空腔幾何輪廓的裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種鑽孔攝像探測空腔幾何輪廓的裝置，包括數字攝像機、錐面鏡、感光元件、數據線、外殼、計算機和方位探測儀；還涉及一種鑽孔攝像探測空腔幾何輪廓的方法，適用於地下工程巖體鑽孔空腔幾何輪廓的測試。該方法是利用裝置中的數字攝像機對任意選定的點進行對焦操作，並利用透鏡成像公式，計算出腔壁探測點的距離，最終測得空腔的空間幾何形態。通過該裝置及方法，可以在鑽孔全景成像的同時探測所遇到的空腔形態大小。
【專利說明】-種鑽孔攝像探測空腔幾何輪廓的裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於巖±測量【技術領域】，具體地涉及一種鑽孔攝像探測空腔幾何輪廓的裝 置，還涉及一種鑽孔攝像探測空腔幾何輪廓的方法，適用於地下工程巖體鑽孔空腔幾何輪 廓的測試。
【背景技術】
[0002] 鑽孔全景攝像是礦業、水利、±木、交通、等領域工程圍巖勘探時非常直觀有效的 觀測手段。該技術通過攝像頭對巖體中圓柱面鑽孔壁進行全景光學攝影和圖像拼接，辨認 出巖石結構面和巖性，並進行相對位置的計算W獲取巖石表面特徵、結構面寬度和距鑽孔 口深度等等有用信息，如中國專利2354158Y和98232288. 7所述的數字式全景鑽孔攝像裝 置。但是，已有的鑽孔全景攝像只能對極近距離的鑽孔壁進行光學攝影，其目標是將標準圓 柱面的鑽孔壁拍攝成照片並拼接成虛擬巖芯。當鑽孔穿過巖體中一定大小空腔時，該方法 設備不能對鑽孔遇到的空腔體積進行有效地探測和分析。比如，在深部煤礦探測圍巖裂隙 的原生分布和演化時，會遇到內部的空洞；或者在巖溶地區修建建築物需要了解地下巖± 層的承載力時，必須鑽孔探測巖性分布，常常遇到初期勘察時地震勘探不易辨認的較小孔 洞。在鑽孔全景攝像的同時，了解孔洞在空間上的位置，還需要初步估計孔洞的體積大小和 形態。改進的鑽孔全景攝像，如201310308144. 9所述的孔內立體成像方法，採用雙錐面鏡 的全景成像技術，從二個不同方向對圓柱形孔壁同一區域進行成像，提高了對孔壁起伏不 定目標的識別能力和探測的精度，但仍然無法解決全景攝像的同時對所遇較大孔洞形態測 量與體積估計的問題。
【發明內容】
[0003]本發明所要解決的技術問題在於提供了一種鑽孔攝像探測空腔幾何輪廓的裝置， 還提供了一種鑽孔攝像探測空腔幾何輪廓的方法，計算評估空洞的形狀和大小。通過該裝 置，可W在鑽孔全景成像實施同時探測空洞形態大小。
[0004]本發明的目的是通過W下技術方案實現的：
[0005] -種鑽孔攝像探測空腔幾何輪廓的裝置，包括外殼，還包括設置在外殼內的數字 攝像機、用於將孔壁圖像反射到數字攝像機的錐面鏡和用於確定方位的方位探測儀，數字 攝像機為任意點自動對焦數字攝像機，數字攝像機的光軸與錐面鏡同軸。
[0006] 如上所述的外殼與鋼絲繩連接。
[0007] -種鑽孔攝像空腔幾何輪廓的測試方法，包括W下步奏：
[0008] 步驟1、在數字攝像機的感光兀件上W光軸為中也設定對焦圓周，在對焦圓周上選 取對焦點序列；
[0009] 步驟2、將裝置推進孔洞，開啟數字攝像機的點對焦功能；
[0010] 步驟3、依次針對對焦點序列的每一點，實施自動對焦獲得對焦後的像距，根據像 距和對應的焦距獲得對焦點序列的各個對焦點的物距，根據方位探測儀獲得各個對焦點的 方位角；
[0011] 步驟4、建立二維坐標系，W坐標原點為中也點，通過各個對焦點對應的物距與方 位角在二維坐標系上確定相應的腔壁探測點，將相鄰腔壁探測點進行連線得到閉合圈，閉 合圈作為當前孔壁掃描層幾何形狀；
[0012] 步驟5、將裝置沿鑽孔方向移動一個掃描間距，返回步驟3直至掃描完畢。
[0013] 本發明具有W下的優點；①可快速探測計算鑽孔周邊的小型孔洞的幾何形態；② 可直接基於現有的全景攝像設備構架，既可W對正常圓柱狀孔壁實施全景光學測量，又可 W對遭遇的孔洞進行形態估算，形成完整的結構面和空腔H維數據，對地下工程圍巖穩定 分析有良好的支撐作用。③數字攝像機鏡頭不需要旋轉，利於穩定性和耐久性地提高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖IA為裝置連接結構示意圖，
[0015] 圖中；1-數字攝像機，2-錐面鏡，5-外殼，7-方位探測儀。
[0016] 圖IB為裝置運行狀態示意圖，
[0017] 4-數據線，6-計算機。
[0018] 圖2為外界圖像信息反應到感光元件上示意圖，
[0019]圖中；1-數字攝像機，2-錐面鏡，3-感光元件，5-外殼，9-凸透鏡，10-孔壁。
[0020] 圖3為數字攝像機感光元件上對焦點序列示意圖，
[0021] 圖中；3-感光元件，8-對焦點序列。
[0022] 圖4為掃描層幾何形狀合成示意圖，圖中數字為腔壁探測點物距，
[0023] 圖5A為各掃描層效果圖。
[0024] 圖5B為拼接和最後效果圖。
[00巧]圖6為實際測量合成效果圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明：
[0027] 本發明公開了一種鑽孔攝像探測空腔幾何輪廓的裝置，它包括數字攝像機1，錐面 鏡2,感光元件3,數據線4,外殼5,計算機6和方位探測儀7。數字攝像機1裝在錐面鏡2 後端軸線上，數字攝像機1的光軸與錐面鏡2同軸。數字攝像機1通過數據線4與計算機 6相連。數字攝像機1，具備CCD任意點對焦功能。還應用上述裝置進行鑽孔空腔的探測和 形態計算。
[002引如圖IA-圖IB所示，在封閉殼體5內，數字攝像機1安放在錐面鏡2的上端（即 錐面鏡2後端軸線上），並且數字攝像機1的光軸與錐面鏡2同軸。殼體內的方位探測儀7 用W確定獲得圖像的方位信息。殼體5通過與鋼絲繩的連接實現上下移動的操作。數字攝 像機通過數據線4與計算機6連接，用W傳輸所獲圖像信息。如圖2所示，孔壁10的圖像 信息通過錐面鏡2折射到攝像機1內，再通過凸透鏡9成像於數字攝像機1感光元件3上。 錐面鏡2上一個垂直於攝像機1光軸的截面的特點為；該截面折射的圖像信息在感光元件 3上表現為一個像素圓周。一般可在該像素圓周上選取若干點為對焦點序列，如圖3所示。 如圖4,為一個掃描層幾何形狀合成示意圖，對每個對焦點進行定點對焦後，獲得相應物距， 表現為圖中的具體數字。即會得到一系列散點，將各散點連接，可得到該掃描層的幾何形 狀。如圖5A，5B所示；圖4A為經過若干次掃描後，得到的第一掃描層、第二掃描層-- ?圖 4B為將各掃描層經過合成拼接後的最後效果圖，即孔洞的空間形態。
[0029] 具體操作步驟如下：
[0030] 步驟（1)在數字攝像機的感光元件上W光軸為中也點的對焦圓周上，定義一個對 焦點序列；例如，W第一象限OX軸上與圓周相交的點為第一個對焦點。
[0031] 步驟（2)在鑽孔全景攝像推進到孔洞，需要進行幾何形態估算時，開啟點對焦功 能；如果提示光線太弱，打開輔助燈光。
[003引步驟做依次針對對焦點序列中每一個點，實施自動對焦和物距計算，記錄每個 對焦點所對應的物距與對應方位；
[0033] 自動對焦和物距計算包括W下步奏：進行自動對焦操作，獲取對焦成功後的像距 V，再根據對焦點對應的焦距f計算對焦點對應的物距U，
【權利要求】
1. 一種鑽孔攝像探測空腔幾何輪廓的裝置，包括外殼（5)，其特徵在於，還包括設置在 外殼（5)內的數字攝像機（1)、用於將孔壁圖像反射到數字攝像機（1)的錐面鏡（2)和用 於確定方位的方位探測儀（7)，數字攝像機（1)為任意點自動對焦數字攝像機，數字攝像機 (1)的光軸與錐面鏡（2)同軸。
2. 根據權利要求1所述的一種鑽孔攝像探測空腔幾何輪廓的裝置，其特徵在於，所述 的外殼（5)與鋼絲繩連接。
3. -種利用權利要求1所述裝置進行鑽孔攝像空腔幾何輪廓的測試方法，其特徵在 於，包括以下步奏： 步驟1、在數字攝像機的感光元件上以光軸為中心設定對焦圓周，在對焦圓周上選取對 焦點序列； 步驟2、將裝置推進孔洞，開啟數字攝像機的點對焦功能； 步驟3、依次針對對焦點序列的每一點，實施自動對焦獲得對焦後的像距，根據像距和 對應的焦距獲得對焦點序列的各個對焦點的物距，根據方位探測儀獲得各個對焦點的方位 角； 步驟4、建立二維坐標系，以坐標原點為中心點，通過各個對焦點對應的物距與方位角 在二維坐標系上確定相應的腔壁探測點，將相鄰腔壁探測點進行連線得到閉合圈，閉合圈 作為當前孔壁掃描層幾何形狀； 步驟5、將裝置沿鑽孔方向移動一個掃描間距，返回步驟3直至掃描完畢。
【文檔編號】G01B11/24GK104359422SQ201410653673
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月15日 優先權日:2014年11月15日
【發明者】張程遠, 張靜, 劉泉聲, 劉小燕 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所