高 釗

(自然資源部第一大地測(cè)量隊(duì)，陜西 西安)

引言

機(jī)場(chǎng)一般為了保障飛機(jī)起降安全，防止機(jī)場(chǎng)周圍有超高度的目標(biāo)影響機(jī)場(chǎng)安全運(yùn)行，劃定機(jī)場(chǎng)及其周圍地貌、地物高度不能超過(guò)限制高度的空間區(qū)域稱為機(jī)場(chǎng)凈空。依據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，人為規(guī)定了幾種機(jī)場(chǎng)凈空障礙物限制面, 凈空范圍內(nèi)的障礙物不能超過(guò)各限制面的高度。詳細(xì)準(zhǔn)確測(cè)量?jī)艨諈^(qū)內(nèi)障礙物坐標(biāo)和高度信息，判定對(duì)機(jī)場(chǎng)飛行安全的影響，具有重要意義。由于機(jī)場(chǎng)凈空范圍一般都比較大，障礙物測(cè)量難點(diǎn)在于障礙物限制面范圍的確定，判斷測(cè)量目標(biāo)是否構(gòu)成障礙物，以及障礙物數(shù)量較多容易漏測(cè)等問(wèn)題。

傳統(tǒng)測(cè)量方法一般采用GPS-RTK+全站儀的外業(yè)測(cè)量方法，該方法需要外業(yè)人員到達(dá)每個(gè)障礙物跟前測(cè)量，比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，容易漏測(cè)目標(biāo)。筆者根據(jù)參與的西北某規(guī)劃?rùn)C(jī)場(chǎng)障礙物測(cè)量項(xiàng)目，提出一種基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的內(nèi)外業(yè)相結(jié)合的障礙物測(cè)量方法，大大提高了障礙物測(cè)量工作效率，同時(shí)也很好的提高了障礙物識(shí)別和測(cè)量精度，取得了良好的效果。

1 凈空障礙物測(cè)量方案設(shè)計(jì)

本文采用的凈空障礙物測(cè)量方法主要首先通過(guò)對(duì)擬建機(jī)場(chǎng)實(shí)地踏勘，收集基礎(chǔ)按制資料；做好飛行航線設(shè)計(jì)，像按布設(shè)后，進(jìn)行無(wú)人機(jī)傾斜攝影，構(gòu)建高精度三維模型，獲取機(jī)場(chǎng)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(jī)場(chǎng)飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)不同等級(jí)機(jī)場(chǎng)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(guò)該模型和DSM 疊加計(jì)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(biāo)記疑似障礙物，然后外業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)核查測(cè)量，最后再通過(guò)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(cè)量方案流程

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影

通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建機(jī)場(chǎng)范圍高精度三維模型，可以一次性獲取機(jī)場(chǎng)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(duì)目標(biāo)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地踏勘并收集完基礎(chǔ)按制資料后，可以根據(jù)機(jī)場(chǎng)地形、構(gòu)筑物等情況，確定飛行平臺(tái)和傳感器和航攝參數(shù)，并進(jìn)行航線規(guī)劃。

2.2 像按布設(shè)

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

2.3 傾斜攝影飛行

傾斜攝影飛行時(shí)間一般選擇在白天光線條件好，目標(biāo)陰影小時(shí)段，大概10：00～15：00 左右，通過(guò)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(dǎo)入三維建模軟件通過(guò)聯(lián)合平差和多視影像匹配技術(shù)完成空三加密，并根據(jù)像按成果進(jìn)行按制點(diǎn)刺點(diǎn)，生成高精度的密集點(diǎn)云和三角網(wǎng)，通過(guò)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(jī)場(chǎng)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(shè)機(jī)場(chǎng)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(jìn)近面、內(nèi)進(jìn)近面、過(guò)渡面、內(nèi)過(guò)渡面、復(fù)飛面、起飛爬升面等共八個(gè)障礙物限制面。第二部分以機(jī)場(chǎng)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(biāo)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(jī)場(chǎng)飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)障礙物各限制面的規(guī)定，以及機(jī)場(chǎng)對(duì)應(yīng)飛行區(qū)指標(biāo)尺寸和坡度的要求，以提供的機(jī)場(chǎng)中心點(diǎn)2000 坐標(biāo)、跑道方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，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(biāo)要求按表1 飛行區(qū)指標(biāo)Ⅰ類執(zhí)行。

表1 障礙物限制面的尺寸和坡度

繪制完各個(gè)障礙物面的平面位置圖后，根據(jù)每個(gè)障礙物面對(duì)應(yīng)位置高程構(gòu)建TIN 模型，再運(yùn)用線性插值法，設(shè)置采樣距離將TIN 轉(zhuǎn)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(gè)障礙物面的柵格圖形進(jìn)行內(nèi)插運(yùn)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(guò)機(jī)場(chǎng)入口標(biāo)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(cè)量

4.1 影像上判讀疑似障礙物，標(biāo)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(guò)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(guò)第一部分障礙物限制面的所有地物，超過(guò)第二部分障礙物限制面的人工地物）等障礙物，并進(jìn)行標(biāo)記，內(nèi)業(yè)初步判定地物屬性。

4.2 外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與測(cè)量

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

（2） 對(duì)于距離觀測(cè)臺(tái)(站)較遠(yuǎn)障礙物，全站儀無(wú)棱鏡無(wú)法測(cè)量（建筑物一般40 m 以內(nèi)、樹木一般150 m 以內(nèi)）的情況，實(shí)地選擇地形高點(diǎn)，視野開闊，目視障礙物較多處架站，采用RTK 布設(shè)圖根按制點(diǎn)和全站儀依次觀測(cè)障礙物的水平方位角和垂直角，現(xiàn)場(chǎng)記錄準(zhǔn)確各障礙物屬性和角度值。

（3） 外業(yè)應(yīng)對(duì)覆蓋范圍進(jìn)行全面的一次排查，對(duì)內(nèi)業(yè)影像上無(wú)法分析得出（例如點(diǎn)狀的高壓線塔、通信桿、低壓桿等地物）或新建設(shè)地物進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)調(diào)、標(biāo)注和測(cè)量。

4.3 內(nèi)業(yè)驗(yàn)證，計(jì)算障礙物高程值

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

4.4 剔除不合理點(diǎn)

（1） 將障礙物坐標(biāo)展到DEM 上做空間提取分析，得到障礙物點(diǎn)對(duì)應(yīng)在DEM 上高程值，將計(jì)算得到的障礙物高程值和對(duì)應(yīng)的DEM 高程值做差，統(tǒng)計(jì)高差值，剔除掉高差明顯不合理點(diǎn)。

（2） 外業(yè)架站測(cè)量障礙物時(shí)各站存在測(cè)量障礙物交叉重合點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)出重合點(diǎn)信息，并對(duì)比不同站測(cè)得高程值，互相檢驗(yàn)測(cè)量值，剔除誤差大點(diǎn)。

5 成果及精度檢驗(yàn)

根據(jù)外業(yè)測(cè)量障礙物的方位角及測(cè)站坐標(biāo)，結(jié)合影像圖分析得到準(zhǔn)確的障礙物位置、高度信息，或直接根據(jù)外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到障礙物準(zhǔn)確位置和高度信息，制作障礙物測(cè)量成果表。西北某機(jī)場(chǎng)測(cè)共測(cè)量障礙物成果點(diǎn)748 個(gè)。在成果表上標(biāo)明每個(gè)障礙物的編號(hào)、性質(zhì)、真北方位、距離、坐標(biāo)和高程等信息，成果及精度指標(biāo)見表2。

對(duì)所測(cè)障礙物結(jié)果進(jìn)行精度檢核，采用全站儀實(shí)測(cè)部分障礙物位置和高度，統(tǒng)計(jì)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(cè)量檢核精度：共統(tǒng)計(jì)40 點(diǎn)，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(cè)量檢核精度：共統(tǒng)計(jì)43 點(diǎn)，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(shè)計(jì)要求。最終障礙物測(cè)量成果統(tǒng)計(jì)如表3 所示。

表3 障礙物測(cè)量成果統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)論

本文采取的機(jī)場(chǎng)凈空障礙物測(cè)量方法將三維建模新方法與傳統(tǒng)測(cè)繪法相結(jié)合，減少了外業(yè)工作量，在保證測(cè)量精度的同時(shí)提高了測(cè)繪效率，具體優(yōu)勢(shì)主要有以下幾方面：

（1） 完成繪制的機(jī)場(chǎng)凈空限制面數(shù)學(xué)模型為之后不同等級(jí)機(jī)場(chǎng)凈空測(cè)繪相關(guān)工作積累了一定的資料和經(jīng)驗(yàn)，為再開展類似工作打好了基礎(chǔ)。

（2） 驗(yàn)證了內(nèi)業(yè)判讀-外業(yè)測(cè)量-內(nèi)業(yè)反算測(cè)量?jī)艨照系K物方法的可行性和精度，尤其針對(duì)本項(xiàng)目機(jī)場(chǎng)場(chǎng)址選在山區(qū)，障礙物數(shù)量較大，測(cè)量條件復(fù)雜不易到達(dá)的情況下，該方法相比傳統(tǒng)RTK+全站儀測(cè)量的外業(yè)方法更具有優(yōu)勢(shì)，減少了大量外業(yè)工作，極大提高了測(cè)量效率。