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激光測(cè)量技術(shù)在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用研究綜述

時(shí)間:2020年10月14日 分類:經(jīng)濟(jì)論文 次數(shù):

摘要:近年來,機(jī)器視覺、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與測(cè)繪學(xué)等學(xué)科的發(fā)展推動(dòng)了激光測(cè)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(cè)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(cè)量技術(shù)作為一種從激光測(cè)距技術(shù)發(fā)展而來的測(cè)

  摘要:近年來,機(jī)器視覺、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與測(cè)繪學(xué)等學(xué)科的發(fā)展推動(dòng)了激光測(cè)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(cè)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(cè)量技術(shù)作為一種從激光測(cè)距技術(shù)發(fā)展而來的測(cè)量方式,有著工作效率高、探測(cè)距離遠(yuǎn)、測(cè)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(duì)激光測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了概述,分析了激光測(cè)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(cè)量技術(shù);工程機(jī)械;應(yīng)用

礦山測(cè)量

  1激光測(cè)量技術(shù)概述

  近年來,隨著人們對(duì)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(cè)量技術(shù)的測(cè)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(cè)量技術(shù)是從激光測(cè)距技術(shù)發(fā)展而來的一種測(cè)量手段,后者是利用激光束對(duì)被測(cè)目標(biāo)與激光測(cè)距儀本身的距離進(jìn)行精確測(cè)量的技術(shù),一般有脈沖測(cè)距法和相位測(cè)距法兩種方式,是一種單一的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的測(cè)量方式。

  而激光測(cè)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(cè)量。因此激光雷達(dá)能夠連續(xù)地完成對(duì)多點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)三維空間信息的獲取,是一種新型的快速測(cè)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(cè)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(cè)量,獲取高精度的三維信息數(shù)據(jù);按照測(cè)量方式的不同,激光雷達(dá)還可以分成飛行時(shí)間測(cè)量激光雷達(dá)(TimeofFlight,簡(jiǎn)稱TOF)和三角測(cè)距激光雷達(dá)。

  前者通過測(cè)量激光脈沖從發(fā)射到接收所消耗的時(shí)間間接測(cè)得距離值,后者的接收模塊是線性電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice,簡(jiǎn)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(cè)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(cè)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(cè)、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(cè)量技術(shù)的具體應(yīng)用

  2.1隧道測(cè)量

  隧道下的土層長(zhǎng)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(cè)元件通過人工布點(diǎn)的方式建立監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)而完成測(cè)量,整個(gè)工作過程十分繁瑣。為了提高測(cè)量效率,可以采用車載激光雷達(dá)對(duì)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(duì)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(cè)量技術(shù)不僅能夠精確監(jiān)控隧道變形,對(duì)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(cè)量的便利性和可靠性[1]。

  2.2地形測(cè)量

  地形和環(huán)境測(cè)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(duì)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(duì)地形數(shù)據(jù)和紋理信息的采集,極大地減輕了對(duì)人力物力的消耗,降低了測(cè)量成本,同時(shí)提高了測(cè)量精度與效率。

  2.3數(shù)字城市測(cè)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(cè)量等技術(shù),而激光測(cè)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(cè)量系統(tǒng)搭載著三維激光雷達(dá)對(duì)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(cè)

  每年我國(guó)各地都會(huì)發(fā)生多起山體滑坡事件,對(duì)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全有著極大的威脅,因此,對(duì)于滑坡的監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)十分必要的工作。而激光測(cè)量技術(shù)在滑坡檢測(cè)中也起到了至關(guān)重要的作用。測(cè)量人員利用激光掃描儀對(duì)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(cè)量

  激光測(cè)量技術(shù)不僅能完成對(duì)距離的測(cè)量,還能實(shí)現(xiàn)對(duì)土方和堆體體積的測(cè)量。激光掃描儀對(duì)土方和堆體進(jìn)行掃描測(cè)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(cè)量技術(shù)有效地提高了測(cè)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(guó)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(duì)輸電塔與通信塔的日常巡查與監(jiān)測(cè)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(duì)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(duì)于森林管理方面,激光測(cè)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(duì)森林進(jìn)行管理,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)森林的林木信息,有效防范非法伐木等行為。

  測(cè)量論文投稿刊物:《礦山測(cè)量》Mine Surveying(雙月刊)1973年創(chuàng)刊,是國(guó)內(nèi)唯一的礦山測(cè)量專業(yè)性國(guó)家級(jí)科技期刊,也是世界有較大影響的四大礦山測(cè)量刊物之一。堅(jiān)持為社會(huì)主義服務(wù)的方向,堅(jiān)持以馬克思列寧主義、毛澤東思想和鄧小平理論為指導(dǎo),貫徹“百花齊放、百家爭(zhēng)鳴”和“古為今用、洋為中用”的方針,堅(jiān)持實(shí)事求是、理論與實(shí)際相結(jié)合的嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng),傳播先進(jìn)的科學(xué)文化知識(shí),弘揚(yáng)民族優(yōu)秀科學(xué)文化,促進(jìn)國(guó)際科學(xué)文化交流,探索防災(zāi)科技教育、教學(xué)及管理諸方面的規(guī)律,活躍教學(xué)與科研的學(xué)術(shù)風(fēng)氣,為教學(xué)與科研服務(wù)。

  3總結(jié)

  回顧激光測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,由最初單一的激光測(cè)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(cè)量等其他不同測(cè)量技術(shù)相結(jié)合形成的測(cè)量系統(tǒng),激光測(cè)量技術(shù)的測(cè)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(shì),應(yīng)用領(lǐng)域也越來越多樣化。總的來說,激光測(cè)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(cè)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(cè)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):

  [1]邱冬煒,楊松林,梁青槐.地鐵隧道三維變形監(jiān)測(cè)的研究(英文)[C].中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì).中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì)九屆三次理事會(huì)暨2007年“信息化測(cè)繪論壇”學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì):中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì),2007:525-531.

  [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(cè)量系統(tǒng)在工程測(cè)量中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息,2019,42(1):188-190.

  [4]宋禮德.三維激光掃描技術(shù)在公路邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].低碳世界,2016(36):230-231.

  [5]胡奎.三維激光掃描在土方計(jì)算中的應(yīng)用[J].礦山測(cè)量,2013(1):70-72.

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

  作者:王瑤