三維GIS在機(jī)場(chǎng)道面管理中的應(yīng)用探討

【摘 要】分析了三維 GIS 技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，然后闡述了三維GIS技術(shù)在機(jī)場(chǎng)道面管理中的應(yīng)用，包括三維場(chǎng)景顯示、道面網(wǎng)格化管理、道面病害分布狀況可視化、道面性狀評(píng)價(jià)結(jié)果著色展示和道面性能預(yù)測(cè)與養(yǎng)護(hù)決策，以達(dá)到對(duì)機(jī)場(chǎng)道面更科學(xué)高效化管理的目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】三維GIS； 機(jī)場(chǎng)道面管理； 三維建模

【中圖分類號(hào)】TP393.09【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

建筑論壇與建筑設(shè)計(jì)建筑論壇與建筑設(shè)計(jì)

0 引言

航空器能否安全起降和滑行，在于狀況良好的道面。為了使機(jī)場(chǎng)道面的性能滿足航空器安全運(yùn)行的要求，機(jī)場(chǎng)工作人員需要采取一系列措施對(duì)機(jī)場(chǎng)道面進(jìn)行管理?，F(xiàn)有的機(jī)場(chǎng)道面管理方法主要基于機(jī)場(chǎng)道面質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)的性能評(píng)價(jià)，進(jìn)行科學(xué)合理地評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)、養(yǎng)護(hù)決策等一系列活動(dòng)［1］，具體來說就是對(duì)收集的道面基本信息進(jìn)行管理，利用這些數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)道面性狀并預(yù)測(cè)道面未來發(fā)展，確定最優(yōu)化的道面管理方案。

近年來，利用GIS技術(shù)輔助機(jī)場(chǎng)道面管理已成為一種趨勢(shì)，早在2002年，同濟(jì)大學(xué)自主研發(fā)的上海機(jī)場(chǎng)道面管理系統(tǒng)就第一次使用GIS技術(shù)用于建立空間數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)其管理的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行地圖空間査詢及空間分析［2］。然而此類應(yīng)用大多停留在二維空間維度上，基于三維處理與分析的研究較少。事實(shí)上，相比二維平面的表達(dá)方式，在三維GIS的幫助下， 道面管理中各環(huán)節(jié)中涉及到的數(shù)據(jù)可以更直觀地可視化，大大提高機(jī)場(chǎng)道面管理的效率和準(zhǔn)確性。

1 三維GIS技術(shù)

1.1 三維GIS技術(shù)概述

GIS是一種旨在采集、存儲(chǔ)、操作、分析、管理和呈現(xiàn)空間地理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，已廣泛用于智能城市建設(shè)、環(huán)境評(píng)估、土地管理、災(zāi)害預(yù)測(cè)和許多其他領(lǐng)域。近年來，隨著GIS技術(shù)的不斷成熟以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、三維可視化、測(cè)繪技術(shù)等各種理論和技術(shù)的快速發(fā)展，三維GIS技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注， 逐步成為 GIS 研究的主流方向之一。傳統(tǒng)的GIS沿著兩個(gè)維度繪制：水平x軸和垂直y軸，而三維 GIS 的研究對(duì)象是三維空間，因此不僅能提供坐標(biāo)，而且通過添加另一個(gè)維度z，能表達(dá)三維空間中物體之間的水平和垂直關(guān)系，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)收集和分析的深度，使得空間物體以立體的方式呈現(xiàn)給用戶，可以更詳細(xì)地描繪物體和提供更加真實(shí)豐富的地理空間信息，給人一種沉浸感［3］。

1.2 三維GIS技術(shù)優(yōu)勢(shì)

將三維GIS 技術(shù)運(yùn)用到機(jī)場(chǎng)道面管理工作中的優(yōu)勢(shì)有：首先，通過建立機(jī)場(chǎng)道面以及跑道病害等三維模型，構(gòu)建出三維實(shí)景場(chǎng)景，能更直觀地反映道面狀況。因?yàn)橛枚S的圖形界面展示空間信息是非常抽象的，相比二維GIS，三維表達(dá)更加逼近現(xiàn)實(shí)世界，使抽象難懂的空間信息直觀化。其次，三維GIS 技術(shù)為機(jī)場(chǎng)開展各種機(jī)場(chǎng)道面管理工作提供幫助，如道面基本信息管理、道面病害狀況可視化分析、養(yǎng)護(hù)維修分析等。通過實(shí)現(xiàn)對(duì)載入GIS軟件（ArcGIS、Super Map或其他）內(nèi)數(shù)據(jù)的分析、查詢、統(tǒng)計(jì)，提高機(jī)場(chǎng)工作人員對(duì)信息的把控力；通過結(jié)合道面實(shí)際情況建立預(yù)測(cè)模型輔助分析，預(yù)測(cè)道面未來性能，擬定預(yù)防性養(yǎng)護(hù)計(jì)劃。

2 三維GIS的應(yīng)用分析

2.1 三維場(chǎng)景構(gòu)建

機(jī)場(chǎng)道面的三維模型構(gòu)建是后續(xù)進(jìn)行道面基本信息、道面病害分布狀況、道面性狀評(píng)價(jià)結(jié)果、道面性能預(yù)測(cè)與養(yǎng)護(hù)決策信息可視化顯示的基礎(chǔ)。為了更真實(shí)的展示機(jī)場(chǎng)道面和周邊環(huán)境，三維模型構(gòu)建的主要對(duì)象為機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)層和機(jī)場(chǎng)其他附屬設(shè)施，如航站樓、停機(jī)坪、助航燈光等。為了使創(chuàng)建的場(chǎng)景更加的真實(shí)，針對(duì)機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)層的三維模型構(gòu)建，可按照如下步驟進(jìn)行：首先收集建模數(shù)據(jù)，根據(jù)機(jī)場(chǎng)道面設(shè)計(jì)資料并結(jié)合實(shí)地調(diào)研勘查結(jié)果，利用建模軟件（Revit 、3D Max或其他），搭建道面多層結(jié)構(gòu)的三維模型，不同結(jié)構(gòu)層用不同顏色分層進(jìn)行顯示，接著道面三維模型表面可采用真實(shí)采集的拼接圖片附著。

將機(jī)場(chǎng)地形數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)和制作出來的三維模型導(dǎo)入GIS軟件進(jìn)行處理。將道面基本信息、道面病害分布狀況、道面性狀評(píng)價(jià)結(jié)果、道面性能預(yù)測(cè)與養(yǎng)護(hù)決策信息都直接關(guān)聯(lián)到三維實(shí)景模型上。在三維GIS空間中，不僅可以對(duì)三維模型進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)，也可以設(shè)置場(chǎng)景路徑進(jìn)行場(chǎng)景漫游，對(duì)道面結(jié)構(gòu)層任意角度瀏覽。

2.2 道面網(wǎng)格化管理

為了方便對(duì)道面進(jìn)行管理，通常做法是對(duì)道面進(jìn)行網(wǎng)格化管理，因此需要參考現(xiàn)行的MH/T 5024-2009《民用機(jī)場(chǎng)道面評(píng)價(jià)管理技術(shù)規(guī)范》，根據(jù)道面結(jié)構(gòu)層組合形式、道面材料以及作用荷載的力學(xué)分布等條件進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，一般將機(jī)場(chǎng)道面分為多個(gè)部位，每個(gè)部位又被分為多個(gè)區(qū)塊，其中道面區(qū)塊是進(jìn)行道面信息可視化展示的最小單元。此外，在GIS軟件中編輯屬性表，將網(wǎng)格屬性信息添加到各個(gè)網(wǎng)格中。

在三維GIS空間中，點(diǎn)擊三維實(shí)體模型上的其中一個(gè)網(wǎng)格，該區(qū)塊會(huì)被高亮的線條標(biāo)注，能以文字的方式顯示網(wǎng)格的屬性，如分區(qū)編號(hào)（部位編號(hào)和區(qū)塊編號(hào)）、面積大小、經(jīng)緯度、道面類型等。

2.3 道面病害分布狀況可視化

隨著使用年限的增加，機(jī)場(chǎng)道面長期裸露在自然環(huán)境下，受環(huán)境因素和機(jī)輪荷載的影響會(huì)出現(xiàn)各種病害。道面病害分為表觀缺陷和道面結(jié)構(gòu)隱性缺陷。表觀缺陷數(shù)據(jù)通常來源機(jī)場(chǎng)工作人員日常巡檢過程中手持巡檢儀拍攝的圖片，這類缺陷有裂縫、沉陷或錯(cuò)臺(tái)等。道面結(jié)構(gòu)隱性缺陷數(shù)據(jù)可以利用探地雷達(dá)接收的界面波譜圖，判斷出比較顯著的道面裂縫、水泥混凝土道面板底脫空情況、瀝青道面層間是否存留積水的情況等。

在三維GIS空間中，道面表觀缺陷病害，可以通過標(biāo)簽顯示詳情的方式，如圖1所示，展示的信息可以有病害的位置標(biāo)注、現(xiàn)場(chǎng)拍攝的照片、病害類型、損壞程度、發(fā)現(xiàn)日期以及處理狀態(tài)等。此外，一些具有三維屬性的道面結(jié)構(gòu)隱性缺陷病害可以使用三維建模軟件三維可視化表達(dá)，對(duì)于存在用于跑道內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的病害，可以設(shè)置透明度顯示病害在不同道面層位的分布情況。

2.4 道面性狀評(píng)價(jià)結(jié)果著色展示

道面性狀評(píng)價(jià)是根據(jù)各種基礎(chǔ)檢測(cè)資料， 主要是道面病害數(shù)據(jù)，計(jì)算道面各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，幫助機(jī)場(chǎng)工作人員了解道面各區(qū)域的狀況，同時(shí)它也是道面性能預(yù)測(cè)和養(yǎng)護(hù)決策的依據(jù)。 國內(nèi)外普遍采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)是PCI，它由道面病害類型、病害數(shù)量和嚴(yán)重程度等多因素綜合確定，適用于水泥、瀝青及各種復(fù)合道面。取值范圍為0到100，0表示道面結(jié)構(gòu)失效，100表示道面表觀完好。我國的PCI評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)按照PCI范圍分為優(yōu)（PCIgt;85）、良（70＜PCI＜85）、中（55＜PCI＜70）、次（40＜PCI＜55）、差（PCI＜40）五個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)。另一種常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)是由美國FAA提出的SCI，但是這種評(píng)價(jià)方法只能作為道面結(jié)構(gòu)性能判斷的輔助指標(biāo)。

在三維GIS空間中，可以利用不同的顏色表征道面各區(qū)塊性能的不同評(píng)價(jià)等級(jí)，不同評(píng)價(jià)方法置于不同圖層，以PCI評(píng)價(jià)指標(biāo)為例（圖2），通過對(duì)道面性狀評(píng)價(jià)結(jié)果用不同的顏色表示，不僅可以幫助機(jī)場(chǎng)工作人員快速直觀地掌握道面的整體狀況，也能輔助其對(duì)道面實(shí)施養(yǎng)護(hù)措施，例如圖2中1號(hào)色塊區(qū)域表示警告，提醒機(jī)場(chǎng)工作人員需要盡快維修，2號(hào)色塊區(qū)域表示道面狀況整體良好，道面結(jié)構(gòu)性能滿足。

2.5 道面性能預(yù)測(cè)與養(yǎng)護(hù)決策

道面性能預(yù)測(cè)是編制養(yǎng)護(hù)計(jì)劃的關(guān)鍵。在GIS軟件中可以建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)道面性狀評(píng)價(jià)結(jié)果，預(yù)測(cè)道面未來發(fā)展趨勢(shì)，幫助機(jī)場(chǎng)工作人員以區(qū)塊為單位，快速確定需要養(yǎng)護(hù)的道面區(qū)域以及需要采取的養(yǎng)護(hù)措施類型，進(jìn)一步擬定短、中或長期的道面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案。道面性能預(yù)測(cè)模型一般可分為確定型模型和概率型模型，確定型模型能夠在給定條件下預(yù)測(cè)給定時(shí)刻的道面性能值，概率型模型則將道面狀況發(fā)展的不確定性納入考慮范圍，預(yù)測(cè)值為在某給定時(shí)刻道面性能值的分布狀況。最常用的概率型模型是馬爾可夫模型，除此之外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、時(shí)間序列法、遺傳算法等也常用于道面性能預(yù)測(cè)［4］。

在三維GIS空間中，對(duì)于道面性能預(yù)測(cè)，以不同的預(yù)測(cè)模型計(jì)算出的結(jié)果可以置于不同的圖層，不同階段的預(yù)測(cè)結(jié)果以不同的顏色表示。對(duì)于道面養(yǎng)護(hù)決策，可以對(duì)有養(yǎng)護(hù)計(jì)劃的道面區(qū)域進(jìn)行標(biāo)注，點(diǎn)擊選擇需要養(yǎng)護(hù)的道面區(qū)域，利用GIS的空間分析功能計(jì)算總養(yǎng)護(hù)區(qū)域的面積，進(jìn)行效益費(fèi)用分析，幫助機(jī)場(chǎng)工作人員生成最優(yōu)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案。

3 結(jié)束語

綜上所述，將三維GIS技術(shù)應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)道面管理中，在該技術(shù)的支撐下，不僅能為機(jī)場(chǎng)工作人員提供更友好的可視化界面，也能實(shí)現(xiàn)道面管理工作中相關(guān)數(shù)據(jù)的可視化展示以及輔助養(yǎng)護(hù)計(jì)劃的智能化分析決策，讓機(jī)場(chǎng)道面管理工作水平和效率整體提高。在未來機(jī)場(chǎng)道面管理工作中，應(yīng)該在綜合我國當(dāng)前道面管理發(fā)展情況的基礎(chǔ)上，高度重視三維GIS 技術(shù)并加大對(duì)該技術(shù)的研究和使用，借助三維GIS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)道面的科學(xué)高效化管理， 不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，保證三維GIS 技術(shù)可以在機(jī)場(chǎng)道面管理中發(fā)揮出最大的作用和價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

［1］ 劉震.基于BIM與 Web GL 的機(jī)場(chǎng)道面管理系統(tǒng)研究［D］.南京： 東南大學(xué)， 2019.

［2］ 凌建明，袁捷， 西紹波， 等. 上海機(jī)場(chǎng)道面管理系統(tǒng)研究與開發(fā) ［J］. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版）， 2005， 33（8）：1041-1046.

［3］ 陶瓊，朱大明.三維 GIS 的發(fā)展趨勢(shì)與建模分析［J］.地礦測(cè)繪，2008，24（4）： 35-37.

［4］ 楊明珠. 基于GIS的機(jī)場(chǎng)道面管理系統(tǒng)研究與框架設(shè)計(jì)［D］. 南京：東南大學(xué)， 2017.

［作者簡介］代穩(wěn)（1993—），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)場(chǎng)工程。