0 引言

随着国民经济的快速发展，水资源短缺和时空分布不均等矛盾日益凸显，严重制约了社会经济发展，对生态环境也产生了一定影响[1-3]。为解决上述问题，中国水利建设全面提速，国家水网主骨架和大动脉不断完善，通过大型水库、河道疏浚治理、渠道开挖等水利工程的实施，实现大规模跨流域的水资源调配，而土方开挖工程是实施国家水网工程中的一项重要内容[4-5]。土方开挖工程施工过程中常面临各项技术难题，如自然和人为因素等造成超、欠挖，施工质量检测的滞后性和人工检测的局限性造成质量评定不及时、施工机具多、工地人员构成复杂等造成施工管理和组织协调难度大等[6-7] 。

近年来，国内外学者在挖掘机工作装置姿态实时监控方面取得一些进展：日本筑波大学利用安装在车身的激光扫描仪和单双目摄像机等光学设备和GPS设备，配合安装在铲斗、斗杆和动臂上的电位计，综合解算挖掘机工作装置相关结构的位置坐标和姿态信息[8-9]。南京工业大学与三一重机利用靶标板和视觉传感器等设备，实时记录挖掘机工作装置图像，通过图像处理，将像素坐标转化计算为工作装置的实时空间坐标和姿态信息[1]；美国天宝公司研发了基于挖掘机开挖施工过程的坡度控制和引导系统[\";徕卡公司开发了挖掘机3D智能引导系统[12]。但是，已建立的挖掘机姿态检测系统仅可作为普通挖掘机的辅助操作系统，仍然需要驾驶员的现场判断才能进行正常作业，不能直观、有效、精确地为驾驶员土方开挖提供引导，与土方开挖工程精确控制、质量管控、过程管理等要求仍存在差距。……