基于AMDB的機(jī)場(chǎng)空側(cè)三維場(chǎng)景建模技術(shù)研究

董健康，王潔寧，姜高揚(yáng)，趙元棣

（中國(guó)民航大學(xué)a.空中交通管理研究基地；b.天津市空管運(yùn)行規(guī)劃與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面和終端區(qū)運(yùn)行是航空安全重點(diǎn)保障區(qū)域，也是造成整個(gè)航班運(yùn)行延誤和直接航空運(yùn)輸成本增加的重要區(qū)域，隨著航空運(yùn)輸?shù)母咚侔l(fā)展，大型繁忙機(jī)場(chǎng)由于存在復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、地面交通協(xié)同調(diào)度、高吞吐量的飛行流量以及相鄰管制單位之間高負(fù)荷的管制協(xié)調(diào)，其逐漸成為約制飛行流量焦點(diǎn)和航空安全事故高發(fā)地區(qū)。飛行流量的增加迫切要求增加機(jī)場(chǎng)容量，主要通過(guò)機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建、不斷改進(jìn)管制方式和飛行程序、優(yōu)化場(chǎng)面交通引導(dǎo)與控制等手段實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，惡劣天氣影響下的機(jī)場(chǎng)管制運(yùn)行和應(yīng)急響應(yīng)處置機(jī)制也是保證機(jī)場(chǎng)高效、安全運(yùn)行的重點(diǎn)。上述問(wèn)題的解決之道在于提高機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)管制人員的管制協(xié)同調(diào)配以及對(duì)新程序、新技術(shù)的適應(yīng)能力，這就要求事先逼真模擬各種情況、有針對(duì)性地進(jìn)行反復(fù)、詳盡的分析驗(yàn)證和演練。高性能的塔臺(tái)視景模擬仿真系統(tǒng)成為空管新技術(shù)研發(fā)和管制模擬訓(xùn)練的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

塔臺(tái)視景模擬仿真是在高真實(shí)感、沉浸感虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境支持下對(duì)空中交通塔臺(tái)管制（air traffic control tower，ATCT）的模擬仿真，它集成了虛擬現(xiàn)實(shí)、分布式實(shí)時(shí)計(jì)算、復(fù)雜系統(tǒng)仿真、ATC管制及信息處理等技術(shù)，是空管運(yùn)行驗(yàn)證與模擬訓(xùn)練中最為復(fù)雜的一類技術(shù)。

虛擬環(huán)境的真實(shí)感和沉浸感是營(yíng)造高逼真塔臺(tái)視景模擬仿真基礎(chǔ)，目前視景仿真中主要采用Multigen公司的Greator軟件實(shí)施三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建，由其定義的.flt數(shù)字場(chǎng)景描述已成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)[1]。傳統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)建模主要通過(guò)手工交互手段，在Creator軟件中創(chuàng)建和優(yōu)化模型，隨著應(yīng)用的深入，通過(guò)OpenFlight API[2]自動(dòng)建立特定領(lǐng)域的三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)日益收到重視[3-7]。

機(jī)場(chǎng)空側(cè)區(qū)域主要由跑道系統(tǒng)、滑行道系統(tǒng)、機(jī)坪系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、引導(dǎo)標(biāo)識(shí)牌和導(dǎo)航設(shè)施等構(gòu)成，是航空器及車(chē)輛等活動(dòng)目標(biāo)運(yùn)行的場(chǎng)所，其存在著幾何拓?fù)鋸?fù)雜、場(chǎng)景范圍廣的特征。針對(duì)機(jī)場(chǎng)空側(cè)區(qū)域，國(guó)際民航組織（ICAO）在附件14[8-9]中規(guī)范了其幾何參數(shù)、紋理標(biāo)識(shí)和布局體系，為實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)空側(cè)區(qū)域三維場(chǎng)景自動(dòng)建模提供了支持。然而，機(jī)場(chǎng)的拓?fù)洳季钟捎诘乩砦恢?、氣象條件、運(yùn)營(yíng)需求等條件的限制存在不同的構(gòu)型，為此在航行情報(bào)AIP資料中都包含了各個(gè)機(jī)場(chǎng)的布局資料信息。ICAO在Doc 9881建議采用機(jī)場(chǎng)繪圖數(shù)據(jù)庫(kù)（airport mapping database，AMDB）作為機(jī)場(chǎng)幾何拓?fù)湫畔⒌臉?biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型[10]。

本文以AMDB為基礎(chǔ)，針對(duì)機(jī)場(chǎng)三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)自動(dòng)生成問(wèn)題展開(kāi)研究。首先分析了AMDB的基本架構(gòu)和數(shù)據(jù)構(gòu)造，然后建立了以AIXM5交換標(biāo)準(zhǔn)[11]為原型的機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)整合模型，提出了面向機(jī)場(chǎng)三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)的特征模型，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于OpenFlight API的場(chǎng)景樹(shù)構(gòu)造，最后以天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)為例給出了驗(yàn)證結(jié)果。

1 AMDB的基本架構(gòu)和數(shù)據(jù)構(gòu)造

AMDB是描述機(jī)場(chǎng)拓?fù)涞牡乩硇畔ⅲ℅IS）數(shù)據(jù)庫(kù)，其由兩部分?jǐn)?shù)據(jù)構(gòu)成：一是采用點(diǎn)、線和多邊形建模的機(jī)場(chǎng)幾何特征信息；二是描述機(jī)場(chǎng)元素的特征信息，包括標(biāo)識(shí)、場(chǎng)面特征及數(shù)據(jù)精度等。圖1給出了AMDB數(shù)據(jù)庫(kù)中所包含的機(jī)場(chǎng)主要元素。

通常GIS數(shù)據(jù)模型包含3個(gè)部分：數(shù)據(jù)Schema，數(shù)據(jù)特征實(shí)例和數(shù)據(jù)特征類?；诖?，ICAO制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范機(jī)場(chǎng)地圖GIS數(shù)據(jù)，如圖2所示，DO-272A[12]給出了機(jī)場(chǎng)地圖數(shù)據(jù)所包含的內(nèi)容，組織機(jī)構(gòu)，發(fā)布、更新等的最低標(biāo)準(zhǔn)。DO-291[13]按照文獻(xiàn)[9]的需求定義了數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)、內(nèi)容、參考體系、質(zhì)量、獲取方式及數(shù)據(jù)維護(hù)等，并針對(duì)特征分類采用UML給出了相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和編碼。ARINC-816[14]則定義了嵌入式的機(jī)場(chǎng)地圖數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)。本文重點(diǎn)通過(guò)DO-272A和DO-291規(guī)范機(jī)場(chǎng)地圖數(shù)據(jù)，表1給出了滑行道引導(dǎo)線的主要特征數(shù)據(jù)定義。

表1 滑行道引導(dǎo)線的主要特征數(shù)據(jù)定義Tab.1 Taxiway guidanceline information

參照表1的數(shù)據(jù)項(xiàng)目，本文依據(jù)DO-291規(guī)范，設(shè)計(jì)出滑行道元素的XML-Schema結(jié)構(gòu)（如圖3所示），實(shí)現(xiàn)針對(duì)AMDB數(shù)據(jù)的操作。

由于AMDB主要針對(duì)機(jī)載合成視景（synthetic vision systems，SVS）和電子飛行包（EFB），采用簡(jiǎn)單的點(diǎn)、線、面幾何表示模型，缺少真實(shí)紋理信息，因此需要對(duì)機(jī)場(chǎng)三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的整合加工，使之適合于三維場(chǎng)景表示。

2 基于AIXM5的數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)

航空信息交換模型AIXM5是EuroControl開(kāi)發(fā)的面向航空信息管理（AIM）的信息交換標(biāo)準(zhǔn)，它以ISO19100系列國(guó)際地理信息標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，采用UML和XML規(guī)范了航空信息交換模型。AIXM5涵蓋了眾多航空信息，其中關(guān)于機(jī)場(chǎng)信息定義了9個(gè)特征類，分別是：機(jī)場(chǎng)/直升機(jī)機(jī)場(chǎng)，停機(jī)坪，直升機(jī)起降場(chǎng)面，燈光系統(tǒng)，指示標(biāo)志系統(tǒng)，跑道，水上機(jī)場(chǎng)，場(chǎng)面污染物，滑行道系統(tǒng)。本文以滑行道系統(tǒng)AIXM5規(guī)范為例，討論ADMB數(shù)據(jù)的整合，形成相應(yīng)的接口描述。

AIXM5定義了3個(gè)特征類分別描述滑行道（如圖4（a）所示）、滑行引導(dǎo)線（如圖 4（b）所示）和滑行等待位置（如圖4（c）所示）。顯然，AIXM5是一套相對(duì)龐大的特征描述體系，且存在著復(fù)雜關(guān)聯(lián)，它采用UML構(gòu)造數(shù)據(jù)概念模型，通過(guò)XML+GML實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間信息互操作交換。

AIXM5針對(duì)空管運(yùn)行應(yīng)用中信息完整性的需求設(shè)計(jì)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)，由于AIXM5是以O(shè)GC（open geospatial consortium）為標(biāo)準(zhǔn)，底層的定義非常復(fù)雜，考慮到本文的實(shí)際需求，按照AIXM5的概念模型，進(jìn)行了接口裁剪，形成了如圖5所示的XML-Schema接口模型。

3 機(jī)場(chǎng)三維場(chǎng)景特征模型

視景仿真的場(chǎng)景描述通常采用OpenFlight數(shù)據(jù)格式，它是MultiGen-Paradigm公司開(kāi)發(fā)的一種三維模型表示文件格式，適合于場(chǎng)景實(shí)時(shí)繪制的需求。

由第2節(jié)分析可知，AMDB中采用點(diǎn)、線和面來(lái)刻畫(huà)機(jī)場(chǎng)拓?fù)錁?gòu)造，其中缺乏針對(duì)機(jī)場(chǎng)三維場(chǎng)景的紋理、材質(zhì)重要元素，同時(shí)，針對(duì)滑行引導(dǎo)線、停機(jī)位線、滑行道標(biāo)志等都需要進(jìn)行面片化處理，特別是機(jī)場(chǎng)草坪在AMDB中沒(méi)有具體的數(shù)據(jù)特征實(shí)例，需要進(jìn)行重建。本文按照OpenFlight的結(jié)構(gòu)特性，采用特征建模的方法，分類對(duì)具體的機(jī)場(chǎng)三維場(chǎng)景要素進(jìn)行建模處理。

3.1 場(chǎng)景特征模型分類

依據(jù)OpenFlight數(shù)據(jù)格式，本文建立了不同時(shí)候、構(gòu)造采用子面結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造如圖8所示。

表2 特征模型分類Tab.2 Feature model classification

其他機(jī)場(chǎng)場(chǎng)景特征模型的參數(shù)構(gòu)造如表2所示。

3.2 場(chǎng)景紋理庫(kù)構(gòu)造及映射處理

按照OpenFlight數(shù)據(jù)格式對(duì)紋理數(shù)據(jù)的要求，本文研究建立了符合紋理優(yōu)化存儲(chǔ)需求的紋理集（tex氣ture atlas），首先對(duì)紋理進(jìn)行了分類，主要包括機(jī)場(chǎng)地形紋理、滑行道引導(dǎo)標(biāo)記牌紋理、跑道紋理、機(jī)場(chǎng)典型建筑紋理及機(jī)場(chǎng)標(biāo)志牌紋理等。紋理集采用rgba格式，按照2n×2n的大小進(jìn)行數(shù)據(jù)組織。由于采用了多紋理合并，需要定義特定的紋理映射，本文根據(jù)紋理特征進(jìn)行編碼，形成在紋理集中的UV映射，并且存儲(chǔ)到紋理數(shù)據(jù)庫(kù)。圖9為跑道紋理和滑行道引導(dǎo)標(biāo)記牌紋理的紋理集合。

按照OpenFlight API接口，紋理映射有兩種方式：第1種為直接給定面片頂點(diǎn)紋理坐標(biāo)，適合于規(guī)則紋理的面片紋理映射；第2種為通過(guò)構(gòu)造紋理映射模板實(shí)現(xiàn)，主要針對(duì)非三角面片或矩形面片的凸多邊形面片紋理映射。

3.3 場(chǎng)景生成的處理流程

場(chǎng)景生成的處理流程如圖10所示。

圖10 場(chǎng)景生成處理流程Fig.10 Processing diagram of scene generation

按照?qǐng)D10的處理流程，編制了機(jī)場(chǎng)空側(cè)機(jī)場(chǎng)三維場(chǎng)景生成軟件模塊，并以天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)和上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)為例分別生成了OpenFlight格式的三維場(chǎng)景模型，圖11為天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)場(chǎng)景模型。圖12為機(jī)場(chǎng)關(guān)鍵場(chǎng)景放大表示模型。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究建立基于AMDB數(shù)據(jù)的機(jī)場(chǎng)空側(cè)三維場(chǎng)景生成技術(shù)，通過(guò)AMDB提取機(jī)場(chǎng)幾何構(gòu)造數(shù)據(jù)，按照?qǐng)鼍皹?gòu)造元素進(jìn)行了特征分類，并依據(jù)附件14和MH5001-2009對(duì)場(chǎng)景特殊的三維模型進(jìn)行了重建處理，實(shí)現(xiàn)了基于OpenFlight API的三維場(chǎng)景構(gòu)造，結(jié)果表明該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)空側(cè)三維場(chǎng)景的自動(dòng)生成，為快速搭建機(jī)場(chǎng)三維場(chǎng)景提供支持。進(jìn)一步的工作是集成機(jī)場(chǎng)三維地標(biāo)建筑場(chǎng)景模型，并通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的手段實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)周?chē)髨?chǎng)景的構(gòu)建。

[1] 王 乘，周均清，李利軍.Creator可視化仿真建模技術(shù)[G].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005：39-45.

[2] MutiGen-Paradigm Inc.OpenFlight API User′s Guid[G].Dallas：Muti-Gen-Paradigm Inc，2003.

[3] 陳 濤，魏 朗，袁志芳.OpenFlight三維公路模型設(shè)計(jì)參數(shù)的獲取[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（2）：80-83.

[4] 唐 凱，康鳳舉，宋志明，等.用OpenFlight API開(kāi)發(fā)分形地形[J].艦船電子工程，2004，24（3）：75-78.

[5] 陳子輝，王 麗，胡建平.DXF與OpenFlight API虛擬三維管網(wǎng)自動(dòng)建模技術(shù)研究[J].測(cè)繪科學(xué)，2009，35（5）：180-182.

[6] 常 遠(yuǎn)，秦小麟，王筱成，等.基于CNSDTF和OpenFlight的空間數(shù)據(jù)互操作研究[J].中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào)，2005，10（12）：1554-1559.

[7] 肖 羽，李光耀，王文舉.基于3DS的OpenFlight模型構(gòu)建方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009，29（6）：302-304.

[8]Aerodrome Design Manual，part1 Runways[S].ICAO，2006.

[9]Aerodrome Design Manual，part2 Taxiways，Aprons and Holding Bays[S].ICAO，2006.

[10] RTCA Inc.Doc9881 Guidelines for Electronic Terrain，Obstacle and Aerodrome Mapping Information[S].Washington D C：RTCA Inc，2009.

[11] FAA.Aeronautical Information Exchange Model[EB/OL].（2010-02-01）[2012-04-28].http://www.aixm.aero/public/standard_page/download.html

[12]RTCA Inc.DO-272A User Requirements for Aerodrome Mapping Information[S].Washington D C：RTCA Inc，2002.

[13] RTCA Inc.DO-291 Interchange Standards For Terrain，Obstacle and Aerodrome Mapping Data[S].Washington D C：RTCA Inc，2002.

[14] ARING Inc.Arinc 816 Embedded Interchange Format for Airport Mapping Data-base[S].Maryland：ARINC Inc，2007.