王瑞云，仵振東，張文鵬

1.宿州學(xué)院環(huán)境與測繪工程學(xué)院，宿州，234000; 2.池州學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,池州,247000;3.合肥市測繪設(shè)計(jì)研究院,合肥,230061

合肥駱崗機(jī)場凈空障礙物測量方法研究

王瑞云1，仵振東2，張文鵬3

1.宿州學(xué)院環(huán)境與測繪工程學(xué)院，宿州，234000; 2.池州學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,池州,247000;3.合肥市測繪設(shè)計(jì)研究院,合肥,230061

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,多層次、便捷高效的航空運(yùn)輸、交通等活動(dòng)會(huì)變得不可或缺。機(jī)場凈空是保障飛行器安全起飛、著陸和復(fù)飛等的重要前提,是機(jī)場設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營監(jiān)督階段的重要影響因素,甚至?xí)绊懙綑C(jī)場的飛行等級。在討論機(jī)場凈空障礙測量相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，根據(jù)合肥駱崗機(jī)場的實(shí)際情況，提出平面測量以RTK直接測量為主，高程測量以全站儀單向三角測量為主的外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法，同時(shí)設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的整體轉(zhuǎn)換。外業(yè)方法簡化了控制測量，增強(qiáng)了碎步測量的可操作性，內(nèi)業(yè)方法的程式化處理縮短了作業(yè)周期，同時(shí)移植性較強(qiáng)，提高了作業(yè)效率。

合肥駱崗機(jī)場；機(jī)場凈空障礙物測量；全站儀和RTK；VB程序設(shè)計(jì)

建國以來,尤其是改革開放以來,我國在中國特色社會(huì)主義建設(shè)中取得了舉世矚目的成就。國家的發(fā)展、經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速的增長都離不開便捷高效的交通,如果說煤等資源是經(jīng)濟(jì)的“血液”的話,那么一個(gè)國家的交通就應(yīng)該是其“經(jīng)絡(luò)”；同時(shí),中國龐大的人口基數(shù)帶來的出行需求也決定了必須要有高質(zhì)量的交通系統(tǒng)來滿足。航空作為一種高效便捷有效規(guī)避擁堵的交通選擇,在我國未來交通規(guī)劃藍(lán)圖中的重要環(huán)節(jié)得到了長足發(fā)展。據(jù)《中國民用航空發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃》[1],“十二五”期間,2015年總運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量852億噸公里,旅客運(yùn)輸量4.4億,貨郵運(yùn)輸量629萬噸,民用運(yùn)輸機(jī)場207個(gè)。按照規(guī)劃,“十三五”期間總周轉(zhuǎn)量將達(dá)到1 420億噸公里,旅客運(yùn)輸量將達(dá)到7.2億,貨郵運(yùn)輸量850萬噸,民用機(jī)場將超過260個(gè)；同時(shí)注重發(fā)展的結(jié)構(gòu)層次,指出通用航空要蓬勃發(fā)展,通用機(jī)場將達(dá)500個(gè)以上。以此為背景,貫穿于機(jī)場設(shè)計(jì)選址、施工以及監(jiān)督運(yùn)營階段的凈空調(diào)查與測量必將受到越來越多的重視,因?yàn)樗潜Ｕ巷w行器安全活動(dòng)于機(jī)場的前提。

1 機(jī)場凈空測量

為了保證飛機(jī)在機(jī)場的安全活動(dòng),必須在機(jī)場及其周邊區(qū)域提供一個(gè)特定的無障礙空間。該空間實(shí)際上主要有各個(gè)限制面來保證,是一個(gè)立體的概念,主要包括過渡面、進(jìn)近面、爬升面等,如圖1-3所示。

圖1 常見機(jī)場限制面示意圖

圖2 剖面示意圖H～H

圖3 剖面示意圖Z～Z

凈空在規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)以及運(yùn)營階段均需要顧及。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國大部分機(jī)場都存在凈空問題,有的甚至被迫關(guān)閉。依相關(guān)規(guī)范要求[2],獲取凈空區(qū)內(nèi)障礙物的坐標(biāo)信息,尤其是高程信息極為重要[3-4]。障礙物是指在機(jī)場起降范圍內(nèi)的較高建筑和構(gòu)筑物,比如超出凈空限制高度的建筑物、煙囪、信號塔、高壓線、高架橋等。凈空測量的目的就是獲得這些障礙物的三維坐標(biāo)信息，然后進(jìn)行各項(xiàng)計(jì)算和評估,服務(wù)設(shè)計(jì)和決策，要滿足機(jī)場管理生產(chǎn)部門的要求,一般為小比例尺作業(yè)。障礙物既有山體、高樓等高大物體,又有避雷針、通訊塔、輸電塔架等較小物體,高聳物體較多,很難登頂；機(jī)場凈空范圍一般較大,各目標(biāo)物分布零散,而作業(yè)時(shí)間緊任務(wù)重，這些特點(diǎn)都為測量工作帶來了困難[4-5]。過往的研究者作了各種嘗試,王建國等提出由于機(jī)場凈空評定是將障礙物的高程與機(jī)場凈空限制面的允許高程進(jìn)行比較,因而測量時(shí)無需建立控制點(diǎn),可以任意位置設(shè)站,平面位置可以由RTK直接測得,這種方法是全站儀結(jié)合GPS-RTK技術(shù)完成作業(yè)的典型[3]；安志國等參考前人研究[11-12]，提出目標(biāo)物平面位置可以由GPS-RTK直接測得,高程用RTK測得的地面高程與全站儀三角高程測得的高度相加得來[4]；張高興等[6]采用GPS靜態(tài)定位建設(shè)E級點(diǎn),全站儀水準(zhǔn)測量作為高程控制,連測E級網(wǎng)中的3個(gè)點(diǎn),作高程二次曲線擬合,以上為首級控制,最后用全站儀加密一、二級導(dǎo)線點(diǎn)和支點(diǎn),作為具體控制,目標(biāo)物的平面和高程均由交會(huì)法得到。其他研究者也根據(jù)研究對象的具體情況給出了有針對性的解決方案。

2 合肥駱崗機(jī)場凈空測量

2.1 機(jī)場凈空情況

合肥駱崗機(jī)場位于合肥市包河區(qū)美菱大道1號,距合肥市中心約9.5千米,真方位178°,坐標(biāo)北緯31°46′48″,東經(jīng)117°17′54″,占地約135公頃,于1977年11月建成使用。2013年5月,根據(jù)合肥市大建設(shè)發(fā)展統(tǒng)一規(guī)劃,新橋機(jī)場建成啟用,駱崗機(jī)場于2013年5月29日關(guān)閉停用。在合肥“十三五規(guī)劃綱要”和2016年政府工作報(bào)告中,都把發(fā)展通航產(chǎn)業(yè)列入了工作計(jì)劃,因此本著最大限度利用現(xiàn)有跑道和設(shè)施,依據(jù)通航產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃精神,2016年底經(jīng)批準(zhǔn)原駱崗機(jī)場改建為合肥駱崗?fù)ㄓ脵C(jī)場。

調(diào)閱原機(jī)場設(shè)計(jì)和各個(gè)階段測量資料,確認(rèn)機(jī)場凈空區(qū)范圍,結(jié)合區(qū)域內(nèi)合肥測繪院存檔大比例尺地形圖、衛(wèi)片和航片等資料,并進(jìn)行凈空調(diào)查。發(fā)現(xiàn)在駱崗機(jī)場關(guān)閉的三年中,由于高度規(guī)劃放開,結(jié)合合肥大建設(shè)的背景,周邊建設(shè)迅速加快,凈空破壞嚴(yán)重：跑道周邊凈空區(qū)內(nèi)有大量樓盤、商城寫字樓、高壓電塔、通訊信號塔等；機(jī)場凈空保護(hù)區(qū)外許多建筑海拔高度超出限制；另有在建和規(guī)劃未建的建筑物超出高度限制。

2.2 凈空障礙物測量

障礙物碎部點(diǎn)的采集可以采用RTK和全站儀結(jié)合的方法,前者易于到達(dá)的目標(biāo),效率高；后者可以應(yīng)對目標(biāo)物不易到達(dá)或者RTK無法獲得固定解的情況。需要注意的是,如果要求數(shù)據(jù)是基于WGS84橢球的或者前期資料收集和限制面計(jì)算完成較好,針對目標(biāo)物高程可以用地面標(biāo)高(推算得來)加建筑物高度,或者RTK測得地面標(biāo)高再加建筑物高度。建筑物高度可以使用RTK測量,或者由全站儀三角高程測得(包括單向三角、懸高、交會(huì)等方法)。如果要求提供正常高數(shù)據(jù),則需要考慮高程異常的影響,可以使用水準(zhǔn)面精化數(shù)據(jù)或者加入必要的高程控制,比如可以采用水準(zhǔn)測量或者全站儀三角高程等方法，從區(qū)域內(nèi)水準(zhǔn)點(diǎn)引測。

圖4 作業(yè)流程

本次作業(yè)方案流程如圖4所示。由合肥測繪院主導(dǎo)完成了城市三維空間定位系統(tǒng),核心內(nèi)容包括兩部分：合肥市衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(HFCORS)和合肥市大地水準(zhǔn)面精化(HFGEOID)[13]。前者運(yùn)行穩(wěn)定,精度可靠,后者模型可靠,精度可以達(dá)到厘米級。兩者結(jié)合可以很好地服務(wù)本次機(jī)場凈空障礙物測量,目標(biāo)物的平面位置,方便到達(dá)處可以采用CORS-RTK直接測得,特征點(diǎn)取與機(jī)場跑道軸線正交的最近點(diǎn)；不易到達(dá)的地方可以采用全站儀極坐標(biāo)法或者交會(huì)法測得。目標(biāo)物高程,對于最高點(diǎn)反射面比較大的,比如房屋、水塔等,可以直接用單向三角直接測得,可以任意設(shè)站后視一個(gè)輔助控制點(diǎn)(RTK測得),或者在一個(gè)輔助控制點(diǎn)上設(shè)站；對于目標(biāo)反射面較小或者周圍環(huán)境復(fù)雜不易接近的地方,比如避雷針、信號塔等,無棱鏡測距精度和測程會(huì)下降,這些目標(biāo)多是安放在基座上,如果其下方可以到達(dá)，則可以采用全站儀懸高測量,如果下方難以到達(dá)，可以在其附近適當(dāng)位置采集兩輔助控制點(diǎn)，然后進(jìn)行三角交會(huì)測量。

如圖5所示,a為單向三角測量,測量量為斜距和豎角；b為懸高測量,測量量為到棱鏡斜距和豎角以及棱鏡到最高點(diǎn)豎角；c為前方交會(huì),測量量為距離、兩個(gè)豎角和兩個(gè)水平角。三種方法都需要輔助控制點(diǎn),可以使用RTK在適當(dāng)位置采集,都以三角高程為基礎(chǔ),短距離內(nèi)可忽略球氣差的影響。前兩種方法施測時(shí)可以變動(dòng)儀器高施測兩次取均值,第二種方法應(yīng)注意棱鏡要立在目標(biāo)的正下方,第三種方法可看作是第二種方法的變種,其實(shí)質(zhì)為通過交會(huì)確定目標(biāo)的垂直投影位置,可克服目標(biāo)下方不易到達(dá)或者難以立鏡的困難,比如通訊鐵塔下方為水塘,施測時(shí)要注意交會(huì)角(γ角)的大小，最好控制在30°～120°,精度高,另外此種方法也可獲得平面位置。三角高程測量在施測中可以根據(jù)實(shí)際情況有很多變種,這里不再展開討論。最終得到成果截圖如圖6所示(經(jīng)過了縮放)的凈空區(qū)內(nèi)障礙物分布圖，圖面注記目標(biāo)物處實(shí)際海拔和限制面海拔。

圖5 凈空障礙物測量方法

圖6 平面測量成果圖(部分)

3 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

最終測量數(shù)據(jù)格式為南方CASS格式,為批量生成飛行設(shè)計(jì)院要求的格式,筆者采用VB語言完成了數(shù)據(jù)批量轉(zhuǎn)換的程序設(shè)計(jì),輸入機(jī)場基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo),即可得到障礙物相對于機(jī)場基準(zhǔn)點(diǎn)的真方位角,同時(shí)按照投影反算得到障礙物的經(jīng)緯度坐標(biāo)?；鶞?zhǔn)輸入GUI和最終成果截圖如圖7和圖8。

圖7 數(shù)據(jù)輸入GUI

圖8 成果數(shù)據(jù)表

4 結(jié) 語

采用CORS-RTK與全站儀結(jié)合的方法很好地完成了合肥駱崗機(jī)場的凈空障礙物測量作業(yè),自行設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序?？偨Y(jié)了現(xiàn)行測量方法的特點(diǎn),給出了自己的解決方案,限于篇幅沒有對各方法的精度作定量比較,下一步擬對各方法精度作進(jìn)一步研究,同時(shí)擬對基于3S技術(shù)的機(jī)場凈空障礙物三維可視化呈現(xiàn)展開研究。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

2017-07-26

池州學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目“基于Autolisp語言的建筑物三維建?！?2016ZR015)；池州學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目“應(yīng)用型本科院校測繪工程CAD課程體系改革研究”(2016XJYXM67)。

王瑞云(1986-)，山東濰坊人，碩士，助教，研究方向：工程測量。

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.10.031

P258

A

1673-2006(2017)10-0121-04