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激光测量技术在工程机械领域的应用研究综述杨坤

发表时间：2020/10/29 来源：《建筑科技信息》2020年第6期作者：杨坤史振宇于晓浚周月

[导读] 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

摘要：随着经济的发展和社会的进步，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；工程机械领域；应用

        引言
        随着社会经济的迅速发展，市场经济不断的进步，这大大的带动了我国机械制造业的发展，使得我国的测量技术在前进的过程中不断成熟。在机械制造业领域，大量广泛的应用测量技术，必须要经过科学和精密的测量，才能够为机械制造业提供有力的数据支持，为了保障制造业过程中的严谨性，以社会发展的综合指标来衡量制造业测量技术非常有必要。
        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激光测量技术在工程机械领域的应用研究综述
        2.1手持式扫描仪
        制作加工机械过程中，应用手持式扫描仪能够集中采集零件数据，采用三维激光扫描技术，运用激光测距原理，采用高频脉冲的方式采集零件的空间位置信息。除此之外，手持式扫描仪还能高效采集零件的纹理、反射率等信息，作为三维扫描技术的载体，手持式扫描仪具有自定位、高精度、高分辨率、廉价等多种优势，主要用于与汽车制造、模具制造行业，能够有效检测产品的质量，提升产品修复效果，在逆向工程中手持式扫描仪的应用范围最广，能够准确获取零件的数据信息。
        2.2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。

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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。
        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。
        2.4复杂多变的机械制造业测量技术行业特点
        在未来几年，我国机械制造业的自主创新能力将日益增强，测量技术方面，建立更多的原创基地，提升原创技术比例和含量，是机械制造业中机械技术学科发展的发展趋势之一。在机械测量领域发挥重要的科技问题，研究机器测量的极限，提出新的测量问题，细化机械制造业测量技术的行业分支。研究高度精确的激光和纳米测序方法，提升教学方面的基本理论水平，可以为未来机械制造业领域的测量技术发展提供理论依据。同时，从源头上把握机械制造业测量领域的理论教育，并且建立机械制造行业的实训基地，加强精密加工精度，提升机床加工水平，在测量仪器的使用方面，尽可能的提升高端附加值，并开创我国自主研发的测量品牌，提升测量仪器本身的可靠性。
        2.5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。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。
        结语
        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.