工程機械激光測量技術(shù)應(yīng)用

　　摘要：近年來，機器視覺、計算機圖形學(xué)與測繪學(xué)等學(xué)科的發(fā)展推動了激光測量技術(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、測量精度高等優(yōu)點，在各行各業(yè)尤其是工程機械領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。本文對激光測量技術(shù)進行了概述，分析了激光測量技術(shù)在工程機械領(lǐng)域的應(yīng)用及不足，僅供參考。

　　關(guān)鍵詞：激光測量技術(shù);工程機械;應(yīng)用

　　《工程機械》(月刊)創(chuàng)刊于1964年，由天津工程機械研究院主辦。本刊以工程技術(shù)人員、企業(yè)管理人員、營銷人員、設(shè)備維修人員及從事工程機械科研、教學(xué)工作的人員為讀者對象。主要報道挖掘、鏟運、起重、樁工、壓實、路面、叉車、鋼筋混凝土、鑿巖氣動、鐵道線路、軍工、城建機械和工程機械配套零部件等18大類產(chǎn)品的試驗研究、設(shè)計計算、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料工藝和使用維修等方面的新技術(shù)、新產(chǎn)品、新經(jīng)驗和行業(yè)發(fā)展動態(tài)等方面的文章。宣傳國家科技經(jīng)濟政策和行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，引導(dǎo)、推動行業(yè)發(fā)展，交流行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用成果，經(jīng)營、管理經(jīng)驗;介紹行業(yè)重大技術(shù)動態(tài)及國外先進技術(shù)、產(chǎn)品;聯(lián)絡(luò)生產(chǎn)企業(yè)與施工用戶，促進行業(yè)生產(chǎn)、科研、教學(xué)、經(jīng)營管理工作的全面進步。

　　1激光測量技術(shù)概述

　　近年來，隨著人們對計算機視覺技術(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)成為了各個行業(yè)學(xué)者研究的一大熱點問題。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，是一種單一的點對點的測量方式。而激光測量技術(shù)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(zhuǎn)的光學(xué)機構(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(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，可以快速且直接地獲取大范圍區(qū)域的三維點云數(shù)據(jù)，極大地提高了測繪效率。地面激光雷達能夠?qū)χ車h(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(chǔ)上，根據(jù)光學(xué)反射路徑計算CCD上不同位置的距離，進而推導(dǎo)出實際距離值。在機器視覺、計算機圖形學(xué)、地理學(xué)、測繪學(xué)、機器人學(xué)等學(xué)科技術(shù)發(fā)展的推動下，激光測量技術(shù)在各個行業(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(shè)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(shù)不僅能夠精確監(jiān)控隧道變形，對災(zāi)害進行預(yù)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(dǎo)航和路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)，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(guān)鍵問題之一，而激光SLAM技術(shù)很好地完成了這個任務(wù)。目前已經(jīng)有許多企業(yè)研發(fā)了搭載二維激光雷達的移動機器人，能夠?qū)κ覂?nèi)環(huán)境進行建模，同時完成地圖導(dǎo)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(shù)飛速發(fā)展的激勵下，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)、云計算等技術(shù)的出現(xiàn)推動了數(shù)字城市建設(shè)向智慧城市建設(shè)邁進。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(jié)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(gòu)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(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(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(shù)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(fù)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(shù)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(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(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、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，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，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云數(shù)據(jù)處理效率有待提高等。