機場工程測量技術與應用

許文學，楊輝，李鋒，錢清玉

(1.空軍研究院工程設計研究所，北京 100068； 2.山東牧馬人測繪技術有限公司，山東 濟南 250000；3.中建安裝工程有限公司，江蘇 南京 210046)

1 引 言

機場作為航空運輸網絡中的節點，是一個城市乃至一個地區的重要門戶和窗口，是地方經濟發展的重要基礎條件，同時也是國家空防建設中極其重要的一個環節，此外還是國家在應對自然災害等突發事件時的重要應急平臺。隨著我國綜合實力的提升，為促進地方經濟發展和滿足國防建設的需求，近年來我國建設了大量的機場。機場建設的主要特點是占地廣，與空中、地面的關系復雜，投資大，工程門類多，并要求采用先進的現代化科學技術[1]。

測量工作貫穿于機場工程建設的各個環節，其包含的測繪技術有：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域的先進技術應用于機場工程建設中，如GNSS技術應用于機場平面控制測量，大地水準面精化技術應用于山區機場高程控制測量，三維激光掃描技術應用于機場地形圖及板角高程圖測繪，全站儀自由設站法應用于機場高邊坡水平位移監測等。這些技術的應用給出了機場工程測量工作的解決方案，同時也促進了機場工程測量技術的發展。

本文針對機場工程建設的各個環節，給出了各階段測量工作的主要內容，并對其涉及的典型測量工作給出了測量方案和實踐結論以及應用時須注意的事項。

2 機場工程建設各階段測量工作內容

一個機場從選勘到使用的全過程包括[1]：選勘(選址勘測)、定勘(定點勘測)、詳勘(詳細勘測)、施工圖設計、建設(施工)和使用中的維護階段等，測繪作為機場建設的先行者，其內容貫穿了上述各環節。以一個擬建機場為例，在不同階段主要有以下測量工作內容。

(1)選勘階段

選勘應按勘測任務書要求，在指定區域進行勘測，預選出二個(含)以上的擬選場址，為確定定勘場址提供依據[2]。測量工作主要有飛行場地、飛機洞庫和地下油庫區的 1∶10 000地形草測圖，凈空草測圖以及確定擬建機場與周邊已使用、正建或已立項待建機場之間的相對關系，包括機場跑道中心點、真北方位角的確定等。

(2)定勘階段

定勘應按勘測任務書要求，對選勘階段推薦的場址作進一步勘測，從中選出一個最佳場址，為機場定點和編制設計任務書提供依據[2]。測量工作主要有測繪機場飛行場地、各營區、庫區的勘選方案范圍內的 1∶10 000地形圖，測繪飛機洞庫區和地下油庫區的 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)比例尺地形圖進行工程量估算，提出總體規劃方案，確定擬建機場詳勘方案，不同坐標系統地形圖的轉換、DEM(數字高程模型)的提取等。

(3)詳勘階段

詳勘是根據批準的設計任務書，在設計人員現場指導下，為配合初步設計提供資料而進行的測量工作[3]。測量工作主要有[2]：

①飛行場地方格網地形圖；

②飛行場地外挖填方區方格網地形圖；

③拖機道、道路、排水、輸油、供水、供電等線路的測量；

④防護工程大比例尺地形圖；

⑤營房、地面倉庫區和導航臺站大比例尺地形圖；

⑥測算機場位置點的經度和緯度及跑道方向。

依照設計部門提出的設計方案對擬建場區建立控制網、確定控制網中不同坐標系如WGS-84、CGCS2000、1954年北京坐標系、1980西安坐標系、地方坐標系、機場坐標系等之間的轉換關系，1∶5 000(或 1∶10 000)比例尺地形圖修(補)測，1∶1 000(平原地區為 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，環境平面圖測繪，擬建跑道關鍵點、擬建導航臺站、主方格網點及征地紅線的放樣等。

(4)施工圖設計及施工階段

①施工圖設計階段，征地面積與土方量的計算；

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

(5)使用階段建成

①建成后校飛階段，向民航局上報機場各關鍵點的WGS-84坐標0及磁偏角；

②建成后使用維護階段，凈空狀況變化監測、混凝土道面(跑道、聯絡道、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，從機場的擬建到機場建成后的維護，測繪技術貫穿了始終。其中，有一些重點環節，其重要性已超出測量工作本身的范疇，比如：機場間相對關系的計算與跑道定位、定向的實現；機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；在施工過程中，根據機場的沉降監測與變形監測數據做出的工程穩定性進行評價，將接受建成后機場道面安全性的嚴峻考驗；機場使用過程中，凈空監測準確性、監測數據庫的及時維護與更新將直接影響飛行安全。

3 典型機場工程測量技術與應用

如前所述，測繪技術貫穿機場工程建設的全過程，其主要的測繪技術點包括：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，這些技術點是機場工程測量的典型代表，下面分別對其予以介紹。

3.1 控制測量

機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，高程控制測量通常采用水準測量技術。機場工程控制網的建立是依照相應的國家和行業標準建立的，除執行國家和測繪行業標準外，還應執行《軍用機場勘測規范》。通常情況下機場高程控制網等級不低于三等水準[1]。

現階段，我國航空事業快速發展，空中資源愈發緊張，導致機場選址一定程度上“空決定地”；同時，國家基本農田保護紅線等土地緊控政策的出臺，導致機場建設必須“上山下海”、“高挖深填”，由此機場建設不得不選擇在地質不良地基上，如西南西北山區高填方地基、東南沿海的軟土地基以及海上機場等[5]。基于此，復雜地形的山區場址相對高差過大，有的地區甚至出現相對高差超過 300 m、局部坡度超過60°的情況，且交通不便利。在詳勘階段對所有控制點實現三等水準測量的難度很大，在很多情況下甚至是不可能實現的，特別是西部某些欠發達地區，場址距國家高等級水準點很遠，一些偏遠地區甚至沒有國家控制點。

機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算，而三等水準控制成果則主要用于機場道面施工階段。可以理解為，三等水準測量可以在機場道面施工前施測，而在測圖階段可以不采用三等水準測量的方式建立高程控制網。為此，通常的做法是基于GNSS成果中提供的大地高成果，進行似大地水準面精化，直接計算測圖控制網的正常高，滿足該階段大比例尺測圖的需要即可。通過長期的機場工程測量實踐，得出如下結論可供參考[6]：

(1)用于機場場址區域似大地水準面擬合的GNSS成果必須與國家控制點或IGS跟蹤站聯測過，其大地高應為CGCS2000或者ITRF系統下成果。

(2)應選用EGM2008模型，其精度明顯優于EGM96模型，精度提高了2倍～3倍，直接計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′的數據，采用直接擬合法所得的正常高精度在平地區域遠優于四等水準測量精度，在山區可優于 ±5 cm。

3.2 地形圖測繪

現階段，數字化測繪技術已在測繪工程領域得以廣泛應用，使大比例尺測圖技術向數字化、信息化發展。隨著電子經緯儀、全站儀的應用，尤其自動跟蹤型全站儀的推出和GNSS RTK實時動態定位技術以及先進的數字化測圖系統和電子平板測繪模式的應用，實現了地形圖從野外(或室內)數據采集、數據處理、圖形編輯和自動繪圖的自動化成圖。但是，利用傳統的測繪方法仍然存在勞動強度大、質量控制難、功效低等缺點。

近年來，攝影測量技術在工程測繪領域應用越來越廣泛，由于高質量、高精度的攝影測量儀器的研制生產，結合計算機技術，使得攝影測量能夠提供完全的、實時的三維空間信息。特別是機載激光雷達測繪技術和傾斜攝影測量技術的應用，有效促進了機場工程測量的發展。我們于2013年5月在國內首次將機載激光雷達測繪技術應用在機場工程中，該技術以GNSS系統為基準，采用慣性導航技術，利用機載激光雷達飛行采集數據，采用航測技術、遙感技術及數據交換技術完成數據處理。由于該技術是機載激光主動式測量，植被穿透能力強，能直接獲取地面點的三維坐標，野外工作量小，初步估算測繪效率提高了3倍。實踐結果表明平面精度優于 30 cm、高程精度優于 7 cm。該技術的應用可有效解決傳統測量技術測量點位代表性不強、不均勻等問題，在提高測量效率的同時可有效保證機場工程土石方量計算的準確性，為機場土石方工程量的準確計算打下了堅實基礎。

3.3 凈空測量

機場凈空區是飛機起飛、爬高、轉彎和進入機場下滑著陸的區域，它是飛機起飛、著陸的必經之地。機場凈空區由升降帶、端凈空區和側凈空區三個部分組成。其中側凈空區包括過渡面、內水平面、錐形面和外水平面，其平面圖如圖1所示。一級機場凈空區范圍為 28 km×13 km，二級機場凈空區范圍為 40 km×26.2 km，三、四級機場凈空區范圍為 40 km×30 km，以上范圍中長度方向不含跑道長度[7]。

圖1 二級機場凈空區平面圖(單位/km)

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

針對凈空區障礙物測量的精度要求和不同時期測量對象的不同，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緯儀前方交會法、GNSS定位法和全站儀法等。近年來，隨著免棱鏡測距技術的發展，有關單位研制了機場凈空監測儀，其實質是經緯儀加免棱鏡測距儀的組合。同其他測量儀器相比，其最大的優點在于可測量范圍較大，通常可達數公里，這樣就可大大減少測站點的數量，從而減少工作量，提高效率。凈空監測儀激光發射功率大，可以對大范圍內的障礙物進行測距，且精度較高。所需的測站點數量少，計算簡便，內業工作量小。但需注意的是凈空區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，使用測距儀可能會由于無法接收到激光反射信號而無法直接測出結果。

3.4 磁北方向測定

磁偏角是機場建設的重要參數，主要用于設定跑道編號、用作導航臺站的基準方位等。

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，取值有正值和負值。磁子午線位于真子午線方向東側，稱為東偏，δ取正值。磁子午線方向位于真子午線方向西側，稱為西偏，δ取負值。在機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歷了由指北針、羅盤經緯儀到磁經緯儀的發展過程，目前精度比較可靠、應用較多的是Mag-01 H/DI磁經緯儀，Mag-01 H經緯儀方位角計/傾角計系統包含一個高靈敏度電池供電的Mag-01 H型磁力計和一個A型矢量感測磁通門探頭，后者安裝在Wild T1非磁性經緯儀上。此系統須架設在專用的非磁性三腳架或非磁性柱上，同時儀器操作人員身體上不準附帶磁性物體。

磁偏角的測量受多種因素影響，如地質結構、地下金屬礦、地震、氣象及機場周邊的電線、通信設施、儀器附近的金屬、日變和太陽黑子活動等引起的磁場變化。為此，磁偏角測量時需開展高精度、高分辨力的連續測量和絕對測量，通過標準化數據處理，消除地磁日變化和其他短周期對測量的影響，通過時間域分析和空間域模型計算等手段，詳細、準確地計算出機場周邊區域磁偏角局部異常的時間變化和空間分布[8]。

3.5 板角高程圖測繪

《軍用機場勘測規范》中規定，當機場道面損壞或提高機場等級時，應在施測機場道面分塊平面圖(1∶200～1∶500)的基礎上，利用面水準測量，按照勘測要求測量分塊角點(板角)高程，高程取至 1 mm，并繪制機場道面板角高程圖[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技術測量道面分塊角點的平面位置。利用AutoCAD Civil 3D中Point模塊對分塊角點在平面圖上進行平面坐標數據的提取，并組成數據文件。

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

(3)板角高程圖繪制：將分塊角點測量的平面點位坐標數據文件與水準測量的高程數據文件按照點號一一對應的關系進行合并，組成板角高程圖成圖數據文件，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，但其勞動強度大、效率低、點位代表性不強。為此，可采用激光掃描儀掃描道面的方法進行代替，工程實踐表明該方法在保證測量精度的同時可大大提高效率、降低勞動強度，同時點云密度大、點位代表性更強，更能保證工程造價的準確性。但需注意合理設計掃描儀的設站位置以及高程控制點的位置和間距。

4 結 語

機場測量屬工程測量范疇，但有其獨特之處。由于機場工程的特殊性，機場工程測量并不為廣大測繪工作者所熟知，其實機場工程中使用的測繪技術涵蓋了大地測量、工程測量、地理信息及地圖制圖等專業。本文詳細介紹了機場工程從選址、建設到運營維護各階段測量工作的內容，并對測量方案進行了論述，同時結合工程實踐給出了結論和應注意的事項，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，為相關工作者提供參考。