一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的装置，包括数字摄像机、锥面镜、感光元件、数据线、外壳、计算机和方位探测仪；还涉及一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的方法，适用于地下工程岩体钻孔空腔几何轮廓的测试。该方法是利用装置中的数字摄像机对任意选定的点进行对焦操作，并利用透镜成像公式，计算出腔壁探测点的距离，最终测得空腔的空间几何形态。通过该装置及方法，可以在钻孔全景成像的同时探测所遇到的空腔形态大小。
【专利说明】-种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于岩±测量【技术领域】，具体地涉及一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的装 置，还涉及一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的方法，适用于地下工程岩体钻孔空腔几何轮 廓的测试。
【背景技术】
[0002] 钻孔全景摄像是矿业、水利、±木、交通、等领域工程围岩勘探时非常直观有效的 观测手段。该技术通过摄像头对岩体中圆柱面钻孔壁进行全景光学摄影和图像拼接，辨认 出岩石结构面和岩性，并进行相对位置的计算W获取岩石表面特征、结构面宽度和距钻孔 口深度等等有用信息，如中国专利2354158Y和98232288. 7所述的数字式全景钻孔摄像装 置。但是，已有的钻孔全景摄像只能对极近距离的钻孔壁进行光学摄影，其目标是将标准圆 柱面的钻孔壁拍摄成照片并拼接成虚拟岩芯。当钻孔穿过岩体中一定大小空腔时，该方法 设备不能对钻孔遇到的空腔体积进行有效地探测和分析。比如，在深部煤矿探测围岩裂隙 的原生分布和演化时，会遇到内部的空洞；或者在岩溶地区修建建筑物需要了解地下岩± 层的承载力时，必须钻孔探测岩性分布，常常遇到初期勘察时地震勘探不易辨认的较小孔 洞。在钻孔全景摄像的同时，了解孔洞在空间上的位置，还需要初步估计孔洞的体积大小和 形态。改进的钻孔全景摄像，如201310308144. 9所述的孔内立体成像方法，采用双锥面镜 的全景成像技术，从二个不同方向对圆柱形孔壁同一区域进行成像，提高了对孔壁起伏不 定目标的识别能力和探测的精度，但仍然无法解决全景摄像的同时对所遇较大孔洞形态测 量与体积估计的问题。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题在于提供了一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的装置， 还提供了一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的方法，计算评估空洞的形状和大小。通过该装 置，可W在钻孔全景成像实施同时探测空洞形态大小。
[0004]本发明的目的是通过W下技术方案实现的：
[0005] -种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的装置，包括外壳，还包括设置在外壳内的数字 摄像机、用于将孔壁图像反射到数字摄像机的锥面镜和用于确定方位的方位探测仪，数字 摄像机为任意点自动对焦数字摄像机，数字摄像机的光轴与锥面镜同轴。
[0006] 如上所述的外壳与钢丝绳连接。
[0007] -种钻孔摄像空腔几何轮廓的测试方法，包括W下步奏：
[0008] 步骤1、在数字摄像机的感光兀件上W光轴为中也设定对焦圆周，在对焦圆周上选 取对焦点序列；
[0009] 步骤2、将装置推进孔洞，开启数字摄像机的点对焦功能；
[0010] 步骤3、依次针对对焦点序列的每一点，实施自动对焦获得对焦后的像距，根据像 距和对应的焦距获得对焦点序列的各个对焦点的物距，根据方位探测仪获得各个对焦点的 方位角；
[0011] 步骤4、建立二维坐标系，W坐标原点为中也点，通过各个对焦点对应的物距与方 位角在二维坐标系上确定相应的腔壁探测点，将相邻腔壁探测点进行连线得到闭合圈，闭 合圈作为当前孔壁扫描层几何形状；
[0012] 步骤5、将装置沿钻孔方向移动一个扫描间距，返回步骤3直至扫描完毕。
[0013] 本发明具有W下的优点；①可快速探测计算钻孔周边的小型孔洞的几何形态；② 可直接基于现有的全景摄像设备构架，既可W对正常圆柱状孔壁实施全景光学测量，又可 W对遭遇的孔洞进行形态估算，形成完整的结构面和空腔H维数据，对地下工程围岩稳定 分析有良好的支撑作用。③数字摄像机镜头不需要旋转，利于稳定性和耐久性地提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图IA为装置连接结构示意图，
[0015] 图中；1-数字摄像机，2-锥面镜，5-外壳，7-方位探测仪。
[0016] 图IB为装置运行状态示意图，
[0017] 4-数据线，6-计算机。
[0018] 图2为外界图像信息反应到感光元件上示意图，
[0019]图中；1-数字摄像机，2-锥面镜，3-感光元件，5-外壳，9-凸透镜，10-孔壁。
[0020] 图3为数字摄像机感光元件上对焦点序列示意图，
[0021] 图中；3-感光元件，8-对焦点序列。
[0022] 图4为扫描层几何形状合成示意图，图中数字为腔壁探测点物距，
[0023] 图5A为各扫描层效果图。
[0024] 图5B为拼接和最后效果图。
[00巧]图6为实际测量合成效果图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：
[0027] 本发明公开了一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的装置，它包括数字摄像机1，锥面 镜2,感光元件3,数据线4,外壳5,计算机6和方位探测仪7。数字摄像机1装在锥面镜2 后端轴线上，数字摄像机1的光轴与锥面镜2同轴。数字摄像机1通过数据线4与计算机 6相连。数字摄像机1，具备CCD任意点对焦功能。还应用上述装置进行钻孔空腔的探测和 形态计算。
[002引如图IA-图IB所示，在封闭壳体5内，数字摄像机1安放在锥面镜2的上端（即 锥面镜2后端轴线上），并且数字摄像机1的光轴与锥面镜2同轴。壳体内的方位探测仪7 用W确定获得图像的方位信息。壳体5通过与钢丝绳的连接实现上下移动的操作。数字摄 像机通过数据线4与计算机6连接，用W传输所获图像信息。如图2所示，孔壁10的图像 信息通过锥面镜2折射到摄像机1内，再通过凸透镜9成像于数字摄像机1感光元件3上。 锥面镜2上一个垂直于摄像机1光轴的截面的特点为；该截面折射的图像信息在感光元件 3上表现为一个像素圆周。一般可在该像素圆周上选取若干点为对焦点序列，如图3所示。 如图4,为一个扫描层几何形状合成示意图，对每个对焦点进行定点对焦后，获得相应物距， 表现为图中的具体数字。即会得到一系列散点，将各散点连接，可得到该扫描层的几何形 状。如图5A，5B所示；图4A为经过若干次扫描后，得到的第一扫描层、第二扫描层-- ?图 4B为将各扫描层经过合成拼接后的最后效果图，即孔洞的空间形态。
[0029] 具体操作步骤如下：
[0030] 步骤（1)在数字摄像机的感光元件上W光轴为中也点的对焦圆周上，定义一个对 焦点序列；例如，W第一象限OX轴上与圆周相交的点为第一个对焦点。
[0031] 步骤（2)在钻孔全景摄像推进到孔洞，需要进行几何形态估算时，开启点对焦功 能；如果提示光线太弱，打开辅助灯光。
[003引步骤做依次针对对焦点序列中每一个点，实施自动对焦和物距计算，记录每个 对焦点所对应的物距与对应方位；
[0033] 自动对焦和物距计算包括W下步奏：进行自动对焦操作，获取对焦成功后的像距 V，再根据对焦点对应的焦距f计算对焦点对应的物距U，
【权利要求】
1. 一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的装置，包括外壳（5)，其特征在于，还包括设置在 外壳（5)内的数字摄像机（1)、用于将孔壁图像反射到数字摄像机（1)的锥面镜（2)和用 于确定方位的方位探测仪（7)，数字摄像机（1)为任意点自动对焦数字摄像机，数字摄像机 (1)的光轴与锥面镜（2)同轴。
2. 根据权利要求1所述的一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的装置，其特征在于，所述 的外壳（5)与钢丝绳连接。
3. -种利用权利要求1所述装置进行钻孔摄像空腔几何轮廓的测试方法，其特征在 于，包括以下步奏： 步骤1、在数字摄像机的感光元件上以光轴为中心设定对焦圆周，在对焦圆周上选取对 焦点序列； 步骤2、将装置推进孔洞，开启数字摄像机的点对焦功能； 步骤3、依次针对对焦点序列的每一点，实施自动对焦获得对焦后的像距，根据像距和 对应的焦距获得对焦点序列的各个对焦点的物距，根据方位探测仪获得各个对焦点的方位 角； 步骤4、建立二维坐标系，以坐标原点为中心点，通过各个对焦点对应的物距与方位角 在二维坐标系上确定相应的腔壁探测点，将相邻腔壁探测点进行连线得到闭合圈，闭合圈 作为当前孔壁扫描层几何形状； 步骤5、将装置沿钻孔方向移动一个扫描间距，返回步骤3直至扫描完毕。
【文档编号】G01B11/24GK104359422SQ201410653673
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月15日 优先权日:2014年11月15日
【发明者】张程远, 张静, 刘泉声, 刘小燕 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所