面向安全監(jiān)測的機(jī)場三維建模方法

方 軍，黃長青，婁書榮

（1.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.天津市地下空間規(guī)劃管理信息中心，天津 300070）

隨著經(jīng)濟(jì)和航空運輸事業(yè)的發(fā)展，機(jī)場規(guī)模不斷擴(kuò)大，航線不斷增多，飛行間隔不斷縮小，機(jī)場周邊城市建設(shè)的擴(kuò)張等諸多因素，機(jī)場的安全問題日益嚴(yán)重，機(jī)場安全事故屢有發(fā)生。機(jī)場的安全監(jiān)測形勢越來越嚴(yán)峻，亟須采取新的技術(shù)手段來解決這些問題。三維建模技術(shù)可以直觀精確地還原現(xiàn)實中的障礙物與機(jī)場設(shè)施，有助于快速地進(jìn)行飛行安全分析和模擬，及時發(fā)現(xiàn)影響機(jī)場安全的危險源，降低機(jī)場安全事故的風(fēng)險，提高機(jī)場安全管理水平。

國外早期將三維仿真技術(shù)應(yīng)用于機(jī)場塔臺的模擬訓(xùn)練中，逐步發(fā)展到機(jī)場監(jiān)測與控制的三維可視化研究等［1］。BEUTHEL等基于 WorldTool-Kit開發(fā)實現(xiàn)了二維與三維交互的機(jī)場虛擬仿真系統(tǒng)，完成了機(jī)場管理過程中的統(tǒng)計圖表數(shù)據(jù)與三維實景的關(guān)聯(lián)［2］。美國田納西州大學(xué)可視化應(yīng)用中心也利用WorldToolKit和WorldUp開發(fā)了機(jī)場的布局和客流仿真系統(tǒng)，并對旅客行李安檢出入進(jìn)行了模擬，為機(jī)場的安保工作提供了支持［3］。國內(nèi)已有學(xué)者構(gòu)建了機(jī)場凈空區(qū)三維模型并進(jìn)行超高障礙物三維分析等研究［4－7］，并基于GIS開發(fā)了機(jī)場多跑道三維凈空管理系統(tǒng)［8］和機(jī)場旅客導(dǎo)航系統(tǒng)［9］等。以上研究均利用三維技術(shù)提高了機(jī)場安全管理的水平，但并沒有對機(jī)場內(nèi)部設(shè)施及周邊環(huán)境進(jìn)行全方位的三維建模，機(jī)場三維場景的逼真度和精細(xì)度較差，無法精確地對機(jī)場安全進(jìn)行三維監(jiān)測。為了更好地發(fā)揮三維建模技術(shù)給機(jī)場安全監(jiān)測帶來的優(yōu)勢，筆者從安全監(jiān)測的角度分析和探討了機(jī)場三維建模的技術(shù)方法，并應(yīng)用于機(jī)場三維展示及安全監(jiān)測系統(tǒng)中。

1 機(jī)場三維建模內(nèi)容和精度要求

雖然不同機(jī)場的安全管理機(jī)構(gòu)設(shè)置不盡相同，但大致上都包含以下幾個子系統(tǒng):飛行安全保障系統(tǒng)、機(jī)坪安全保障系統(tǒng)、空防安全保障系統(tǒng)、應(yīng)急救援保障系統(tǒng)和指揮協(xié)調(diào)系統(tǒng)［10］。各子系統(tǒng)的安全保障具體內(nèi)容和包含的需要建模的三維實體如表1所示。

表1中各個子系統(tǒng)的各項任務(wù)內(nèi)容相互協(xié)調(diào)組合完成整個復(fù)雜的機(jī)場安全管理工作，每一個環(huán)節(jié)都不容忽視，因此，對與機(jī)場安全相關(guān)的每一個實體盡可能地進(jìn)行三維建模監(jiān)測，其他二維數(shù)據(jù)和資料數(shù)據(jù)則通過關(guān)聯(lián)和屬性的方式進(jìn)行監(jiān)測。

1.1 機(jī)場三維建模的范圍和對象

構(gòu)建機(jī)場三維場景，首先必須明確機(jī)場三維建模的范圍和對象。機(jī)場凈空區(qū)是保證飛機(jī)起降安全的區(qū)域，其范圍和規(guī)格根據(jù)機(jī)場等級確定，國家民航局規(guī)定最高級別機(jī)場的凈空區(qū)地面范圍是機(jī)場主跑道中心線兩側(cè)各15 km，由升降帶兩端向外各20 km［11］。因此，基于安全監(jiān)測的目的，機(jī)場三維建模范圍必須完全包含機(jī)場凈空區(qū)，并適當(dāng)向外擴(kuò)展一定范圍。

表1 機(jī)場主要安全保障系統(tǒng)及內(nèi)容

為了節(jié)約成本，減少建模工作量，只選取機(jī)場建模范圍內(nèi)與機(jī)場安全相關(guān)聯(lián)的實體對象進(jìn)行建模。從空間上將機(jī)場三維建模的對象分為3個部分:機(jī)場三維地形、機(jī)場周邊建筑物及設(shè)施和機(jī)場內(nèi)建筑物及設(shè)施，如表2所示。

表2 機(jī)場三維建模的對象

機(jī)場選址一般選擇地勢平坦的地區(qū)，但機(jī)場周邊的地形高低起伏和地貌特征也是影響機(jī)場安全不可忽略的因素。地面附屬物會影響機(jī)場的電磁環(huán)境，也可能是飛鳥的聚集地，這些潛在危險源不可忽視。

機(jī)場周邊建筑物及設(shè)施的高度是影響機(jī)場凈空安全的重要因素，國家民航總局規(guī)定:在機(jī)場凈空保護(hù)區(qū)域內(nèi)，物體的高度不得超過障礙物限制面；在機(jī)場障礙物限制面范圍以外、距機(jī)場跑道中心線兩側(cè)各10 km，跑道端外20 km的區(qū)域內(nèi)，高出原地面30 m且高出機(jī)場標(biāo)高150 m的物體應(yīng)當(dāng)視為障礙物［12］。因此，建模范圍內(nèi)超過限制高度的障礙物必須建模，其他標(biāo)志性的和特殊用途的建筑物，如電磁信號塔、養(yǎng)殖場、屠宰場、靶場、爆炸物倉庫和產(chǎn)生煙霧粉塵的場所等影響飛行安全的物體也需要建模。

機(jī)場內(nèi)部建筑物及設(shè)施是機(jī)場三維建模的重點，機(jī)場內(nèi)所有建筑物、助航燈光設(shè)施、消防和保障設(shè)施等，都需要進(jìn)行高精度的三維建模，主要包括航站樓、塔臺、指揮樓、辦公樓、住宿樓、跑道、滑行道、停機(jī)坪、飛機(jī)棚、維修庫房、助航燈光、助航標(biāo)記、消防設(shè)施和其他公共設(shè)施等。

1.2 機(jī)場三維建模精度要求

三維模型的精度等級決定了三維場景的真實度，模型的精度越高，數(shù)據(jù)量越大，投入的成本越多，建模時間效率和渲染效率越低［13］。綜合考慮機(jī)場三維建模3個部分建模對象對機(jī)場安全監(jiān)測的重要性不同，劃分不同的精度等級。

地形模型是大尺度宏觀的表現(xiàn)方式，其精度取決于所用數(shù)據(jù)源DEM和DOM的精度，機(jī)場凈空區(qū)域內(nèi)DEM的高程精度要求不低于2 m，DOM的地面分辨率不低于1 m。機(jī)場周邊建筑物分為基礎(chǔ)模型和標(biāo)準(zhǔn)模型兩個精度等級，較低層的普通建筑用基礎(chǔ)模型，要求高程和平面精度均不低于1 m；高層建筑、標(biāo)志性建筑等具有特殊性質(zhì)的建筑則用標(biāo)準(zhǔn)模型的精度來規(guī)范，要求高程和平面精度均不低于0.5 m。機(jī)場內(nèi)部建筑物及設(shè)施全部使用精細(xì)模型精度等級，0.2 m以上的細(xì)節(jié)都要在模型中體現(xiàn)，并采用真實的高分辨率紋理貼圖，確保模型的精確度和逼真度。

2 機(jī)場三維建模技術(shù)方法

2.1 三維建模流程

在虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域，三維建模最早分為基于圖形的建模和基于圖像的建模兩種方式，以及后來逐漸發(fā)展起來的結(jié)合兩者優(yōu)點的基于圖形與圖像的混合建模技術(shù)［14］。隨著技術(shù)的發(fā)展，許多三維建模商業(yè)軟件也日趨完善，實際工作中三維模型的構(gòu)建方法也會根據(jù)數(shù)據(jù)來源和應(yīng)用需求等因素靈活選擇，采用多方式相結(jié)合的建模方法。面向安全監(jiān)測的機(jī)場三維建模流程如圖1所示。

2.2 機(jī)場三維地形建模

圖1 面向安全監(jiān)測的機(jī)場三維建模流程圖

真三維GIS中的地形場景的構(gòu)建多采用基于真實地形數(shù)據(jù)的建模技術(shù)，即數(shù)據(jù)來源必須是精確采集的數(shù)字高程模型（DEM），并將高分辨率的正射影像（DOM）映射到相應(yīng)位置來生成地面紋理。DEM可以通過地面工程測量、地形圖數(shù)字化、數(shù)字?jǐn)z影測量和三維激光掃描儀等方法獲取，DEM的精度直接決定了地形場景的真實感。DEM數(shù)據(jù)常采用TIN模型中的Delaunay三角網(wǎng)來構(gòu)建，能更精確地表達(dá)復(fù)雜的地形表面。DOM是利用DEM對航空影像或高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行數(shù)字微分糾正、鑲嵌和裁剪等步驟而制作生成的同時具備幾何精度和影像特征的影像，高精度的DOM作為地形紋理能夠直觀真實地反映三維地形表面的豐富信息。三維地形模型的精度越高，數(shù)據(jù)量越大，對系統(tǒng)的硬件資源要求越高?？梢岳肔OD（levels of detail）技術(shù)對機(jī)場三維地形模型進(jìn)行多分辨率表達(dá)，從而提高三維地形的渲染效率和響應(yīng)速度。

2.3 機(jī)場周邊建筑物及設(shè)施建模

機(jī)場周邊建筑物及設(shè)施主要是對機(jī)場構(gòu)成威脅的障礙物，這些三維模型須具備真實的高度信息，對輪廓細(xì)節(jié)和紋理的要求不高，但對接近凈空限制面高度的物體頂部細(xì)節(jié)需要如實表達(dá)，以便對物體頂部障礙物標(biāo)志或障礙燈進(jìn)行有效監(jiān)測。因此，機(jī)場凈空區(qū)范圍內(nèi)高層建筑和標(biāo)志性建筑的三維模型須達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)模型精度，重點關(guān)注頂部特征信息；其他潛在威脅的建筑和設(shè)施建立基礎(chǔ)模型即可。目前，各大城市都已建立完備的數(shù)字城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，因此，機(jī)場周邊建筑物采用基于二維GIS數(shù)據(jù)的較為快捷高效的批量建模方式。

從二維GIS數(shù)據(jù)庫中獲取建筑物的基底輪廓、建筑物層高和結(jié)構(gòu)等屬性信息，在三維空間中進(jìn)行拉伸，可以直接批量建立簡體模型。簡體模型添加表面紋理信息即可構(gòu)建基礎(chǔ)模型。基礎(chǔ)模型的頂部紋理可以通過疊加正射影像提取并建立映射關(guān)系，側(cè)面紋理利用通用素材庫中的紋理統(tǒng)一賦值。

標(biāo)準(zhǔn)模型在批量建模的簡體模型基礎(chǔ)上，添加頂部模型和完善細(xì)節(jié)部分，可以進(jìn)一步增強(qiáng)三維模型的真實感。真實紋理采集于實地拍攝的圖像，經(jīng)過去遮擋物和正射糾正處理后，選取長寬為2N像素大小的貼圖，尺寸應(yīng)控制在512×512像素以內(nèi)，在保證紋理真實性的前提下，盡可能地減小模型的數(shù)據(jù)量，以保障系統(tǒng)的流暢性。圖2展示了標(biāo)準(zhǔn)模型的頂部造型和信號塔模型。

圖2 建筑物批量建模

2.4 機(jī)場內(nèi)建筑物及設(shè)施建模

機(jī)場內(nèi)部建筑物及設(shè)施建模是機(jī)場三維建模的核心和重點，模型的精度要求達(dá)到精細(xì)級別，在近距離視角下，能夠精確細(xì)致地展現(xiàn)模型的真實結(jié)構(gòu)，使得三維場景中的模型最大限度地還原現(xiàn)實物體。精細(xì)建模通常需要事先搜集大量的現(xiàn)狀資料和采集實景數(shù)據(jù)，除了需要二維GIS數(shù)據(jù)和正射影像數(shù)據(jù)的輔助外，還需要收集建筑物的平面圖、結(jié)構(gòu)圖和施工圖等，并進(jìn)行現(xiàn)場勘測確定方位和材質(zhì)，實地采集照片紋理等。再利用3DS Max、SketchUp、MultiGen Creator等專業(yè)軟件，通過人機(jī)交互的方式精確繪制并構(gòu)建出整個復(fù)雜模型，并結(jié)合實景圖像映射紋理，再加入燈光效果進(jìn)行渲染，最后保存導(dǎo)出為通用格式的模型文件，供三維系統(tǒng)加載調(diào)用。通過分析機(jī)場內(nèi)建筑的類別和性質(zhì)，經(jīng)實地調(diào)查得出機(jī)場內(nèi)部一部分結(jié)構(gòu)相對規(guī)則的固定建筑，獲得圖紙等資料或者通過簡單的測量獲取準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。對另外一部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圖紙資料缺失，或者可能存在不穩(wěn)定性變化趨勢的建筑和設(shè)施，需要精確監(jiān)測來獲取現(xiàn)實數(shù)據(jù)。綜合考慮這兩部分建模內(nèi)容的特點，前者適合利用3DS Max等專業(yè)軟件建模，充分利用現(xiàn)有參考數(shù)據(jù)，可以快速地重建精確的地物模型。后者采用LiDAR技術(shù)進(jìn)行三維建模，可節(jié)省數(shù)據(jù)采集的時間。LiDAR激光掃描儀可以全自動地采集高精度三維點云數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的半自動化處理和人機(jī)交互的地物三維重建。在機(jī)場內(nèi)精細(xì)模型的建模工作中，應(yīng)根據(jù)實際情況，因地制宜，靈活選擇，兩種方法優(yōu)勢互補(bǔ)，并制定流程化的操作步驟，減少重復(fù)工作，避免錯誤，提高建模效率。多方式結(jié)合機(jī)場三維建模流程如圖3所示。

圖3 多方式結(jié)合的三維建模流程圖

（1）基于3DS Max的建模。3DS Max提供了快速高效地制作效果逼真的三維模型的工作流程，并且在材質(zhì)貼圖和光照陰影的渲染方面相比其他軟件具有明顯的優(yōu)勢。利用3DS Max的烘焙技術(shù)可將模型的材質(zhì)和光照效果烘焙到新的紋理貼圖中，能夠加強(qiáng)模型亮度，在場景中產(chǎn)生真實的陰影，增強(qiáng)場景的層次感。

（2）基于LiDAR的建模流程。三維激光掃描（LiDAR）技術(shù)通過高速激光掃描測量的方法，大面積高密度地獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，為快速建立目標(biāo)的三維模型提供了一種全新的技術(shù)手段。與傳統(tǒng)攝影測量相比，LiDAR技術(shù)具有快速、實時、動態(tài)、主動性、不接觸性、穿透性、高密度和高精度等顯著優(yōu)勢。不論是機(jī)載還是地面LiDAR，一般都配置了圖像傳感器同步采集圖像信息，實現(xiàn)了LiDAR點云與圖像相結(jié)合的建模方式，使得LiDAR三維建模技術(shù)更加高效和成熟。機(jī)載LiDAR適合大范圍的數(shù)據(jù)采集和三維重建，由于點云密度不夠和難免有遮擋遺漏的地方，對模型的細(xì)節(jié)表現(xiàn)不足；地面LiDAR可以近距離掃描，根據(jù)細(xì)節(jié)復(fù)雜程度，自主設(shè)定點云密度，進(jìn)行多站掃描數(shù)據(jù)拼接確保采集數(shù)據(jù)的完整性，更易于重建模型的細(xì)節(jié)部分。利用地面Li-DAR三維建模方法對機(jī)場結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，可以對比監(jiān)測出細(xì)小的變形特征，用于安全風(fēng)險分析，及時修復(fù)風(fēng)險源以減少安全事故的發(fā)生。圖4展示了機(jī)場塔臺、機(jī)場燈光和道面精細(xì)模型的效果。

圖4 機(jī)場精細(xì)模型

3 機(jī)場安全監(jiān)測三維系統(tǒng)

建立機(jī)場安全監(jiān)測三維系統(tǒng)是機(jī)場三維建模的最終目的，將三維建模的成果數(shù)據(jù)應(yīng)用到機(jī)場的管理系統(tǒng)中，使三維建模技術(shù)更好地服務(wù)于機(jī)場安全管理工作。

筆者以某機(jī)場為例，分析該機(jī)場安全監(jiān)測需要建模的對象，采用多方式相結(jié)合的三維建模方法，構(gòu)建了機(jī)場三維場景，如圖5所示。并基于ArcGIS Engine提供的API，采用C#編程語言二次開發(fā)了機(jī)場安全監(jiān)測三維系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成管理機(jī)場二維矢量數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)了真三維環(huán)境下的機(jī)場不安全因素的監(jiān)測；能夠方便地進(jìn)行三維凈空分析，對超高障礙物進(jìn)行預(yù)警；實現(xiàn)了機(jī)場道面數(shù)字化管理、燈光故障預(yù)警、應(yīng)急救援模擬等功能。

圖5 機(jī)場三維場景展示界面圖

4 結(jié)論

筆者在分析了機(jī)場安全保障系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，確定了機(jī)場三維建模的范圍和建模對象，并根據(jù)安全監(jiān)測需求，為不同的建模對象制定了相應(yīng)的精度等級標(biāo)準(zhǔn)，采用多方式相結(jié)合的三維建模技術(shù)方法，分別研究了機(jī)場三維地形、機(jī)場周邊建筑物及設(shè)施和機(jī)場內(nèi)建筑物及設(shè)施最適宜的三維建模技術(shù)路線。最后在機(jī)場安全監(jiān)測三維系統(tǒng)中進(jìn)行了應(yīng)用，驗證了面向安全監(jiān)測的機(jī)場三維建模技術(shù)方法的有效性和實用性。利用三維建模技術(shù)能夠有效地監(jiān)測機(jī)場內(nèi)部及周邊的安全風(fēng)險變化，并及時預(yù)警，為機(jī)場安全管理提供持續(xù)的決策支持，提高了機(jī)場整體的管理效率和水平。

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