洛陽機(jī)場凈空區(qū)域三維模型的分析與實(shí)現(xiàn)

劉維斗　趙瑞

摘 要：文章根據(jù)民航相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對洛陽機(jī)場進(jìn)近面、起飛爬升面、內(nèi)水平面等凈空障礙物限制面進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，利用KML地理信息標(biāo)記語言對該模型進(jìn)行立體描述，并通過Google Earth實(shí)現(xiàn)洛陽機(jī)場凈空區(qū)域模型的三維可視化，直觀的顯示凈空規(guī)劃范圍，實(shí)現(xiàn)洛陽機(jī)場的凈空管理的可視化。

關(guān)鍵詞：凈空保護(hù)；限制面；Google Earth

引言

航空事業(yè)快速發(fā)展，飛行安全問題越來越為人們所重視，進(jìn)離場的安全問題尤其引人關(guān)注，而機(jī)場凈空限制面內(nèi)的超高障礙物直接威脅飛機(jī)起降安全，明確凈空區(qū)域內(nèi)的安全高度就顯得尤其重要。

機(jī)場凈空是為保證飛機(jī)起降安全而規(guī)定的障礙物限制面以上的空間，用以限制機(jī)場及其周圍地區(qū)障礙物的高度。各個(gè)障礙物限制面的尺寸要求，隨飛機(jī)是起飛還是降落，以及降落時(shí)采用的進(jìn)近程序的不同而異[1]。隨著洛陽機(jī)場改擴(kuò)建工程的進(jìn)行，凈空資料目前亟需更新和完善以促進(jìn)機(jī)場管理工作的順利進(jìn)行。過去為確定機(jī)場周邊障礙物許可高度，機(jī)場設(shè)計(jì)和管理人員常常采用手工作圖法進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算復(fù)雜，且更新周期較長。而采用3D MAX軟件進(jìn)行建模，其建模方式不包含地理信息數(shù)據(jù)[2]，應(yīng)用時(shí)需將機(jī)場凈空模型導(dǎo)入到城市三維場景中，應(yīng)用有一定局限。Google Earth提供新型、可接入、低成本甚至是免費(fèi)的地圖相關(guān)服務(wù)?；贕oogle Earth 的三維凈空區(qū)域模型，可以更直觀的顯示凈空規(guī)劃范圍，清晰地呈現(xiàn)凈空區(qū)域的三維地形地貌，并可根據(jù)周邊情況的變化可迅速做出計(jì)算判斷，從而對機(jī)場凈空區(qū)的保護(hù)起到促進(jìn)作用。此外該模型系統(tǒng)也可作為機(jī)場飛行區(qū)凈空資料供教學(xué)使用。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 坐標(biāo)系的建立

洛陽機(jī)場飛行區(qū)等級為4D，雙向I類盲降進(jìn)近。以跑道中線及其延長線為中軸線，延中軸線作垂直于水平面的面，稱為中軸面。機(jī)場凈空區(qū)域關(guān)于中軸面對稱。以機(jī)場基準(zhǔn)點(diǎn)，即跑道中點(diǎn)為原點(diǎn)，過原點(diǎn)作中軸面的垂線，設(shè)為x軸，中軸線設(shè)為y軸，過原點(diǎn)作垂直于xoy面的垂線即為z軸。以xyz建立空間直角坐標(biāo)系。機(jī)場凈空區(qū)關(guān)于x=0對稱，由于跑道兩端高度不同，凈空區(qū)域關(guān)于y=0近似對稱，兩邊稍有不同。現(xiàn)先討論x 0部分。

1.2 變量設(shè)置

凈空區(qū)域由內(nèi)水平面、升降帶、錐形面、過渡面、進(jìn)近面、起飛爬升面等障礙物限制面組成。

（6）過渡面：坡度k6=1/7；水平范圍：D61，D62，D63；對應(yīng)高度：h61，h62，h63。

1.3 對各個(gè)面分別建立數(shù)學(xué)模型

（1）凈空道：是指有關(guān)當(dāng)局管理下經(jīng)選定或整備的使飛機(jī)可在其上空進(jìn)行一部分起始爬升到一個(gè)規(guī)定高度的地面或水面上劃定的一塊長方形地區(qū)。

范圍：凈空道的起始點(diǎn)應(yīng)在可用起飛滑跑距離的末端。

（2）內(nèi)水平面

（6）過渡面：沿升降帶邊緣和部分進(jìn)近面邊緣按規(guī)定坡度（14.3%≈1/7）向上和向外傾斜到內(nèi)水平面的一個(gè)復(fù)合面。

如果跑道縱剖面是彎曲的，則沿升降帶的過渡面將是一個(gè)曲面；如果跑道縱剖面是一條直線，則沿升降帶的過渡面將是一個(gè)平面。過渡面與內(nèi)水平面相交的線亦將視跑道縱剖面的不同而是一條直線或是一條曲線。

假定跑道的傾斜度恒定，M1，A1，B1為以升降帶邊緣（長度直至跑道端延伸線）為邊界的過渡面上的三個(gè)點(diǎn)，過渡面M1A1B1為一平面。

上述部分根據(jù)機(jī)場資料、《國際民用航空公約附件14》（2009年7月第五版）及《民用機(jī)場飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（MH5001-2006）》的相關(guān)規(guī)定，對各個(gè)障礙物限制面的水平范圍進(jìn)行確定，并計(jì)算了相應(yīng)的限制高度。后續(xù)需要分析計(jì)算出障礙物限制面的重疊部分，確定限制高度較低的限制面。

對于任意水平范圍內(nèi)的一點(diǎn)（x，y），因限制面的水平范圍的水平坐標(biāo)x均為簡單不等式，而y寫成了關(guān)于x的不等式或?yàn)楹唵尾坏仁?。對于任意水平范圍?nèi)的一點(diǎn)（x，y），可直接判斷是否在限制面內(nèi)，并判斷出是屬于哪個(gè)或多個(gè)障礙物限制面。對于在多個(gè)限制面內(nèi)的點(diǎn)，分別計(jì)算其高度，選出最低的限制面，并計(jì)算出相應(yīng)的高度。據(jù)此編寫計(jì)算軟件。

2 三維模擬

要將模型在Google Earth上顯示，就需要將模型中的點(diǎn)與Google Earth的 WGS-84坐標(biāo)系中的點(diǎn)相對應(yīng)。由于WGS-84坐標(biāo)系中地球?yàn)橐粰E球體，需要用橢球面大地測量學(xué)相關(guān)知識進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于橢球扁率很小，且計(jì)算距離較短，可以做輔助球代替橢球?qū)ψ鴺?biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

Google Earth中虛擬的點(diǎn)線面地圖對象數(shù)據(jù)是通過KML格式存儲(chǔ)的。KML是一種基于XML標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽式地理信息描述語言。當(dāng)Google Earth啟動(dòng)或者刷新地球模型時(shí)，程序會(huì)讀取和解析KML地理信息配置文件，將文件中定義的渲染對象加載到相應(yīng)圖層并渲染顯示在Google Earth三維地球上，其中渲染對象可以包括LinearRing（線）、Polygon（面）等。KML文件就是Google Earth為二次開發(fā)提供的一種可擴(kuò)展接口。根據(jù)轉(zhuǎn)換得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和凈空區(qū)域的模型編寫KML文檔，在Google Earth上加載該文檔，即可看到三維凈空區(qū)域的加載效果，使凈空區(qū)域模型實(shí)現(xiàn)立體化，如圖1所示。

在Google Earth中可以輕易的顯示出目標(biāo)的經(jīng)緯度及地理信息。將經(jīng)緯度輸入軟件中，及可迅速的得出凈空面限制高度及所屬的障礙物限制面。從而對凈空區(qū)域進(jìn)行快速有效的管理。

3 結(jié)束語

通過Google Earth實(shí)現(xiàn)對洛陽機(jī)場凈空區(qū)域的三維可視化。建立了機(jī)場凈空的數(shù)學(xué)模型，通過該模型可以計(jì)算凈空區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)的凈空限制面高度。該方法具有迅速、有效、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，對促進(jìn)機(jī)場的凈空管理工作創(chuàng)造了條件。

參考文獻(xiàn)

[1]談志明，等.機(jī)場規(guī)劃與設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2010：130-133.

[2]郭寬偉，岑國平，馬文軒.機(jī)場凈空GIS快速評定方法研究[J].測繪科學(xué)，2012（1）.

作者簡介：劉維斗（1988-），男，學(xué)士，助工，畢業(yè)于南京信息工程大學(xué)，現(xiàn)從事民航氣象預(yù)報(bào)工作。單位：中國民航飛行學(xué)院洛陽分院。

趙瑞：趙瑞（1984-），男，碩士，工程師，畢業(yè)于中國民航大學(xué)，現(xiàn)從事民航通信和監(jiān)視工作。單位：中國民航飛行學(xué)院洛陽分院。