機(jī)場工程測量技術(shù)與應(yīng)用

許文學(xué)，楊輝，李鋒，錢清玉

(1.空軍研究院工程設(shè)計(jì)研究所，北京 100068； 2.山東牧馬人測繪技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250000；3.中建安裝工程有限公司，江蘇 南京 210046)

1 引 言

機(jī)場作為航空運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，是一個(gè)城市乃至一個(gè)地區(qū)的重要門戶和窗口，是地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)條件，同時(shí)也是國家空防建設(shè)中極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，此外還是國家在應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等突發(fā)事件時(shí)的重要應(yīng)急平臺(tái)。隨著我國綜合實(shí)力的提升，為促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和滿足國防建設(shè)的需求，近年來我國建設(shè)了大量的機(jī)場。機(jī)場建設(shè)的主要特點(diǎn)是占地廣，與空中、地面的關(guān)系復(fù)雜，投資大，工程門類多，并要求采用先進(jìn)的現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)[1]。

測量工作貫穿于機(jī)場工程建設(shè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，其包含的測繪技術(shù)有：大地測量、攝影測量、工程測量、地圖制圖等。近年來，廣大測繪工作者將測繪領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)場工程建設(shè)中，如GNSS技術(shù)應(yīng)用于機(jī)場平面控制測量，大地水準(zhǔn)面精化技術(shù)應(yīng)用于山區(qū)機(jī)場高程控制測量，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于機(jī)場地形圖及板角高程圖測繪，全站儀自由設(shè)站法應(yīng)用于機(jī)場高邊坡水平位移監(jiān)測等。這些技術(shù)的應(yīng)用給出了機(jī)場工程測量工作的解決方案，同時(shí)也促進(jìn)了機(jī)場工程測量技術(shù)的發(fā)展。

本文針對(duì)機(jī)場工程建設(shè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，給出了各階段測量工作的主要內(nèi)容，并對(duì)其涉及的典型測量工作給出了測量方案和實(shí)踐結(jié)論以及應(yīng)用時(shí)須注意的事項(xiàng)。

2 機(jī)場工程建設(shè)各階段測量工作內(nèi)容

一個(gè)機(jī)場從選勘到使用的全過程包括[1]：選勘(選址勘測)、定勘(定點(diǎn)勘測)、詳勘(詳細(xì)勘測)、施工圖設(shè)計(jì)、建設(shè)(施工)和使用中的維護(hù)階段等，測繪作為機(jī)場建設(shè)的先行者，其內(nèi)容貫穿了上述各環(huán)節(jié)。以一個(gè)擬建機(jī)場為例，在不同階段主要有以下測量工作內(nèi)容。

(1)選勘階段

選勘應(yīng)按勘測任務(wù)書要求，在指定區(qū)域進(jìn)行勘測，預(yù)選出二個(gè)(含)以上的擬選場址，為確定定勘場址提供依據(jù)[2]。測量工作主要有飛行場地、飛機(jī)洞庫和地下油庫區(qū)的 1∶10 000地形草測圖，凈空草測圖以及確定擬建機(jī)場與周邊已使用、正建或已立項(xiàng)待建機(jī)場之間的相對(duì)關(guān)系，包括機(jī)場跑道中心點(diǎn)、真北方位角的確定等。

(2)定勘階段

定勘應(yīng)按勘測任務(wù)書要求，對(duì)選勘階段推薦的場址作進(jìn)一步勘測，從中選出一個(gè)最佳場址，為機(jī)場定點(diǎn)和編制設(shè)計(jì)任務(wù)書提供依據(jù)[2]。測量工作主要有測繪機(jī)場飛行場地、各營區(qū)、庫區(qū)的勘選方案范圍內(nèi)的 1∶10 000地形圖，測繪飛機(jī)洞庫區(qū)和地下油庫區(qū)的 1∶2 000地形圖，凈空測量以及 1∶5 000(或 1∶10 000)、 1∶25 000、 1∶50 000中小比例尺地形圖的收集，采用 1∶5 000(或 1∶10 000)比例尺地形圖進(jìn)行工程量估算，提出總體規(guī)劃方案，確定擬建機(jī)場詳勘方案，不同坐標(biāo)系統(tǒng)地形圖的轉(zhuǎn)換、DEM(數(shù)字高程模型)的提取等。

(3)詳勘階段

詳勘是根據(jù)批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)任務(wù)書，在設(shè)計(jì)人員現(xiàn)場指導(dǎo)下，為配合初步設(shè)計(jì)提供資料而進(jìn)行的測量工作[3]。測量工作主要有[2]：

①飛行場地方格網(wǎng)地形圖；

②飛行場地外挖填方區(qū)方格網(wǎng)地形圖；

③拖機(jī)道、道路、排水、輸油、供水、供電等線路的測量；

④防護(hù)工程大比例尺地形圖；

⑤營房、地面?zhèn)}庫區(qū)和導(dǎo)航臺(tái)站大比例尺地形圖；

⑥測算機(jī)場位置點(diǎn)的經(jīng)度和緯度及跑道方向。

依照設(shè)計(jì)部門提出的設(shè)計(jì)方案對(duì)擬建場區(qū)建立控制網(wǎng)、確定控制網(wǎng)中不同坐標(biāo)系如WGS-84、CGCS2000、1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系、地方坐標(biāo)系、機(jī)場坐標(biāo)系等之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，1∶5 000(或 1∶10 000)比例尺地形圖修(補(bǔ))測，1∶1 000(平原地區(qū)為 1∶2 000)大比例尺地形圖測繪，各種斷面圖、帶狀圖測繪，1∶200洞庫口部地形圖測繪，凈空狀況測繪，環(huán)境平面圖測繪，擬建跑道關(guān)鍵點(diǎn)、擬建導(dǎo)航臺(tái)站、主方格網(wǎng)點(diǎn)及征地紅線的放樣等。

(4)施工圖設(shè)計(jì)及施工階段

①施工圖設(shè)計(jì)階段，征地面積與土方量的計(jì)算；

②施工階段，施工放樣，地面(含洞庫)構(gòu)筑物(含建筑物)、原地面與填筑體的沉降監(jiān)測，填筑體的水平位移監(jiān)測。

(5)使用階段建成

①建成后校飛階段，向民航局上報(bào)機(jī)場各關(guān)鍵點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)0及磁偏角；

②建成后使用維護(hù)階段，凈空狀況變化監(jiān)測、混凝土道面(跑道、聯(lián)絡(luò)道、滑行道及各類站坪)板塊破損測量即分倉圖測繪及板角高程圖測繪。

由此可以看出，從機(jī)場的擬建到機(jī)場建成后的維護(hù)，測繪技術(shù)貫穿了始終。其中，有一些重點(diǎn)環(huán)節(jié)，其重要性已超出測量工作本身的范疇，比如：機(jī)場間相對(duì)關(guān)系的計(jì)算與跑道定位、定向的實(shí)現(xiàn)；機(jī)場作為大型土方工程，征地面積及土方量在很大程度上影響工程的造價(jià)；在施工過程中，根據(jù)機(jī)場的沉降監(jiān)測與變形監(jiān)測數(shù)據(jù)做出的工程穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，將接受建成后機(jī)場道面安全性的嚴(yán)峻考驗(yàn)；機(jī)場使用過程中，凈空監(jiān)測準(zhǔn)確性、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的及時(shí)維護(hù)與更新將直接影響飛行安全。

3 典型機(jī)場工程測量技術(shù)與應(yīng)用

如前所述，測繪技術(shù)貫穿機(jī)場工程建設(shè)的全過程，其主要的測繪技術(shù)點(diǎn)包括：控制測量、地形圖測繪、凈空測量、磁北方向測定和板角高程圖測繪等，這些技術(shù)點(diǎn)是機(jī)場工程測量的典型代表，下面分別對(duì)其予以介紹。

3.1 控制測量

機(jī)場工程控制測量包括平面控制測量和高程控制測量，平面控制測量通常采用GNSS技術(shù)，高程控制測量通常采用水準(zhǔn)測量技術(shù)。機(jī)場工程控制網(wǎng)的建立是依照相應(yīng)的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建立的，除執(zhí)行國家和測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外，還應(yīng)執(zhí)行《軍用機(jī)場勘測規(guī)范》。通常情況下機(jī)場高程控制網(wǎng)等級(jí)不低于三等水準(zhǔn)[1]。

現(xiàn)階段，我國航空事業(yè)快速發(fā)展，空中資源愈發(fā)緊張，導(dǎo)致機(jī)場選址一定程度上“空決定地”；同時(shí)，國家基本農(nóng)田保護(hù)紅線等土地緊控政策的出臺(tái)，導(dǎo)致機(jī)場建設(shè)必須“上山下海”、“高挖深填”，由此機(jī)場建設(shè)不得不選擇在地質(zhì)不良地基上，如西南西北山區(qū)高填方地基、東南沿海的軟土地基以及海上機(jī)場等[5]?；诖?，復(fù)雜地形的山區(qū)場址相對(duì)高差過大，有的地區(qū)甚至出現(xiàn)相對(duì)高差超過 300 m、局部坡度超過60°的情況，且交通不便利。在詳勘階段對(duì)所有控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)三等水準(zhǔn)測量的難度很大，在很多情況下甚至是不可能實(shí)現(xiàn)的，特別是西部某些欠發(fā)達(dá)地區(qū)，場址距國家高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)很遠(yuǎn)，一些偏遠(yuǎn)地區(qū)甚至沒有國家控制點(diǎn)。

機(jī)場詳勘階段測量的主要目的在于提供 1∶1 000大比例尺地形圖用于工程量的計(jì)算，而三等水準(zhǔn)控制成果則主要用于機(jī)場道面施工階段。可以理解為，三等水準(zhǔn)測量可以在機(jī)場道面施工前施測，而在測圖階段可以不采用三等水準(zhǔn)測量的方式建立高程控制網(wǎng)。為此，通常的做法是基于GNSS成果中提供的大地高成果，進(jìn)行似大地水準(zhǔn)面精化，直接計(jì)算測圖控制網(wǎng)的正常高，滿足該階段大比例尺測圖的需要即可。通過長期的機(jī)場工程測量實(shí)踐，得出如下結(jié)論可供參考[6]：

(1)用于機(jī)場場址區(qū)域似大地水準(zhǔn)面擬合的GNSS成果必須與國家控制點(diǎn)或IGS跟蹤站聯(lián)測過，其大地高應(yīng)為CGCS2000或者ITRF系統(tǒng)下成果。

(2)應(yīng)選用EGM2008模型，其精度明顯優(yōu)于EGM96模型，精度提高了2倍～3倍，直接計(jì)算出正高與正常高的差值小于 0.4 m。

(3)采用EGM2008模型分辨率2.5′×2.5′的數(shù)據(jù)，采用直接擬合法所得的正常高精度在平地區(qū)域遠(yuǎn)優(yōu)于四等水準(zhǔn)測量精度，在山區(qū)可優(yōu)于 ±5 cm。

3.2 地形圖測繪

現(xiàn)階段，數(shù)字化測繪技術(shù)已在測繪工程領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用，使大比例尺測圖技術(shù)向數(shù)字化、信息化發(fā)展。隨著電子經(jīng)緯儀、全站儀的應(yīng)用，尤其自動(dòng)跟蹤型全站儀的推出和GNSS RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)以及先進(jìn)的數(shù)字化測圖系統(tǒng)和電子平板測繪模式的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了地形圖從野外(或室內(nèi))數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、圖形編輯和自動(dòng)繪圖的自動(dòng)化成圖。但是，利用傳統(tǒng)的測繪方法仍然存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、質(zhì)量控制難、功效低等缺點(diǎn)。

近年來，攝影測量技術(shù)在工程測繪領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，由于高質(zhì)量、高精度的攝影測量儀器的研制生產(chǎn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，使得攝影測量能夠提供完全的、實(shí)時(shí)的三維空間信息。特別是機(jī)載激光雷達(dá)測繪技術(shù)和傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用，有效促進(jìn)了機(jī)場工程測量的發(fā)展。我們于2013年5月在國內(nèi)首次將機(jī)載激光雷達(dá)測繪技術(shù)應(yīng)用在機(jī)場工程中，該技術(shù)以GNSS系統(tǒng)為基準(zhǔn)，采用慣性導(dǎo)航技術(shù)，利用機(jī)載激光雷達(dá)飛行采集數(shù)據(jù)，采用航測技術(shù)、遙感技術(shù)及數(shù)據(jù)交換技術(shù)完成數(shù)據(jù)處理。由于該技術(shù)是機(jī)載激光主動(dòng)式測量，植被穿透能力強(qiáng)，能直接獲取地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，野外工作量小，初步估算測繪效率提高了3倍。實(shí)踐結(jié)果表明平面精度優(yōu)于 30 cm、高程精度優(yōu)于 7 cm。該技術(shù)的應(yīng)用可有效解決傳統(tǒng)測量技術(shù)測量點(diǎn)位代表性不強(qiáng)、不均勻等問題，在提高測量效率的同時(shí)可有效保證機(jī)場工程土石方量計(jì)算的準(zhǔn)確性，為機(jī)場土石方工程量的準(zhǔn)確計(jì)算打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.3 凈空測量

機(jī)場凈空區(qū)是飛機(jī)起飛、爬高、轉(zhuǎn)彎和進(jìn)入機(jī)場下滑著陸的區(qū)域，它是飛機(jī)起飛、著陸的必經(jīng)之地。機(jī)場凈空區(qū)由升降帶、端凈空區(qū)和側(cè)凈空區(qū)三個(gè)部分組成。其中側(cè)凈空區(qū)包括過渡面、內(nèi)水平面、錐形面和外水平面，其平面圖如圖1所示。一級(jí)機(jī)場凈空區(qū)范圍為 28 km×13 km，二級(jí)機(jī)場凈空區(qū)范圍為 40 km×26.2 km，三、四級(jí)機(jī)場凈空區(qū)范圍為 40 km×30 km，以上范圍中長度方向不含跑道長度[7]。

圖1 二級(jí)機(jī)場凈空區(qū)平面圖(單位/km)

飛機(jī)在凈空區(qū)的飛行高度較低，尤其是在端凈空區(qū)，飛機(jī)的高度是逐漸降低(或升高)的，因此，對(duì)凈空區(qū)的人工障礙物和自然障礙物的高度要進(jìn)行限制，特別是對(duì)端凈空區(qū)的障礙物高度限制要嚴(yán)格，其限制高度是根據(jù)飛機(jī)起飛、著陸的飛行軌跡，并考慮一定的安全距離來確定的。

針對(duì)凈空區(qū)障礙物測量的精度要求和不同時(shí)期測量對(duì)象的不同，為了合理確定障礙物的位置和高程，主要使用的測量方法有經(jīng)緯儀前方交會(huì)法、GNSS定位法和全站儀法等。近年來，隨著免棱鏡測距技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)單位研制了機(jī)場凈空監(jiān)測儀，其實(shí)質(zhì)是經(jīng)緯儀加免棱鏡測距儀的組合。同其他測量儀器相比，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于可測量范圍較大，通?？蛇_(dá)數(shù)公里，這樣就可大大減少測站點(diǎn)的數(shù)量，從而減少工作量，提高效率。凈空監(jiān)測儀激光發(fā)射功率大，可以對(duì)大范圍內(nèi)的障礙物進(jìn)行測距，且精度較高。所需的測站點(diǎn)數(shù)量少，計(jì)算簡便，內(nèi)業(yè)工作量小。但需注意的是凈空區(qū)障礙物中有很大一部分是人工建筑，這些建筑物的頂端通常反射面積較小，使用測距儀可能會(huì)由于無法接收到激光反射信號(hào)而無法直接測出結(jié)果。

3.4 磁北方向測定

磁偏角是機(jī)場建設(shè)的重要參數(shù)，主要用于設(shè)定跑道編號(hào)、用作導(dǎo)航臺(tái)站的基準(zhǔn)方位等。

由于地球的真南北極與磁南北極不重合，因此過地球表面上一點(diǎn)的真子午線方向與磁子午線方向不重合，兩者之間的夾角稱為磁偏角，用δ表示。磁偏角有東偏和西偏，取值有正值和負(fù)值。磁子午線位于真子午線方向東側(cè)，稱為東偏，δ取正值。磁子午線方向位于真子午線方向西側(cè)，稱為西偏，δ取負(fù)值。在機(jī)場工程中跑道的方位不變，可通過真北方位角和磁北方位角的大小來判定磁偏角的方向。如圖2所示以某機(jī)場為例，真北方位角A=111°47′00″，磁北方位角Am=118°0′46″，則磁偏角δ=-6°13′46″，西偏。

圖2 磁偏角方向判定

磁北方向的測定方法經(jīng)歷了由指北針、羅盤經(jīng)緯儀到磁經(jīng)緯儀的發(fā)展過程，目前精度比較可靠、應(yīng)用較多的是Mag-01 H/DI磁經(jīng)緯儀，Mag-01 H經(jīng)緯儀方位角計(jì)/傾角計(jì)系統(tǒng)包含一個(gè)高靈敏度電池供電的Mag-01 H型磁力計(jì)和一個(gè)A型矢量感測磁通門探頭，后者安裝在Wild T1非磁性經(jīng)緯儀上。此系統(tǒng)須架設(shè)在專用的非磁性三腳架或非磁性柱上，同時(shí)儀器操作人員身體上不準(zhǔn)附帶磁性物體。

磁偏角的測量受多種因素影響，如地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下金屬礦、地震、氣象及機(jī)場周邊的電線、通信設(shè)施、儀器附近的金屬、日變和太陽黑子活動(dòng)等引起的磁場變化。為此，磁偏角測量時(shí)需開展高精度、高分辨力的連續(xù)測量和絕對(duì)測量，通過標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理，消除地磁日變化和其他短周期對(duì)測量的影響，通過時(shí)間域分析和空間域模型計(jì)算等手段，詳細(xì)、準(zhǔn)確地計(jì)算出機(jī)場周邊區(qū)域磁偏角局部異常的時(shí)間變化和空間分布[8]。

3.5 板角高程圖測繪

《軍用機(jī)場勘測規(guī)范》中規(guī)定，當(dāng)機(jī)場道面損壞或提高機(jī)場等級(jí)時(shí)，應(yīng)在施測機(jī)場道面分塊平面圖(1∶200～1∶500)的基礎(chǔ)上，利用面水準(zhǔn)測量，按照勘測要求測量分塊角點(diǎn)(板角)高程，高程取至 1 mm，并繪制機(jī)場道面板角高程圖[2]。

通常情況下，板角高程圖的測繪過程大致分為三步：

(1)道面分塊平面圖測繪：通常采用全站儀或GNSS RTK技術(shù)測量道面分塊角點(diǎn)的平面位置。利用AutoCAD Civil 3D中Point模塊對(duì)分塊角點(diǎn)在平面圖上進(jìn)行平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)的提取，并組成數(shù)據(jù)文件。

(2)分塊角點(diǎn)高程測量：使用電子水準(zhǔn)儀，配合條碼銦鋼尺，按二等水準(zhǔn)測量視距要求測量分塊角點(diǎn)的高程，讀數(shù)精確至毫米。

(3)板角高程圖繪制：將分塊角點(diǎn)測量的平面點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件與水準(zhǔn)測量的高程數(shù)據(jù)文件按照點(diǎn)號(hào)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行合并，組成板角高程圖成圖數(shù)據(jù)文件，并展繪于道面分塊平面圖中，所得圖形即為板角高程圖。

上述方法精度可靠，但其勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、點(diǎn)位代表性不強(qiáng)。為此，可采用激光掃描儀掃描道面的方法進(jìn)行代替，工程實(shí)踐表明該方法在保證測量精度的同時(shí)可大大提高效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)點(diǎn)云密度大、點(diǎn)位代表性更強(qiáng)，更能保證工程造價(jià)的準(zhǔn)確性。但需注意合理設(shè)計(jì)掃描儀的設(shè)站位置以及高程控制點(diǎn)的位置和間距。

4 結(jié) 語

機(jī)場測量屬工程測量范疇，但有其獨(dú)特之處。由于機(jī)場工程的特殊性，機(jī)場工程測量并不為廣大測繪工作者所熟知，其實(shí)機(jī)場工程中使用的測繪技術(shù)涵蓋了大地測量、工程測量、地理信息及地圖制圖等專業(yè)。本文詳細(xì)介紹了機(jī)場工程從選址、建設(shè)到運(yùn)營維護(hù)各階段測量工作的內(nèi)容，并對(duì)測量方案進(jìn)行了論述，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)踐給出了結(jié)論和應(yīng)注意的事項(xiàng)，為今后解決類似工程問題提供了思路。希望本文能夠起到拋磚引玉的作用，為相關(guān)工作者提供參考。