在基础设施建设领域，三维激光测量技术提供了快捷的测绘手段，得出全面、可视化、精准测量结果，供设计规划、研究计算、场景仿真等，被广泛应用于城市、公路、铁路、水利、港口等项目的建设及信息化。

背景

　　近年来，随着国家对海洋资源的持续开发与利用，海洋沿岸基础设施的改扩建工作也正紧锣密鼓地进行着。今年，武汉海达数云技术有限公司与国内某机构合作，参与了南沙游轮码头改造的测绘建模项目（图1）。

　　图1：南沙游轮码头卫星影像图

项目简介

　　扩建需要对原码头数据进行测量。该码头防波堤由水泥板与水泥支撑柱组成，支撑柱长约30米，呈规则圆柱形。日常水位时支撑柱位于水下，最低潮位时支撑柱露出水面约1.5米。项目最终目标需获得支撑柱的斜率及其柱尾端的位置坐标和高程。

　　因测区及水位限制，常规设备无法完成本项目的测绘。海达数云工作人员通过HiScan-STM船载模式，快速精确的提供了设计方所需数据成果。

设备一览

　　HiScan-STM移动测量系统（图2、图3）是海达数云自主研制的基于三维激光扫描系统（可基于已有地面扫描仪升级），与高清全景相机、定位定姿系统（POS）、集成控制系统、数据处理与应用系统集成的一体化三维激光移动测量系统，具备车载移动、船载移动（可与多波束测深仪协同工作）、地面单站测量的作业模式。

　　图2：HiScan-STM移动测量系统

　　为用户提供多种选择的作业方案、提供多样性的作业流程，广泛应用于三维数字城市、地籍测量、城市街景、城管部件普查、交通基础设施测量、矿山三维测量、航道堤岸测量、海岛礁岸线三维测量等领域。

工作原理

　　海达数云HiScan-STM移动测量系统船载模式融合了三维激光扫描技术、GPS/INS（惯性导航系统）集成技术和智能数据处理技术等。

　　HiScan-STM通过GPS/INS统一的位置和姿态将水上桥墩数据与水下桥墩模拟推算数据归算到同一个坐标参考，其中，水上桥墩三维地形测量采用HiScan-STM船载模式，水下桥墩数据采用模拟反演方式获得。在行进过程中，完成水上三维地形的一体化采集建库，同时，完成沿线的水利设施，如涵闸、水上交通设施、水上监控设施的测量与建库。

　　图3：HiScan-STM移动测量系统工作原理图

　　此外，该系统上集成的高清CCD相机还可以完成沿线三维实景影像数据的同步采集和建库，为数字水利实景三维可视化管理提供大量可量测的三维实景影像。

测量过程及成果

　　在潮位较低的时候，采用HiScan-STM船载模式，对码头支撑水泥柱进行三维激光扫描，获取其点云数据（图4、图5）。

　　图4：海达数云用HiScan-STM船载模式作业现场

　　图5：海达数云HiScan-STM船载作业设备

　　获得点云数据之后，对数据进行滤波、去噪（图6）；同时根据预处理后点云数据计算出水泥柱的直径、倾角及柱尾端位置等几何参数（图7），最后加上由水泥柱承载力反算出的水泥柱长度，拟合生成水泥柱的模型（图8、图9），从而获知柱体在水下的空间几何数据。

　　图6：码头栈桥及水泥柱点云影像

　　图7：支撑水泥柱N-E(XY)平面位置分布图

　　图8：水泥柱反演拟合模型

　　图9：水泥柱三维分布图（部分）

技术分析

　　由于GPS是一种有源定位系统，船载三维数据获取和处理系统需要在复杂、颠簸的海浪环境中工作，对于平面定位，需要GPS-RTK实时传送高精度的差分信号，必须满足高速定位的需求；对于高程定位而言，由于高程异常的存在，GPS-RTK高程精度存在不确定性，这就需要开发相应技术，提高GPS-RTK高程的定位精度。

　　惯性导航系统INS则是一种无源的自主定位系统，它通过内部的惯性元件测得载体三轴角速度、加速度，经积分运算处理来获取测量载体的定位定姿数据，其优点是完全自主，抗干扰能力强，实时性好，但惯性导航系统的误差会随时间积累，必须及时用GPS数据来修正，消除其累积误差。

　　为保障船载三维数据测量的完整性和连续性，必须将GPS/INS组合起来联合定位定姿。因此，GPS/INS的集成定位定姿处理是该测量系统的一项关键技术。

小结

　　如果无法对码头下方水泥柱进行精确测量，为避免扩建时打桩位置接触已有水泥柱，需要对码头进行爆破拆解、开挖，清除旧建筑后重新建造；或选择异地新建码头，两种方案都会带来数千万的额外成本，工期也会增加三个月以上。

　　海达数云通过自主研发的HiScan-STM船载模式快速获取桥墩柱体的水上模型，利用几何参数的高精度反演获取水下部分主体的大致形状，解决了常规方法无法对上方有覆盖物、平时淹没于水中、离岸超过300米的物体的测量问题，并根据物体几何特性推算埋入泥沙部分的位置、姿态，为老旧码头改扩建、老旧桥梁改建或特殊工程建造带来了新的解决方案。