遙感技術(shù)在機(jī)場(chǎng)凈空分析中的應(yīng)用

白 雪，王 偉

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心遼寧總隊(duì)，遼寧沈陽(yáng)）

引言

隨著機(jī)場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目的不斷增多以及現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展對(duì)于機(jī)場(chǎng)等大型建設(shè)安全問(wèn)題的日漸關(guān)注，3S 技術(shù)作為當(dāng)下工程技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)，在機(jī)場(chǎng)建設(shè)工程中不斷得到應(yīng)用與發(fā)展[1-2]。機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)是確保機(jī)場(chǎng)周邊區(qū)域內(nèi)的各類建設(shè)項(xiàng)目和其他物體滿足凈空限制要求，保障航空器飛行安全的重要工作。李震[3]考慮到為確保凈空環(huán)境適航，新型技術(shù)對(duì)管理面積巨大的凈空管理幫助就顯得尤為重要，為此針對(duì)衛(wèi)星遙感技術(shù)在機(jī)場(chǎng)凈空及場(chǎng)道管理方面的應(yīng)用進(jìn)行分析。韓立[4]通過(guò)整個(gè)機(jī)場(chǎng)建設(shè)過(guò)程中的研究，總結(jié)分析機(jī)場(chǎng)建設(shè)測(cè)量工作過(guò)程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，同時(shí)說(shuō)明3S 技術(shù)在機(jī)場(chǎng)建設(shè)中應(yīng)用的可行性與先進(jìn)性，為今后機(jī)場(chǎng)建設(shè)相關(guān)工作開展提供些許參考。由此可見機(jī)場(chǎng)凈空是機(jī)場(chǎng)管理的重要參數(shù)，同時(shí)遙感技術(shù)是確定機(jī)場(chǎng)凈空的重要手段。為此本文首先介紹了常規(guī)機(jī)場(chǎng)測(cè)量手段說(shuō)明了遙感技術(shù)的優(yōu)越性，然后論述了機(jī)場(chǎng)凈空的要求及其重要性，最后結(jié)合實(shí)例分析了遙感技術(shù)在機(jī)場(chǎng)凈空確定中的運(yùn)用。

1 機(jī)場(chǎng)凈空要求與管理

1.1 機(jī)場(chǎng)凈空影響因素分析

機(jī)場(chǎng)凈空要求主要受四個(gè)因素影響：飛機(jī)起飛和著陸性能、導(dǎo)航設(shè)備、氣象條件和飛行程序。當(dāng)飛機(jī)起降跑道平坦時(shí)，對(duì)障礙物要求嚴(yán)格；相反，要求寬松。在凈空區(qū)，尤其是在終端凈空區(qū)，飛機(jī)的導(dǎo)航速度低，導(dǎo)航高度低，機(jī)動(dòng)性差。當(dāng)遇到障礙物時(shí)，它們無(wú)法有效避免，而飛機(jī)的升降是飛行員飛行中最關(guān)鍵的一步。因此，對(duì)近距離凈空的高要求與飛機(jī)的起重能力密切相關(guān)。

一般來(lái)說(shuō)，飛機(jī)配備了良好的導(dǎo)航設(shè)備，因此飛機(jī)的著陸軌跡通常更準(zhǔn)確。當(dāng)然，它不會(huì)對(duì)凈空提出如此嚴(yán)格的要求。高性能設(shè)備的使用通常是由于機(jī)場(chǎng)天氣的變化。當(dāng)然，這將對(duì)機(jī)場(chǎng)附近的凈空提出相當(dāng)高的要求[5]。

1.2 飛機(jī)起飛凈空要求

飛機(jī)從起點(diǎn)上升10.7 m，然后從10.7 m 上升到450 m，或者完成從起飛到航線的過(guò)渡，達(dá)到預(yù)定的坡度和爬升速度。第一部分由跑道和輪廓組成，以確保飛行安全。航空安全由機(jī)場(chǎng)提供。第二部分可分為四個(gè)部分，如圖1 所示。當(dāng)關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)，障礙物高度應(yīng)該至少低于一臺(tái)關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)停車之時(shí)的起飛凈航跡10.7 m。

圖1 飛機(jī)起飛凈空要求

2 機(jī)場(chǎng)凈空測(cè)量與確定

凈空測(cè)量首先研究和計(jì)算各種障礙物的邊界高度，然后計(jì)算每個(gè)邊界段的邊界高度。通過(guò)對(duì)各種高空障礙物的實(shí)地調(diào)查，制定了測(cè)量和觀測(cè)程序，將凈空超高障礙物凈空測(cè)量分為兩種情況：棱鏡可以直接到達(dá)目的地和棱鏡無(wú)法到達(dá)目標(biāo)正下方。針對(duì)不同的情況，開發(fā)了不同的測(cè)量方法：

第一種方法是先測(cè)量懸掛高度，將全站儀放在待測(cè)障礙物附近的高空控制點(diǎn)上，將棱鏡直接放在另一位測(cè)量員測(cè)量的物體下方，由觀察者測(cè)量其平面坐標(biāo)，并通過(guò)全站儀懸掛的高度計(jì)獲得其高度?；蛲ㄟ^(guò)觀測(cè)棱鏡與障礙物的垂直角，并通過(guò)計(jì)算公式(1)可計(jì)算得到。

式中：Ht為目標(biāo)高程；Hyi為測(cè)站高程；S 為斜距；δ1為棱鏡垂直角；δ2為目標(biāo)垂直角。

第二種方法如果棱鏡不能放置在測(cè)量的屏障下方（如高原地區(qū)頂部等），則屏障的高度可以通過(guò)圖2所示的交點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。在選擇和布置輔助控制點(diǎn)時(shí)，輔助點(diǎn)與目的點(diǎn)的交角γ 應(yīng)大于30°，以提高交叉測(cè)量的精度。使用全站儀測(cè)量另一個(gè)輔助檢查點(diǎn)與目標(biāo)障礙物點(diǎn)P 之間的水平角和垂直角，以及兩個(gè)輔助檢查點(diǎn)之間的距離S，并計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)和高度。

圖2 凈空測(cè)量交會(huì)法示意

如圖2 所示，可以通過(guò)正弦定理獲得DA和DB，通過(guò)正弦定理可以計(jì)算障礙物坐標(biāo)和垂直高度以及監(jiān)測(cè)儀器的高度，如式(2)所示，也可以通過(guò)MATLAB 程序進(jìn)行求解。這樣的障礙物測(cè)量方法可以在凈空測(cè)量中發(fā)揮重要作用。

3 遙感技術(shù)在凈空分析中的應(yīng)用

3.1 遙感影像獲取

不同衛(wèi)星和不同波段的遙感數(shù)據(jù)對(duì)不同地貌條件的解釋有很大差異。從網(wǎng)站下載的Landsat 7 ETM遙感圖像用于后續(xù)遙感數(shù)據(jù)處理、解譯以及三維合成。從地理空間數(shù)據(jù)網(wǎng)站發(fā)布的產(chǎn)品信息中可以看到，黑白圖像都是從8 波段的Landsat 7 ETM 遙感衛(wèi)星產(chǎn)品中獲取的，但圖像分辨率可以達(dá)到15 m，主要是為了提高分辨率。因此，本文利用ENVI 軟件將數(shù)據(jù)整合到影像數(shù)據(jù)中，合理利用高分辨率8 波段衛(wèi)星數(shù)據(jù)，提高遙感影像的精度。通過(guò)結(jié)合分辨率為15 m 的ETM 8 波段數(shù)據(jù)和分辨率為30 m 的合成彩色圖像，獲得了分辨率為15 m 的彩色遙感圖像。集成圖像提高了衛(wèi)星圖像的空間分辨率和光譜分辨率，并提高了其判讀能力。上述步驟可以更清晰地表達(dá)紋理細(xì)節(jié)，更清晰地定義地質(zhì)結(jié)構(gòu)和紋理特征。

3.2 凈空三維模型建立

傳統(tǒng)機(jī)場(chǎng)凈空測(cè)量方法用于完成機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)缺陷高度的調(diào)查和測(cè)量，并制定機(jī)場(chǎng)凈空邊界和障礙物位置的平面圖。傳統(tǒng)的測(cè)量方法精度低、測(cè)繪速度慢、工作量大、施工時(shí)間短等特點(diǎn)，而基于三維可視化技術(shù)和輪廓曲面數(shù)學(xué)模型上計(jì)算的參數(shù)，通過(guò)軟件創(chuàng)建三維數(shù)字網(wǎng)格曲面模型，并將其與三維機(jī)場(chǎng)環(huán)境模型進(jìn)行比較，可以方便有效地完成工作。

本文結(jié)合實(shí)例采用DEM建模方式進(jìn)行凈空三維模型的建立。DEM本身帶有空間信息，導(dǎo)入軟件后，它可以自動(dòng)疊加到相應(yīng)的位置，然后在模型上清晰地以純?nèi)S模型的形式使用等高線、直線等進(jìn)行疊加。基于三角剖分的DEM模型，三角剖分的精度僅取決于數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型可以以一定的分辨率更精確地繪制地形表面，如圖3 所示。數(shù)字模型是在數(shù)學(xué)凈空模型的基礎(chǔ)上創(chuàng)建的，用于確定每個(gè)表面的位置和相應(yīng)高度，收集每個(gè)凈空表面邊界處的點(diǎn)，并將邊界線作為強(qiáng)制線連接到三角形網(wǎng)絡(luò)中。用這種方法設(shè)計(jì)的三維模型是基于機(jī)場(chǎng)凈空限制面的數(shù)字模型。

圖3 基于遙感數(shù)據(jù)的三維凈空分析

3.3 基于凈空三維模型的分析成果

由以上分析可知凈空三維模型主要實(shí)施步驟為：

（1） 將跑道末端坐標(biāo)輸入以機(jī)場(chǎng)跑道為中心的AutoCAD 軟件中，通過(guò)數(shù)學(xué)模型建立相應(yīng)長(zhǎng)度和寬度的二維機(jī)場(chǎng)凈空模型。

（2） 根據(jù)上述內(nèi)容計(jì)算的每個(gè)間凈空限制區(qū)域的極限高度，并依次連接在二維圖紙上，將相應(yīng)的高程值插入端點(diǎn)和末點(diǎn)。

（3） 在ArcGIS 軟件中，通過(guò)插值建立凈空三維TIN 和DEM模型，并導(dǎo)入ArcScene 得到三維地圖。

在ArcScene 中創(chuàng)建凈空模型后，將打開模型，以便在模型的每個(gè)有限曲面的交點(diǎn)處準(zhǔn)備線性和截面文件，并用上述凈空三維模型覆蓋直線和曲面文件。最后將三維輪廓圖和機(jī)場(chǎng)周圍的三維模型放在同一個(gè)圖像上。為了顯示更直觀的效果，將凈空高層模型和機(jī)場(chǎng)三維地圖拉伸四次，以分析空間效果。最后根據(jù)軟件的要求輕松獲得并比較尺寸模型和障礙物模型的高度確定極限，并獲得機(jī)場(chǎng)附近的尺寸分析結(jié)果，如表1 所示。

表1 凈空分析結(jié)果

由表1 可以得出不滿足機(jī)場(chǎng)凈空的結(jié)構(gòu)其距離機(jī)場(chǎng)中心的、水平位置、所處限制面范圍以及超出機(jī)場(chǎng)凈高限制的數(shù)值。該結(jié)果可以為機(jī)場(chǎng)凈空管理以及機(jī)場(chǎng)位置選擇和機(jī)場(chǎng)非常制度管理提供參照，高效精準(zhǔn)地確定機(jī)場(chǎng)范圍內(nèi)超高建筑物位置和超高限制。

4 結(jié)論

遙感技術(shù)目前最成熟的技術(shù)是航天遙感，該技術(shù)通過(guò)衛(wèi)星遙感獲取地球地理信息、巖層信息和地表建筑物分布信息等。本文將遙感三維可視化技術(shù)應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)的凈空分析中，結(jié)合機(jī)場(chǎng)凈空限制面和遙感圖像，給出了具體的遙感技術(shù)在機(jī)場(chǎng)凈空確定中的分析步驟以及三維凈空模型的建立方法?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論：

（1） 遙感技術(shù)可以對(duì)大范圍復(fù)雜地形進(jìn)行無(wú)接觸勘測(cè)，通過(guò)遙感技術(shù)對(duì)機(jī)場(chǎng)周圍地形進(jìn)行三維成像，可以精確進(jìn)行機(jī)場(chǎng)凈空分析，給出周圍山體或建筑超高數(shù)值。

（2） 結(jié)合實(shí)例利用遙感技術(shù)完成了機(jī)場(chǎng)凈空三維模型的建立，實(shí)現(xiàn)了機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)分析并得出分析結(jié)果，該方法為機(jī)場(chǎng)凈空工作的開展提供了方法參考。