1 北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院，北京0266
2 代表性建筑与古建筑数据库教育部工程研究中心，北京100044
3 北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京100101
4 华南农业大学 资源环境学院，广东广州51062
为了解决地铁建设和运营阶段会对地面造成不同程度的影响，特别是海岛建设地铁，其地形地貌环境复杂，土层不稳定，地面形变研究困难等问题。基于哨兵-1的38景影像数据和自主采集的隧道点云数据，采用永久散射体合成孔径雷达测量技术、差分干涉测量短基线集时序分析技术和激光雷达技术对厦门岛范围内的地铁2号线沿线区域进行研究。将合成孔径雷达的两种技术结果进行精度对比，并与水准数据进行比较，验证其准确性，最后结合激光雷达技术对该地铁内部隧道扫描获取点云数据进行形变结果对比。实验表明，PS-InSAR技术形变速率在-24.21~24.19 mm/y之间，而基于SBAS-InSAR 技术的形变速率则在-22.86~33.79 mm/y，两种方法在形变监测过程中表现基本一致；与水准测量结果对比得到二者之间存在一定误差，误差集中在±7 mm以内，部分与水准点距离较远的误差在13 mm左右；而地下隧道沉降在-43.4~104.1 mm之间，中误差为28.44 mm，其结果与地面形变差异巨大。经过多次验证得知地下轨道交通隧道受到地面形变的影响较小。
激光雷达 合成孔径雷达 地表形变 隧道形变 LiDAR synthetic aperture radar surface deformation tunnel deformation 光学 精密工程
2023, 31(13): 1988
1 大连海事大学船舶电气工程学院, 辽宁 大连 116026
2 大连海事大学轮机工程学院, 辽宁 大连 116026
玻璃在中国史料中早有记载, 但是由于长期存在名称和质地的混淆, 且近现代有关中国古代玻璃的研究起步较晚, 关于古代硅酸盐玻璃的风化和成分研究比较缺乏。以往研究古代玻璃器的著作, 多是从王朝更替的角度, 对文化交流、化学分析等方面研究玻璃的文化艺术形态及其自身的运行发展的规律, 较少有学者系统建立数学模型并使用智能算法定性定量开展风化硅酸盐玻璃原成分预测及亚分类方法研究。本工作以多组风化和未风化硅酸盐玻璃为研究对象, 提取其化学成分含量、纹饰和颜色等数据, 利用Spearman系数分析了纹饰、颜色和玻璃大类之间的相关性并研究影响表面风化的因素; 利用决策树进行大致分类, 然后用神经网络预测玻璃风化前主要化学成分的含量, 并总结硅酸盐玻璃的分类依据。此后通过K-means聚类建立分类模型: 确定最佳类别数, 进行亚类划分, 寻找铅钡玻璃和高钾玻璃的最优分类数量。研究结果表明, 只有玻璃类型对表面风化具有显著影响; 风化过程中参与度较高的化学成分为二氧化硅、氧化铝、氧化铅、氧化钡、氧化铅和五氧化二磷; 风化后, 铅钡玻璃二氧化硅含量明显下降, 氧化铅含量明显上升, 而高钾玻璃二氧化硅含量明显上升, 氧化钾氧化钙和氧化铝含量明显下降; 高钾玻璃分为3个亚类, 铅钡玻璃分为4个亚类。为后续利用机器学习研究古代硅酸盐玻璃的风化和成分提供了参考。
硅酸盐玻璃 决策树 神经网络 K-means聚类 Spearman相关性 Portland glass decision tree neural network K-means clustering Spearman coefficient
1 北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院，北京0266
2 代表性建筑与古建筑数据库教育部工程研究中心，北京100044
3 现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室，北京100044
4 建筑遗产精细重构与健康监测北京市重点实验室 北京建筑大学，北京1000
5 北京申信达成科技有限公司，北京102444
针对海量激光点云异地实时扫描处理困难和现场绝对坐标系的配准问题，结合北斗/GNSS定位系统和5G通讯技术研制一套低成本地基激光雷达测量系统。该测量系统由激光雷达、高精度电机、北斗/GNSS接收模块和5G模组集成，激光雷达采集点云信息，高精度电机获取角度信息，北斗/GNSS接收模块接收时间并通过自主研发的时间同步模块，与高精度电机与激光雷达进行时间标记，获取带有时间标签的点云和角度文件，并通过5G通讯技术实时传输。终端通过自主研发的数据预处理软件，通过线性插值算法进行多帧点云时空配准，室外根据北斗/GNSS坐标进行多站激光点云粗配准，室内无北斗/GNSS环境下通过单站特征点进行多站点云粗配准，再利用临近迭代算法进行精配准以完成整体配准，并在自主研发的实时点云管理与可视化系统上进行可视化。实验表明该测量系统使用5G通讯技术传输速率50 Mbit/s，可以实现异地实时扫描传输，配准后的点云误差在3 mm以下，可为数字孪生、物质文化遗产监测、特大异形建筑施工运维分析等实时应用领域提供数字基础设施。
北斗 5G 地基激光雷达 点云配准 可视化 BeiDou 5G ground-based LIDAR point cloud registration 3D visualization
1 北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院，北京00044
2 代表性建筑与古建筑数据库教育部工程研究中心，北京10616
3 自然资源部 城市空间信息重点实验室，北京102616
4 中国建筑科学研究院有限公司，北京100013
为了实现对特大钢结构的高效率、高精度检测，对地面激光点云整体配准算法以及无人机多视影像生成密集点云算法进行了研究。采用基于几何特征的可迭代整体配准算法不断对观测值进行约束定权和解算，将观测值改正数误差控制在一定阈值范围内，直到完成配准，生成整个网架结构的激光雷达点云模型。以球节点多连杆中心点算法对网架结构中的球结点与柱进行偏心计算，再使用基于视觉运动恢复结构算法以及改进的RANSAC算法生成的影像密集点云，通过配准实现地面激光点云和高分辨率非量测影像数据的融合。以某亚洲最大跨钢结构高精度检测为例，多站激光雷达点云整体的配准精度为5 mm，抽检的21根钢柱里16根柱子的偏差接近或大于35 mm（32.1~68.2 mm，方向均向外），整体钢结构的网架挠度均小于1/250。由此表明，地面激光点云整体配准算法以及高分辨率非量测影像数据密集点云生成算法可行且准确，能够满足特大钢结构的高精度检测要求。
近景摄影测量 激光雷达 无人机 钢结构检测 点云 close-range photogrammetry lidar unmanned aerial vehicle steel structure detection point cloud
1 中国科学院微小卫星创新研究院, 上海 201203
2 中国科学院微小卫星重点实验室, 上海 201203
3 中国科学院大学, 北京 100049
机器人在大尺度场景下开展同时定位与建图(SLAM)任务时,其闭环检测环节会出现较严重的错匹配或者漏匹配问题,因此,采用残差网络(ResNet)对图像序列进行特征提取,并提出一种新的闭环检测算法。通过预训练的ResNet提取输入图像的全局特征,并对该帧图像及之前具有一定长度的图像序列的特征按照下采样的方式进行拼接,将结果作为当前帧图像的特征,保证图像特征的丰富性与准确性。同时,设计一种双层查询的方法以获得最相似的图像帧,并对最相似图像进行一致性检验,确保闭环的准确性。在闭环检测主流公开数据集New College和City Centre上,所提算法在100%准确率下的召回率为83%,在99%准确率下的召回率为85%。与传统的词袋方法和VGG16方法相比,所提算法具有显著的提升。
成像系统 闭环检测 残差网络 同时定位与建图 机器视觉 激光与光电子学进展
2021, 58(4): 0411003
1 北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院，北京 102616
2 代表性建筑与古建筑数据库教育部工程研究中心，北京 100044
3 自然资源部城市空间信息重点实验室，北京 100044
4 浙江科技学院，浙江 杭州 310023
5 北京申信达成科技有限公司，北京 102444
移动激光雷达测量系统各测量传感器间的时空配准技术是整个系统设计的核心，其中时间同步问题尤为关键。针对惯导系统与激光雷达和全景相机之间的时间精确同步问题，结合北斗导航授时系统提出自行设计时间同步装置的方式，对集成激光雷达、惯性导航系统、全景相机等测绘传感器的车载测量平台，提供时空配准信息。以拥有全自主知识产权的车载移动测量系统为研究对象，通过该系统采集点云数据，使用设计生产的时间同步装置和编制的上位机软件与北斗卫星导航系统结合进行精确授时。最终时间同步精度达到了0.1 μs，验证了时间同步装置设计方法的可行性。
移动激光雷达测量系统 时间同步 北斗卫星系统 点云 导航定向系统 mobile LiDAR measurement system time synchronization BeiDou navigation satellite system point cloud position and orientation system 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200362
1 吉林工程技术师范学院 量子信息技术交叉学科研究院，吉林 长春 130052
2 吉林省量子信息技术工程实验室，吉林 长春 130052
3 长春理工大学 光电信息学院 商学分院，吉林 长春 130000
为探究毫秒脉冲激光辐照单晶硅的热损伤规律和机理，利用高精度点温仪和光谱反演系统对毫秒脉冲激光辐照单晶硅的温度进行测量。分析温度演化过程，研究毫秒脉冲激光对单晶硅热损伤全过程的温度状态和对应的损伤结构形态。研究表明：脉冲宽度固定时，激光诱导的单晶硅的峰值温度随能量密度的增加而增加；当脉冲宽度在1.5~3.0 ms之间时，温度随脉冲宽度的增加而降减小。温度上升曲线在熔点（1 687 K）附近时出现拐点，反射系数由0.33增加为0.72。在气化和凝固阶段，出现气化和固化平台期。单晶硅热致解理损伤先于热致熔蚀损伤，在低能量密度激光作用条件下，应力损伤占主导地位，而在大能量密度条件下，热损伤效应占主导地位。损伤深度与能量密度成正比，随脉冲个数增加迅速增加。
长脉冲 激光 单晶硅 热损伤 应力 熔蚀 long pulse laser monocrystalline silicon thermal damage stress ablation 红外与激光工程
2020, 49(3): 0305002
1 中国科学院微小卫星创新研究院, 上海 201203
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 国科学院微小卫星重点实验室, 上海 201203
激光雷达和双目相机作为无人驾驶领域中重要的环境感知设备,两者之间的外参配准是其联合应用的重要基础,然而两种信息的融合意味着繁琐的校准过程。基于此,提出一种基于特征点对匹配求解的方法,采用两块矩形木板,分别提取双目相机与激光雷达坐标系下的木板边缘3D点云,拟合空间直线求取角点坐标,最后利用Kabsch算法求解配对的特征点之间的坐标转换,利用聚类法去除多次测量结果中的异常值,并求取平均值。通过搭建实验,所提算法可在Nvidia Jetson Tx2嵌入式开发板上实现,获得了准确的配准参数,验证了理论方法的可行性。此配准方法简单易行,可自动完成多次测量,相比于同类方法精度也有所提高。
大气光学 激光雷达 双目相机 配准参数 刚体转换 激光与光电子学进展
2020, 57(3): 030102
1 吉林工程技术师范学院 量子信息技术交叉学科研究院，吉林 长春 130052
2 吉林省量子信息技术工程实验室，吉林 长春 130052
为满足浸没式光刻照明系统对掩模面高均匀性和不同照明模式的要求，对照明系统中的照明模式变换器进行了研究。采用衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOE)来产生各种照明模式，从光栅结构出发，经两步变换分析了光栅转变为DOE的过程。并提出一种离散抽样加密算法，以抽样线宽1~5 μm的四极照明DOE为例，揭示了DOE特征尺寸、衍射效率和光强分布非均匀性的实际对应关系。设计结果表明：随着抽样线宽的减小，整形光束的衍射效率和均匀性将得到较大提高。利用接触式光刻工艺完成了特征尺寸为1.76 μm×1.76 μm的16台阶照明模式变换DOE的制作，通过搭建光学测试平台对不同照明模式下DOE的光强非均匀性和衍射效率进行了测试，结果满足设计要求，验证了离散抽样加密算法能够有效指导照明模式变换系统DOE的设计。
浸没式光刻 照明模式变换 衍射光学元件 离散抽样加密算法 immersion lithography illumination mode transformation diffractive optical element discrete sampling encryption algorithm 红外与激光工程
2019, 48(9): 0916004
