李杰龍

（韶關(guān)市測繪研究院，廣東 韶關(guān) 512000）

1 概述

根據(jù)《MH 5001-2013 民用機(jī)場飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定，機(jī)場上空要設(shè)立凈空區(qū)，以保障飛機(jī)的起降安全。機(jī)場凈空是指機(jī)場附近沿起降航線一定范圍內(nèi)的空域，即在跑道兩端和兩側(cè)上空，為飛機(jī)起飛爬升、降落下滑和目視盤旋需要所規(guī)定的空域，機(jī)場凈空區(qū)為控制機(jī)場周圍障礙物的高度而設(shè)置。[1]在飛行程序進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，需要考慮凈空區(qū)中超高的障礙物的影響，因此需要排查機(jī)場凈空區(qū)中的超高障礙物[2]。在機(jī)場投入使用后，也要對機(jī)場凈空區(qū)內(nèi)的障礙物進(jìn)行管理，特別是要對新建的人工建、構(gòu)筑物的高度進(jìn)行控制。

本文將探討一種多數(shù)據(jù)結(jié)合的凈空區(qū)障礙物提取方法。即通過多種地理數(shù)據(jù)，獲取的高分辨率數(shù)字正射影像圖（DOM）、高分辨率的數(shù)字地面模型（DEM）及數(shù)字地表模型（DSM）、原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)等，結(jié)合機(jī)場凈空區(qū)限制面模型采用疊加分析等GIS手段來提取符合條件的障礙物。

2 機(jī)場凈空區(qū)障礙物提取現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的測量超過障礙物的方法是采用人工實(shí)測的方法進(jìn)行，如采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、全站儀、RTK等傳統(tǒng)測量技術(shù)測量機(jī)場及其周邊的樓房、電塔、信號發(fā)射塔、煙囪等建構(gòu)物的平面位置和頂端高度，再通過圖解法計(jì)算機(jī)場凈空區(qū)同一平面位置的障礙物許可高度，用實(shí)測頂端高度與許可高度進(jìn)行比較，從而篩選出超高的障礙物。這種方法時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本極大且人工計(jì)算容易出錯(cuò)。

有學(xué)者使用地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System, GIS）來對機(jī)場凈空障礙物進(jìn)行分析和提取，國內(nèi)研究起步較晚，但近些年來發(fā)展迅速，已取得了一定成果。種小雷等人建立了基于特征的GIS機(jī)場凈空評定地學(xué)模型[2]；李鵬等人將數(shù)字地形分析和三維可視化技術(shù)應(yīng)用到機(jī)場凈空障礙物的分析[3]；楊武年、李天華等人構(gòu)建機(jī)場凈空區(qū)模型，采取GIS空間分析技術(shù)提取障礙物。這些都具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，也取得了不錯(cuò)的效果。

國外使用GIS手段來分析機(jī)場凈空區(qū)并提取障礙物已較為成熟。如Chun Wang，Yong Hu 等通過航空影像和數(shù)字地形圖建立器三維障礙物限制面；Waheed Uddin 利用機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立起三維數(shù)字地形模型，并對凈空區(qū)障礙物進(jìn)行空間分析和管理[4]。

3 機(jī)場凈空區(qū)許可高度模型的構(gòu)建

3.1 研究區(qū)選取

機(jī)場新建或改擴(kuò)建建設(shè)可分為前期階段、設(shè)計(jì)階段、實(shí)施階段和驗(yàn)收階段，其中在設(shè)計(jì)階段有一項(xiàng)機(jī)場飛行程序設(shè)計(jì)需要排查出機(jī)場凈空區(qū)內(nèi)的超高障礙物，規(guī)劃飛機(jī)起降航線。保障飛行安全。而根據(jù)本文的一種多數(shù)據(jù)結(jié)合的機(jī)場凈空區(qū)障礙物提取方法可以將該類障礙物提取出來。

韶關(guān)機(jī)場位于韶關(guān)市乳源縣桂頭鎮(zhèn)，距離韶關(guān)市區(qū)30公里，為繁榮旅游市場，優(yōu)化交通布局，促進(jìn)韶關(guān)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，現(xiàn)正對原軍用機(jī)場改擴(kuò)建為軍民合用機(jī)場，項(xiàng)目已進(jìn)行到竣工設(shè)計(jì)階段。需要構(gòu)建1300 多平方公里的機(jī)場凈空區(qū)，并篩選出超高的人工障礙物。本文將以此作為研究區(qū)域來進(jìn)行分析和提取。

3.2 建模約束條件分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方要求一共要提交三類障礙物，機(jī)場障礙物限制面內(nèi)，突破起飛航徑區(qū)的障礙物和機(jī)場限制面外北端跑道入口35 公里、南端跑道入口30 公里×兩側(cè)各10 公里范圍內(nèi)的障礙物。

為保隙航空器起降安全利場安全運(yùn)行，防止由于機(jī)場周圍障礙物地多而使機(jī)場無法使用，規(guī)定了幾種障礙物限制面，用以限制機(jī)場及其周圍地區(qū)障礙物的高度，包括內(nèi)水平面、錐形面、進(jìn)近面、過渡面等[1]。根據(jù)中華人民共和國民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《MH 5001-2013 民用機(jī)場飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中的要求在CAD中繪制出如圖1。

圖1 機(jī)場障礙物限制面

從跑道兩端中心點(diǎn)為起點(diǎn)，沿跑道中心線從兩側(cè)各90米寬擴(kuò)張至兩側(cè)各900 米寬度，坡度1.2%的起飛航徑區(qū)，見圖2。

圖2 起飛航徑區(qū)

機(jī)場限制面外北端跑道入口35 公里、南端跑道入口30 公里×兩側(cè)各10 公里范圍，該平面的高程為機(jī)場中心點(diǎn)標(biāo)高加上150 米，即236.08 米，見圖3。

圖3 外平面范圍

3.3 模型設(shè)計(jì)

可以看到三種類型的面有相互重疊的區(qū)域，分別在CAD 中繪制出設(shè)計(jì)面，其中內(nèi)水平面、進(jìn)近面等采用繪制密集等高線的方法來進(jìn)行擬合。在將帶有高程數(shù)據(jù)的CAD轉(zhuǎn)為shapfiles 線狀失量文件。將帶有高程屬性線轉(zhuǎn)換為折點(diǎn)，融合三種設(shè)計(jì)面得到到點(diǎn)集，對點(diǎn)集進(jìn)行修改，以保障重疊區(qū)域高度取到最低值，采用Delaunay 三角剖分方法將點(diǎn)集轉(zhuǎn)成TIN（不規(guī)則三角網(wǎng)）[5]，即設(shè)計(jì)出了凈空區(qū)許可高度模型，為方便后續(xù)處理，將TIN 轉(zhuǎn)換為分辨率0.1 米的柵格數(shù)據(jù)，在Arcscene 中可三維地瀏覽和驗(yàn)證模型，見圖4。

圖4 機(jī)場凈空區(qū)許可高度模型

4 凈空區(qū)障礙物提取

根據(jù)上述構(gòu)建好的機(jī)場凈空區(qū)許可高度模型與多種數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行GIS分析來提取機(jī)場凈空區(qū)超高障礙物。

4.1 提取流程設(shè)計(jì)

采用Arcgis 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和提取。首先對原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分層，處理得到數(shù)字高程模型DEM、DSM。許可高度模型柵格與DSM進(jìn)行疊加分析，獲得超高的區(qū)域矢量圖形，接著將矢量圖形疊加DOM上，提取出障礙物的類別和平面位置信息，提取出的點(diǎn)位分別與DEM和DSM進(jìn)行疊加處理，求取各個(gè)點(diǎn)的地面高程和頂端高程。使用點(diǎn)云數(shù)據(jù)對提取的障礙物進(jìn)行檢驗(yàn)，即將障礙物shpfile 疊加到原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中去；最后經(jīng)過整理形成障礙物坐標(biāo)表提交給設(shè)計(jì)方。處理的流程如圖5。

圖5 提取流程圖

4.2 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

近年來，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)逐漸嶄露頭角，它是利用全球定位系統(tǒng)和慣性測量裝置機(jī)載激光掃描。其所測得的數(shù)據(jù)為地表的離散點(diǎn)表示，即通常所說的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中含有空間三維信息和激光強(qiáng)度信息，去除噪聲后即可處理為數(shù)字表面模型（DSM）[6]。應(yīng)用分類技術(shù)在這些原始數(shù)字表面模型中移除建筑物、人造物、覆蓋植物等測點(diǎn)，即可獲得數(shù)字地面模型（DEM），并同時(shí)得到地面覆蓋物的高度。獲取韶關(guān)機(jī)場1350 平方千米的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和分層處理，得到地面點(diǎn)高程數(shù)據(jù)和帶有頂端高程值屬性的點(diǎn)數(shù)據(jù)，由分層的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別進(jìn)行內(nèi)插，處理得到0.2 米分辨率的DEM和0.2 米分辨率的DSM。

利用航空攝影資料和外業(yè)成果，對測區(qū)進(jìn)行加密分區(qū)，在全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站PixelGrid 軟件中進(jìn)行空中三角測量計(jì)算。把空三成果導(dǎo)入PixelGrid 海量影像處理系統(tǒng)，利用一定上述的DEM數(shù)據(jù)成果對原始影像進(jìn)行正射糾正，通過自動(dòng)鑲嵌、勻色，分幅裁切輸出彩色正射影像圖DOM成果[7]。

4.3 疊加分析獲取超高區(qū)域

由3.3 中處理后得到的機(jī)場凈空區(qū)許可高度模型的柵格數(shù)據(jù)與DSM進(jìn)行疊加分析，即使用Arcgis 中的柵格計(jì)算器進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，DSM減去許可高度柵格，柵格值大于零的像元所在位置是超高區(qū)域，將處理后的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類和柵格轉(zhuǎn)面操作后得到超高區(qū)域矢量圖形[4]。

4.4 提取超高障礙物

將矢量圖形疊加到0.2 米分辨率的正射影像上，在超高區(qū)域內(nèi)進(jìn)行目視判斷，提取出障礙物的類別和平面位置信息，包括高壓線桿、塔、煙囪、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、塔臺、高層建筑等障礙物。將這些障礙物轉(zhuǎn)為點(diǎn)要素?cái)?shù)據(jù)。

提取出的點(diǎn)分別與DEM和DSM進(jìn)行疊加分析，即基于一組點(diǎn)要素提取柵格像元值，并將這些值記錄到輸出要素類的屬性表中。分別求取各個(gè)點(diǎn)的地面高程和頂端高程。使用點(diǎn)云數(shù)據(jù)對提取的障礙物進(jìn)行檢驗(yàn)，即將障礙物shpfile 疊加到原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中去，在ArcScene 中進(jìn)行疊加，如圖6 所示，能比較直觀的看出電塔的形狀，基于此刪除錯(cuò)誤的障礙物，添加遺漏的障礙物，修改錯(cuò)誤的地面高程和頂端高程。最后獲得正確的障礙物點(diǎn)要素?cái)?shù)據(jù)。

圖6 障礙物疊加點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核

4.5 整理成表格

經(jīng)過檢核無誤后，通過地理投影，將投影坐標(biāo)系統(tǒng)反算為地理坐標(biāo)，計(jì)算出經(jīng)緯度坐標(biāo)，求取障礙物高度（頂端高程減去地面高程），接著導(dǎo)出表格，經(jīng)過整理后得到成果表。經(jīng)過上述提取分析，在1350 平方公里范圍內(nèi)，共提取到434 個(gè)超高障礙物，見表1。

表1 韶關(guān)機(jī)場改擴(kuò)建工程項(xiàng)目人工障礙物坐標(biāo)表

圖7 超高障礙物分布情況

5 結(jié)論

本文以韶關(guān)機(jī)場為例，對其凈空區(qū)障礙物提取是先設(shè)計(jì)出機(jī)場凈空區(qū)許可高度模型，接著與由點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理得到的DSM數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析從而得到超過限制面的區(qū)域，再在這些區(qū)域中通過正射影像圖目視判斷出人工障礙物，最后經(jīng)過點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢核后出具成果表。通過該方法提取出了1350 平方公里的400 多個(gè)障礙物數(shù)據(jù)，耗時(shí)僅25 天就將數(shù)據(jù)及時(shí)提交給設(shè)計(jì)方，為韶關(guān)機(jī)場飛行控制程序的設(shè)計(jì)提供了支持，取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益，也為其他地方機(jī)場凈空提取障礙物提供了借鑒。