基于路徑柵格的機(jī)場(chǎng)噪聲等值線追蹤算法

徐 濤，曹枝東

(1. 中國(guó)民航大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 天津 東麗區(qū) 300300; 2. 中國(guó)民航大學(xué)中國(guó)民航信息技術(shù)科研基地 天津 東麗區(qū) 300300)

隨著民航業(yè)的發(fā)展以及人們環(huán)境意識(shí)的逐步提高，機(jī)場(chǎng)噪聲問(wèn)題日益突出。合理規(guī)劃使用機(jī)場(chǎng)周圍的土地是解決機(jī)場(chǎng)噪聲問(wèn)題的有效手段，而機(jī)場(chǎng)噪聲等值線圖則是確定機(jī)場(chǎng)噪聲對(duì)居民的影響范圍、控制機(jī)場(chǎng)噪聲以及合理規(guī)劃?rùn)C(jī)場(chǎng)周圍土地使用的重要依據(jù)。因此，繪制機(jī)場(chǎng)噪聲等值線圖是機(jī)場(chǎng)噪聲控制工作和機(jī)場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)[1]。

等值線圖是數(shù)字高程模型的表示形式之一[2]，其繪制一般分為以下步驟：離散數(shù)據(jù)點(diǎn)網(wǎng)格化、開(kāi)放等值線起始網(wǎng)格單元的確定及追蹤、封閉等值線起始網(wǎng)格單元的確定及追蹤、等值線光滑、等值線填充[3]。文獻(xiàn)[4]介紹了一種柵格右關(guān)聯(lián)標(biāo)志的規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)等值線繪制算法，該算法雖避免了等值線交叉，但在等值點(diǎn)追蹤上對(duì)某個(gè)特定網(wǎng)格點(diǎn)需查看與其相鄰的4個(gè)網(wǎng)格單元，在存儲(chǔ)空間和搜索方式上具有一定的缺陷，算法效率不高。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于搜索圓法的等值線追蹤算法，該算法具有快速掃描、追蹤效率高等優(yōu)點(diǎn)，但仍需要先追蹤開(kāi)放等值線，后追蹤封閉等值線，如網(wǎng)格邊界不規(guī)則，該方法效率會(huì)下降。文獻(xiàn)[6]針對(duì)數(shù)字地形圖中等值線的提取提出了一種改進(jìn)的摩爾相鄰追蹤算法，可以完整地追蹤到整個(gè)地形圖等值線，但對(duì)同一個(gè)網(wǎng)格單元的重復(fù)追蹤需回溯到前一個(gè)網(wǎng)格單元，一旦很多網(wǎng)格單元被回溯時(shí)，算法效率急劇降低。機(jī)場(chǎng)噪聲問(wèn)題過(guò)去幾十年受到極少關(guān)注，傳統(tǒng)的環(huán)境噪聲等值線圖大多結(jié)合現(xiàn)有軟件Surfer加載噪聲數(shù)據(jù)繪制而成[7]，而機(jī)場(chǎng)噪聲具有影響范圍廣以及因航跡覆蓋范圍不同而噪聲分布差異性大等特點(diǎn)[8]。

基于上述原因，本文提出了一種基于路徑柵格的機(jī)場(chǎng)噪聲等值線追蹤算法，通過(guò)構(gòu)造有效網(wǎng)格、生成路徑柵格，利用入口方向和路徑柵格頂點(diǎn)編碼和準(zhǔn)確判斷等值線走向趨勢(shì)，唯一確定下一個(gè)等值點(diǎn)，避免封閉等值線和開(kāi)放等值線[9]的分別追蹤，可以快速生成機(jī)場(chǎng)噪聲等值線圖。

1 基本概念

1.1 等值線基本性質(zhì)

等值線需滿足以下要求[10]：

1) 通常為一條光滑連續(xù)曲線；

2) 給定高程值相應(yīng)域上的等值線不限于一條；

3) 等值線可以是封閉或者開(kāi)放的；

4) 不能相互交叉。

從這些特點(diǎn)可以看出，對(duì)于特定高程值的等值線(不限于一條)，與特定網(wǎng)格單元的交點(diǎn)個(gè)數(shù)可能為0、2、4[11]，與特定網(wǎng)格單元的一條邊上的交點(diǎn)個(gè)數(shù)為0或1。

1.2 頂點(diǎn)編碼

不失一般性，以規(guī)則地形網(wǎng)格為例，一個(gè)規(guī)則地形網(wǎng)格水平和垂直方向分別由M和N個(gè)等距離排列的點(diǎn)組成，其中整個(gè)網(wǎng)格用G表示，單個(gè)網(wǎng)格單元用cells[i,j]表示，網(wǎng)格單元頂點(diǎn)用pts[i,j]表示，其中網(wǎng)格單元的坐標(biāo)為該網(wǎng)格單元右下角頂點(diǎn)的坐標(biāo)，如圖1所示。當(dāng)某條等值線的高程值與網(wǎng)格單元的頂點(diǎn)屬性值相等時(shí)，等值線剛好經(jīng)過(guò)該點(diǎn)。為避免這種情況對(duì)后續(xù)算法造成不便，沿襲一貫做法，在該網(wǎng)格單元頂點(diǎn)屬性值上加一個(gè)微小的數(shù)e，使等值線不直接經(jīng)過(guò)網(wǎng)格單元頂點(diǎn)。

頂點(diǎn)編碼是特定高程值的等值線繞過(guò)網(wǎng)格單元的頂點(diǎn)而得到約定的固定數(shù)值。任意網(wǎng)格單元只有4條邊(不包括頂點(diǎn))與等值線相交，以網(wǎng)格單元的4個(gè)頂點(diǎn)為參考，如圖2a～圖2d所示。當(dāng)網(wǎng)格單元頂點(diǎn)A、B、C、D的相鄰兩邊與同一條等值線相交時(shí)，約定該網(wǎng)格單元的頂點(diǎn)編碼為1、2、4、8。當(dāng)一個(gè)網(wǎng)格單元的兩個(gè)頂點(diǎn)被特定高程值的等值線繞過(guò)時(shí)，將網(wǎng)格單元的頂點(diǎn)編碼相加得到網(wǎng)格單元的路徑柵格頂點(diǎn)編碼和。

圖1 規(guī)則網(wǎng)格

1.3 路徑柵格頂點(diǎn)編碼和

相對(duì)于某個(gè)特定高程值，任意網(wǎng)格單元與等值線的交叉關(guān)系只有3種情況：

1) 沒(méi)有等值線經(jīng)過(guò)：約定路徑柵格頂點(diǎn)編碼和PointCodeSum= 0。

2) 有一條等值線經(jīng)過(guò)：每個(gè)網(wǎng)格單元中只有一個(gè)頂點(diǎn)被等值線環(huán)繞，如圖2a～圖2d所示，于是網(wǎng)格單元的路徑柵格頂點(diǎn)編碼和分別為1、2、4、8。

3) 有兩條等值線(不同連續(xù)等值線上的片段)經(jīng)過(guò)[11]：網(wǎng)格單元分別有兩個(gè)頂點(diǎn)被等值線環(huán)繞，如圖2e、圖2f所示，網(wǎng)格單元的路徑柵格頂點(diǎn)編碼和分別為1+4=5和2+8=10，在圖2g、圖2h狀況下，分別約定以AB點(diǎn)和BC點(diǎn)為參考，網(wǎng)格單元的路徑柵格頂點(diǎn)編碼和分別為1+2=3和2+4=6。

圖2 頂點(diǎn)編碼及路徑柵格頂點(diǎn)編碼和

2 基于路徑柵格的機(jī)場(chǎng)噪聲等值線追蹤算法

2.1 關(guān)鍵步驟

2.1.1 有效網(wǎng)格的構(gòu)造

機(jī)場(chǎng)及其附近區(qū)域的噪聲都是由航班的飛行引起，然而機(jī)場(chǎng)四周并非所有地方都有航班經(jīng)過(guò)，距航跡較遠(yuǎn)的地方噪聲較小(可以不考慮)。圖3為一個(gè)100*100的網(wǎng)格(其中淺色部分無(wú)噪聲，深色部分有噪聲)，U、V、W、X、Y、Z6個(gè)區(qū)域無(wú)噪聲，剔除這些區(qū)域的網(wǎng)格，于是有效網(wǎng)格為S=(G-U-V-W-X-Y-Z)。

圖3 機(jī)場(chǎng)噪聲有效網(wǎng)格

2.1.2 路徑柵格的生成

路徑柵格(相對(duì)特定高程值)是在有效網(wǎng)格中剔除沒(méi)有等值線經(jīng)過(guò)的網(wǎng)格單元后剩余的網(wǎng)格部分[12]，其中每個(gè)網(wǎng)格單元都有路徑柵格頂點(diǎn)編碼和(不為0)，它是進(jìn)行等值線追蹤的依據(jù)。路徑柵格的生成步驟如下。

1) 從高程值列表中選取一個(gè)高程值Hi，依次掃描有效網(wǎng)格，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格單元做如下處理：分別計(jì)算Hi與網(wǎng)格單元cells[i,j]4個(gè)頂點(diǎn)(A、B、C、D)屬性值A(chǔ)ttribute的差值，記為s1、s2、s3、s4，若有為0的情況，在差值上加一個(gè)微小的數(shù)e，并令F=s1s2s3s4。

①s1、s2、s3、s4都大于0或都小于0時(shí)，該網(wǎng)格單元的路徑柵格頂點(diǎn)編碼和cells[i,j].PointCodeSum=0。

②F<0(如圖2a～圖2d情況)，做如下判斷：

③F>0和s1s3>0(如圖2e、圖2f情況)，為避免兩條等值線交叉情況的出現(xiàn)，這里判斷等值線的走向需取網(wǎng)格單元的中心點(diǎn)P，令P點(diǎn)屬性值為centerAttr，則：

2) 遍歷完畢有效網(wǎng)格，高程值Hi的路徑柵格形成。

2.1.3 等值線的追蹤

基于生成的路徑柵格，構(gòu)造網(wǎng)格單元出口方向判斷表，如表1所示。通過(guò)表1確定網(wǎng)格單元的出口方向。在等值線追蹤判斷出口方向時(shí)需要入口方向和路徑柵格頂點(diǎn)編碼和，確定了起始追蹤網(wǎng)格單元，可以得到路徑柵格頂點(diǎn)編碼和。如該網(wǎng)格單元的兩邊或者四邊有等值線穿過(guò)，可任取其中一個(gè)方向作為入口方向。

表1 網(wǎng)格單元出口方向判斷表

結(jié)合表1，給出一個(gè)等值線追蹤的示例。給定高程值Hi=30，已知起始追蹤網(wǎng)格單元cells[1,10]，如圖4所示，該網(wǎng)格單元PointCodeSum=3，上下兩條邊有等值線穿過(guò)。1) 取inDirection=上，由表1知，該網(wǎng)格單元outDirection=下，等值線進(jìn)入網(wǎng)格單元cells[2,10]中，該網(wǎng)格單元PointCodeSum=10，inDirection=上，由表1知，該網(wǎng)格單元outDirection=右，LL，等值線進(jìn)入網(wǎng)格單元cells[1,13]中，該網(wǎng)格單元PointCodeSum=3，inDirection=下，由表1知，該網(wǎng)格單元outDirection=上。等值線追蹤到邊界，Hi=30的一條等值線追蹤完畢。2) 取inDirection=下，則outDirection=上，等值線追蹤到達(dá)邊界，而此時(shí)開(kāi)放的等值線并沒(méi)有追蹤完畢(兩端頂點(diǎn)都為邊界點(diǎn)的等值線為開(kāi)放等值線)，需記錄等值線起始追蹤網(wǎng)格單元，記Begin[i,j]=cells[1,10]，當(dāng)追蹤沒(méi)完成，返回起始追蹤網(wǎng)格單元，更換進(jìn)入方向繼續(xù)追蹤，直至到達(dá)邊界。

圖4 等值線追蹤示例

在等值線追蹤過(guò)程中，需確定等值線與網(wǎng)格單元邊的交點(diǎn)。已知網(wǎng)格單元邊的兩個(gè)頂點(diǎn)(P1、P2)和特定高程值Hi，可以通過(guò)線性插值[11]來(lái)確定交點(diǎn)Pcross坐標(biāo)，追蹤完畢順次連接交點(diǎn)即可繪制需要的等值線。

2.2 算法描述

綜上討論，對(duì)于規(guī)則的機(jī)場(chǎng)噪聲數(shù)據(jù)，可以通過(guò)路徑柵格等值線追蹤算法進(jìn)行繪制，算法完整描述如下：

1) 構(gòu)造有效網(wǎng)格。讀取機(jī)場(chǎng)規(guī)則噪聲數(shù)據(jù)，將網(wǎng)格單元頂點(diǎn)保存為二維數(shù)組pts，網(wǎng)格單元保存為二維數(shù)組cells。剔除明顯沒(méi)有等值線經(jīng)過(guò)的網(wǎng)格區(qū)域，形成初始遍歷的有效網(wǎng)格S。

2) 生成路徑柵格。對(duì)于特定的等值線高程值Hi，遍歷S區(qū)域網(wǎng)格單元，確定每個(gè)網(wǎng)格單元的路徑柵格頂點(diǎn)編碼和。若PointCodeSum>0，將網(wǎng)格單元插入路徑柵格鏈表CellsArray末尾。

3) 確定等值點(diǎn)。取CellsArray首元素，以此為等值線起始追蹤網(wǎng)格單元，利用路徑柵格頂點(diǎn)編碼和任取一個(gè)可能的入口方向，記錄起始網(wǎng)格單元(Begin[i,j])和起始入口方向，依次確定下一個(gè)等值點(diǎn)，通過(guò)線性插值計(jì)算等值線與網(wǎng)格單元邊的交點(diǎn)并記錄，順次存入等值點(diǎn)鏈表Path中(將起始追蹤網(wǎng)格單元的入口方向邊的等值點(diǎn)作為Path首元素)。

4) 追蹤判斷等值點(diǎn)。若正在追蹤的等值點(diǎn)到達(dá)邊界并且起始等值點(diǎn)Path[0]為邊界點(diǎn)，說(shuō)明等值線為開(kāi)放等值線，當(dāng)前等值線追蹤完畢；若正在追蹤的等值點(diǎn)到達(dá)邊界但Path[0]不為邊界點(diǎn)，則重新以Begin[i,j]為起始追蹤網(wǎng)格單元，更換入口方向轉(zhuǎn)入步驟3)繼續(xù)追蹤，直至追蹤的等值點(diǎn)到達(dá)邊界；若正在追蹤的等值點(diǎn)與Path[0]相同，說(shuō)明等值線為封閉等值線，當(dāng)前等值線追蹤完畢。在追蹤過(guò)程中，每次遍歷一個(gè)網(wǎng)格單元，取當(dāng)前被等值線繞過(guò)的頂點(diǎn)編碼number，計(jì)算PointCodeSum= PointCodeSum-number，若PointCodeSum=0，則從CellsArray中剔除網(wǎng)格單元。

5) 依次連接Path中相鄰兩點(diǎn)，高程值Hi的一條等值線繪制完畢。

6) 重復(fù)步驟3)～步驟5)，直至路徑柵格鏈表CellsArray長(zhǎng)度為0(高程值Hi的所有等值線繪制完畢)。

7) 重復(fù)步驟2)～步驟6)，直至預(yù)先設(shè)定的等值線高程值Hi集合遍歷完畢。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)使用兩個(gè)機(jī)場(chǎng)的噪聲數(shù)據(jù)集，共選取6組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別是規(guī)模為100*100、200*200、300*300、300、400*400、1000*1000、1 989*1 989的規(guī)則地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)。選取機(jī)場(chǎng)噪聲分貝值層數(shù)分別為10、30、66。其中10層的噪聲分貝值數(shù)據(jù)為：{40,45,50,55,60,65,70,75,80, 85}，30層是從30 dB到88 dB范圍以2 dB為間隔的噪聲分貝值數(shù)據(jù)構(gòu)成的集合，66層則是從20 dB到85 dB范圍以1 dB為間隔的噪聲分貝值數(shù)據(jù)構(gòu)成的集合。實(shí)驗(yàn)機(jī)器配置：Intel? Core?2 Duo CPU E4600 2.40 GHz，內(nèi)存2.00 GB，操作系統(tǒng)為Microsoft Windows XP Professional 2002 Service Pack 3。

本文算法繪制的等值線圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示，圖5是數(shù)據(jù)規(guī)模為400*400層數(shù)為10的某單跑道機(jī)場(chǎng)噪聲等值線圖，圖6是數(shù)據(jù)規(guī)模為100*100層數(shù)為30的某雙跑道機(jī)場(chǎng)噪聲等值線圖。從圖中可以看出，即使在噪聲分貝值很密集的情況下，繪制的等值線圖仍能夠很好地符合等值線的基本特點(diǎn)，特別是沒(méi)有等值線交叉的情況出現(xiàn)。圖5中心的短粗線部分為機(jī)場(chǎng)跑道，沿著跑道兩端的圓點(diǎn)曲線為該機(jī)場(chǎng)主要航跡，從中可以看出，單跑道機(jī)場(chǎng)的噪聲等值線以跑道為中心，依附航跡分散開(kāi)來(lái)，任意兩條相同分貝值間隔的相鄰等值線，距離航跡越近的區(qū)域等值線越密集，噪聲分貝值也越大。雙跑道的情況與單跑道情況類似，只是介于兩條跑道航跡之間的區(qū)域噪聲分貝值會(huì)被疊加，其值大于單跑道航跡上該地的噪聲分貝值(如圖6中的A點(diǎn))。

此外，本文選取3種算法(傳統(tǒng)的等值線傳播算法，文獻(xiàn)[5]中的路徑柵格邊界追蹤算法和本文算法)對(duì)上述6組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3種層次的噪聲分貝值進(jìn)行算法時(shí)間效率對(duì)比，其結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，數(shù)據(jù)規(guī)模為100*100、200*200、300*300、400*400時(shí)，本文算法時(shí)間效率總體上優(yōu)于傳統(tǒng)的等值線傳播算法，明顯優(yōu)于路徑柵格邊界追蹤算法；當(dāng)數(shù)據(jù)規(guī)模增大至1 000*1 000和1 989*1 989時(shí)，與傳統(tǒng)的等值線傳播算法和路徑柵格邊界追蹤算法相比，本文算法效率優(yōu)勢(shì)更為明顯。

圖5 某單跑道機(jī)場(chǎng)噪聲等值線圖

圖6 某雙跑道機(jī)場(chǎng)噪聲等值線圖

表2 3種算法效率比較

本文算法時(shí)間效率較高的一個(gè)重要原因就是路徑柵格鏈表的使用。算法在構(gòu)造路徑柵格時(shí)，將特定高程值等值線經(jīng)過(guò)的所有網(wǎng)格單元以鏈表存儲(chǔ)，形成路徑柵格鏈表，如圖7所示，圖中深色部分為等值線經(jīng)過(guò)的網(wǎng)格單元，等值線追蹤時(shí)只需從路徑柵格鏈表中取出首元素(某個(gè)深色網(wǎng)格單元)開(kāi)始追蹤即可，從而避免常規(guī)的先掃描邊界網(wǎng)格單元追蹤開(kāi)放等值線，再掃描內(nèi)部網(wǎng)格單元追蹤封閉等值線。因此通過(guò)預(yù)先構(gòu)造路徑柵格，建立路徑柵格鏈表，避免了開(kāi)放等值線和封閉等值線的分開(kāi)追蹤，提高了等值線追蹤效率。

圖7 路徑柵格

4 總 結(jié)

等值線追蹤算法很多[13-14]，對(duì)于不同的應(yīng)用環(huán)境需要考慮不同的具體情形?；诼窂綎鸥竦臋C(jī)場(chǎng)噪聲等值線追蹤算法首先根據(jù)機(jī)場(chǎng)噪聲數(shù)據(jù)的特殊情況建立有效網(wǎng)格，掃描有效網(wǎng)格確定網(wǎng)格單元的路徑柵格頂點(diǎn)編碼和，從而建立路徑柵格，在初始追蹤網(wǎng)格單元和入口方向確定的情況下，通過(guò)路徑柵格頂點(diǎn)編碼和唯一確定下一個(gè)等值點(diǎn)，并且路徑柵格的提前建立避免了傳統(tǒng)的先開(kāi)放后封閉的等值線追蹤方式。對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以看出，本文算法在時(shí)間效率上具有明顯優(yōu)勢(shì)，繪制的等值線圖很理想，沒(méi)有兩條等值線交叉情況出現(xiàn)。

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