工程机械激光测量技术应用研究

摘要：近年来，机器视觉、计算机图形学与测绘学等学科的发展推动了激光测量技术的研究与应用。随着智能科技的不断进步以及人们生活方式的改变，传统的数据测量方式已经不能满足日常生活和工业生产的需求。而激光测量技术作为一种从激光测距技术发展而来的测量方式，有着工作效率高、探测距离远、测量精度高等优点，在各行各业尤其是工程机械领域应用日益广泛。本文对激光测量技术进行了概述，分析了激光测量技术在工程机械领域的应用及不足，仅供参考。

关键词：激光测量技术；工程机械；应用

1激光测量技术概述

近年来，随着人们对计算机视觉技术与逆向工程技术研究的不断深入，基于激光测量技术的测绘方法和三维重建方法已经成为了各个行业学者研究的一大热点问题。激光测量技术是从激光测距技术发展而来的一种测量手段，后者是利用激光束对被测目标与激光测距仪本身的距离进行精确测量的技术，一般有脉冲测距法和相位测距法两种方式，是一种单一的点对点的测量方式。而激光测量技术的工作核心是激光雷达，其工作原理是内部的激光发射模块连续不停地发射激光脉冲，由旋转的光学机构将激光脉冲按一定角度间隔发射至扫描角度的各个方向，再经过物体表面反射到接收模块，完成一次数据测量。因此激光雷达能够连续地完成对多点数据的采集同时实现对三维空间信息的获取，是一种新型的快速测量手段。激光雷达的分类方式有很多种，根据线数的多少，激光雷达可以分成单线激光雷达和多线激光雷达。前者一般用于室内导航建图，如扫地机器人等，后者有16线、32线甚至64线的雷达可供选择；根据搭载方式的不同，激光雷达可以分为机载激光雷达、星载激光雷达和地面激光雷达。前两者通常与GPS定位系统或GNSS导航系统相结合，可以快速且直接地获取大范围区域的三维点云数据，极大地提高了测绘效率。地面激光雷达能够对周围环境或物体进行测量，获取高精度的三维信息数据；按照测量方式的不同，激光雷达还可以分成飞行时间测量激光雷达（TimeofFlight，简称TOF）和三角测距激光雷达。前者通过测量激光脉冲从发射到接收所消耗的时间间接测得距离值，后者的接收模块是线性电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，简称CCD），在三角公式的基础上，根据光学反射路径计算CCD上不同位置的距离，进而推导出实际距离值。在机器视觉、计算机图形学、地理学、测绘学、机器人学等学科技术发展的推动下，激光测量技术在各个行业的应用日益广泛，成为了逆向工程、无人驾驶、数字城市建设、环境监测、灾害预防、数字考古等领域不可或缺的关键技术。

2激光测量技术的具体应用

2.1隧道测量

隧道下的土层长久地受到载荷作用，容易产生不均匀沉降和局部变形。为了能够精确地获得隧道的变形量，通常是利用监测元件通过人工布点的方式建立监测网进而完成测量，整个工作过程十分繁琐。为了提高测量效率，可以采用车载激光雷达对隧道断面进行连续扫描，建立整个隧道的三维立体模型，再对比分析实际数据与设计数据的误差，从而获得隧道的形变信息。激光测量技术不仅能够精确监控隧道变形，对灾害进行预警，而且降低了工人们进行施工和勘察的难度，提高了测量的便利性和可靠性[1]。

2.2地形测量

地形和环境测绘是地图导航和路径规划的基础，也是无人作业工程机械完成智能化蜕变的亟待解决的关键问题之一，而激光SLAM技术很好地完成了这个任务。目前已经有许多企业研发了搭载二维激光雷达的移动机器人，能够对室内环境进行建模，同时完成地图导航，实现无人作业[2]。针对室外地形，通常采用车辆或无人机搭载三维激光扫描仪，同时配合工业相机，完成对地形数据和纹理信息的采集，极大地减轻了对人力物力的消耗，降低了测量成本，同时提高了测量精度与效率。

2.3数字城市测量

在经济全球化和信息技术飞速发展的激励下，数字城市的建设已经成为炙手可热的话题，诸多新兴技术如大数据、物联网、云计算等技术的出现推动了数字城市建设向智慧城市建设迈进。数字城市的建设离不开地理信息系统、全球卫星系统以及工程测量等技术，而激光测量技术是数字城市建设中不可或缺的关键技术之一。车载激光测量系统搭载着三维激光雷达对城市道路、桥梁、人行道以及建筑物等进行扫描，同时与摄像机结合，采集城市的三维信息数据以及实景数据，利用三维建模软件完成模型构建，进一步实现了地理信息数据查询等功能，为城市的优化管理提供了技术支撑[3]。

2.4滑坡检测

每年我国各地都会发生多起山体滑坡事件，对人们的生命和财产安全有着极大的威胁，因此，对于滑坡的监测是一项十分必要的工作。而激光测量技术在滑坡检测中也起到了至关重要的作用。测量人员利用激光扫描仪对边坡地形进行连续扫描，获取其高精度的数字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）数据，在数字模型的基础上进一步分析边坡的形态及其稳定性，为滑坡的防治与灾害预报提供了数据基础[4]。

2.5土方、堆体体积测量

激光测量技术不仅能完成对距离的测量，还能实现对土方和堆体体积的测量。激光扫描仪对土方和堆体进行扫描测量，获得其三维点云数据，再通过CAD或其他三维模型软件计算出堆体体积及土方的填方量和挖方量[5]。激光测量技术有效地提高了测量精度与计算效率，同时大幅度降低了施工人员的工作强度，满足了工程上的需求。

2.6电信系统与森林管理

我国电力与通信系统的输电塔与通信塔大多数都处于地形比较复杂的山区或者田地等地方，想要实现对输电塔与通信塔的日常巡查与监测需要人工定点检查，十分耗费人力物力，技术人员的工作效率也相对低下。激光雷达与无人机和摄像机的组合则完美地解决了这一问题，通过采集电力塔与通信塔的3D信息数据，可以实时地得到其精确的结构参数，通过观察分析结构参数判断其是否产生破损和断裂，高效地完成了日常巡检工作[6]。对于森林管理方面，激光测量系统同样也可以获得森林的实时环境信息，方便对森林进行管理，实时监测森林的林木信息，有效防范非法伐木等行为。

3总结

回顾激光测量技术的发展，由最初单一的激光测距技术到三维激光扫描获取空间信息，再到与无人机、遥感卫星和摄影测量等其他不同测量技术相结合形成的测量系统，激光测量技术的测量方式在逐步改进，精确程度也逐步提高，顺应数字化和智能化的发展趋势，应用领域也越来越多样化。总的来说，激光测量技术已经得到了相当程度的发展，成为了工业生产和日常生活中不可或缺的关键技术之一。当然，激光测量技术仍然存在一些亟待完善和解决的问题：如扫描弯度较大的隧道时，中轴线的提取精度不高，测量结果不够准确；激光扫描获取的大范围点云数据处理效率有待提高等。

参考文献：

[1]邱冬炜，杨松林，梁青槐.地铁隧道三维变形监测的研究(英文)[C].中国测绘学会.中国测绘学会九届三次理事会暨2007年“信息化测绘论坛”学术年会论文集.中国测绘学会：中国测绘学会，2007：525-531.

[2]王林荣，黄涛.基于ROS的激光SLAM室内建图定位导航智能机器人设计[J].无线互联科技，2020，17(4)：64-66+75.

[3]余成江，孙睿英.三维激光扫描仪和车载移动测量系统在工程测量中的应用[J].测绘与空间地理信息，2019，42(1)：188-190.

[4]宋礼德.三维激光扫描技术在公路边坡监测中的应用[J].低碳世界，2016(36)：230-231.

[5]胡奎.三维激光扫描在土方计算中的应用[J].矿山测量，2013(1)：70-72.

[6]黄鹤，佟国峰，夏亮，等.SLAM技术及其在测绘领域中的应用[J].测绘通报，2018(3)：18-24.

作者：王瑶 单位：长安大学工程机械学院