一種獲取鉆孔全息模型的設(shè)備與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種獲取鉆孔全息模型的設(shè)備與方法，通過捕捉鉆孔孔壁的二維全景圖像和孔壁表面的三維點(diǎn)云圖并進(jìn)行整合處理，得到鉆孔三維全息模型。該設(shè)備主要由窺視探頭、數(shù)據(jù)連接線、主機(jī)、配套軟件等組成，其中窺視探頭為多功能復(fù)合型，包含圖像獲取模塊、激光測(cè)距模塊、多種傳感器、置中裝置與外殼等。窺視探頭在鉆孔中行進(jìn)時(shí)，圖像獲取模塊與激光測(cè)距模塊分別獲得鉆孔孔壁圖像與孔壁表面到窺視探頭軸心的距離，結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)處理得到鉆孔二維全景圖片與三維點(diǎn)云圖，整合后得到鉆孔的全息模型。該發(fā)明改進(jìn)了傳統(tǒng)鉆孔窺視儀只能獲取窺視視頻或二維圖像的缺陷，能得到包含鉆孔裂隙深度等信息的鉆孔三維全息模型，適用于各種鉆孔探測(cè)領(lǐng)域。
【專利說明】
一種獲取鉆孔全息模型的設(shè)備與方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及鉆孔信息獲取技術(shù)方法，特別涉及一種利用攝像頭與激光測(cè)距探頭來實(shí)現(xiàn)鉆孔全息模型獲取的設(shè)備與方法，屬于鉆孔信息捕捉與處理領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]對(duì)于地球科學(xué)、地質(zhì)工程、采礦工程等學(xué)科與行業(yè)，經(jīng)常需要通過打鉆孔來獲得地質(zhì)體的內(nèi)部信息，主要方法分為鉆孔取芯與鉆孔窺視兩種。在這兩種方法中，鉆孔取芯在地質(zhì)勘探階段應(yīng)用更多，可以通過對(duì)鉆取獲得的巖芯的地質(zhì)成分、巖石力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)而推測(cè)地質(zhì)體特征，但是該方法中鉆孔巖芯的運(yùn)輸和保存是一個(gè)很大的問題;另一種方法鉆孔窺視則更加靈活，適用于各類孔徑的鉆孔，能夠以視頻或圖片的方式記錄鉆孔信息，而且只要鉆孔沒有坍塌破壞，就可以對(duì)鉆孔進(jìn)行重復(fù)窺視，但是鉆孔窺視設(shè)備僅能獲得探頭行進(jìn)過程中的視頻，或通過對(duì)視頻的處理獲得鉆孔孔壁的二維圖片?？偠灾?，目前通過鉆孔取芯和鉆孔窺視兩種方法獲得的鉆孔信息不夠完整，無法獲得鉆孔內(nèi)的裂隙深度、表面紋理等空間數(shù)據(jù)。
[0003]因此，為了能夠更好地獲取地質(zhì)體內(nèi)部信息，僅通過鉆孔取芯和普通的鉆孔窺視方法是不夠的，而是需要對(duì)鉆孔孔壁的二維全景圖片與三維點(diǎn)云圖進(jìn)行獲取，進(jìn)一步將兩者結(jié)合，最終獲得被測(cè)鉆孔的三維全息模型。通過鉆孔的三維全息模型，能夠更好地了解地質(zhì)體內(nèi)部情況，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]如上所述，為了能夠獲得鉆孔更完整的信息，本發(fā)明公開了一種獲取鉆孔全息模型的設(shè)備與方法，通過捕捉鉆孔孔壁的二維全景圖像和孔壁表面的三維點(diǎn)云圖并進(jìn)行處理，最終得到鉆孔三維全息模型。該發(fā)明改進(jìn)了傳統(tǒng)鉆孔窺視儀只能獲取窺視視頻或圖像的缺陷，能夠獲取更加完整的鉆孔信息，可應(yīng)用于各種鉆孔探測(cè)領(lǐng)域。
[0005]本發(fā)明是一種獲取鉆孔全息模型的設(shè)備與方法，其特征是:主要由窺視探頭、數(shù)據(jù)連接線、主機(jī)、配套軟件等部分組成。
[0006]如上所述，該設(shè)備的窺視探頭為多功能復(fù)合型，包含圖像獲取模塊、激光測(cè)距模塊、多種傳感器、置中裝置與外殼等。
[0007]窺視探頭的圖像獲取模塊包括補(bǔ)光燈、反光鏡、攝像頭，其中補(bǔ)光燈照亮鉆孔孔壁，反光鏡一般為半球形或圓錐形，位于攝像頭對(duì)面，將被補(bǔ)光燈照亮的孔壁圖像反射到攝像頭中，實(shí)現(xiàn)攝像頭拍攝補(bǔ)光燈照亮區(qū)域的鉆孔孔壁。
[0008]窺視探頭的激光測(cè)距模塊包含激光測(cè)距探頭、旋轉(zhuǎn)式平面反光鏡，其中旋轉(zhuǎn)式平面反光鏡所在平面與窺視探頭軸心呈45度夾角，激光測(cè)距探頭發(fā)射的激光經(jīng)過平面反光鏡反射垂直照射在孔壁上，平面反光鏡進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，反射后的激光就會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行測(cè)距。
[0009]窺視探頭包含陀螺儀、加速計(jì)、電子羅盤、重力傳感器等傳感器，，能夠感知并記錄鉆孔窺視探頭行進(jìn)過程的速度、軸心方向、旋轉(zhuǎn)角度、進(jìn)深等多種數(shù)據(jù)。
[0010]窺視探頭還包含其他必要組件，例如保護(hù)探頭內(nèi)部組件的外殼，保證探頭位于鉆孔中心的置中裝置等，其中窺視探頭的外殼在圖像獲取模塊、激光測(cè)距模塊兩處需要為透明材質(zhì)。
[0011]如上所述，該設(shè)備的主機(jī)包含處理器、存儲(chǔ)器、顯示屏、電源等組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像、測(cè)距、傳感器等數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、顯示等功能。
[0012]如上所述，該設(shè)備的配套軟件能夠結(jié)合陀螺儀、加速計(jì)等傳感器數(shù)據(jù)，將攝像頭拍攝的鉆孔圖片與激光掃描測(cè)距獲得的距離信息進(jìn)行處理與拼接，得到鉆孔孔壁的二維全景圖片與三維點(diǎn)云圖，最終合成鉆孔的三維全息模型。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為:
[0014]①本發(fā)明結(jié)合攝像頭與激光測(cè)距探頭，能夠獲得鉆孔孔壁的二維全景圖像與三維點(diǎn)云圖，得到的鉆孔信息更加完善；
[0015]②本發(fā)明結(jié)合了多種傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)感知窺視探頭在鉆孔中行進(jìn)過程的速度、軸心方向、旋轉(zhuǎn)角度、進(jìn)深等多種數(shù)據(jù)；
[0016]③本發(fā)明通過將鉆孔孔壁二維全景圖像、三維點(diǎn)云圖、多傳感器數(shù)據(jù)相結(jié)合，最終能夠得到鉆孔的三維全息模型，結(jié)合一定范圍內(nèi)的多個(gè)鉆孔全息模型能夠得到大范圍的地質(zhì)體精確賦存特征。
【附圖說明】
[0017]圖1是獲取鉆孔全息模型設(shè)備的窺視探頭結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是利用該設(shè)備與方法獲取鉆孔全息模型的技術(shù)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]本發(fā)明的窺視探頭中包含攝像頭和激光測(cè)距探頭等部件，可分別獲得窺視探頭在行進(jìn)過程中的鉆孔孔壁圖像和孔壁到窺視探頭軸心的距離;窺視探頭中還包含陀螺儀、加速計(jì)、電子羅盤、重力傳感器等多種傳感器，能夠?qū)崟r(shí)感應(yīng)并記錄窺視探頭行進(jìn)過程的速度、軸心方向、旋轉(zhuǎn)角度、進(jìn)深等多種數(shù)據(jù)。通過對(duì)這些鉆孔孔壁圖像、孔壁到探頭軸心距離、多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，最終可以得到鉆孔的三維全息模型。本發(fā)明的窺視探頭外殼還有置中裝置，能夠保證窺視探頭在使用過程中一直位于鉆孔中間，提高二維圖像與三維點(diǎn)云圖的捕捉精度。該發(fā)明改進(jìn)了傳統(tǒng)鉆孔窺視儀只能獲取窺視視頻或圖像的缺陷，能夠獲取更加完整的鉆孔信息與三維全息模型，是各類鉆孔窺視工作中的理想設(shè)備與方法。
[0020]本發(fā)明是一種獲取鉆孔全息模型的設(shè)備與方法，由三個(gè)主要部分構(gòu)成，分別是:窺視探頭、數(shù)據(jù)連接線、主機(jī)、以及配套數(shù)據(jù)處理與模型生成軟件。本發(fā)明所使用的窺視探頭為多功能復(fù)合型，包含圖像獲取模塊、激光測(cè)距模塊、多種傳感器、置中裝置與外殼等。
[0021]窺視探頭的圖像獲取模塊的功能是獲取窺視探頭行進(jìn)過程的鉆孔孔壁圖像，主要包含攝像頭、補(bǔ)光燈、球面/錐面反光鏡等部件，攝像頭和補(bǔ)光燈的方向都與窺視探頭軸向平行，且正對(duì)反光鏡。攝像頭、補(bǔ)光燈、反光鏡周圍的窺視探頭外殼材質(zhì)為透明材質(zhì)，它們的工作原理是:補(bǔ)光燈的光線打在球面或錐面反光鏡上，反光鏡將光線反射后穿過透明外殼打在鉆孔孔壁上，孔壁被照亮后反射的光線穿過透明外殼，經(jīng)過反光鏡反射后進(jìn)入了攝像頭，這樣攝像頭就能夠?qū)⑺闹艿你@孔孔壁的畫面進(jìn)行記錄。
[0022]窺視探頭的激光測(cè)距模塊的功能是獲取窺視探頭行進(jìn)過程的鉆孔孔壁與窺視探頭軸心之間距離，主要包含激光測(cè)距探頭、平面反光鏡等部件，其中激光測(cè)距探頭方向與窺視儀探頭軸向平行，而與平面反光鏡的傾向呈45度夾角，反光鏡可以軸心為中心快速旋轉(zhuǎn)，且周圍的外殼材質(zhì)為透明，這樣能夠保證激光測(cè)距探頭射出的激光經(jīng)反光鏡反射后垂直打在鉆孔孔壁上。其工作原理是:激光測(cè)距探頭射出的激光經(jīng)過平面反光鏡反射后，垂直打在鉆孔孔壁上，這是就知道了這個(gè)點(diǎn)距離激光測(cè)距探頭的距離，隨著反光鏡的快速旋轉(zhuǎn)，測(cè)距激光也會(huì)對(duì)整個(gè)鉆孔孔壁平面進(jìn)行掃描，進(jìn)而獲得該平面上所有點(diǎn)與激光測(cè)距探頭之間的距離;進(jìn)一步隨著窺視探頭的行進(jìn)，激光測(cè)距探頭就能夠獲得經(jīng)過的鉆孔孔壁所有點(diǎn)與激光測(cè)距探頭之間的距離。
[0023]窺視探頭還內(nèi)置有許多類型的傳感器，例如陀螺儀、加速計(jì)、電子羅盤、重力傳感器等，能夠在窺視探頭行進(jìn)過程的速度、軸心方向、旋轉(zhuǎn)角度、進(jìn)深等多種數(shù)據(jù)進(jìn)行捕捉與記錄。
[0024]同時(shí)，鉆孔窺視探頭還需要配備置中裝置等其他附件，以實(shí)現(xiàn)窺視探頭的正常使用。置中裝置是能夠?qū)⒏Q視探頭固定在鉆孔中心的裝置，一般是機(jī)械式構(gòu)件，通過滾輪、彈簧片等不同形式實(shí)現(xiàn)窺視探頭的置中功能。
[0025]本發(fā)明的窺視探頭與主機(jī)之間是通過數(shù)據(jù)線連接的，主機(jī)包含的部件有處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)器、顯示器、電源等，還包括配套軟件。
[0026]利用主機(jī)與處理軟件，可以將攝像頭捕捉的鉆孔孔壁畫面、激光測(cè)距探頭捕捉的到鉆孔孔壁距離信息、與傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而得到鉆孔孔壁的二維全景圖片以及三維點(diǎn)云圖，再將全景圖片與點(diǎn)云圖進(jìn)行結(jié)合，最終得到鉆孔的三維全息模型。
[0027]為了更加清晰地描述該發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，結(jié)合示意圖對(duì)其進(jìn)行描述。
[0028]圖1展示了本發(fā)明一種獲取鉆孔全息模型的設(shè)備與方法中所用的窺視探頭的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括:窺視探頭外殼U、多種傳感器12、激光測(cè)距探頭13、旋轉(zhuǎn)式平面反光鏡14、攝像頭15、補(bǔ)光燈16、球面/錐面反光鏡17、數(shù)據(jù)連接線18等。其中:窺視探頭外殼11需要滿足高強(qiáng)度、防水、防塵等要求，能夠保護(hù)好內(nèi)部的各種精密組件，另外在激光測(cè)距、攝像頭捕捉畫面處的外殼材質(zhì)需要是透明的；多種傳感器12包括但不限于陀螺儀、加速機(jī)、電子羅盤、重力傳感器等類型，這些傳感器的主要作用是實(shí)時(shí)記錄鉆孔窺視過程中，窺視探頭的速度、軸心方向、旋轉(zhuǎn)角度、進(jìn)深等多種數(shù)據(jù)，配合攝像頭拍攝與激光測(cè)距結(jié)果進(jìn)一步分析;激光測(cè)距探頭13與旋轉(zhuǎn)式平面反光鏡14共同組成了激光測(cè)距模塊，其中13發(fā)出的激光垂直射向14，經(jīng)14反射后垂直射向鉆孔孔壁，經(jīng)孔壁反射后再經(jīng)過14反射，回到13，這樣就測(cè)得了激光從射出到鉆孔孔壁的距離，減去13到14的距離，就是窺視探頭中心到鉆孔孔壁的實(shí)際距離;攝像頭15、補(bǔ)光燈16、球面/錐面反光鏡17共同組成了圖像獲取模塊，首先從16射出光線，經(jīng)過17的反射，照射在四周的鉆孔孔壁上，孔壁反射后的光線有一部分經(jīng)17反射后被15捕捉到，這樣攝像頭15就拍攝到了其周圍鉆孔孔壁的畫面;多種傳感器12、激光測(cè)距模塊13和14、圖像獲取模塊15、16和17得到的多組數(shù)據(jù)都是經(jīng)過數(shù)據(jù)連接線18傳遞至設(shè)備主機(jī)，進(jìn)行后續(xù)處理的。
[0029]圖2展示了利用本發(fā)明獲取鉆孔全息模型的技術(shù)流程。其中:
[0030]步驟S21，將鉆孔窺視探頭放置在待測(cè)鉆孔中并啟動(dòng)設(shè)備，窺視探頭行進(jìn)方向可分為內(nèi)進(jìn)式和外出式，若使用內(nèi)進(jìn)式則將窺視探頭放置在鉆孔邊緣，工作時(shí)將窺視探頭往鉆孔深部送，而外出式則需要提前將窺視探頭送入待測(cè)鉆孔的最深部，工作時(shí)將窺視探頭往鉆孔外部拉，兩種方式得到的窺視效果是相同的。
[0031]步驟S22，利用手動(dòng)或自動(dòng)的方式使鉆孔窺視探頭在鉆孔中行進(jìn)，過程中圖像獲取模塊、激光測(cè)距模塊、多種傳感器等同時(shí)工作，分別得到窺視探頭經(jīng)過區(qū)域的鉆孔孔壁圖像(以視頻方式存儲(chǔ))、窺視探頭經(jīng)過區(qū)域的鉆孔孔壁表面(凹凸紋理、裂隙等)到窺視探頭軸心的距離、窺視探頭的工作狀態(tài)(包括速度、軸心方向、旋轉(zhuǎn)角度、進(jìn)深等多種數(shù)據(jù))。這些數(shù)據(jù)是原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)連接線傳送至設(shè)備的主機(jī)進(jìn)行下一步的處理。
[0032]步驟S23，分別將鉆孔孔壁圖像數(shù)據(jù)、鉆孔孔壁到窺視探頭中心的距離數(shù)據(jù)，與鉆孔窺視探頭的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，經(jīng)軟件處理后得到鉆孔孔壁二維全景圖片與鉆孔孔壁三維云點(diǎn)圖:
[0033]二維全景圖片:將鉆孔窺視視頻進(jìn)行截圖，然后將截圖進(jìn)行極坐標(biāo)到直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，再結(jié)合窺視探頭對(duì)應(yīng)時(shí)間的工作狀態(tài)對(duì)每張截圖進(jìn)行裁剪，最后將所有裁剪后的截圖進(jìn)行按順序?qū)泳偷玫搅算@孔孔壁的二維全景圖片；
[0034]三維云點(diǎn)圖:將激光測(cè)距模塊得到的任意時(shí)間點(diǎn)的測(cè)距結(jié)果與該時(shí)間鉆孔窺視探頭的工作狀態(tài)相結(jié)合，將該時(shí)刻每一個(gè)測(cè)距結(jié)果為半徑圍繞著中心點(diǎn)進(jìn)行排列，得到該時(shí)刻鉆孔孔壁一個(gè)截面的點(diǎn)云圖，接著對(duì)下一時(shí)刻進(jìn)行相同處理，最后將得到的每個(gè)鉆孔截面的點(diǎn)云圖按照順序排列，就得到了整個(gè)鉆孔孔壁的三維點(diǎn)云圖。
[0035]步驟S24，將得到的三維點(diǎn)云圖進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格圖，就得到了鉆孔孔壁的三維網(wǎng)格化模型，然后將二維全景圖片按照位置對(duì)應(yīng)關(guān)系作為網(wǎng)格模型的貼圖，最終就得到了鉆孔的三維全息模型。
[0036]通過該設(shè)備與方法得到的三維全息模型，不僅包括鉆孔孔壁的圖片，還包括孔壁的表面紋理、裂隙深度等空間信息，因此使用者能夠獲得更加全面、精確的鉆孔信息，進(jìn)而得到更加準(zhǔn)確的地質(zhì)體特征。
[0037]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本方法的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的方法范圍內(nèi)，可輕易想到的改動(dòng)或變化，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種獲取鉆孔全息模型的設(shè)備與方法，其特征是:主要由窺視探頭、數(shù)據(jù)連接線、主機(jī)、配套軟件等部分組成。2.如權(quán)利要求1所述的獲取鉆孔全息模型的設(shè)備與方法，其特征在于:該設(shè)備的窺視探頭為多功能復(fù)合型，包含圖像獲取模塊、激光測(cè)距模塊、多種傳感器、置中裝置與外殼等。3.如權(quán)利要求1、2所述的獲取鉆孔全息模型的設(shè)備與方法，其特征在于:窺視探頭的圖像獲取模塊包括補(bǔ)光燈、反光鏡、攝像頭，其中補(bǔ)光燈照亮鉆孔孔壁，反光鏡一般為半球形或圓錐形，位于攝像頭對(duì)面，將被補(bǔ)光燈照亮的孔壁圖像反射到攝像頭中，實(shí)現(xiàn)攝像頭拍攝補(bǔ)光燈照亮區(qū)域的鉆孔孔壁。4.如權(quán)利要求1、2所述的獲取鉆孔全息模型的設(shè)備與方法，其特征在于:窺視探頭的激光測(cè)距模塊包含激光測(cè)距探頭、旋轉(zhuǎn)式平面反光鏡，其中旋轉(zhuǎn)式平面反光鏡所在平面與窺視探頭軸心呈45度夾角，激光測(cè)距探頭發(fā)射的激光經(jīng)過平面反光鏡反射垂直照射在孔壁上，平面反光鏡進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，反射后的激光就會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行測(cè)距。5.如權(quán)利要求1、2所述的獲取鉆孔全息模型的設(shè)備與方法，其特征在于:窺視探頭包含陀螺儀、加速計(jì)、電子羅盤、重力傳感器等傳感器，能夠感知并記錄鉆孔窺視探頭行進(jìn)過程的速度、軸心方向、旋轉(zhuǎn)角度、進(jìn)深等多種數(shù)據(jù)。6.如權(quán)利要求1、2所述的獲取鉆孔全息模型的設(shè)備與方法，其特征在于:窺視探頭還包含其他必要組件，例如保護(hù)探頭內(nèi)部組件的外殼，保證探頭位于鉆孔中心的置中裝置等，其中窺視探頭的外殼在圖像獲取模塊、激光測(cè)距模塊兩處需要為透明材質(zhì)。7.如權(quán)利要求1所述的獲取鉆孔全息模型的設(shè)備與方法，其特征在于:該設(shè)備的主機(jī)包含處理器、存儲(chǔ)器、顯示屏、電源等組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像、測(cè)距、傳感器等數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、顯$.? 會(huì) K。8.如權(quán)利要求1所述的獲取鉆孔全息模型的設(shè)備與方法，其特征在于:該設(shè)備的配套軟件能夠結(jié)合陀螺儀、加速計(jì)等傳感器數(shù)據(jù)，將攝像頭拍攝的鉆孔圖片與激光掃描測(cè)距獲得的距離信息進(jìn)行處理與拼接，得到鉆孔孔壁的二維全景圖片與三維點(diǎn)云圖，最終合成鉆孔的三維全息模型。
【文檔編號(hào)】E21B47/00GK105971583SQ201610478914
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年6月27日
【發(fā)明人】聶百勝, 張輝, 何學(xué)秋, 李祥春, 柳先鋒
【申請(qǐng)人】中國礦業(yè)大學(xué)(北京)