一種多數據結合的機場凈空區障礙物提取方法

李杰龍

（韶關市測繪研究院，廣東 韶關 512000）

1 概述

根據《MH 5001-2013 民用機場飛行區技術標準》中的規定，機場上空要設立凈空區，以保障飛機的起降安全。機場凈空是指機場附近沿起降航線一定范圍內的空域，即在跑道兩端和兩側上空，為飛機起飛爬升、降落下滑和目視盤旋需要所規定的空域，機場凈空區為控制機場周圍障礙物的高度而設置。[1]在飛行程序進行設計過程中，需要考慮凈空區中超高的障礙物的影響，因此需要排查機場凈空區中的超高障礙物[2]。在機場投入使用后，也要對機場凈空區內的障礙物進行管理，特別是要對新建的人工建、構筑物的高度進行控制。

本文將探討一種多數據結合的凈空區障礙物提取方法。即通過多種地理數據，獲取的高分辨率數字正射影像圖（DOM）、高分辨率的數字地面模型（DEM）及數字地表模型（DSM）、原始點云數據等，結合機場凈空區限制面模型采用疊加分析等GIS手段來提取符合條件的障礙物。

2 機場凈空區障礙物提取現狀

傳統的測量超過障礙物的方法是采用人工實測的方法進行，如采用經緯儀、水準儀、全站儀、RTK等傳統測量技術測量機場及其周邊的樓房、電塔、信號發射塔、煙囪等建構物的平面位置和頂端高度，再通過圖解法計算機場凈空區同一平面位置的障礙物許可高度，用實測頂端高度與許可高度進行比較，從而篩選出超高的障礙物。這種方法時間和經濟成本極大且人工計算容易出錯。

有學者使用地理信息系統（Geographic Information System, GIS）來對機場凈空障礙物進行分析和提取，國內研究起步較晚，但近些年來發展迅速，已取得了一定成果。種小雷等人建立了基于特征的GIS機場凈空評定地學模型[2]；李鵬等人將數字地形分析和三維可視化技術應用到機場凈空障礙物的分析[3]；楊武年、李天華等人構建機場凈空區模型，采取GIS空間分析技術提取障礙物。這些都具有較強的應用價值，也取得了不錯的效果。

國外使用GIS手段來分析機場凈空區并提取障礙物已較為成熟。如Chun Wang，Yong Hu 等通過航空影像和數字地形圖建立器三維障礙物限制面；Waheed Uddin 利用機載激光點云數據建立起三維數字地形模型，并對凈空區障礙物進行空間分析和管理[4]。

3 機場凈空區許可高度模型的構建

3.1 研究區選取

機場新建或改擴建建設可分為前期階段、設計階段、實施階段和驗收階段，其中在設計階段有一項機場飛行程序設計需要排查出機場凈空區內的超高障礙物，規劃飛機起降航線。保障飛行安全。而根據本文的一種多數據結合的機場凈空區障礙物提取方法可以將該類障礙物提取出來。

韶關機場位于韶關市乳源縣桂頭鎮，距離韶關市區30公里，為繁榮旅游市場，優化交通布局，促進韶關經濟社會發展，現正對原軍用機場改擴建為軍民合用機場，項目已進行到竣工設計階段。需要構建1300 多平方公里的機場凈空區，并篩選出超高的人工障礙物。本文將以此作為研究區域來進行分析和提取。

3.2 建模約束條件分析

根據設計方要求一共要提交三類障礙物，機場障礙物限制面內，突破起飛航徑區的障礙物和機場限制面外北端跑道入口35 公里、南端跑道入口30 公里×兩側各10 公里范圍內的障礙物。

為保隙航空器起降安全利場安全運行，防止由于機場周圍障礙物地多而使機場無法使用，規定了幾種障礙物限制面，用以限制機場及其周圍地區障礙物的高度，包括內水平面、錐形面、進近面、過渡面等[1]。根據中華人民共和國民用航空行業標準《MH 5001-2013 民用機場飛行區技術標準》中的要求在CAD中繪制出如圖1。

圖1 機場障礙物限制面

從跑道兩端中心點為起點，沿跑道中心線從兩側各90米寬擴張至兩側各900 米寬度，坡度1.2%的起飛航徑區，見圖2。

圖2 起飛航徑區

機場限制面外北端跑道入口35 公里、南端跑道入口30 公里×兩側各10 公里范圍，該平面的高程為機場中心點標高加上150 米，即236.08 米，見圖3。

圖3 外平面范圍

3.3 模型設計

可以看到三種類型的面有相互重疊的區域，分別在CAD 中繪制出設計面，其中內水平面、進近面等采用繪制密集等高線的方法來進行擬合。在將帶有高程數據的CAD轉為shapfiles 線狀失量文件。將帶有高程屬性線轉換為折點，融合三種設計面得到到點集，對點集進行修改，以保障重疊區域高度取到最低值，采用Delaunay 三角剖分方法將點集轉成TIN（不規則三角網）[5]，即設計出了凈空區許可高度模型，為方便后續處理，將TIN 轉換為分辨率0.1 米的柵格數據，在Arcscene 中可三維地瀏覽和驗證模型，見圖4。

圖4 機場凈空區許可高度模型

4 凈空區障礙物提取

根據上述構建好的機場凈空區許可高度模型與多種數據結合進行GIS分析來提取機場凈空區超高障礙物。

4.1 提取流程設計

采用Arcgis 軟件對數據進行分析和提取。首先對原始點云數據進行分層，處理得到數字高程模型DEM、DSM。許可高度模型柵格與DSM進行疊加分析，獲得超高的區域矢量圖形，接著將矢量圖形疊加DOM上，提取出障礙物的類別和平面位置信息，提取出的點位分別與DEM和DSM進行疊加處理，求取各個點的地面高程和頂端高程。使用點云數據對提取的障礙物進行檢驗，即將障礙物shpfile 疊加到原始點云數據中去；最后經過整理形成障礙物坐標表提交給設計方。處理的流程如圖5。

圖5 提取流程圖

4.2 數據的預處理

近年來，機載激光雷達技術逐漸嶄露頭角，它是利用全球定位系統和慣性測量裝置機載激光掃描。其所測得的數據為地表的離散點表示，即通常所說的點云數據。數據中含有空間三維信息和激光強度信息，去除噪聲后即可處理為數字表面模型（DSM）[6]。應用分類技術在這些原始數字表面模型中移除建筑物、人造物、覆蓋植物等測點，即可獲得數字地面模型（DEM），并同時得到地面覆蓋物的高度。獲取韶關機場1350 平方千米的原始點云數據，對數據進行濾波和分層處理，得到地面點高程數據和帶有頂端高程值屬性的點數據，由分層的點云數據分別進行內插，處理得到0.2 米分辨率的DEM和0.2 米分辨率的DSM。

利用航空攝影資料和外業成果，對測區進行加密分區，在全數字攝影測量工作站PixelGrid 軟件中進行空中三角測量計算。把空三成果導入PixelGrid 海量影像處理系統，利用一定上述的DEM數據成果對原始影像進行正射糾正，通過自動鑲嵌、勻色，分幅裁切輸出彩色正射影像圖DOM成果[7]。

4.3 疊加分析獲取超高區域

由3.3 中處理后得到的機場凈空區許可高度模型的柵格數據與DSM進行疊加分析，即使用Arcgis 中的柵格計算器進行代數運算，DSM減去許可高度柵格，柵格值大于零的像元所在位置是超高區域，將處理后的柵格數據進行重分類和柵格轉面操作后得到超高區域矢量圖形[4]。

4.4 提取超高障礙物

將矢量圖形疊加到0.2 米分辨率的正射影像上，在超高區域內進行目視判斷，提取出障礙物的類別和平面位置信息，包括高壓線桿、塔、煙囪、風力發電機、塔臺、高層建筑等障礙物。將這些障礙物轉為點要素數據。

提取出的點分別與DEM和DSM進行疊加分析，即基于一組點要素提取柵格像元值，并將這些值記錄到輸出要素類的屬性表中。分別求取各個點的地面高程和頂端高程。使用點云數據對提取的障礙物進行檢驗，即將障礙物shpfile 疊加到原始點云數據中去，在ArcScene 中進行疊加，如圖6 所示，能比較直觀的看出電塔的形狀，基于此刪除錯誤的障礙物，添加遺漏的障礙物，修改錯誤的地面高程和頂端高程。最后獲得正確的障礙物點要素數據。

圖6 障礙物疊加點云數據進行檢核

4.5 整理成表格

經過檢核無誤后，通過地理投影，將投影坐標系統反算為地理坐標，計算出經緯度坐標，求取障礙物高度（頂端高程減去地面高程），接著導出表格，經過整理后得到成果表。經過上述提取分析，在1350 平方公里范圍內，共提取到434 個超高障礙物，見表1。

表1 韶關機場改擴建工程項目人工障礙物坐標表

圖7 超高障礙物分布情況

5 結論

本文以韶關機場為例，對其凈空區障礙物提取是先設計出機場凈空區許可高度模型，接著與由點云數據處理得到的DSM數據進行疊加分析從而得到超過限制面的區域，再在這些區域中通過正射影像圖目視判斷出人工障礙物，最后經過點云數據檢核后出具成果表。通過該方法提取出了1350 平方公里的400 多個障礙物數據，耗時僅25 天就將數據及時提交給設計方，為韶關機場飛行控制程序的設計提供了支持，取得了良好的社會和經濟效益，也為其他地方機場凈空提取障礙物提供了借鑒。