工程機(jī)械激光測量技術(shù)應(yīng)用研究

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摘要：近年來，機(jī)器視覺、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與測繪學(xué)等學(xué)科的發(fā)展推動(dòng)了激光測量技術(shù)的研究與應(yīng)用。隨著智能科技的不斷進(jìn)步以及人們生活方式的改變，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量方式已經(jīng)不能滿足日常生活和工業(yè)生產(chǎn)的需求。而激光測量技術(shù)作為一種從激光測距技術(shù)發(fā)展而來的測量方式，有著工作效率高、探測距離遠(yuǎn)、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，在各行各業(yè)尤其是工程機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。本文對激光測量技術(shù)進(jìn)行了概述，分析了激光測量技術(shù)在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用及不足，僅供參考。

關(guān)鍵詞：激光測量技術(shù)；工程機(jī)械；應(yīng)用

1激光測量技術(shù)概述

近年來，隨著人們對計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與逆向工程技術(shù)研究的不斷深入，基于激光測量技術(shù)的測繪方法和三維重建方法已經(jīng)成為了各個(gè)行業(yè)學(xué)者研究的一大熱點(diǎn)問題。激光測量技術(shù)是從激光測距技術(shù)發(fā)展而來的一種測量手段，后者是利用激光束對被測目標(biāo)與激光測距儀本身的距離進(jìn)行精確測量的技術(shù)，一般有脈沖測距法和相位測距法兩種方式，是一種單一的點(diǎn)對點(diǎn)的測量方式。而激光測量技術(shù)的工作核心是激光雷達(dá)，其工作原理是內(nèi)部的激光發(fā)射模塊連續(xù)不停地發(fā)射激光脈沖，由旋轉(zhuǎn)的光學(xué)機(jī)構(gòu)將激光脈沖按一定角度間隔發(fā)射至掃描角度的各個(gè)方向，再經(jīng)過物體表面反射到接收模塊，完成一次數(shù)據(jù)測量。因此激光雷達(dá)能夠連續(xù)地完成對多點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集同時(shí)實(shí)現(xiàn)對三維空間信息的獲取，是一種新型的快速測量手段。激光雷達(dá)的分類方式有很多種，根據(jù)線數(shù)的多少，激光雷達(dá)可以分成單線激光雷達(dá)和多線激光雷達(dá)。前者一般用于室內(nèi)導(dǎo)航建圖，如掃地機(jī)器人等，后者有16線、32線甚至64線的雷達(dá)可供選擇；根據(jù)搭載方式的不同，激光雷達(dá)可以分為機(jī)載激光雷達(dá)、星載激光雷達(dá)和地面激光雷達(dá)。前兩者通常與GPS定位系統(tǒng)或GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，可以快速且直接地獲取大范圍區(qū)域的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，極大地提高了測繪效率。地面激光雷達(dá)能夠?qū)χ車h(huán)境或物體進(jìn)行測量，獲取高精度的三維信息數(shù)據(jù)；按照測量方式的不同，激光雷達(dá)還可以分成飛行時(shí)間測量激光雷達(dá)（TimeofFlight，簡稱TOF）和三角測距激光雷達(dá)。前者通過測量激光脈沖從發(fā)射到接收所消耗的時(shí)間間接測得距離值，后者的接收模塊是線性電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，簡稱CCD），在三角公式的基礎(chǔ)上，根據(jù)光學(xué)反射路徑計(jì)算CCD上不同位置的距離，進(jìn)而推導(dǎo)出實(shí)際距離值。在機(jī)器視覺、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、地理學(xué)、測繪學(xué)、機(jī)器人學(xué)等學(xué)科技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，激光測量技術(shù)在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，成為了逆向工程、無人駕駛、數(shù)字城市建設(shè)、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)防、數(shù)字考古等領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

2激光測量技術(shù)的具體應(yīng)用

2.1隧道測量

隧道下的土層長久地受到載荷作用，容易產(chǎn)生不均勻沉降和局部變形。為了能夠精確地獲得隧道的變形量，通常是利用監(jiān)測元件通過人工布點(diǎn)的方式建立監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)而完成測量，整個(gè)工作過程十分繁瑣。為了提高測量效率，可以采用車載激光雷達(dá)對隧道斷面進(jìn)行連續(xù)掃描，建立整個(gè)隧道的三維立體模型，再對比分析實(shí)際數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的誤差，從而獲得隧道的形變信息。激光測量技術(shù)不僅能夠精確監(jiān)控隧道變形，對災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，而且降低了工人們進(jìn)行施工和勘察的難度，提高了測量的便利性和可靠性[1]。

2.2地形測量

地形和環(huán)境測繪是地圖導(dǎo)航和路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)，也是無人作業(yè)工程機(jī)械完成智能化蛻變的亟待解決的關(guān)鍵問題之一，而激光SLAM技術(shù)很好地完成了這個(gè)任務(wù)。目前已經(jīng)有許多企業(yè)研發(fā)了搭載二維激光雷達(dá)的移動(dòng)機(jī)器人，能夠?qū)κ覂?nèi)環(huán)境進(jìn)行建模，同時(shí)完成地圖導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)無人作業(yè)[2]。針對室外地形，通常采用車輛或無人機(jī)搭載三維激光掃描儀，同時(shí)配合工業(yè)相機(jī)，完成對地形數(shù)據(jù)和紋理信息的采集，極大地減輕了對人力物力的消耗，降低了測量成本，同時(shí)提高了測量精度與效率。

2.3數(shù)字城市測量

在經(jīng)濟(jì)全球化和信息技術(shù)飛速發(fā)展的激勵(lì)下，數(shù)字城市的建設(shè)已經(jīng)成為炙手可熱的話題，諸多新興技術(shù)如大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)的出現(xiàn)推動(dòng)了數(shù)字城市建設(shè)向智慧城市建設(shè)邁進(jìn)。數(shù)字城市的建設(shè)離不開地理信息系統(tǒng)、全球衛(wèi)星系統(tǒng)以及工程測量等技術(shù)，而激光測量技術(shù)是數(shù)字城市建設(shè)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一。車載激光測量系統(tǒng)搭載著三維激光雷達(dá)對城市道路、橋梁、人行道以及建筑物等進(jìn)行掃描，同時(shí)與攝像機(jī)結(jié)合，采集城市的三維信息數(shù)據(jù)以及實(shí)景數(shù)據(jù)，利用三維建模軟件完成模型構(gòu)建，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了地理信息數(shù)據(jù)查詢等功能，為城市的優(yōu)化管理提供了技術(shù)支撐[3]。

2.4滑坡檢測

每年我國各地都會發(fā)生多起山體滑坡事件，對人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全有著極大的威脅，因此，對于滑坡的監(jiān)測是一項(xiàng)十分必要的工作。而激光測量技術(shù)在滑坡檢測中也起到了至關(guān)重要的作用。測量人員利用激光掃描儀對邊坡地形進(jìn)行連續(xù)掃描，獲取其高精度的數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）數(shù)據(jù)，在數(shù)字模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析邊坡的形態(tài)及其穩(wěn)定性，為滑坡的防治與災(zāi)害預(yù)報(bào)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[4]。

2.5土方、堆體體積測量

激光測量技術(shù)不僅能完成對距離的測量，還能實(shí)現(xiàn)對土方和堆體體積的測量。激光掃描儀對土方和堆體進(jìn)行掃描測量，獲得其三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過CAD或其他三維模型軟件計(jì)算出堆體體積及土方的填方量和挖方量[5]。激光測量技術(shù)有效地提高了測量精度與計(jì)算效率，同時(shí)大幅度降低了施工人員的工作強(qiáng)度，滿足了工程上的需求。

2.6電信系統(tǒng)與森林管理

我國電力與通信系統(tǒng)的輸電塔與通信塔大多數(shù)都處于地形比較復(fù)雜的山區(qū)或者田地等地方，想要實(shí)現(xiàn)對輸電塔與通信塔的日常巡查與監(jiān)測需要人工定點(diǎn)檢查，十分耗費(fèi)人力物力，技術(shù)人員的工作效率也相對低下。激光雷達(dá)與無人機(jī)和攝像機(jī)的組合則完美地解決了這一問題，通過采集電力塔與通信塔的3D信息數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)地得到其精確的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過觀察分析結(jié)構(gòu)參數(shù)判斷其是否產(chǎn)生破損和斷裂，高效地完成了日常巡檢工作[6]。對于森林管理方面，激光測量系統(tǒng)同樣也可以獲得森林的實(shí)時(shí)環(huán)境信息，方便對森林進(jìn)行管理，實(shí)時(shí)監(jiān)測森林的林木信息，有效防范非法伐木等行為。

3總結(jié)

回顧激光測量技術(shù)的發(fā)展，由最初單一的激光測距技術(shù)到三維激光掃描獲取空間信息，再到與無人機(jī)、遙感衛(wèi)星和攝影測量等其他不同測量技術(shù)相結(jié)合形成的測量系統(tǒng)，激光測量技術(shù)的測量方式在逐步改進(jìn)，精確程度也逐步提高，順應(yīng)數(shù)字化和智能化的發(fā)展趨勢，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越多樣化。總的來說，激光測量技術(shù)已經(jīng)得到了相當(dāng)程度的發(fā)展，成為了工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一。當(dāng)然，激光測量技術(shù)仍然存在一些亟待完善和解決的問題：如掃描彎度較大的隧道時(shí)，中軸線的提取精度不高，測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確；激光掃描獲取的大范圍點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理效率有待提高等。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王林榮，黃濤.基于ROS的激光SLAM室內(nèi)建圖定位導(dǎo)航智能機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].無線互聯(lián)科技，2020，17(4)：64-66+75.

[3]余成江，孫睿英.三維激光掃描儀和車載移動(dòng)測量系統(tǒng)在工程測量中的應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息，2019，42(1)：188-190.

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[6]黃鶴，佟國峰，夏亮，等.SLAM技術(shù)及其在測繪領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2018(3)：18-24.

作者：王瑤 單位：長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院