阅读说明：本技术 一种基于无人机的溶洞内部结构探测方法和装置 (Unmanned aerial vehicle-based karst cave internal structure detection method and device ) 是由 周苏华 陈昌富 谭鑫 刘晓明 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于无人机的溶洞内部结构探测方法和装置。本发明的目的是在于提供一种结构简单、成本低廉并且容易操作的探测方法和装置。本发明的探测方法包括利用无人机作为载体对溶洞内部的各个复杂区域中的每一深度进行检测,获得洞壁集合点坐标,进而得到溶洞内部结构的三维图。此外,还提供了利用基于该探测方法的溶洞内部结构探测装置。(The invention discloses a karst cave internal structure detection method and device based on an unmanned aerial vehicle. The invention aims to provide a detection method and a detection device which are simple in structure, low in cost and easy to operate. The detection method comprises the steps of detecting each depth in each complex area in the karst cave by using the unmanned aerial vehicle as a carrier to obtain the coordinates of the set point of the cave wall, and further obtaining a three-dimensional map of the internal structure of the karst cave. In addition, a karst cave internal structure detection device based on the detection method is also provided.)

一种基于无人机的溶洞内部结构探测方法和装置

技术领域

本发明涉及溶洞内部结构探测领域，具体涉及一种基于无人机的溶洞内部结构探测方法和装置。

背景技术

在隧道开挖过程中，溶岩是一种常见的地质区域。溶岩为石灰岩、白云岩、石膏、岩盐等可溶性岩层常年受水流侵蚀作用，逐渐溶蚀形成的溶槽、溶沟或溶洞，其分布无规律可循。隧道开挖过程中，依据溶洞相对于隧道既定路线的相对位置通常分为四种情况，即溶洞分别位于拱顶、拱腰、边墙及拱底，但有时在隧道开挖到一定位置，在其正前方位置可能突然出现未探测到的溶洞，对于此类溶洞的处理方案，我们必须事先了解其内部结构及大小，若在溶洞情况不明时盲目地处理，可能对隧道后续的开挖施工建设造成不可预计的影响。因此，充分了解隧道开挖所处地区溶洞的发育情况、基本形态、规模体积大小、完整性、洞内充填物性状等至关重要，这不仅帮助专业技术人员评价岩溶地区地质的稳定性，而且还可以在施工过程中及时采取积极地防治措施，保证施工顺利进行、隧道运营安全。

现阶段通常使用的溶洞探测方法包括超前钻探、地球物理钻探、电磁波层析CT探测、三高测量技术等，这些溶洞探测技术大多以地表为基点，依赖于垂直钻孔技术对地表下方的溶洞进行探测，以致于存在诸多缺陷：一方面，这种类型的技术只能探测到部分的溶洞，另一方面，这些技术大多只能判断出溶洞的存在与否并不能确定溶洞的内部结构及大小。尤其对于隧道开挖过程中前方开挖面突然出现的溶洞，受空间的约束，普通的测量技术以及其他依赖于人工的探测技术无法在溶洞中使用，上述提到的探测手段也更加束手无策。

中国专利文献CN201610361295.4提出了一种用于勘探溶洞内部结构的探测方法，虽然可以一定程度上探测溶洞的内部结构，但仍然是以地表为基点，通过钻孔进行下放仪器探测，探测器在下放过程中只能保持在一条竖直线上，当溶洞内部比较复杂(如出现弯道时)无法进行完整溶洞探测，并且，其探测器本身的内部结构极为复杂；中国专利文献CN201711406069.4又提出了一种基于无人机的岩溶区地址缺陷体检测方法，采用无人机的技术虽然较为新颖，但是其采用了数字影响识别技术，其最终三维建模所需费用昂贵，造价成本高，不适合常规使用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明技术方案提供了一种基于无人机的溶洞内部结构探测方法和装置。所述技术方案如下：

第一方面，提供一种基于无人机的溶洞内部结构探测方法，包括以下步骤：

步骤一，将无人机从隧道开挖方投放进溶洞内部第一区域，调整无人机初始状态时的正方向，保持无人机中心位置不变，并设定该中心位置为坐标初始位置原点，利用无人机本身的定位功能获得所述原点位于溶洞内的深度H_m；

步骤二，控制无人机在初始位置处顺时针或逆时针旋转至固定转角θ_m，其中θ_m取值为[0，360°]，在转角θ_m处测量溶洞壁与所述原点位置间的水平距离L_m，则由溶洞深度H_m、转角θ_m、洞壁与所述原点位置间水平距离L_m组成的集合点为(L_m，θ_m，H_m)，其中，在同一溶洞深度H_m和同一转角θ_m下，对若干个溶洞壁与原点位置间水平距离筛选后取平均值获得筛选后同一溶洞深度H_m和同一转角θ_m下唯一集合点并且，在同一深度位置对若干点进行探测时，还涉及无人机三维坐标系的转换，对于三维坐标系的转换，利用变换矩阵K以及J来进行，其中：

产生几何变换；

J＝[M₄₁ M₄₂ M₄₃]产生平移变换；

设原三维坐标为P₁＝[X₁ Y₁ Z₁]^T，变换后的坐标为P₂＝[X₂ Y₂ Z₂]^T，则P₂＝KP₁+J；

步骤三，通过上述经筛选后的唯一集合点可得对应唯一溶洞壁集合点坐标通过步骤二中坐标系的转换之后，将所有三维集合点汇聚到同一坐标系之下，将同一深度处的所有三维集合点进行相连，即得同一深度处的溶洞第一区域内部结构平面图，进而将每一深度处的结构平面图结合生成溶洞第一区域内部结构的三维图。

进一步的，还包括步骤四，控制无人机进入溶洞内部第二区域，并设定其位于与第一区域相同设定深度H_m，相比于初始坐标，需要改变无人机平面坐标，设定改变后与改变前X轴向相差m，Y轴向相差n，重复步骤二和三，同时获得在该位置处唯一溶洞壁集合点坐标将该位置处同一深度处的所有三维集合点进行相连，即得同一深度处的溶洞第二区域内部结构平面图，进而将每一深度处的结构平面图结合生成溶洞第二区域内部结构的三维图。

进一步的，所述无人机设置有前置摄像头，所述摄像头用于选定同一深度的若干测点位置，所述摄像头用于接收所述第一区域与第二区域连接处的图像，用于判定无人机是否能够从第一区域进入第二区域。

进一步的，所述溶洞的第二区域是指在所述第一区域前方出现弯道时进入的区域。

进一步的，在初始状态时，调整无人机的正方向与磁北方向相一致。

第二方面，在前述第一方面的基础上，提供一种基于无人机的溶洞内部结构探测装置，所述装置包括无人机，所述无人机上安装有测距装置，所述测距装置用于测量溶洞洞壁与无人机中心位置之间的水平距离；所述无人机上还安装有转角测量装置，用于测量无人机的转动角度；还设置有无人机控制面板，所述控制面板通过无人机内部的控制器控制无人机在溶洞内部的工作。

进一步的，所述测距装置和转角测量装置的数据信息集成至无人机内部，所述数据信息可通过控制面板直接显示。

进一步的，利用采集到数据信息可实时利用建模装置生成溶洞三维结构图，为接下来的测点位置提供参考。

进一步的，不同深度的三维集合点应采用三角形网格相连，使模型贴近溶洞实际内部表面。

进一步的，所述测距装置是激光测距装置。

与现有技术相比，本发明的技术方案至少具有以下有益效果：

(1)相比于传统的检测方法和装置，降低了整个探测成本，并且探测更为准确、可靠；

(2)改装无人机的相关结构，利用无人机本申请的特点，可以探测溶洞内部可能出现的复杂地理环境；

(3)可直接通过隧道开挖面溶洞开口处投放探测无人机，不依赖于垂直钻孔技术对地表下方溶洞的探测，尤其对于隧道穿越山岭地区，无法采取通过山岭顶部钻孔下放探测器进行探测的情况；

(4)可以探测隧道前方未知溶洞的内部结构及估算溶洞体积大小，尤其解决了现有方法只能探测溶洞部分结构的弊端。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的坐标转换示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一个实施例提供了一种基于无人机的溶洞内部结构探测方法，将无人机从隧道开挖方投放进溶洞内部当前暂发现的第一区域，调整无人机初始状态时的正方向，保持无人机中心位置不变，并设定该中心位置为坐标初始位置原点，如图1(a)中X/Y/Z三轴原点处，利用无人机本身的定位功能获得所述原点位于溶洞内的深度H_m；此时，控制无人机在初始位置处顺时针或逆时针旋转至固定转角θ_m，其中θ_m取值为[0，360°]，优选的，θ_m取值为30°，在转角θ_m处测量溶洞壁与所述原点位置间的水平距离L_m，累计为12个值，则由溶洞深度H_m、转角θ_m、洞壁与所述原点位置间水平距离L_m组成的集合点为(L_m，θ_m，H_m)，其中，在同一溶洞深度H_m和同一转角θ_m下，筛选掉一些明显不能作为测量依据的值后，对若干个溶洞壁与原点位置间水平距离取平均值获得筛选后同一溶洞深度H_m和同一转角θ_m下唯一集合点并且，在同一深度位置对若干点进行探测时，还涉及无人机三维坐标系的转换，对于三维坐标系的转换，利用变换矩阵K以及J来进行，其中：

产生几何变换；

J＝[M₄₁ M₄₂ M₄₃]产生平移变换；

设原三维坐标为P₁＝[X₁ Y₁ Z₁]^T，变换后的坐标为P₂＝[X₂ Y₂ Z₂]^T，则P₂＝KP₁+J；

通过上述经筛选后的唯一集合点可得对应唯一溶洞壁集合点坐标通过步骤二中坐标系的转换之后，将所有三维集合点汇聚到同一坐标系之下，将同一深度处的所有三维集合点进行相连，即得同一深度处的溶洞第一区域内部结构平面图，进而将每一深度处的结构平面图结合生成溶洞第一区域内部结构的三维图。

当通过无人机前方摄像头观察，发现在溶洞内部前方出现弯道等结构时，先评估通过前置摄像头接收弯道区域宽度，判定无人机是否可进入，如可以进入，控制无人机进入溶洞内部第二区域，并设定其位于与第一区域相同设定深度H_m，如图1(a)和图1(b)所示，相比于初始坐标，需要改变无人机平面坐标，设定改变后与改变前X轴向相差m，Y轴向相差n，重复步骤二和三，同时获得在该位置处唯一溶洞壁集合点坐标将该位置处同一深度处的所有三维集合点进行相连，即得同一深度处的溶洞第二区域内部结构平面图，进而将每一深度处的结构平面图结合生成溶洞第二区域内部结构的三维图。

优选的，所述溶洞的第二区域是指在所述第一区域前方出现弯道时进入的区域。

优选的，在初始状态时，调整无人机的正方向与磁北方向相一致。

本发明另一实施例还提供了一种基于无人机的溶洞内部结构探测装置，所述装置包括无人机，所述无人机上安装有测距装置，所述测距装置用于测量溶洞洞壁与无人机中心位置之间的水平距离；所述无人机上还安装有转角测量装置，用于测量无人机的转动角度；还设置有无人机控制面板，所述控制面板通过无人机内部的控制器控制无人机在溶洞内部的工作。

优选的，所述测距装置和转角测量装置的数据信息集成至无人机内部，所述数据信息可通过控制面板直接显示。

需要说明的是：上述各个实施例提供的基于无人机的溶洞内部结构探测的工作过程时，仅以上述各个部件的工作方式的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述各个实施方式进行合理组合或独立完成，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。