丁勇 項(xiàng)洪達(dá)

摘要：機(jī)場凈空障礙物遍布的范圍較大，傳統(tǒng)的測量方法費(fèi)時費(fèi)力。本文對于機(jī)場凈空障礙物的測量，基于遙感衛(wèi)星圖像的基于立體像對提取DEM的方式進(jìn)行障礙物高度普查測量，再通過無人機(jī)搭載GPS基于COBS技術(shù)進(jìn)行個案處理，以期達(dá)到一種高效準(zhǔn)確的測量方法，為機(jī)場對周邊障礙物的巡視檢查提供良好的工作方式。

關(guān)鍵詞：機(jī)場凈空；障礙物測量；立體像對；iRTK

隨著中國民航的快速發(fā)展，機(jī)場規(guī)模不斷擴(kuò)大，航班數(shù)量不斷增多，隨著以機(jī)場為核心的航空城的建起，機(jī)場周圍的建筑物的數(shù)量不斷增多，對機(jī)場的凈空環(huán)境構(gòu)成了很大挑戰(zhàn)和威脅。機(jī)場由此需要進(jìn)行巡視檢查，但是由于巡查面積過大，相關(guān)工作人員較少，依靠傳統(tǒng)的巡查和測量方式對機(jī)場障礙物進(jìn)行測量是困難的，因此需要一種較為準(zhǔn)確和高效的方法進(jìn)行機(jī)場凈空障礙物的測量，立體像對提取DEM技術(shù)及GPS則滿足這種需求。本文采用的機(jī)場凈空障礙物測量方法，首先通過遙感技術(shù)進(jìn)行大范圍的普測作業(yè)，然后通過GPS對個別可能突破限制面的建筑物進(jìn)行個案處理。

一、機(jī)場凈空障礙物巡查范圍及依據(jù)

機(jī)場凈空障礙物巡查的范圍是《機(jī)場勤務(wù)手冊》第6部分規(guī)定的外水平面，其范圍是以機(jī)場跑道中點(diǎn)為圓心，55kn3為半徑的一個圓，如圖1所示。從圖中可以看出，機(jī)場所需要巡查的面積很大，必須采用高效簡便的方法。

二、立體像對提取DEM技術(shù)測量

（一）遙感成像集合數(shù)據(jù)模型

遙感圖像的構(gòu)像方程，指地物點(diǎn)在圖像上的圖像坐標(biāo)（x，y）和其在地面對應(yīng)點(diǎn)的大地坐標(biāo)（X、Y、Z）之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。根據(jù)攝影測量原理，這兩個對應(yīng)點(diǎn)和傳感器成像中心成構(gòu)像關(guān)系，可以用構(gòu)像方程來表示。

通用構(gòu)像方程如下：

式中：A為傳感器坐標(biāo)系相對地面坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，是傳感器姿態(tài)角的函數(shù)。A=RΦRωRk

由此可得由像點(diǎn)坐標(biāo)可以解算大地（平面）坐標(biāo)的公式，稱為正算公式：

（二）有理函數(shù)模型

有理函數(shù)模型（Rational Function Model，RFM）將像點(diǎn)坐標(biāo)（r，c）表示為以相應(yīng)地面空間坐標(biāo)（X，Y，Z）為自變量的多項(xiàng)式比值，反映了地面點(diǎn)三維空間坐標(biāo)與相應(yīng)像點(diǎn)在像平面坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)關(guān)系。基于WGS84大地橢球坐標(biāo)系的有理函數(shù)模型如下式所示：

多項(xiàng)式P的形式如下：

pi（r，c，Z）=a0+a1Z+a2c+a3r+a4cZ+a5rZ+a6cr+a7Z2+a8c2+a9r2+a10crZ+a11cZ2+a12rZ2+a13c2Z+a14c2r+a15r2Z+a16cr2+a17Z3+a18c3+a19r3（5）

為了穩(wěn)定求解過程，需要將地面點(diǎn)坐標(biāo)和對應(yīng)像元坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，地面點(diǎn)坐標(biāo)及像元坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化如下：

公式中的參數(shù)分別表示像點(diǎn)坐標(biāo)和地面坐標(biāo)經(jīng)平移和縮放后的標(biāo)準(zhǔn)化坐標(biāo)（-1～+1）。下標(biāo)為。的參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)化平移參數(shù)，下標(biāo)為s的參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)化比例參數(shù)。將式（6）帶入式（4），整理可得：

式（7）中共有80個系數(shù)，此系數(shù)即為衛(wèi)星提供的有理多項(xiàng)系數(shù)（RPC），將衛(wèi)星文件提供的系數(shù)帶入式（7），即可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星影像與地面點(diǎn)之間的對應(yīng)，再通過地面控制點(diǎn)對有理函數(shù)系數(shù)（RPC）進(jìn)行修正，提高立體像對的精度。

（三）建筑物高度提取

建筑物的高度提取，目前有很多軟件支持立體像對提取DEM（數(shù)字高程模型）的技術(shù)，ENVI軟件便是其中一個，ENVI通過其DEM Extraction自動提取擴(kuò)展模塊，可以簡單、快速的從衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)中創(chuàng)建DEM（數(shù)字高程模型）。其提取步驟如下：

a.輸入立體像對圖像；

b.定義地面控制點(diǎn)；

c.定義連接點(diǎn)；

d.設(shè)定輸入?yún)?shù)；

e.輸出DEM及檢查結(jié)果；

f.編輯DEM。

（四）測量精度及范圍

通過遙感衛(wèi)星圖像進(jìn)行處理的精度誤差用相關(guān)系數(shù)及均方根誤差來表示。對于建筑的實(shí)測數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)的比對如圖2[1]所示：

通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出立體像對犯法對商業(yè)建筑及居民住宅的測量均方差分別為2.8m和2.5m。此精度隊(duì)機(jī)場障礙物的普遍測量來說達(dá)到了精度要求，為下一步的個案處理起到了很大作用。

應(yīng)用衛(wèi)星遙感圖像可以每次處理數(shù)十棟建筑物的三維坐標(biāo)，相比于傳統(tǒng)實(shí)地勘測，極大地提高了工作效率，節(jié)約了人力。

三、基于GORS的iRTK技術(shù)測量

由第2小節(jié)所述可知，由遙感衛(wèi)星圖像獲取的數(shù)據(jù)，經(jīng)過ENVI等軟件利用立體像對提取DEM技術(shù)已經(jīng)在大范圍的解決了巡視檢查中障礙物的測量，但是由于此技術(shù)測量存在較大誤差。因此需要使用更為精確的測量方法對于可能破壞機(jī)場凈空的障礙物進(jìn)行重新測定?；贑ORS的iRTK技術(shù)測量方法可以很精確的測量建筑物的高度。

（一）CORS技術(shù)

CORS系統(tǒng)由基準(zhǔn)站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、用戶應(yīng)用系統(tǒng)五個部分組成。CORS站在測量系統(tǒng)中，扮演著參考站，即基準(zhǔn)站的角色。在實(shí)地測量中，可以免去架設(shè)基準(zhǔn)站，而且CORS站覆蓋整個城市，對于機(jī)場如此大面積的測量范圍來說，可以全天候，全方位的進(jìn)行測量。（見圖3）

（二）iRTK技術(shù)

高精度的GPS測量必須采用載波相位觀測值，RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀測值的實(shí)時動態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r地提供測站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級精度。應(yīng)用iRTK技術(shù)，極大地提高了測量精度，對個別的障礙物高程給出了更加精確的評價，以便于決定障礙物是否影響飛機(jī)飛行安全。

（三）測f方法

對于個別有可能突破限制面的障礙物，將GPS移動臺架設(shè)到障礙物上，利用手簿調(diào)節(jié)好CORS站工作模式，選擇一種坐標(biāo)系，待坐標(biāo)變?yōu)楣潭ń庖院?，存儲坐?biāo)數(shù)據(jù)。外業(yè)完成后利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為機(jī)場坐標(biāo)，進(jìn)而進(jìn)行高度比對，確定障礙物是否突破障礙物的限制，破壞了機(jī)場凈空。

四、小結(jié)

本文給出了機(jī)場凈空障礙物測量的方法，首先通過獲取周邊障礙物的遙感衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)，然后通過立體像對提取DUE技術(shù)進(jìn)行解算，將獲取的像元坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為地理坐標(biāo)，確定障礙物的三維坐標(biāo)及高程。對于某些在誤差范圍內(nèi)有可能突破限制面的障礙物，可以使用更加精確的iRTK技術(shù)進(jìn)行測量，以便獲得更加精確的障礙物高程評價結(jié)果。此方法對于機(jī)場大面積的障礙物測量提供了快速、精確的結(jié)果，對解決實(shí)際問題有很大的幫助。

參考文獻(xiàn)：

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