基于Civil3D的機(jī)場(chǎng)凈空三維評(píng)估的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭莉++謝春生

摘 要：機(jī)場(chǎng)凈空環(huán)境遭到破壞時(shí)，機(jī)場(chǎng)就不能保證正常的運(yùn)輸生產(chǎn)，因此凈空保護(hù)在民用機(jī)場(chǎng)安全生產(chǎn)中占有非常重要的地位。目前的機(jī)場(chǎng)飛行程序設(shè)計(jì)人員都是利用紙質(zhì)掃描的方式來(lái)標(biāo)注航圖上的要素，二維顯示方式使得在障礙物評(píng)估上存有一定的局限性，為此采用數(shù)據(jù)庫(kù)管理方式，在三維地理信息平臺(tái)基礎(chǔ)上，建立機(jī)場(chǎng)凈空障礙物評(píng)估的可視化系統(tǒng)，即在飛行程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，按照民航相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)障礙物評(píng)估環(huán)節(jié)進(jìn)行分析計(jì)算，包括基本ILS面和OAS面數(shù)學(xué)模型的建立，障礙物評(píng)估算法的研究分析，并將結(jié)果進(jìn)行三維可視化。三維電子航圖與二維平面圖相比，克服了平面航圖觀察視角不靈活、目標(biāo)可視區(qū)域受到制約、空間信息量小等缺陷。

關(guān)鍵詞：凈空保護(hù) 障礙物評(píng)估 三維可視 航圖

中圖分類(lèi)號(hào)：X949 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）09（c）-0076-05

Abstract： Considering the safety when aircrafts is taxing in the taxiway， one of the most important is to predict the conflict among aircrafts to avoid the conflict between two aircrafts. This paper presents a time bucket-based method taking the distance between aircrafts as standard. When considering the probability of conflict as standard， we assume that the position of aircraft follows two-dimension normal distribution first. Next step is to calculate the probability of conflict at any given time based on last algorithm. Through calculation shows that longitudinal and latitudinal variance accumulation effect should be considered when some uncertain factors exist in aircrafts taxing. Therefore， both the probability of conflict and the distance between aircrafts should be taken as standards in practice to assure the safety of the aircrafts.

Key Words： Aircraft taxi； Conflict prediction； Time bucket-based； Two-dimension normal distribution

近年來(lái)，隨著我國(guó)民用航空運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展和機(jī)場(chǎng)數(shù)量的不斷增加，以及城市的發(fā)展擴(kuò)張，機(jī)場(chǎng)周邊的民用高大建筑越來(lái)越多，當(dāng)機(jī)場(chǎng)周邊出現(xiàn)超高建筑物時(shí)，機(jī)場(chǎng)凈空條件將遭到破壞，機(jī)場(chǎng)就不能保證正常的運(yùn)輸生產(chǎn)，甚至導(dǎo)致關(guān)閉運(yùn)營(yíng)，這將造成機(jī)場(chǎng)當(dāng)局和當(dāng)?shù)卣膿p失，也會(huì)引起廣大旅客及社會(huì)各界的強(qiáng)烈反映，因此機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)在民用機(jī)場(chǎng)環(huán)境保護(hù)中占有十分重要的地位，如何保證民用機(jī)場(chǎng)擁有安全的凈空條件已成為日益凸顯的嚴(yán)重問(wèn)題。

現(xiàn)階段對(duì)障礙物的評(píng)估及機(jī)場(chǎng)選址等工作仍采用紙質(zhì)掃描圖的方式來(lái)標(biāo)注顯示航圖上的要素，限于二維平面圖局限勢(shì)必使得空間信息表達(dá)不明了、不直觀。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)管理方式已在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。機(jī)場(chǎng)終端區(qū)障礙物評(píng)估檢測(cè)作為飛行程序設(shè)計(jì)工作中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)各機(jī)場(chǎng)周邊的障礙物數(shù)據(jù)必須有詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)與記錄。由于機(jī)場(chǎng)以及周邊建筑等不斷更新，造成了相應(yīng)部門(mén)在統(tǒng)計(jì)障礙物數(shù)據(jù)工作上，重復(fù)性大、復(fù)雜、效率低等缺陷，為了彌補(bǔ)這方面的不足，利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行高效管理與統(tǒng)計(jì)十分必要。本課題結(jié)合實(shí)際情況，主要研究基于三維地理信息平臺(tái)的機(jī)場(chǎng)凈空障礙物評(píng)估的可視化。為確保飛行器在終端區(qū)安全正常運(yùn)行，首先在飛行程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，按照民航相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)障礙物評(píng)估環(huán)節(jié)進(jìn)行分析計(jì)算，包括基本ILS面和OAS面數(shù)學(xué)模型的建立，障礙物評(píng)估算法的研究分析，并將結(jié)果進(jìn)行三維可視化。三維電子航圖與二維平面圖相比，克服了平面航圖觀察視角不靈活、目標(biāo)可視區(qū)域受到制約、空間信息量小等缺陷。

1 研究現(xiàn)狀及背景

各個(gè)國(guó)家對(duì)于機(jī)場(chǎng)凈空障礙物限制面的規(guī)章、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不盡相同，但是基本內(nèi)容都按照國(guó)際民航組織民用航空公約附件十四的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)執(zhí)行。中國(guó)民航在凈空管理方面也有類(lèi)似的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（MH5001-2013）中的第7部分“障礙物的限制和移除”中規(guī)定了民用機(jī)場(chǎng)的凈空要求，其要求完全與國(guó)際民航組織的標(biāo)準(zhǔn)保持一致。這些規(guī)章、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)機(jī)場(chǎng)凈空管理和控制提出了明確的要求，也是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外凈空管理工作所遵循的基本依據(jù)。

國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)過(guò)對(duì)機(jī)場(chǎng)凈空安全管理的多年研究，在管理經(jīng)驗(yàn)、運(yùn)行機(jī)制、管理手段和法規(guī)措施方面已有了比較先進(jìn)的方法和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。但是由于各國(guó)民航相關(guān)規(guī)范和土地使用制度有所不同，所以我國(guó)直接照搬國(guó)外機(jī)場(chǎng)凈空管理制度會(huì)有很大難度。

面對(duì)日益復(fù)雜的凈空管理工作，我國(guó)在該領(lǐng)域也有了較深入的研究：在三維GIS技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)場(chǎng)凈空障礙物的三維空間具體觀察；研究了對(duì)機(jī)場(chǎng)周邊障礙物特性研究和評(píng)定的方法，對(duì)機(jī)場(chǎng)側(cè)凈空與端凈空之間的過(guò)渡面區(qū)域提出了精確的分析方法，使機(jī)場(chǎng)凈空障礙物限制面和周?chē)系K物高度更好的對(duì)比；創(chuàng)造性地運(yùn)用三維模型，簡(jiǎn)化了繁重的計(jì)算工作，結(jié)合具體機(jī)場(chǎng)的凈空實(shí)例，將此機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)三維模型和凈空區(qū)障礙物模型進(jìn)行比較，使得障礙物超高或否一目明了。近年來(lái)我國(guó)建立的相關(guān)法律法規(guī)和凈空管理?xiàng)l例對(duì)緩解凈空管理矛盾起到了一定作用。但是，由于在城市建設(shè)中前瞻性不充足、統(tǒng)籌性不合理、考慮不周全，以及凈空管理法律法規(guī)執(zhí)行力不足等問(wèn)題的存在，使得民用機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)管理水平還有待進(jìn)一步提升，從技術(shù)層面上快速有效地評(píng)估機(jī)場(chǎng)凈空情況的方法還需研究改進(jìn)。endprint

2 機(jī)場(chǎng)凈空三維評(píng)估系統(tǒng)建模原理

系統(tǒng)基于AutoDesk公司產(chǎn)品AutoCAD Civil 3D，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)建立地理信息投影轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，利用投影轉(zhuǎn)換進(jìn)行建筑物的定位；在設(shè)計(jì)端，通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)三維自動(dòng)建模，并對(duì)各個(gè)獨(dú)立限制面進(jìn)行自動(dòng)融合，生成模型等高線；在用戶(hù)端，通過(guò)模型碰撞進(jìn)行限高檢測(cè)，對(duì)融合面和各個(gè)獨(dú)立的限制面分別進(jìn)行限高評(píng)估，生成評(píng)估報(bào)告；在公眾端，用戶(hù)選取機(jī)場(chǎng)后，通過(guò)點(diǎn)擊地圖可以獲取允許建筑高度，同時(shí)用戶(hù)還可以查看等高線、航路航線等信息?；A(chǔ)平臺(tái)選用 AutoCAD Civil 3D，與機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)部門(mén)和飛行程序設(shè)計(jì)部門(mén)的設(shè)計(jì)軟件保持統(tǒng)一，支持導(dǎo)入AutoCAD設(shè)計(jì)文件，導(dǎo)出的設(shè)計(jì)文件符合規(guī)劃局、機(jī)場(chǎng)等部門(mén)統(tǒng)一的AutoCAD格式。

采用Civil 3D和Navisworks Manage作為建模和限高檢測(cè)的平臺(tái)，基于這兩個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，以滿(mǎn)足用戶(hù)的具體需求。同時(shí)自主開(kāi)發(fā)整合平臺(tái)，對(duì)Civil 3D和Navisworks Manage兩個(gè)軟件的界面進(jìn)行整合，以達(dá)到這兩個(gè)軟件在同一窗口顯示的效果。將凈空結(jié)果通過(guò)網(wǎng)站對(duì)外發(fā)布，提高用戶(hù)凈空意識(shí)。

3 基于Civil3D的機(jī)場(chǎng)凈空三維評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)

3.1 擴(kuò)展的凈空限制面

在機(jī)場(chǎng)凈空限制面中，狹義的機(jī)場(chǎng)凈空只包含附件十四面，其中附件十四面又包含錐形面、內(nèi)水平面、內(nèi)進(jìn)近面、進(jìn)近面、過(guò)渡面、復(fù)飛面、起飛爬升面等。當(dāng)前多數(shù)凈空控制系統(tǒng)均只考慮附件十四面。在凈空管理中，國(guó)際民航公約附件十四中的凈空限制面很容易被突破，因此，附件十四面很難達(dá)到凈空控制效果。而本系統(tǒng)研發(fā)的凈空管理分析系統(tǒng)綜合考慮了對(duì)飛行安全有影響的所有因素，包含飛行程序、飛機(jī)性能、通信導(dǎo)航、燈光系統(tǒng)、雷達(dá)管制等因素所產(chǎn)生的限制面，將各個(gè)面融合成單一的凈空限制面的同時(shí)保留了原始的各個(gè)獨(dú)立的限制面。因此系統(tǒng)對(duì)凈空限制的評(píng)估將更加的全面、客觀，目前業(yè)界屬于首創(chuàng)。

3.2 凈空限制面融合技術(shù)

在機(jī)場(chǎng)凈空限制面中，多個(gè)機(jī)場(chǎng)凈空單項(xiàng)限制面構(gòu)成限制分面，限制分面構(gòu)成機(jī)場(chǎng)凈空限制總面。限制分面與限制總面是融合面，需要融合才可以得到。這里的曲面融合，就是在不同高度的曲面中，取最低的曲面。三維立體曲面形狀各異，沒(méi)有固定規(guī)則，因此三維立體曲面融合很復(fù)雜。

基于GIS的三維凈空分析軟件大都采用柵格分析法去求得每個(gè)點(diǎn)的最低高度，把曲面根據(jù)柵格粒度離散成很多柵格，通過(guò)計(jì)算每個(gè)柵格點(diǎn)的高度來(lái)確定每一點(diǎn)的限高值，計(jì)算量較大。對(duì)于大面積區(qū)域，譬如機(jī)場(chǎng)周邊50km，采用1m精度，每個(gè)限制面都要算50000×50000=25億次，多個(gè)限制面高達(dá)數(shù)百億次，計(jì)算量巨大，精度不高。

由于不同曲面的高度不同，兩個(gè)空間曲面有高度差的地方就存在縫隙，影響美觀性。由于曲面的任意性，對(duì)曲面的裁剪融合在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)上是很困難的，需要考慮很多種情況。因此，對(duì)不同高度曲面融合只能另辟蹊徑。這個(gè)問(wèn)題在數(shù)學(xué)上可以表示為，任意一點(diǎn)（x，y）處的最低限高為h（x，y）。

（1）

這里引入限制空間的概念，對(duì)于任何曲面正上方的空間都是限制空間，曲面正下方的空間都是允許空間，對(duì)于曲面上任意一點(diǎn)都對(duì)應(yīng)著允許空間與限制空間，如圖1所示。對(duì)于曲面S1上的一點(diǎn)S1（x，y）來(lái)說(shuō)，允許空間就是C（S1（x，y）），限制空間就是L（S1（x，y））；同樣對(duì)于曲面S2來(lái)說(shuō)，S2上面一點(diǎn)S2（x，y），允許空間是C（S2（x，y）），限制空間是L（S2（x，y））。限制空間就是不允許空間，凈空限制的原則是所有的點(diǎn)都取最低點(diǎn)，也就是說(shuō)，對(duì)于某一點(diǎn)的限制空間L（x，y）為所有曲面對(duì)應(yīng)限制空間的總和，即：

（2）

根據(jù)這一思路，我們把多個(gè)凈空限制面對(duì)應(yīng)的凈空限制空間進(jìn)行合并，就得到了總的限制空間，即：

曲面由點(diǎn)組成，即曲面對(duì)應(yīng)限制空間為：

（3）

（4）

求得所有曲面對(duì)應(yīng)的限制空間后，可以通過(guò)限制空間求得凈空限制面。凈空限制空間為實(shí)體，可以通過(guò)AutoCAD函數(shù)獲取凈空限制空間的表面，通過(guò)剖切表面，把外表面分為2個(gè)部分，下表面就對(duì)應(yīng)凈空限制融合面，如圖2所示。以上通過(guò)AutoCAD編程接口Objectarx.net實(shí)現(xiàn)。

3.3 等高線的生成

綜合的凈空控制圖需送給相關(guān)政府機(jī)關(guān)審批，電子版文件利于傳閱，但是需要通過(guò)限制面等高線的方式形成正式報(bào)告作為上報(bào)和存檔的依據(jù)。等高線表示的限制面可直觀明了地反映凈空限制結(jié)果。通過(guò)系統(tǒng)中得到的凈空限制面與凈空限制空間，利用不同高度的水平面與凈空限制面相切獲得相應(yīng)高度的等高線，由于AUTOCAD API未提供相關(guān)功能的調(diào)用，研發(fā)小組為此研究了相應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)了該功能。

3.4 建筑物模型的導(dǎo)入

（1）模型轉(zhuǎn)換。

建筑物三維模型包括大廈、住宅、電視塔、高壓線塔等等，這些模型的源文件一般為imx或3ds格式，不能直接導(dǎo)入Naivsworks Manager里。我們使用Autodesk 3D Max軟件打開(kāi)模型源文件后，使用導(dǎo)出fbx文件的功能，將模型轉(zhuǎn)換為fbx文件，就可以導(dǎo)入Naivsworks Manager了。

（2）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

建筑物模型導(dǎo)入Naivsworks Manager以后，還需要定位到建筑物的實(shí)際位置。這就涉及經(jīng)緯度坐標(biāo)和AutoCAD XY坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。系統(tǒng)支持北京54坐標(biāo)、西安80坐標(biāo)以及WGS-84坐標(biāo)與AutoCAD XY坐標(biāo)的互轉(zhuǎn)。

（3）模型變換。

確定了建筑物在AutoCAD里的正確的坐標(biāo)以后，必須把建筑物模型平移到相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)上，并且把建筑物模型的長(zhǎng)、寬、高拉伸到真實(shí)的數(shù)值。系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的變換矩陣：

lt，0，0，0endprint

0，wt，0，0

0，0，ht，0

xt，yt，zt，1

其中，lt、wt、ht分別代表建筑物模型在x軸、y軸、z軸上的拉伸比例，xt、yt、zt分別代表建筑物模型在x軸、y軸、z軸上的平移距離。

使用Navisworks Manager API里面的COM接口，調(diào)用上述矩陣，就能在正確的位置建立起符合實(shí)際尺寸的建筑物模型。

3.5 建筑物超高檢測(cè)

Navisworks Manager自帶模型碰撞檢測(cè)的功能，其API中也實(shí)現(xiàn)了該功能。將需要檢測(cè)的凈空限制面加入選擇集A，將需要檢測(cè)的建筑物模型加入選擇集B，調(diào)用模型碰撞檢測(cè)的API，系統(tǒng)就能對(duì)A中任意元素與B中任意元素實(shí)施碰撞檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果加入結(jié)果集。

檢測(cè)結(jié)果一般為碰撞點(diǎn)的坐標(biāo)Zr，假設(shè)建筑物的底高為Zb，整體高度為H，則建筑物相對(duì)于該凈空限制面的超高高度He為：

He=H-Zr+Zb （5）

3.6 單點(diǎn)限高結(jié)合谷歌地圖的展示

系統(tǒng)支持在谷歌地圖窗口上點(diǎn)擊鼠標(biāo)，然后直接得出該點(diǎn)的限高結(jié)果，如圖3所示。該功能的實(shí)現(xiàn)原理如下。

（1）通過(guò)捕獲谷歌地圖的鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件，獲取該點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)。

（2）通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將該點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成AutoCAD XY坐標(biāo)。

（3）在該點(diǎn)導(dǎo)入一個(gè)直徑為0.1m、高為3000m的垂直圓柱體模型，讓其與凈空限制面發(fā)生碰撞，得出碰撞點(diǎn)的坐標(biāo)。

（4）碰撞點(diǎn)的Z軸坐標(biāo)就是該點(diǎn)的限高結(jié)果。

4 基于Civil3D的機(jī)場(chǎng)凈空三維評(píng)估的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 設(shè)計(jì)版設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)版是自AutoCAD上面進(jìn)行插件開(kāi)發(fā)的方式。根據(jù)用戶(hù)的選擇生成不同的凈空限制面，用戶(hù)可以編輯自定義限制面，最后生成機(jī)場(chǎng)凈空綜合限制面、等高線等。

4.2 客戶(hù)版設(shè)計(jì)

客戶(hù)版采用的是在Navisworks Manager上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的方式。系統(tǒng)通過(guò)SQLite讀取配置好的機(jī)場(chǎng)和建筑物等數(shù)據(jù)，導(dǎo)入凈空限制面模型及建筑物模型，在超高檢測(cè)模塊對(duì)兩者進(jìn)行碰撞檢測(cè)，得出超高結(jié)果后以表格的方式展現(xiàn)，同時(shí)界面還提供凈空限制面模型及建筑物模型的三維展示。

4.3 公眾版設(shè)計(jì)

公眾版采用服務(wù)器/瀏覽器模式，用戶(hù)只要登錄到網(wǎng)站，選定機(jī)場(chǎng)后，點(diǎn)擊地圖上的某一點(diǎn)就可以獲取限制高度，用戶(hù)還可以查看等高線、測(cè)距、坐標(biāo)定位。

5 總結(jié)及展望

本文主要講述基于Civil3D的機(jī)場(chǎng)凈空三維評(píng)估系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，解決了二維視角中不直觀、更新緩慢的局限，基于建立障礙物數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，將機(jī)場(chǎng)限制面進(jìn)行融合，利用投影轉(zhuǎn)換將建筑物定位，生成模型等高線；在用戶(hù)端，通過(guò)模型碰撞進(jìn)行限高檢測(cè)，對(duì)融合面和各個(gè)獨(dú)立的限制面分別進(jìn)行限高評(píng)估，生成評(píng)估報(bào)告；在公眾端，用戶(hù)選取機(jī)場(chǎng)后，通過(guò)點(diǎn)擊地圖可以獲取允許建筑高度，同時(shí)用戶(hù)還可以查看等高線、航路航線等信息，對(duì)障礙物進(jìn)行評(píng)估分析，并將三維系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和旅游業(yè)的日漸興旺，越來(lái)越多的省市以新建或改擴(kuò)建機(jī)場(chǎng)來(lái)滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的需求，隨著城市的不斷發(fā)展擴(kuò)張，機(jī)場(chǎng)的凈空環(huán)境越來(lái)越惡劣，為確保航空生產(chǎn)安全，建議在城市規(guī)劃、機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建等過(guò)程中，采用專(zhuān)業(yè)的視角進(jìn)行合理的規(guī)劃，同時(shí)對(duì)機(jī)場(chǎng)周邊障礙物進(jìn)行充分科學(xué)的評(píng)估。同時(shí)，嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家關(guān)于凈空保護(hù)的法律法規(guī)，共同建設(shè)良好的機(jī)場(chǎng)凈空環(huán)境。

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