上海浦東國際機(jī)場第四跑道凈空障礙物測量

吳述龍

摘 要：本文結(jié)合上海浦東國際機(jī)場第四跑道凈空障礙物測量這一工程項目，簡要介紹了機(jī)場凈空限制面的概念及分類。詳盡闡述了機(jī)場空域飛行障礙物測量工作流程及具體測量方法。針對障礙物測量工作的難點(diǎn)，對各種測量方法的運(yùn)用進(jìn)行研究探討和比較，以期對今后類似工程的開展起到了一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：機(jī)場凈空限制面 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫 凈空障礙物測量 RTK

中圖分類號：P258 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）10（a）-0085-03

隨著我國航空事業(yè)的快速發(fā)展，飛行安全問題越來越受到人們的關(guān)注。在有限的空域內(nèi)一旦設(shè)置出現(xiàn)哪怕是細(xì)小的問題，都將影響到航空飛行器的飛行安全。而準(zhǔn)確現(xiàn)勢的空域飛行障礙物圖作為機(jī)場飛行管理使用手冊重要內(nèi)容，關(guān)系到機(jī)場空域飛行器航路的精密設(shè)置，對于飛行安全尤顯重要。

正是基于安全方面的考慮，在浦東國際機(jī)場第四跑道即將進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行前，上海機(jī)場（集團(tuán)）公司特委托上海市測繪院對第四跑道進(jìn)行障礙物測量，繪制第四跑道的空域飛行障礙物圖，確保第四跑道運(yùn)營安全。

1 目標(biāo)和內(nèi)容

凈空障礙物測量的主要內(nèi)容是以浦東國際機(jī)場第四跑道中心點(diǎn)為原點(diǎn)，調(diào)查半徑15km內(nèi)的各類障礙物詳細(xì)情況，同時對半徑50km內(nèi)高于機(jī)場跑道中心點(diǎn)150m的障礙物進(jìn)行調(diào)查并詳細(xì)測量。

本次凈空障礙物測量的平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用上海市城市平面坐標(biāo)系統(tǒng)，高程系統(tǒng)采用上海吳淞高程系統(tǒng)。成果資料提交機(jī)場空管中心后，由空管中心統(tǒng)一將障礙物的平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成WGS84系統(tǒng)坐標(biāo)。相對浦東機(jī)場第四跑道中心以及機(jī)場基準(zhǔn)點(diǎn)，計算出各障礙物的相對磁方位角以及各障礙物距離跑道中心點(diǎn)的距離等相關(guān)數(shù)據(jù)。高程系統(tǒng)也相應(yīng)由上海吳淞高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為黃海高程系統(tǒng)。

障礙物測量工作的難點(diǎn)主要在于：一是障礙物的分類判斷，即如何在眾多疑似障礙物建筑找到這些障礙物，并且分析判斷需要測量的目標(biāo)；二是如何運(yùn)用合理的技術(shù)手段進(jìn)行測量，獲得符合精度要求的數(shù)據(jù)成果。

2 機(jī)場凈空限制面介紹

2.1 機(jī)場凈空限制面的概念

機(jī)場凈空限制面是一個人為的假想面，在其范圍內(nèi)各個面的高度為障礙物限制高度，障礙物低于限制高度才能保證飛機(jī)升降安全，因此要求在各個限制面以內(nèi)不允許有自然或人工障礙物存在或穿越，如有障礙物存在或穿越則需進(jìn)行障礙物凈空測量。

2.2 機(jī)場凈空限制面的分類

根據(jù)《民用機(jī)場飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)技術(shù)的規(guī)定，浦東國際機(jī)場第四跑道為Ⅱ類精密進(jìn)近跑道，屬于最高等級的飛行區(qū)?，F(xiàn)以浦東國際機(jī)場第四跑道為例，對機(jī)場凈空限制面的分類進(jìn)行闡述。詳細(xì)的浦東國際機(jī)場第四跑道機(jī)場凈空限制面的分類見圖1。

2.2.1 無障礙區(qū)

無障礙區(qū)即該區(qū)域內(nèi)不得有任何高于機(jī)場跑道平均高程的障礙物存在。無障礙區(qū)包括內(nèi)進(jìn)近面、內(nèi)過渡面和復(fù)飛面，以及與這些面所鄰接的那部分升降帶上的空間。

2.2.2 障礙物A型面

分為南北兩個面，起點(diǎn)為跑道南、北入口處，起點(diǎn)寬度為180m，兩側(cè)邊散開率各為12.5%，遞增至最大寬度1800m，起端至末端的垂直距離為10km。由于障礙物A型面內(nèi)的建設(shè)項目：超過1.2%坡面但不超過起飛爬升面的的障礙物允許建設(shè)，但要在航行資料中公布，因此障礙物的限高按照公式L×0.012求得，其中L為障礙物距離跑道入口處的垂直距離。

2.2.3 內(nèi)水平面

內(nèi)水平面的起算標(biāo)高同障礙物A型面應(yīng)為跑道兩端入口中點(diǎn)的平均標(biāo)高。內(nèi)水平面是以跑道兩端入口中點(diǎn)為圓心，4km為半徑畫出圓弧，再以與跑道中線平行的兩條直線與圓弧相切成一個近似橢圓形，形成一個高出起算標(biāo)高45m的一個水平面。

2.2.4 錐形面

錐形面的起端應(yīng)從內(nèi)水平面的周邊開始，起算標(biāo)高為內(nèi)水平面標(biāo)高（50.40m），以5%的坡度向上和向外傾斜一直到高度為100m處截止（標(biāo)高為150.4m），相當(dāng)于內(nèi)水平面向外平行擴(kuò)散2km的一個坡面橢圓環(huán)。

2.2.5 進(jìn)近面

進(jìn)近面分為南、北兩個部分，是跑道入口前的幾個平面的組合。起端位于跑道入口前60m處起算標(biāo)高為跑道入口中點(diǎn)標(biāo)高（本次以機(jī)場跑道中心標(biāo)高5.40m為起算數(shù)據(jù)）。起端寬度300m，兩條側(cè)邊散開率15%，第一段長度（起端到末端的垂距）為3000m，坡度2%，第二段長度（起端到末端的垂距）為3600m，坡度為2.5%，第三段為水平段，標(biāo)高為第二段的末端標(biāo)高，長度為8400m，三段總長為15000m。

2.2.6 過渡面

過渡面從升降帶兩側(cè)邊緣和部分進(jìn)近面邊緣作為起端，以14.3%的坡度向上和向外傾斜，直至與內(nèi)水平面相交。

2.2.7 外水平面

外水平面是以跑道中線兩側(cè)各10km，跑道端外20km，高出原地面30m且高出機(jī)場標(biāo)高150m的一個水平面。

3 障礙物測量要求及前期準(zhǔn)備

3.1 障礙物測量的要求

3.1.1 障礙物測量位置的要求

障礙物的平面及高程應(yīng)測至障礙物的最高處，有避雷針、天線的建筑物應(yīng)測至其頂端。對于煙囪等需要偏心測量的障礙物，應(yīng)測其兩邊，取平均值，以保證其精度。

3.1.2 障礙物測量的精度要求

本項目障礙物實測點(diǎn)位精度要求如下。

平面：相對于鄰近的平面控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差應(yīng)≤±0.2m。

高程：相對于鄰近高程控制點(diǎn)的高程中誤差應(yīng)≤±0.15m。

3.2 已有成果資料的分析與利用

3.2.1 測區(qū)內(nèi)的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫

（1）數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)。基于上海市城市平面坐標(biāo)系統(tǒng)、上海吳淞高程系統(tǒng)的該院基礎(chǔ)地形圖，涵蓋了整個上海市，而且按特定的周期進(jìn)行不同比例尺的更新，本項目測區(qū)內(nèi)不僅有1∶10000數(shù)字化地形資料，可以作為最終空域保護(hù)區(qū)凈空障礙物成圖的底圖；而且還有1∶500、1∶1000和1∶2000的數(shù)字化地形資料，這些大比例尺的地形數(shù)據(jù)是外業(yè)作業(yè)中最實用的工作資料。endprint

（2）數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)。上海市測繪院每年都會對整個上海市域范圍進(jìn)行航空攝影，用于大比例尺航空影像圖的定期更新，具有較高的現(xiàn)勢性。其中每一幢8層（含）以上建筑物的屬性中，包含地面高程（h0）、建筑物主體高程（h1）、設(shè)備高程（h2）、天線和避雷針高程（h3）共4個吳淞高程信息。可以利用特定的程序提取出上述4個高程中的最大值，再減去跑道中心點(diǎn)的高程，即可得到該建筑物相對跑道中心點(diǎn)的高度，再計算該建筑物距離跑道中心點(diǎn)的垂直距離，以判斷該高度是否超過限高要求。利用這些現(xiàn)勢的影像數(shù)據(jù)，結(jié)合該院基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫中的高層建筑數(shù)據(jù)信息，可以對測區(qū)內(nèi)的高大建（構(gòu)）筑物按第四跑道凈空數(shù)據(jù)模型進(jìn)行障礙物的初步篩選，結(jié)合數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)，外業(yè)工作實施前可以預(yù)先在室內(nèi)對項目施測目標(biāo)、行車路線進(jìn)行圖上規(guī)劃，制定合理的測量方案，節(jié)約作業(yè)時間和施測經(jīng)費(fèi)。

3.2.2 上海浦東國際機(jī)場第三跑道障礙物測量數(shù)據(jù)

上海浦東國際機(jī)場第三跑道障礙物測量數(shù)據(jù)，是上海市測繪院于2007年受機(jī)場（集團(tuán)）公司的委托并測繪提供的。本項目實施時，必須對原有第三跑道凈空區(qū)域內(nèi)的47個障礙物進(jìn)行調(diào)查核實，并測量它們對應(yīng)于第四跑道的障礙物數(shù)據(jù)。

3.2.3 其他相關(guān)資料

本項目實施時，委托方也提供了一些其他相關(guān)資料：第四跑道為Ⅱ類精密進(jìn)近跑道，第四跑道南端、北端、中點(diǎn)的坐標(biāo)，跑道中心設(shè)計高程。這些信息可作為制定機(jī)場凈空障礙物各限制面指標(biāo)的作業(yè)依據(jù)。幫助計算出第四跑道中心點(diǎn)磁偏角，根據(jù)各障礙物以及跑道特征點(diǎn)的大地坐標(biāo)計算跑道真方位、磁方位以及各障礙物相對跑道中心點(diǎn)的磁方位數(shù)據(jù)。

4 項目實施情況

4.1 平面、高程控制點(diǎn)布設(shè)

本項目平高控制點(diǎn)的測設(shè)是根據(jù)ZYW07-45《基于GPS虛擬參考站動態(tài)測量作業(yè)指導(dǎo)書》的基本要求進(jìn)行布設(shè)。對于有條件的障礙物，盡量將控制點(diǎn)布設(shè)在離開最高點(diǎn)較近的區(qū)域，數(shù)量均在3個以上。本次RTK測量是基于上海CORS系統(tǒng)。每個平面、高程控制點(diǎn)均測設(shè)4組數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)精度要求如下：每組數(shù)據(jù)平面位置較差小于2cm，高程位置較差小于3cm，且控制點(diǎn)使用前均進(jìn)行檢核，確保其滿足本項目對平面、高程控制的精度要求。

4.2 實測障礙物

本項目障礙物測量工作按設(shè)計書要求針對實地不同的情況采用不同的測量方法，共實測139個目標(biāo)數(shù)據(jù)， 其中利用RTK直接測量的有兩個目標(biāo)物，用三點(diǎn)法或分段法等方法測量的有128個目標(biāo)，利用前方交會法測量的有9個目標(biāo)。具體測量情況如下。

4.2.1 RTK直接測量

對于房頂、水箱頂?shù)饶繕?biāo)，可以利用RTK直接測量其三維坐標(biāo)。

4.2.2 三點(diǎn)法

對于無法直接利用RTK實測的情況下，可以在周邊布設(shè)三點(diǎn)平高控制點(diǎn)，使用免棱鏡全站儀以其中兩點(diǎn)為測站，另一點(diǎn)為后視點(diǎn)，實測邊長和理論邊長較差要求小于5cm。輸入測站坐標(biāo)和后視定向點(diǎn)坐標(biāo)，直接測量障礙物的平面坐標(biāo)。每一測站測量平面坐標(biāo)兩組，四組平面坐標(biāo)的較差要求不大于±20cm，4組平面坐標(biāo)任取一組為障礙物的平面坐標(biāo)。高程測量采用三角高程法測量，每一測站觀測垂直角和水平距離兩組，加上測站點(diǎn)高程和測站儀器高后，四組高程較差要求不大于±10cm，取4組高程的平均值作為障礙物的高程值。

4.2.3 分段法

對于一些高度較高，垂直度好的障礙物，如避雷針，天線，房角點(diǎn)等目標(biāo)，利用全站儀免棱鏡測量無法測量其最高點(diǎn)的三維坐標(biāo)時，可先利用三點(diǎn)法測量其中某段中選定特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，然后再利用對邊法測得障礙物上該特征點(diǎn)至其最高點(diǎn)的高差，最終求得該障礙物最高點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

4.2.4 一點(diǎn)法

在一些控制點(diǎn)布設(shè)困難，且測量障礙物密集地區(qū)，則先根據(jù)實地情況將障礙物劃分成不同的區(qū)域，按照區(qū)域逐一測量。測量一個區(qū)域內(nèi)的障礙物時，先測定該區(qū)域內(nèi)特征點(diǎn)明顯的地物，如無線電發(fā)射塔，避雷針等，該地物最好位于測量區(qū)域中心，獲取其三維坐標(biāo)。區(qū)域內(nèi)余下目標(biāo)的測量，都以該最高點(diǎn)為后視點(diǎn)。然后針對相應(yīng)的障礙物利用RTK布設(shè)一點(diǎn)平高控制點(diǎn)，使用免棱鏡全站儀以已經(jīng)測定的目標(biāo)為后視，測量平面坐標(biāo)和高差各兩次，兩組平面坐標(biāo)的較差要求不大于±20cm，兩組高程較差要求不大于±10cm，兩組平面坐標(biāo)任取一組為障礙物的平面坐標(biāo)，取兩組高程的平均值作為障礙物的高程。測量好某一個障礙物后，更換后視點(diǎn)進(jìn)行檢測，驗證成果的可靠性。

4.2.5 前方交會法

當(dāng)控制點(diǎn)相對于測量點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，利用全站儀免棱鏡測量無法滿足精度要求時，可利用RTK布設(shè)3點(diǎn)平高控制點(diǎn)，使用全站儀設(shè)3個測站，兩交會點(diǎn)平面坐標(biāo)較差不大于±20cm，取兩交匯點(diǎn)平面坐標(biāo)的平均值為該目標(biāo)的平面坐標(biāo)。計算目標(biāo)和兩測站間的水平距離，求得高差，四組高程較差不大于±15cm，取平均值作為該目標(biāo)的高程值。

4.2.6 測量精度情況

經(jīng)分析統(tǒng)計，利用RTK直接測量的目標(biāo)物坐標(biāo)絕對精度最高，平面精度和高程精度分別達(dá)到5cm和10cm以內(nèi)；利用分段法和三點(diǎn)法測量的目標(biāo)物，絕對精度能滿足要求，通過實測平距和坐標(biāo)反算距離相互驗證比較的手段可分析出平面精度和高程精度分別可以達(dá)到15cm和10cm以內(nèi)。利用多方向前方交會法測量的目標(biāo)物，絕對精度相對較低，根據(jù)此方法所獲得的示誤三角形，通過內(nèi)插的方法，可以分析出目標(biāo)物的平面和高程精度都可以控制在20cm和15cm以內(nèi)。

通過測量精度的統(tǒng)計，可以認(rèn)為以上各種測量方法均可作為障礙物測量的常用方法且均可滿足精度要求。在實際工作中，利用RTK直接測量，分段法和三點(diǎn)法方法這3種測量方法因其操作靈活簡便，受現(xiàn)場條件限制較少，較多采用，因為本次工程測區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)測量障礙物密集現(xiàn)象，一點(diǎn)法未于使用。但根據(jù)以往經(jīng)驗，在控制點(diǎn)布設(shè)困難，且測量障礙物密集地區(qū)，一點(diǎn)法有著廣泛用途。而傳統(tǒng)的前方交會法采用較少。這也體現(xiàn)出RTK測量、全站儀免棱鏡測量等新技術(shù)在實際工作的優(yōu)越性。

5 結(jié)語

障礙物測量主要目的是為了獲得障礙物的三維信息，在此基礎(chǔ)上求得經(jīng)緯度、磁偏角、真方位角、高程等數(shù)據(jù)，判斷其是否對飛行安全產(chǎn)生影響，以便采取相應(yīng)措施。障礙物的分類判斷，即如何根據(jù)不同凈空限制面指標(biāo)要求在眾多疑似障礙物建筑中分析判斷哪些是需測量的障礙物，采用合理的方法測得所需數(shù)據(jù)一直是障礙物測量的一大難點(diǎn)。以前作業(yè)，基本上采取的是對整個區(qū)域進(jìn)行地毯式排查，對可疑的目標(biāo)逐一標(biāo)記，測定其三維坐標(biāo)。為了確定哪些建筑物可能是障礙物，需要外業(yè)實地估算它的高度，再判斷是否超過限高要求，耗時耗力且會產(chǎn)生很大的誤差。此次障礙物測量在實際工作中充分利用了上海市測繪院基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，利用最新影像圖，結(jié)合地理信息數(shù)據(jù)庫中的高層建筑數(shù)據(jù)信息，對測區(qū)內(nèi)的高大建（構(gòu)）筑物進(jìn)行初步篩選，絕大部分的障礙物被提取出來了。當(dāng)然，這里面肯定會有遺漏的障礙物，一方面，在數(shù)據(jù)庫更新時有一些建筑物不準(zhǔn)測量，另一方面，實地也會有新建的建筑物，這兩部分建筑物的信息在基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫中是不存在的。但這兩部分所占的比重應(yīng)該是很小的，而且借助該院1∶2000數(shù)字正射影像圖的優(yōu)勢，在影像圖上就可以發(fā)現(xiàn)這些建筑物。再此基礎(chǔ)上預(yù)先在室內(nèi)對項目施測目標(biāo)、行車路線進(jìn)行圖上規(guī)劃，制定合理的測量方案。極大地提高了工作效率，為將來此類工程對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的驗證和使用進(jìn)行了有益的嘗試。

如何運(yùn)用合理的技術(shù)手段進(jìn)行測量，獲得符合精度要求的數(shù)據(jù)成果對于減少外業(yè)測量的工作量，保證測量精度有重要意義。此次障礙物測量由于范圍較廣，涉及障礙物種類較為齊全。綜合使用了各種測量方法，對各種測量方法的流程及優(yōu)劣進(jìn)行了較詳盡的介紹，對以后類似工程的開展也起到了一定的借鑒作用。

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