機場凈空障礙物測量方法研究

丁勇 項洪達

摘要：機場凈空障礙物遍布的范圍較大，傳統的測量方法費時費力。本文對于機場凈空障礙物的測量，基于遙感衛(wèi)星圖像的基于立體像對提取DEM的方式進行障礙物高度普查測量，再通過無人機搭載GPS基于COBS技術進行個案處理，以期達到一種高效準確的測量方法，為機場對周邊障礙物的巡視檢查提供良好的工作方式。

關鍵詞：機場凈空；障礙物測量；立體像對；iRTK

隨著中國民航的快速發(fā)展，機場規(guī)模不斷擴大，航班數量不斷增多，隨著以機場為核心的航空城的建起，機場周圍的建筑物的數量不斷增多，對機場的凈空環(huán)境構成了很大挑戰(zhàn)和威脅。機場由此需要進行巡視檢查，但是由于巡查面積過大，相關工作人員較少，依靠傳統的巡查和測量方式對機場障礙物進行測量是困難的，因此需要一種較為準確和高效的方法進行機場凈空障礙物的測量，立體像對提取DEM技術及GPS則滿足這種需求。本文采用的機場凈空障礙物測量方法，首先通過遙感技術進行大范圍的普測作業(yè)，然后通過GPS對個別可能突破限制面的建筑物進行個案處理。

一、機場凈空障礙物巡查范圍及依據

機場凈空障礙物巡查的范圍是《機場勤務手冊》第6部分規(guī)定的外水平面，其范圍是以機場跑道中點為圓心，55kn3為半徑的一個圓，如圖1所示。從圖中可以看出，機場所需要巡查的面積很大，必須采用高效簡便的方法。

二、立體像對提取DEM技術測量

（一）遙感成像集合數據模型

遙感圖像的構像方程，指地物點在圖像上的圖像坐標（x，y）和其在地面對應點的大地坐標（X、Y、Z）之間的數學關系。根據攝影測量原理，這兩個對應點和傳感器成像中心成構像關系，可以用構像方程來表示。

通用構像方程如下：

式中：A為傳感器坐標系相對地面坐標系的旋轉矩陣，是傳感器姿態(tài)角的函數。A=RΦRωRk

由此可得由像點坐標可以解算大地（平面）坐標的公式，稱為正算公式：

（二）有理函數模型

有理函數模型（Rational Function Model，RFM）將像點坐標（r，c）表示為以相應地面空間坐標（X，Y，Z）為自變量的多項式比值，反映了地面點三維空間坐標與相應像點在像平面坐標系中的數學關系。基于WGS84大地橢球坐標系的有理函數模型如下式所示：

多項式P的形式如下：

pi（r，c，Z）=a0+a1Z+a2c+a3r+a4cZ+a5rZ+a6cr+a7Z2+a8c2+a9r2+a10crZ+a11cZ2+a12rZ2+a13c2Z+a14c2r+a15r2Z+a16cr2+a17Z3+a18c3+a19r3（5）

為了穩(wěn)定求解過程，需要將地面點坐標和對應像元坐標進行標準化，地面點坐標及像元坐標標準化如下：

公式中的參數分別表示像點坐標和地面坐標經平移和縮放后的標準化坐標（-1～+1）。下標為。的參數為標準化平移參數，下標為s的參數為標準化比例參數。將式（6）帶入式（4），整理可得：

式（7）中共有80個系數，此系數即為衛(wèi)星提供的有理多項系數（RPC），將衛(wèi)星文件提供的系數帶入式（7），即可實現衛(wèi)星影像與地面點之間的對應，再通過地面控制點對有理函數系數（RPC）進行修正，提高立體像對的精度。

（三）建筑物高度提取

建筑物的高度提取，目前有很多軟件支持立體像對提取DEM（數字高程模型）的技術，ENVI軟件便是其中一個，ENVI通過其DEM Extraction自動提取擴展模塊，可以簡單、快速的從衛(wèi)星原始數據中創(chuàng)建DEM（數字高程模型）。其提取步驟如下：

a.輸入立體像對圖像；

b.定義地面控制點；

c.定義連接點；

d.設定輸入參數；

e.輸出DEM及檢查結果；

f.編輯DEM。

（四）測量精度及范圍

通過遙感衛(wèi)星圖像進行處理的精度誤差用相關系數及均方根誤差來表示。對于建筑的實測數據和實際數據的比對如圖2[1]所示：

通過對數據進行分析計算，得出立體像對犯法對商業(yè)建筑及居民住宅的測量均方差分別為2.8m和2.5m。此精度隊機場障礙物的普遍測量來說達到了精度要求，為下一步的個案處理起到了很大作用。

應用衛(wèi)星遙感圖像可以每次處理數十棟建筑物的三維坐標，相比于傳統實地勘測，極大地提高了工作效率，節(jié)約了人力。

三、基于GORS的iRTK技術測量

由第2小節(jié)所述可知，由遙感衛(wèi)星圖像獲取的數據，經過ENVI等軟件利用立體像對提取DEM技術已經在大范圍的解決了巡視檢查中障礙物的測量，但是由于此技術測量存在較大誤差。因此需要使用更為精確的測量方法對于可能破壞機場凈空的障礙物進行重新測定。基于CORS的iRTK技術測量方法可以很精確的測量建筑物的高度。

（一）CORS技術

CORS系統由基準站網、數據處理中心、數據傳輸系統、定位導航數據播發(fā)系統、用戶應用系統五個部分組成。CORS站在測量系統中，扮演著參考站，即基準站的角色。在實地測量中，可以免去架設基準站，而且CORS站覆蓋整個城市，對于機場如此大面積的測量范圍來說，可以全天候，全方位的進行測量。（見圖3）

（二）iRTK技術

高精度的GPS測量必須采用載波相位觀測值，RTK定位技術就是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術，它能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果，并達到厘米級精度。應用iRTK技術，極大地提高了測量精度，對個別的障礙物高程給出了更加精確的評價，以便于決定障礙物是否影響飛機飛行安全。

（三）測f方法

對于個別有可能突破限制面的障礙物，將GPS移動臺架設到障礙物上，利用手簿調節(jié)好CORS站工作模式，選擇一種坐標系，待坐標變?yōu)楣潭ń庖院螅鎯ψ鴺藬祿Ｍ鈽I(yè)完成后利用坐標轉換將坐標轉化為機場坐標，進而進行高度比對，確定障礙物是否突破障礙物的限制，破壞了機場凈空。

四、小結

本文給出了機場凈空障礙物測量的方法，首先通過獲取周邊障礙物的遙感衛(wèi)星圖像數據，然后通過立體像對提取DUE技術進行解算，將獲取的像元坐標轉化為地理坐標，確定障礙物的三維坐標及高程。對于某些在誤差范圍內有可能突破限制面的障礙物，可以使用更加精確的iRTK技術進行測量，以便獲得更加精確的障礙物高程評價結果。此方法對于機場大面積的障礙物測量提供了快速、精確的結果，對解決實際問題有很大的幫助。

參考文獻：

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