基于GIS的機場多跑道三維凈空管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)_圖文

1、第 35卷第 1期 2010年 1月測繪科學(xué)Science of Surveying and M app ingVol 135No 11Jan 1 作者簡介 :易巍 (19822 , 男 , 湖北天 門 , 工 程 師 , 研 究 生 , 主 要 從 事 以 “ 3S ” 為代表的空間信息技術(shù)在機場規(guī) 劃 、 設(shè)計 、 建設(shè) 、管理及運行等全生命 周期中的應(yīng)用 。 E 2mail:easy way9071631com 收稿日期 :2008208218基于 G I S 的機場多跑道三維凈空管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)易 巍 , 徐軍庫(中國民航機場建設(shè)集團公司機場工程科研基地 , 北京 100101【

2、摘 要 】 在研究和建立了多跑道障礙物限制面三維模型的基礎(chǔ)上 , 基于 GI S, 開發(fā)了機場三維凈空管理系統(tǒng) 。該系統(tǒng)可按照相應(yīng)標準自動生成單跑道特別是多跑道障礙物限制面 、 輔助進行凈空管理 , 可極大地減少機場選址與 規(guī)劃中的超障物評定的工作量 , 顯著提高凈空管理效率 , 具有廣闊的應(yīng)用前景 。 【 關(guān)鍵詞 】 機場 ; 凈空 ; 障礙物限制面 ; 超障物評定 【 中圖分類號 】 P208 【 文獻標識碼 】 A 【 文章編號 】 100922307(2010 01201772031 引言做好凈空管理關(guān)系到機場飛行區(qū)的安全 , 對機場所在 地政府 、 民眾和機場當(dāng)局都有重大的利害關(guān)系

3、, 是建設(shè)主 管部門和機場當(dāng)局一項非常重要的日常工作 。 目前 , 機場 凈空管理和超障物評定一般采用圖紙進行手工計算的方式 , 由于障礙物限制面和凈空保護區(qū)規(guī)定的復(fù)雜性 , 跑道的情況下 , 乎無法用二維 CAD , , (如3D airs pace s 1, F AA (美國聯(lián) 邦空管局 的標準 , I CAO (國際民航組 織 相關(guān)標準有一定差異 , 其軟件本身也存在缺陷 。單跑道 障礙物限制面的三維建模和凈空管理系統(tǒng)也有人研究 2, 3, 但由于多跑道系統(tǒng)的復(fù)雜性 , 多跑道障礙物限制面的三維 建模和凈空管理系統(tǒng)的相關(guān)研究與應(yīng)用還處于空白 。在多 跑道運行已成為國內(nèi)大中型干線機場的發(fā)展

4、趨勢的情況下 , 現(xiàn)有技術(shù)手段和管理模式已經(jīng)無法滿足時代發(fā)展和機場高 效管理與運行的需求 。GI S 是專門用于處理與空間位置有關(guān)的信息系統(tǒng) , 其 直觀的空間信息表達能力和強大的空間分析功能為多跑道 凈空管理提供了一個科學(xué) 、 直觀 、 高效 、 可靠的技術(shù)手段 。2 障礙物限制面三維模型障礙物限制三維模型的建立是凈空管理的基礎(chǔ) 。障礙 物限制面包括錐形面 、內(nèi)水平面 、內(nèi)進近面 、進近面 、過 渡面 、 機場無障礙區(qū)域和外水平面等 4, 5, 其尺寸主要由飛 行區(qū)參數(shù) 、 跑道使用類型等因素決定 , 尤其是單跑道和多 跑道存在很大的差異 。 211 最低有效限制面上述障礙物限制面實際上是一

5、些與跑道位置和標高相 關(guān)的 、 虛擬的空間三維面 , 設(shè)置的目的是保證全部目視進 近或儀表進近的目視段中使障礙物對飛機造成的危險最小 。為了達到可靠的安全級別 , 構(gòu) ; 如果超出 , 將 , 。因此 , 超障物評 , , 。(x, y h (x, y , 可用數(shù)學(xué)表達式 x, y =M in h 過渡面 (x, y , h 內(nèi)水平面 (x, y , h 錐形面(x, y , h 進近面 (x, y , h 起飛爬升面 (x, y 其中 :h 限制面 (x, y 為坐標 (x, y 處該限制面的限高 , 當(dāng)值為空時 , 表明沒有限制 。212 單跑道障礙物限制面三維模型單跑道障礙物限制面是以跑

6、道中心線及延長線為對稱 軸的三維模型 , 當(dāng)跑道采用雙向起降時就變成了規(guī)則凈空 盆模型 。 在跑道參數(shù) 、飛行區(qū)等級及使用類型確定后 , 按 照對應(yīng)的位置 、 尺寸及標高 (見表 1 , 計算出各限制面的數(shù) 學(xué)方程式和各關(guān)鍵點坐標值 , 可采用圖形編輯或編程的方 式繪制出所有這些三維限制面 。表 1 III 類精密進近跑道主要限制面尺寸 (部分 名 稱 過渡 面內(nèi)水平面錐形面進近面 起飛爬升面項 目 坡度 高度 半徑 坡度 高度起端 寬度 起端 距離 散開 率起端 寬度 起端 距離 散開 率 末端 寬度總長 度坡 度限 值1413%45m 4000m 5%100m 300m 60m 15% 1

7、80m 601215%1200m 15000m 2%將這些三維面以限高作為柵格值 、按一定的精度離散 為柵格 DE M , 采用地圖代數(shù) 6的方法可求取最低有效障礙 物限制面 。地圖代數(shù)表達式為 :G 最低限制面 =M in (G 過渡面 , G 內(nèi)水平面 , G 錐形面, G 進近面 , G 起飛爬升面 。其中 :G 限制面 為記錄該限制面限高的柵格 DE M , 值為空 的區(qū)域以 9999編碼 。圖 1 雙向起降單跑道障礙物限制面三維模型213 多跑道障礙物限制面三維模型與單跑道相比 , 多跑道障礙物限制面三維模型的建立 主要有以下難點 : 復(fù)雜多跑道內(nèi)水平面邊界不規(guī)則 , 錐 測繪科學(xué)

8、第 35卷形面的邊界也相應(yīng)的不規(guī)則 , 這樣構(gòu)成的不規(guī)則空間曲面 ,無法用數(shù)學(xué)模型來準確描述 , 自動生成非常困難 ; 復(fù)雜多跑道限制面非常多 , 不規(guī)則空間曲面在空間相交一般不規(guī)則 , 最低有效限制面的生成非常困難 ?？梢圆捎们笕⊥裹c的方法 , 獲得多跑道端點集合構(gòu)成的最小凸點多邊形 7, 通過常用的 GI S 空間分析工具建立緩沖區(qū) , 確定內(nèi)水平面 、 錐形面和外水平面的邊界 (如內(nèi)水平面邊界為凸點多邊形 4000m 緩沖區(qū)的邊界 , 然后通過基準點高程推算出相應(yīng)的高程 。 對于各條跑道 , 根據(jù)跑道參數(shù)和使用類型 , 按照單跑道的方式自動生成過渡面 、進近面 、 起飛爬升面等其他限制面

9、 ; 將所有這些限制面按一定的精度離散為柵格 DE M , 柵格值為限高 , 采用地圖代數(shù)的方法求取最低有效障礙物限制面 , 這樣就形成了多跑道障礙物限制面 。地圖 代 數(shù) 表 達 式 為 :G限制面=M in (G 錐形面 , G 內(nèi)水平面 ,G 跑道 1, , G 跑道 n 其中 :G限制面為記錄該限制面限高的柵格 DE M , 值為空的區(qū)域以 9999編碼 ; G跑道 nw為記錄第 n 條跑道最低限高的柵格 DE M , 值為空的區(qū)域以 9999編碼 。圖 2 多跑道障礙物限制面三維模型3 凈空管理系統(tǒng)設(shè)計311 功能定位根據(jù)凈空管理的需要 , 系統(tǒng)功能定位為 :根據(jù)輸入的跑道參數(shù) (跑

10、道條數(shù) 、 等級 、 坐標 、 標高 、 使用類型等 , 自動按照相關(guān)標準 , 生成單跑道或復(fù)雜多跑道的障礙物限制面三維模型 , 并能生成最低障礙物限制面 ; 地形和主要建構(gòu)筑物的建庫 ; 在直觀的三維凈空管理環(huán)境下的輔助凈空管理 ; 給定轉(zhuǎn)換參數(shù)下的坐標轉(zhuǎn)換 、測距 、測算面積 、體積等 ; 通用的視圖 、 查詢等功能 。312 體系結(jié)構(gòu)見圖 3。4 G I S 在凈空管理中的應(yīng)用1 地形和主要要素的三維可視化圖 3 凈空管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)通 過 導(dǎo) 入等 高 線 、 DE M等 數(shù) 據(jù) , 建 立三 維 場 景 ; 提供影 像 數(shù) 據(jù) 的配 準 與 疊 加 ,以及主要建 /構(gòu)筑物 的 三 維

11、 可視化 。2 超障物的輔助評定城 市 坐 標系與機場坐標系的轉(zhuǎn)換 ; 查詢?nèi)我庖稽c的限高 ; 通過輸入建構(gòu)物的坐標 、高度等信息 , 自動建模 , 可視化的評定超障與否 。3 填挖方分析地形障礙性物是超障物的一種 , 在地形條件復(fù)雜的區(qū) 域 , 凈空處理量是機場建設(shè)投資中一個非常敏感的因素 。 把機場實地數(shù)字高程模型作為原始地形數(shù)據(jù) , 機場凈空限 制面高程模型作為填挖后地形數(shù)據(jù) , 填挖方分析獲得的挖 方區(qū)域即是地形超高區(qū)域 。4 三維模擬飛行按制定的路徑進行三維瀏覽與飛行 , 直觀 、全面展現(xiàn) 場址周邊凈空條件 。5 應(yīng)用示例1 昆明新機場情況介紹昆明新機場是繼北京首都 、 上海浦東 、

12、廣州白云三大 機場之后 , 國家在 “ 十一五 ” 期間惟一新建的大型門戶樞 紐機場 , 是實施中國面向東南亞 、 南亞國際大通道戰(zhàn)略的 重要項目 。 昆明新機場遠期規(guī)劃建設(shè)兩組共 4條跑道 , 滿 足 F 類 機 型 使 用 ; 本 期 新 建 兩 條 , 其 中 東 跑 道 長 4000m, 寬 60m, 西跑道長 。昆明新機場地 ,。2 圖 4 昆明新機場凈空分析 (遠期四條跑道 圍1 2圖 ; 機 場; 凈 空 平面定位圖 ; 跑道參數(shù) ;機場周邊主要建 構(gòu)筑的位置和高程測量圖等 。3 運行結(jié)果凈空 分 析 三 維 場景如下圖 4, 可直觀地看出超障區(qū)域和超障物 , 也可輸出超 障 情

13、況報表 。表 2 昆明新機場超障物報表 (部分 6 結(jié)束語GI S 在民航管理領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段 , 機場三 維凈空管理是時代發(fā)展的潮流和信息化的必然趨勢 。本文 在多跑道障礙物限制面三維模型研究的基礎(chǔ)上 , 結(jié)合 GI S, 為多跑道凈空管理提供了一個直觀 、 科學(xué) 、可靠的技術(shù)手 段 。 與傳統(tǒng)方法相比 , 本系統(tǒng)具有成果數(shù)據(jù)準確直觀 、分 析過程高效可靠 、障礙物對飛行的影響效果生動逼真的優(yōu) 勢 , 可極大地減少機場選址與規(guī)劃中的超障物評定的工作 量 ; 同時 , 也為機場當(dāng)局和規(guī)劃部門 , 提供了一個日常輔 助管理工具 , 可顯著提高凈空管理效率 , 具有非常重要的 現(xiàn)實意義 ,

14、 并擁有廣闊的應(yīng)用前景 。參考文獻1Planning Technol ogy, I nc . 3DAA P U ser M anual E B / OL .htt p:/www. 3daap. com /ACAD /3DAAPU ser M anual . pdf . (2005203218 . (下轉(zhuǎn)第 145頁 871 第 1期 鄭澤忠等 四川省及成都地區(qū)土地利用 /覆被變化建庫與對比研究猛發(fā)展 , 建筑用地飛速擴張 , 這對成都地區(qū)的生態(tài)環(huán)境造 成很大的壓力 。3 從表 1中還可以看出 , 四川省 20002004年間林 地和草地面積有顯著增加 , 兩者面積合計達 111359h m 2

15、, 兩者合計占增加地物總面積百分比達 6417%; 但同時 , 原 有的草地和林地也有相當(dāng)程度破壞 , 其面積減少合計達 84 092h m 2, 兩者合計占減少地物總面積百分比達 4818%; 扣 除林地和草地減少總面積 , 最終林地和草地合計總面積實 際增加 27267h m 2, 四川省 5年間草地和林地動態(tài)度分別為 -0197 和 2151 , 年動態(tài)度分別為 -0119 和 0150 。 這表明在四川省大量陡坡耕地進行退耕還林還草的同時 , 部分地區(qū)的林地和草地仍在遭受相當(dāng)程度的破壞 , 因此退 耕還林還草工程取得的總成就有限 , 退耕還林還草工程對 四川省生態(tài)環(huán)境的改善作用有限 。

16、4 而從表 1可以看出 , 成都地區(qū) 20002004年間林 地和草地面積有一定增加 , 增加面積為 809h m 2, 兩者合計 占增加地物總面積百分比 516%; 同時 , 原有的草地和林地 也有一定程度的破壞 , 其面積減少兩者合計為 1292h m 2, 占減少地物總面積百分比 911%; 扣除兩者增加面積 , 最終 林地和草地合計總面積實際減少 483h m 2; 成都地區(qū) 5年間 草地和林地動態(tài)度分別為 -6105 和 -0150 , 年動態(tài)度 分別為 -1121 和 -0110 。這表明成都地區(qū)退耕還林還 草工程取得的成就也很有限 , 但由于成都地區(qū)林草減少以 草地為主 , 且林

17、地 、草地減少總面積百分比很少 ,都地區(qū)生態(tài)環(huán)境影響較小 。5 結(jié)束語/覆被變 1 四川省近 5, 城鎮(zhèn)擴張 迅速 , 熱島效應(yīng)加劇 , 加重了四川省的生態(tài)環(huán)境惡化 ; 成都地區(qū)由于是四川省經(jīng)濟中心 , 耕地資源被占用百分比更 大 , 城鎮(zhèn)飛速發(fā)展 , 同樣造成了成都地區(qū)的生態(tài)環(huán)境壓力 。2 雖然四川省大量陡坡耕地進行了退耕還林還草 , 四 川省退耕還林還草工程取得了一定成績 , 但由于退耕的林 草處于初退階段 , 其涵養(yǎng)水源 , 調(diào)節(jié)氣候的功能處于很弱 的階段 。 同時 , 部分地區(qū)的林地和草地遭受相當(dāng)程度的破 壞 , 被破壞的林草常常有很強的涵養(yǎng)水源 , 調(diào)節(jié)氣候的能 力 , 故生態(tài)環(huán)境平

18、衡破壞較大 。3 成都地區(qū)由于以平原為主 , 要退耕還林還草的耕地 少 , 成都地區(qū)遭受破壞的林草面積雖然略大于退耕的林草 面積 , 由于破壞的林草百分比遠較整個四川省為小 , 且以 草為主 , 故生態(tài)環(huán)境平衡破壞較小 , 因而 , 成都地區(qū)生態(tài) 環(huán)境變化相對整個四川省更為穩(wěn)定 。參考文獻1Castella J C, Suan PK, Dang D Q, et al . Combining t op 2down and bott om 2upmodelling app r oaches of land use /coverchange t o support public policies:a

19、pp licati on t o sustainable manage ment of natural res ources in north 2 ern V ietna m J .Land U se 2007, 24(3 . 2L i Z W , Zeng G M , et al . The integrated eco 2on Soil H illy regi on based GI S city, China J 202(3 ., , 等 . “ 3S ” 集成技術(shù)在土 J .西南交通大學(xué)學(xué)報 , 42(4 .4秦志遠 . 利用遙感影像輔助 GI S 空間數(shù)據(jù)獲取與更 新的研究及實踐 J

20、 .測繪學(xué)報 , 1999, 28(2 . 5李德仁 . 地球空間信息學(xué)的機遇 J .武漢大學(xué)學(xué) 報 信息科學(xué)版 , 2004, 29(9 .6鄭澤忠 , 等 1“ 3s ” 技術(shù)在四川生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測中 的應(yīng)用 J .測繪科學(xué) , 2008, 33(3 .Co m par ison and est ablish m en t of l and use /coverchange da t aba se for S i chuan prov i n ce and Chengdu d istr i ctAbstract:T o exp l ore the cause leading t o the

21、 heavy dr ought and rainy 2fl ood disaster weather of s ome districts in Sichuan p r ov 2 ince, a method based on the integrati on of re mote sensing (RS , geographic infor mati on syste m (GI S and gl obe positi oning syste m (GPS techniques t o establish the land use /coverchange (LUCC database of

22、 Sichuan p r ovince and Chengdu district was p resen 2 ted 1After the establish ment of LUCC database, a comparis on of LUCC within the peri od of 200022004in Sichuan p r ovince and in Chengdu district was conducted and the cause leading t o the heavy disaster weather of s ome districts in Sichuan p

23、 r ovince was analyzed and discussed in detail 1Key words:LUCC; RS; GI S; GPS; Sichuan p r ovince; Chengdu districtZHEN G Ze 2zhong , FAN D ong 2m ing , YAN G W u 2nian , L I Yu 2xia , SHAO Huai 2yong ( Re mote Sensing I nfor mati on Cen 2 ter, S WJT U, Chengdu 610031, China; I nstitute of Re mote S

24、ensing &GIS, CDUT, Chengdu 610059, China; I nstitute of Geo 2 s patial I nfor mati on Technol ogy, UESTC, Chengdu 610054, China (上接第 178頁 2種小雷 , 蔡良才 , 楊銳 . 基于 GI S 的機場凈空評定 方法 J .測繪通報 , 2002, (11 .3蔡喜琴 , 苗天寶 , 等 . 慶陽機場凈空區(qū)超高障礙物三維 分析研究 J.遙感技術(shù)與應(yīng)用 , 2004, 19(5 .4馬玲 , 等 . 遙感與 GI S 技術(shù)在西部支線機場建設(shè)中 的初步應(yīng)用研究

25、 J .測繪科學(xué) , 2008, 33(2 . 5中華人民共和國行業(yè)標準 . 民用機場飛行區(qū)技術(shù)標 準 (MH5001 2006 S .中國民用航空總局發(fā)布 , 2006206201.6胡鵬 , 游漣 , 楊傳勇 , 等 . 地圖代數(shù) M.武漢 :武漢大學(xué)出版社 , 2002.7王維 , 李冉 . 多跑道條件下內(nèi)水平障礙物限制面邊界確 定方法 J.中國民航大學(xué)學(xué)報 , 2008, 16(1 .The research and develop m en t of G I S 2ba sed 3D obst acle 2free 2spacemanage m en t syste m for m ulti 2runw