工程機械激光測量技術應用研究
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摘要：近年來，機器視覺、計算機圖形學與測繪學等學科的發(fā)展推動了激光測量技術的研究與應用。隨著智能科技的不斷進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。而激光測量技術作為一種從激光測距技術發(fā)展而來的測量方式，有著工作效率高、探測距離遠、測量精度高等優(yōu)點，在各行各業(yè)尤其是工程機械領域應用日益廣泛。本文對激光測量技術進行了概述，分析了激光測量技術在工程機械領域的應用及不足，僅供參考。
關鍵詞：激光測量技術；工程機械；應用
1激光測量技術概述
近年來，隨著人們對計算機視覺技術與逆向工程技術研究的不斷深入，基于激光測量技術的測繪方法和三維重建方法已經(jīng)成為了各個行業(yè)學者研究的一大熱點問題。激光測量技術是從激光測距技術發(fā)展而來的一種測量手段，后者是利用激光束對被測目標與激光測距儀本身的距離進行精確測量的技術，一般有脈沖測距法和相位測距法兩種方式，是一種單一的點對點的測量方式。而激光測量技術的工作核心是激光雷達，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，由旋轉的光學機構將激光脈沖按一定角度間隔發(fā)射至掃描角度的各個方向，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。因此激光雷達能夠連續(xù)地完成對多點數(shù)據(jù)的采集同時實現(xiàn)對三維空間信息的獲取，是一種新型的快速測量手段。激光雷達的分類方式有很多種，根據(jù)線數(shù)的多少，激光雷達可以分成單線激光雷達和多線激光雷達。前者一般用于室內(nèi)導航建圖，如掃地機器人等，后者有16線、32線甚至64線的雷達可供選擇；根據(jù)搭載方式的不同，激光雷達可以分為機載激光雷達、星載激光雷達和地面激光雷達。前兩者通常與GPS定位系統(tǒng)或GNSS導航系統(tǒng)相結合，可以快速且直接地獲取大范圍區(qū)域的三維點云數(shù)據(jù)，極大地提高了測繪效率。地面激光雷達能夠對周圍環(huán)境或物體進行測量，獲取高精度的三維信息數(shù)據(jù)；按照測量方式的不同，激光雷達還可以分成飛行時間測量激光雷達（TimeofFlight，簡稱TOF）和三角測距激光雷達。前者通過測量激光脈沖從發(fā)射到接收所消耗的時間間接測得距離值，后者的接收模塊是線性電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，簡稱CCD），在三角公式的基礎上，根據(jù)光學反射路徑計算CCD上不同位置的距離，進而推導出實際距離值。在機器視覺、計算機圖形學、地理學、測繪學、機器人學等學科技術發(fā)展的推動下，激光測量技術在各個行業(yè)的應用日益廣泛，成為了逆向工程、無人駕駛、數(shù)字城市建設、環(huán)境監(jiān)測、災害預防、數(shù)字考古等領域不可或缺的關鍵技術。
2激光測量技術的具體應用
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的方式建立監(jiān)測網(wǎng)進而完成測量，整個工作過程十分繁瑣。為了提高測量效率，可以采用車載激光雷達對隧道斷面進行連續(xù)掃描，建立整個隧道的三維立體模型，再對比分析實際數(shù)據(jù)與設計數(shù)據(jù)的誤差，從而獲得隧道的形變信息。激光測量技術不僅能夠精確監(jiān)控隧道變形，對災害進行預警，而且降低了工人們進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)境測繪是地圖導航和路徑規(guī)劃的基礎，也是無人作業(yè)工程機械完成智能化蛻變的亟待解決的關鍵問題之一，而激光SLAM技術很好地完成了這個任務。目前已經(jīng)有許多企業(yè)研發(fā)了搭載二維激光雷達的移動機器人，能夠對室內(nèi)環(huán)境進行建模，同時完成地圖導航，實現(xiàn)無人作業(yè)[2]。針對室外地形，通常采用車輛或無人機搭載三維激光掃描儀，同時配合工業(yè)相機，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，同時提高了測量精度與效率。
2.3數(shù)字城市測量
在經(jīng)濟全球化和信息技術飛速發(fā)展的激勵下，數(shù)字城市的建設已經(jīng)成為炙手可熱的話題，諸多新興技術如大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術的出現(xiàn)推動了數(shù)字城市建設向智慧城市建設邁進。數(shù)字城市的建設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，而激光測量技術是數(shù)字城市建設中不可或缺的關鍵技術之一。車載激光測量系統(tǒng)搭載著三維激光雷達對城市道路、橋梁、人行道以及建筑物等進行掃描，同時與攝像機結合，采集城市的三維信息數(shù)據(jù)以及實景數(shù)據(jù)，利用三維建模軟件完成模型構建，進一步實現(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，對人們的生命和財產(chǎn)安全有著極大的威脅，因此，對于滑坡的監(jiān)測是一項十分必要的工作。而激光測量技術在滑坡檢測中也起到了至關重要的作用。測量人員利用激光掃描儀對邊坡地形進行連續(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)字模型的基礎上進一步分析邊坡的形態(tài)及其穩(wěn)定性，為滑坡的防治與災害預報提供了數(shù)據(jù)基礎[4]。
2.5土方、堆體體積測量
激光測量技術不僅能完成對距離的測量，還能實現(xiàn)對土方和堆體體積的測量。激光掃描儀對土方和堆體進行掃描測量，獲得其三維點云數(shù)據(jù)，再通過CAD或其他三維模型軟件計算出堆體體積及土方的填方量和挖方量[5]。激光測量技術有效地提高了測量精度與計算效率，同時大幅度降低了施工人員的工作強度，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)都處于地形比較復雜的山區(qū)或者田地等地方，想要實現(xiàn)對輸電塔與通信塔的日常巡查與監(jiān)測需要人工定點檢查，十分耗費人力物力，技術人員的工作效率也相對低下。激光雷達與無人機和攝像機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)，可以實時地得到其精確的結構參數(shù)，通過觀察分析結構參數(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時環(huán)境信息，方便對森林進行管理，實時監(jiān)測森林的林木信息，有效防范非法伐木等行為。
3總結
回顧激光測量技術的發(fā)展，由最初單一的激光測距技術到三維激光掃描獲取空間信息，再到與無人機、遙感衛(wèi)星和攝影測量等其他不同測量技術相結合形成的測量系統(tǒng)，激光測量技術的測量方式在逐步改進，精確程度也逐步提高，順應數(shù)字化和智能化的發(fā)展趨勢，應用領域也越來越多樣化?？偟膩碚f，激光測量技術已經(jīng)得到了相當程度的發(fā)展，成為了工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中不可或缺的關鍵技術之一。當然，激光測量技術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，中軸線的提取精度不高，測量結果不夠準確；激光掃描獲取的大范圍點云數(shù)據(jù)處理效率有待提高等。
參考文獻：
[1]邱冬煒，楊松林，梁青槐.地鐵隧道三維變形監(jiān)測的研究(英文)[C].中國測繪學會.中國測繪學會九屆三次理事會暨2007年“信息化測繪論壇”學術年會論文集.中國測繪學會：中國測繪學會，2007：525-531.
[2]王林榮，黃濤.基于ROS的激光SLAM室內(nèi)建圖定位導航智能機器人設計[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測量系統(tǒng)在工程測量中的應用[J].測繪與空間地理信息，2019，42(1)：188-190.
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作者：王瑤 單位：長安大學工程機械學院
