[发明专利]一种地下空洞三维结构的探测方法及装置

说明书

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。