高 釗

(自然資源部第一大地測量隊，陜西 西安)

引言

機場一般為了保障飛機起降安全，防止機場周圍有超高度的目標影響機場安全運行，劃定機場及其周圍地貌、地物高度不能超過限制高度的空間區(qū)域稱為機場凈空。依據(jù)《民用機場飛行區(qū)技術標準》，人為規(guī)定了幾種機場凈空障礙物限制面, 凈空范圍內(nèi)的障礙物不能超過各限制面的高度。詳細準確測量凈空區(qū)內(nèi)障礙物坐標和高度信息，判定對機場飛行安全的影響，具有重要意義。由于機場凈空范圍一般都比較大，障礙物測量難點在于障礙物限制面范圍的確定，判斷測量目標是否構成障礙物，以及障礙物數(shù)量較多容易漏測等問題。

傳統(tǒng)測量方法一般采用GPS-RTK+全站儀的外業(yè)測量方法，該方法需要外業(yè)人員到達每個障礙物跟前測量，比較費時費力，容易漏測目標。筆者根據(jù)參與的西北某規(guī)劃機場障礙物測量項目，提出一種基于無人機傾斜攝影測量的內(nèi)外業(yè)相結合的障礙物測量方法，大大提高了障礙物測量工作效率，同時也很好的提高了障礙物識別和測量精度，取得了良好的效果。

1 凈空障礙物測量方案設計

本文采用的凈空障礙物測量方法主要首先通過對擬建機場實地踏勘，收集基礎按制資料；做好飛行航線設計，像按布設后，進行無人機傾斜攝影，構建高精度三維模型，獲取機場范圍高清正射影像、數(shù)字高程模型DEM 和數(shù)字表面模型DSM。根據(jù)《民用機場飛行區(qū)技術標準》中對不同等級機場障礙物各限制面的規(guī)定制作凈空區(qū)障礙物參考面模型，通過該模型和DSM 疊加計算篩選出超出障礙物面的矢量范圍，并利用正射影像內(nèi)業(yè)目視判讀標記疑似障礙物，然后外業(yè)進行重點核查測量，最后再通過內(nèi)業(yè)反算得出障礙物高度。方案流程如圖1 所示。

圖1 凈空障礙物測量方案流程

2 無人機傾斜攝影

通過無人機傾斜攝影技術構建機場范圍高精度三維模型，可以一次性獲取機場高清正射影像、數(shù)字高程模型DEM 和數(shù)字表面模型DSM。

2.1 航線規(guī)劃

首先對目標機場進行實地踏勘并收集完基礎按制資料后，可以根據(jù)機場地形、構筑物等情況，確定飛行平臺和傳感器和航攝參數(shù)，并進行航線規(guī)劃。

2.2 像按布設

根據(jù)規(guī)劃好的航線，每隔250 m 左右均勻布設L型靶標。點位盡量選在地勢平坦、視野開闊、圖上易于識別、不易破壞處。布設時在土質松軟的地方可以均勻布設L 型灰標，在公路等硬化地面可直接刷涂L 型白色漆標。

2.3 傾斜攝影飛行

傾斜攝影飛行時間一般選擇在白天光線條件好，目標陰影小時段，大概10：00～15：00 左右，通過五鏡頭或三鏡頭傳感器獲取多角度影像。

2.4 高精度三維建模

飛行獲取高清影像和pos 數(shù)據(jù)后，導入三維建模軟件通過聯(lián)合平差和多視影像匹配技術完成空三加密，并根據(jù)像按成果進行按制點刺點，生成高精度的密集點云和三角網(wǎng)，通過紋理映射方式最終生成三維模型以及DSM、DOM、DEM 等產(chǎn)品。

3 機場障礙物限制面模型制作及范圍提取

3.1 障礙物限制面要求

以西北某擬建設機場為例，障礙物限制面由兩大部分組成，第一部分為凈空障礙物面，包括內(nèi)水平面、錐形面、進近面、內(nèi)進近面、過渡面、內(nèi)過渡面、復飛面、起飛爬升面等共八個障礙物限制面。第二部分以機場中心為圓心，凈空障礙物面范圍外、半徑10 km范圍內(nèi)，高出原地面15 m 且高出就近跑道入口標高40 m 的人工障礙物，見圖2。

圖2 障礙物限制面平面示意

3.2 障礙物限制面模型繪制及范圍提取

第一部分凈空障礙物面范圍提取首先根據(jù)《民用機場飛行區(qū)技術標準》中對障礙物各限制面的規(guī)定，以及機場對應飛行區(qū)指標尺寸和坡度的要求，以提供的機場中心點2000 坐標、跑道方向為基準，繪制凈空障礙物面的平面位置圖。具體各障礙物限制面的指標要求按表1 飛行區(qū)指標Ⅰ類執(zhí)行。

表1 障礙物限制面的尺寸和坡度

繪制完各個障礙物面的平面位置圖后，根據(jù)每個障礙物面對應位置高程構建TIN 模型，再運用線性插值法，設置采樣距離將TIN 轉換成柵格圖形，即得到各障礙物面的立體模型，將傾斜攝影得到的高精度數(shù)字高程模型DEM、數(shù)字表面模型DSM 和每個障礙物面的柵格圖形進行內(nèi)插運算，提取出高于凈空障礙物面的障礙物矢量范圍。

第二部分凈空障礙物面范圍外、半徑10 km 范圍內(nèi)的障礙物面范圍提取方法同第一部分類似，將超過機場入口標高40 m 高的障礙物面同已有DSM 疊加，篩選出高于障礙物面的范圍。

4 障礙物判定及測量

4.1 影像上判讀疑似障礙物，標記位置屬性

將篩選出的障礙物面矢量范圍疊加在已有高清影像上，通過目視判讀初步篩選出范圍內(nèi)高壓線塔、通信塔、微波塔、水塔、煙囪、橋梁等疑似障礙物（超過第一部分障礙物限制面的所有地物，超過第二部分障礙物限制面的人工地物）等障礙物，并進行標記，內(nèi)業(yè)初步判定地物屬性。

4.2 外業(yè)現(xiàn)場調查與測量

（1） 將內(nèi)業(yè)初步篩選標記出的疑似障礙物在圖中進行標注，打印工作用圖，外業(yè)逐一進行排查，確認其屬性并進行位置和高度測量。

（2） 對于距離觀測臺(站)較遠障礙物，全站儀無棱鏡無法測量（建筑物一般40 m 以內(nèi)、樹木一般150 m 以內(nèi)）的情況，實地選擇地形高點，視野開闊，目視障礙物較多處架站，采用RTK 布設圖根按制點和全站儀依次觀測障礙物的水平方位角和垂直角，現(xiàn)場記錄準確各障礙物屬性和角度值。

（3） 外業(yè)應對覆蓋范圍進行全面的一次排查，對內(nèi)業(yè)影像上無法分析得出（例如點狀的高壓線塔、通信桿、低壓桿等地物）或新建設地物進行現(xiàn)場補調、標注和測量。

4.3 內(nèi)業(yè)驗證，計算障礙物高程值

內(nèi)業(yè)根據(jù)測量障礙物的方位角以及測站坐標，在CAD 展出以測站為起點的射線疊加在影像圖上，在影像圖上根據(jù)射線方向標注目標障礙物，根據(jù)目標障礙物標注點坐標獲取地物到臺（站）址的距離，并通過垂直角計算其高程信息，得到障礙物高度。由于計算得出的障礙物高度是大地高，還需要經(jīng)過似大地水準面精化成果轉換成85 正常高。

4.4 剔除不合理點

（1） 將障礙物坐標展到DEM 上做空間提取分析，得到障礙物點對應在DEM 上高程值，將計算得到的障礙物高程值和對應的DEM 高程值做差，統(tǒng)計高差值，剔除掉高差明顯不合理點。

（2） 外業(yè)架站測量障礙物時各站存在測量障礙物交叉重合點，統(tǒng)計出重合點信息，并對比不同站測得高程值，互相檢驗測量值，剔除誤差大點。

5 成果及精度檢驗

根據(jù)外業(yè)測量障礙物的方位角及測站坐標，結合影像圖分析得到準確的障礙物位置、高度信息，或直接根據(jù)外業(yè)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到障礙物準確位置和高度信息，制作障礙物測量成果表。西北某機場測共測量障礙物成果點748 個。在成果表上標明每個障礙物的編號、性質、真北方位、距離、坐標和高程等信息，成果及精度指標見表2。

對所測障礙物結果進行精度檢核，采用全站儀實測部分障礙物位置和高度，統(tǒng)計分析平面位置和高程精度如下：

凈空障礙物限制面范圍內(nèi)障礙物測量檢核精度：共統(tǒng)計40 點，平面位置中誤差為0.279 m，高程中誤差為0.188 m。

凈空障礙物限制面范圍外、10 Km 半徑范圍內(nèi)障礙物測量檢核精度：共統(tǒng)計43 點，平面位置中誤差為2.948 m，高程中誤差為1.769 m 均滿足規(guī)范和設計要求。最終障礙物測量成果統(tǒng)計如表3 所示。

表3 障礙物測量成果統(tǒng)計

6 結論

本文采取的機場凈空障礙物測量方法將三維建模新方法與傳統(tǒng)測繪法相結合，減少了外業(yè)工作量，在保證測量精度的同時提高了測繪效率，具體優(yōu)勢主要有以下幾方面：

（1） 完成繪制的機場凈空限制面數(shù)學模型為之后不同等級機場凈空測繪相關工作積累了一定的資料和經(jīng)驗，為再開展類似工作打好了基礎。

（2） 驗證了內(nèi)業(yè)判讀-外業(yè)測量-內(nèi)業(yè)反算測量凈空障礙物方法的可行性和精度，尤其針對本項目機場場址選在山區(qū)，障礙物數(shù)量較大，測量條件復雜不易到達的情況下，該方法相比傳統(tǒng)RTK+全站儀測量的外業(yè)方法更具有優(yōu)勢，減少了大量外業(yè)工作，極大提高了測量效率。