1.本发明涉及隧道工程、地质工程领域，具体涉及一种探查城市地下溶洞空间的探测装置及探测方法。
背景技术：
2.近年来，随着我国社会经济和城市交通的快速发展，地铁建设已成为解决城市交通问题的重要手段；与此同时，很多地区分布着岩溶地层。在这些岩溶地层中修建城市轨道交通，不可避免地需要探查岩溶溶洞的空间属性(位置和大小)。常规方法采用物探技术初步探明岩溶溶洞大致轮廓，再在轮廓区域内使用钻孔探测方法，探查溶洞大小和位置。这些方法工艺虽然成熟，但是精准度不高，且浪费人力和财力；而且后续工程建设还要不断探查和补充岩溶溶洞空间属性。无法达到工期要求和精度要求，而且作业人员的安全得不到保障，已经不能满足当前对溶洞探测的需求。
技术实现要素：
3.本发明针对上述不足，提供了一种探查城市地下溶洞空间的探测装置及探测方法，本方案借助钻孔探测的探测孔，查明岩溶溶洞空间属性，利用三维激光，提高溶洞探测的精确性；该装置可以沿着溶洞底部行进，探查溶洞底部实际工况。
4.本发明的技术方案为：一种探查城市地下溶洞空间的探测装置，包括数据存储与处理系统，探测机构，数据存储与处理系统包括计算机、与计算机连接的数据采集仪，探测机构包括外壳护筒、行走滚轮、用于测量溶洞空间属性的三维激光探测仪、用于采集溶洞图像的数字摄像装置，在外壳护筒上下均设置有行走滚轮，外壳护筒内设置有驱动行走滚轮的电动马达，三维激光探测仪和数字摄像装置固定在外壳护筒上，所述三维激光探测仪和数字摄像装置通过数据传输线与数据采集仪连接。探测机构通过探测孔进入溶洞内采集数据，探测机构采集的数据、图像、视频通过数据传输线发送到数据采集仪中，然后传入计算机中，计算机进行数据分析，确定溶洞的空间属性。
5.外壳护筒包括多节护筒，每一节护筒上下各有一个行走滚轮；每节护筒均为圆形，第一节护筒的尾巴嵌套在第二节护筒头部的外侧。采用多节，这样前后护筒可以转动，适应溶洞中不同的形状的内壁。
6.在第二、三节护筒内装有电动马达，电动马达用于驱动第二、三节护筒上下行走滚轮转动；通过数据传输线给电动马达输送电源；在第二、三节护筒外的行走滚轮旋转带动下，其它节护筒外的行走滚轮转动前行，实现探测机构的运动。
7.外壳护筒的第一节护筒半径为0.05m，第二节护筒半径为0.049m，第三节护筒半径为0.048m，第四节护筒半径为0.047m，第五节护筒半径为0.046m，第六节护筒半径为0.045m，护筒的长度为0.10m；行走滚轮半径为0.015m。当遇到溶洞底部起伏路况时，探测机构在多节外壳护筒相互嵌套作用下可以实现起伏路况行进。
8.数字摄像装置为两个，分别设置在多节护筒的两侧，两个数字摄像装置中一个用
于拍摄外壳护筒前端，另一个用于拍摄外壳护筒后端。两个数字摄像装置分别采集探测机构的前侧和后侧；视频或图像可以通过数据传输线进行实时传输。
9.在第一节护筒的前部设置三维激光探测仪，且三维激光探测仪的激光器在第一节护筒的中轴线上。三维激光探测仪是以激光器作为光源进行测距，是利用激光对目标进行准确测定的仪器。测距仪发射出的激光经过被测物体的表面反射后被测距仪接收，测距仪记录发射与接收的时间的时间差，根据光速c与时间乘积的二分之一，测得被测距离。激光器可以实现多角度旋转。
10.一种利用上述的探测装置进行溶洞探测的探测方法，包括如下步骤，步骤1、将探测机构下放到溶洞顶部，探测机构状态稳定后，调整三维激光探测仪的激光器，使激光器垂直向下，测量溶洞高度；步骤2、将探测机构下放0.50m，探测机构状态稳定后，调整三维激光探测仪的激光器，使激光器垂直悬吊，且激光器在探测机构第一节护筒的轴线方向，旋转激光器测量此位置溶洞的跨度；步骤3、将探测机构再下放0.50m，探测机构状态稳定后，调整三维激光探测仪的激光器，使激光器垂直悬吊，且激光器在探测机构第一节护筒的轴线方向，旋转激光器测量此位置溶洞的跨度；步骤4、重复步骤3进行不同位置溶洞的跨度量测，直至探测机构到达溶洞底部；步骤5，启动探测机构的行走滚轮，使探测机构沿着溶洞底部起伏路况行进，通过数字摄像装置实时采集探测机构前后溶洞图像或视频，调整三维激光探测仪的激光器，测量探测机构不同位置时溶洞跨度；步骤6，三维激光探测仪、数字摄像装置所采集的跨度数据与图像、视频，通过数据传输线传输到数据采集仪然后传输到计算机，计算机的反演分析，绘制出溶洞三维空间示意图，并与视频图像进行对比验证；在步骤1中，探测机构通过探测孔进入溶洞， 确定进入溶洞过程中，三维激光探测仪的激光器测量下降过程中的空间跨度，如果空间跨度大于设定的阈值，则代表探测机构进入溶洞。
11.在测量溶洞跨度时，水平旋转激光器在相交角度为90
°
的四个水平方向分别测量溶洞在此位置的宽度，以此计算此位置溶洞的跨度。
12.探测机构状态稳定是指探测机构的多节护筒轴线重合，且探测机构处于垂直状态。
13.通过上述描述可以看出，本方案用于溶洞内部精确探测时，首先将探测机构通过数据传输线与数据存储与处理系统相连，而探测机构顺着探测孔下放到溶洞顶部。其次，探查试验装置的三维激光探测仪和数字摄像装置可以开展溶洞空间属性量测和图像采集。如果需要溶洞洞底或侧壁的详细探查，可以将探查试验装置下放到溶洞底部；探查试验装置的每一节外壳护筒可以重叠咬合成曲线，在其行走滚轮作用下沿着溶洞底部行进，采集溶洞底部或者侧壁的相关数据。最后，所采集的数据通过数据传输线实时传输到数据采集仪，通过相关数据分析程序进行数据反演，绘制溶洞的具体位置、大小，为工程设计提供重要的准确数据。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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种具体实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本发明专利的工作示意图。
16.图2为探测机构的结构示意图。
17.图3为探测机构的俯视图。
18.图4为探测机构的使用状态图。
19.图5为激光器示意图。
20.图中1为计算机、2为数据采集仪、3为数据传输线、4为探测孔、5为岩溶溶洞、6为探查试验装置、7为行走滚轮、8为外壳护筒、9为三维激光探测仪、10为数字摄像装置、11为激光器。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
22.通过附图可以看出本方案的，在本具体实施方式中的探查城市地下溶洞空间的探测装置，包括数据存储与处理系统，探测机构，数据存储与处理系统包括计算机1、与计算机1连接的数据采集仪2，探测机构包括外壳护筒8、行走滚轮7、用于测量溶洞空间属性的三维激光探测仪9、用于采集溶洞图像的数字摄像装置10，在外壳护筒8上下均设置有行走滚轮7，外壳护筒8内设置有驱动行走滚轮7的电动马达，三维激光探测仪9和数字摄像装置10固定在外壳护筒8上，所述三维激光探测仪和数字摄像装置通过数据传输线与数据采集仪连接。
23.外壳护筒8包括多节护筒，每一节护筒上下各有一个行走滚轮；每节护筒均为圆形，第一节护筒的尾巴嵌套在第二节护筒头部的外侧。在第二、三节护筒内装有电动马达，电动马达用于驱动第二、三节护筒上下行走滚轮转动；通过数据传输线给电动马达输送电源；在第二、三节护筒外的行走滚轮旋转带动下，其它节护筒外的行走滚轮转动前行，实现探测机构的运动。外壳护筒的第一节护筒半径为0.05m，第二节护筒半径为0.049m，第三节护筒半径为0.048m，第四节护筒半径为0.047m，第五节护筒半径为0.046m，第六节护筒半径为0.045m，护筒的长度为0.10m；行走滚轮半径为0.015m。
24.所述的数字摄像装置10为两个，分别设置在多节护筒的两侧，两个数字摄像装置中一个用于拍摄外壳护筒前端，另一个用于拍摄外壳护筒后端。在第一节护筒的前部设置三维激光探测仪9，且三维激光探测仪9的激光器11在第一节护筒的中轴线上。
25.利用上述的探测装置进行溶洞探测的探测方法，包括如下步骤，步骤1、将探测机构下放到溶洞顶部，探测机构状态稳定后，调整三维激光探测仪的激光器，使激光器垂直向下，测量溶洞高度；步骤2、将探测机构下放0.50m，探测机构状态稳定后，调整三维激光探测仪的激光
器，使激光器垂直悬吊，且激光器在探测机构第一节护筒的轴线方向，旋转激光器测量此位置溶洞的跨度；步骤3、将探测机构再下放0.50m，探测机构状态稳定后，调整三维激光探测仪的激光器，使激光器垂直悬吊，且激光器在探测机构第一节护筒的轴线方向，旋转激光器测量此位置溶洞的跨度；步骤4、重复步骤3进行不同位置溶洞的跨度量测，直至探测机构到达溶洞底部；步骤5，启动探测机构的行走滚轮，使探测机构沿着溶洞底部起伏路况行进，通过数字摄像装置实时采集探测机构前后溶洞图像或视频，调整三维激光探测仪的激光器，测量探测机构不同位置时溶洞跨度；步骤6，三维激光探测仪、数字摄像装置所采集的跨度数据与图像、视频，通过数据传输线传输到数据采集仪然后传输到计算机，计算机的反演分析，绘制出溶洞三维空间示意图，并与视频图像进行对比验证；在步骤1中，探测机构通过探测孔进入溶洞， 确定进入溶洞过程中，三维激光探测仪的激光器测量下降过程中的空间跨度，如果空间跨度大于设定的阈值，则代表探测机构进入溶洞。
26.在测量溶洞跨度时，水平旋转激光器在相交角度为90
°
的四个水平方向分别测量溶洞在此位置的宽度，以此计算此位置溶洞的跨度。探测机构状态稳定是指探测机构的多节护筒轴线重合，且探测机构处于垂直状态。
27.本方案的装置不仅构造简单、安装方便，而且可以通过三维激光探测仪和数字摄像装置的探测和视频采集功能，另外该装置可以沿着溶洞底部行进，探查溶洞底部实际工况。实现了对溶洞内部情况的详细精确测量，实现了目标体精准三维建模，实现了探测结果从常规定性解释到精准定量质的突破。提高了测量结果的精度，同时极大的提高了探测效率。整体来说该用于溶洞精确测量装置构造使用简单、可稳定进行溶洞探测作业，并在一定程度上保障了探测人员的安全。
28.以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。