吴述龙
摘 要：本文结合上海浦东国际机场第四跑道净空障碍物测量这一工程项目，简要介绍了机场净空限制面的概念及分类。详尽阐述了机场空域飞行障碍物测量工作流程及具体测量方法。针对障碍物测量工作的难点，对各种测量方法的运用进行研究探讨和比较，以期对今后类似工程的开展起到了一定的借鉴作用。
关键词：机场净空限制面 基础地理信息数据库 净空障碍物测量 RTK
中图分类号：P258 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）10（a）-0085-03
随着我国航空事业的快速发展，飞行安全问题越来越受到人们的关注。在有限的空域内一旦设置出现哪怕是细小的问题，都将影响到航空飞行器的飞行安全。而准确现势的空域飞行障碍物图作为机场飞行管理使用手册重要内容，关系到机场空域飞行器航路的精密设置，对于飞行安全尤显重要。
正是基于安全方面的考虑，在浦东国际机场第四跑道即将进入商业运行前，上海机场（集团）公司特委托上海市测绘院对第四跑道进行障碍物测量，绘制第四跑道的空域飞行障碍物图，确保第四跑道运营安全。
1 目标和内容
净空障碍物测量的主要内容是以浦东国际机场第四跑道中心点为原点，调查半径15km内的各类障碍物详细情况，同时对半径50km内高于机场跑道中心点150m的障碍物进行调查并详细测量。
本次净空障碍物测量的平面坐标系统采用上海市城市平面坐标系统，高程系统采用上海吴淞高程系统。成果资料提交机场空管中心后，由空管中心统一将障碍物的平面坐标转换成WGS84系统坐标。相对浦东机场第四跑道中心以及机场基准点，计算出各障碍物的相对磁方位角以及各障碍物距离跑道中心点的距离等相关数据。高程系统也相应由上海吴淞高程系统转换为黄海高程系统。
障碍物测量工作的难点主要在于：一是障碍物的分类判断，即如何在众多疑似障碍物建筑找到这些障碍物，并且分析判断需要测量的目标；二是如何运用合理的技术手段进行测量，获得符合精度要求的数据成果。
2 机场净空限制面介绍
2.1 机场净空限制面的概念
机场净空限制面是一个人为的假想面，在其范围内各个面的高度为障碍物限制高度，障碍物低于限制高度才能保证飞机升降安全，因此要求在各个限制面以内不允许有自然或人工障碍物存在或穿越，如有障碍物存在或穿越则需进行障碍物净空测量。
2.2 机场净空限制面的分类
根据《民用机场飞行区技术标准》相关技术的规定，浦东国际机场第四跑道为Ⅱ类精密进近跑道，属于最高等级的飞行区。现以浦东国际机场第四跑道为例，对机场净空限制面的分类进行阐述。详细的浦东国际机场第四跑道机场净空限制面的分类见图1。
2.2.1 无障碍区
无障碍区即该区域内不得有任何高于机场跑道平均高程的障碍物存在。无障碍区包括内进近面、内过渡面和复飞面，以及与这些面所邻接的那部分升降带上的空间。
2.2.2 障碍物A型面
分为南北两个面，起点为跑道南、北入口处，起点宽度为180m，两侧边散开率各为12.5%，递增至最大宽度1800m，起端至末端的垂直距离为10km。由于障碍物A型面内的建设项目：超过1.2%坡面但不超过起飞爬升面的的障碍物允许建设，但要在航行资料中公布，因此障碍物的限高按照公式L×0.012求得，其中L为障碍物距离跑道入口处的垂直距离。
2.2.3 内水平面
内水平面的起算标高同障碍物A型面应为跑道两端入口中点的平均标高。内水平面是以跑道两端入口中点为圆心，4km为半径画出圆弧，再以与跑道中线平行的两条直线与圆弧相切成一个近似椭圆形，形成一个高出起算标高45m的一个水平面。
2.2.4 锥形面
锥形面的起端应从内水平面的周边开始，起算标高为内水平面标高（50.40m），以5%的坡度向上和向外倾斜一直到高度为100m处截止（标高为150.4m），相当于内水平面向外平行扩散2km的一个坡面椭圆环。
2.2.5 进近面
进近面分为南、北两个部分，是跑道入口前的几个平面的组合。起端位于跑道入口前60m处起算标高为跑道入口中点标高（本次以机场跑道中心标高5.40m为起算数据）。起端宽度300m，两条侧边散开率15%，第一段长度（起端到末端的垂距）为3000m，坡度2%，第二段长度（起端到末端的垂距）为3600m，坡度为2.5%，第三段为水平段，标高为第二段的末端标高，长度为8400m，三段总长为15000m。
2.2.6 过渡面
过渡面从升降带两侧边缘和部分进近面边缘作为起端，以14.3%的坡度向上和向外倾斜，直至与内水平面相交。
2.2.7 外水平面
外水平面是以跑道中线两侧各10km，跑道端外20km，高出原地面30m且高出机场标高150m的一个水平面。
3 障碍物测量要求及前期准备
3.1 障碍物测量的要求
3.1.1 障碍物测量位置的要求
障碍物的平面及高程应测至障碍物的最高处，有避雷针、天线的建筑物应测至其顶端。对于烟囱等需要偏心测量的障碍物，应测其两边，取平均值，以保证其精度。
3.1.2 障碍物测量的精度要求
本项目障碍物实测点位精度要求如下。
平面：相对于邻近的平面控制点的点位中误差应≤±0.2m。
高程：相对于邻近高程控制点的高程中误差应≤±0.15m。
3.2 已有成果资料的分析与利用
3.2.1 测区内的基础地理信息数据库
（1）数字线划图数据。基于上海市城市平面坐标系统、上海吴淞高程系统的该院基础地形图，涵盖了整个上海市，而且按特定的周期进行不同比例尺的更新，本项目测区内不仅有1∶10000数字化地形资料，可以作为最终空域保护区净空障碍物成图的底图；而且还有1∶500、1∶1000和1∶2000的数字化地形资料，这些大比例尺的地形数据是外业作业中最实用的工作资料。
（2）数字正射影像数据。上海市测绘院每年都会对整个上海市域范围进行航空摄影，用于大比例尺航空影像图的定期更新，具有较高的现势性。其中每一幢8层（含）以上建筑物的属性中，包含地面高程（h0）、建筑物主体高程（h1）、设备高程（h2）、天线和避雷针高程（h3）共4个吴淞高程信息。可以利用特定的程序提取出上述4个高程中的最大值，再减去跑道中心点的高程，即可得到该建筑物相对跑道中心点的高度，再计算该建筑物距离跑道中心点的垂直距离，以判断该高度是否超过限高要求。利用这些现势的影像数据，结合该院基础地理信息数据库中的高层建筑数据信息，可以对测区内的高大建（构）筑物按第四跑道净空数据模型进行障碍物的初步筛选，结合数字线划图数据，外业工作实施前可以预先在室内对项目施测目标、行车路线进行图上规划，制定合理的测量方案，节约作业时间和施测经费。
3.2.2 上海浦东国际机场第三跑道障碍物测量数据
上海浦东国际机场第三跑道障碍物测量数据，是上海市测绘院于2007年受机场（集团）公司的委托并测绘提供的。本项目实施时，必须对原有第三跑道净空区域内的47个障碍物进行调查核实，并测量它们对应于第四跑道的障碍物数据。
3.2.3 其他相关资料
本项目实施时，委托方也提供了一些其他相关资料：第四跑道为Ⅱ类精密进近跑道，第四跑道南端、北端、中点的坐标，跑道中心设计高程。这些信息可作为制定机场净空障碍物各限制面指标的作业依据。帮助计算出第四跑道中心点磁偏角，根据各障碍物以及跑道特征点的大地坐标计算跑道真方位、磁方位以及各障碍物相对跑道中心点的磁方位数据。
4 项目实施情况
4.1 平面、高程控制点布设
本项目平高控制点的测设是根据ZYW07-45《基于GPS虚拟参考站动态测量作业指导书》的基本要求进行布设。对于有条件的障碍物，尽量将控制点布设在离开最高点较近的区域，数量均在3个以上。本次RTK测量是基于上海CORS系统。每个平面、高程控制点均测设4组数据，其数据精度要求如下：每组数据平面位置较差小于2cm，高程位置较差小于3cm，且控制点使用前均进行检核，确保其满足本项目对平面、高程控制的精度要求。
4.2 实测障碍物
本项目障碍物测量工作按设计书要求针对实地不同的情况采用不同的测量方法，共实测139个目标数据， 其中利用RTK直接测量的有两个目标物，用三点法或分段法等方法测量的有128个目标，利用前方交会法测量的有9个目标。具体测量情况如下。
4.2.1 RTK直接测量
对于房顶、水箱顶等目标，可以利用RTK直接测量其三维坐标。
4.2.2 三点法
对于无法直接利用RTK实测的情况下，可以在周边布设三点平高控制点，使用免棱镜全站仪以其中两点为测站，另一点为后视点，实测边长和理论边长较差要求小于5cm。输入测站坐标和后视定向点坐标，直接测量障碍物的平面坐标。每一测站测量平面坐标两组，四组平面坐标的较差要求不大于±20cm，4组平面坐标任取一组为障碍物的平面坐标。高程测量采用三角高程法测量，每一测站观测垂直角和水平距离两组，加上测站点高程和测站仪器高后，四组高程较差要求不大于±10cm，取4组高程的平均值作为障碍物的高程值。
4.2.3 分段法
对于一些高度较高，垂直度好的障碍物，如避雷针，天线，房角点等目标，利用全站仪免棱镜测量无法测量其最高点的三维坐标时，可先利用三点法测量其中某段中选定特征点的三维坐标，然后再利用对边法测得障碍物上该特征点至其最高点的高差，最终求得该障碍物最高点的三维坐标。
4.2.4 一点法
在一些控制点布设困难，且测量障碍物密集地区，则先根据实地情况将障碍物划分成不同的区域，按照区域逐一测量。测量一个区域内的障碍物时，先测定该区域内特征点明显的地物，如无线电发射塔，避雷针等，该地物最好位于测量区域中心，获取其三维坐标。区域内余下目标的测量，都以该最高点为后视点。然后针对相应的障碍物利用RTK布设一点平高控制点，使用免棱镜全站仪以已经测定的目标为后视，测量平面坐标和高差各两次，两组平面坐标的较差要求不大于±20cm，两组高程较差要求不大于±10cm，两组平面坐标任取一组为障碍物的平面坐标，取两组高程的平均值作为障碍物的高程。测量好某一个障碍物后，更换后视点进行检测，验证成果的可靠性。
4.2.5 前方交会法
当控制点相对于测量点距离较远，利用全站仪免棱镜测量无法满足精度要求时，可利用RTK布设3点平高控制点，使用全站仪设3个测站，两交会点平面坐标较差不大于±20cm，取两交汇点平面坐标的平均值为该目标的平面坐标。计算目标和两测站间的水平距离，求得高差，四组高程较差不大于±15cm，取平均值作为该目标的高程值。
4.2.6 测量精度情况
经分析统计，利用RTK直接测量的目标物坐标绝对精度最高，平面精度和高程精度分别达到5cm和10cm以内；利用分段法和三点法测量的目标物，绝对精度能满足要求，通过实测平距和坐标反算距离相互验证比较的手段可分析出平面精度和高程精度分别可以达到15cm和10cm以内。利用多方向前方交会法测量的目标物，绝对精度相对较低，根据此方法所获得的示误三角形，通过内插的方法，可以分析出目标物的平面和高程精度都可以控制在20cm和15cm以内。
通过测量精度的统计，可以认为以上各种测量方法均可作为障碍物测量的常用方法且均可满足精度要求。在实际工作中，利用RTK直接测量，分段法和三点法方法这3种测量方法因其操作灵活简便，受现场条件限制较少，较多采用，因为本次工程测区内未发现测量障碍物密集现象，一点法未于使用。但根据以往经验，在控制点布设困难，且测量障碍物密集地区，一点法有着广泛用途。而传统的前方交会法采用较少。这也体现出RTK测量、全站仪免棱镜测量等新技术在实际工作的优越性。
5 结语
障碍物测量主要目的是为了获得障碍物的三维信息，在此基础上求得经纬度、磁偏角、真方位角、高程等数据，判断其是否对飞行安全产生影响，以便采取相应措施。障碍物的分类判断，即如何根据不同净空限制面指标要求在众多疑似障碍物建筑中分析判断哪些是需测量的障碍物，采用合理的方法测得所需数据一直是障碍物测量的一大难点。以前作业，基本上采取的是对整个区域进行地毯式排查，对可疑的目标逐一标记，测定其三维坐标。为了确定哪些建筑物可能是障碍物，需要外业实地估算它的高度，再判断是否超过限高要求，耗时耗力且会产生很大的误差。此次障碍物测量在实际工作中充分利用了上海市测绘院基础地理信息数据库，利用最新影像图，结合地理信息数据库中的高层建筑数据信息，对测区内的高大建（构）筑物进行初步筛选，绝大部分的障碍物被提取出来了。当然，这里面肯定会有遗漏的障碍物，一方面，在数据库更新时有一些建筑物不准测量，另一方面，实地也会有新建的建筑物，这两部分建筑物的信息在基础地理数据库中是不存在的。但这两部分所占的比重应该是很小的，而且借助该院1∶2000数字正射影像图的优势，在影像图上就可以发现这些建筑物。再此基础上预先在室内对项目施测目标、行车路线进行图上规划，制定合理的测量方案。极大地提高了工作效率，为将来此类工程对数据库数据的验证和使用进行了有益的尝试。
如何运用合理的技术手段进行测量，获得符合精度要求的数据成果对于减少外业测量的工作量，保证测量精度有重要意义。此次障碍物测量由于范围较广，涉及障碍物种类较为齐全。综合使用了各种测量方法，对各种测量方法的流程及优劣进行了较详尽的介绍，对以后类似工程的开展也起到了一定的借鉴作用。
参考文献
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