機(jī)場凈空區(qū)與障礙物精細(xì)化三維建模與表達(dá)

張玉茜

摘? 要：針對機(jī)場凈空區(qū)與障礙物三維可視化中出現(xiàn)的問題，本文依據(jù)民用機(jī)場飛行區(qū)的相關(guān)技術(shù)要求與標(biāo)準(zhǔn)，對機(jī)場凈空區(qū)進(jìn)行精確計(jì)算，并基于三維建模軟件Sketch Up對機(jī)場凈空區(qū)與機(jī)場周邊障礙物進(jìn)行精細(xì)化建模研究。針對障礙物模型構(gòu)建分類體系，建立障礙物模型庫，使用開源三維框架Cesium進(jìn)行綜合展示。研究結(jié)果表明，通過Sketch Up進(jìn)行精準(zhǔn)三維建模，進(jìn)行凈空區(qū)與障礙物三維場景的展示，為后期進(jìn)行超高分析、數(shù)據(jù)管理等提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：機(jī)場凈空? 三維建模? 三維可視化? 障礙物

中圖分類號：P258? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）09（a）-0129-09

Abstract： In view of the problems in the three-dimensional visualization of airfield clearance zone and obstacles， this paper accurately calculates the Airfield Clearance Zone based on the relevant technical requirements and standards of the civil airport flight zone. And based on THE 3D modeling software Sketch Up， refined modeling research was conducted on the airport clearance area and obstacles around the airport. The classification system is built for obstacle models， the obstacle model library is established， and the open source 3D framework Cesium is used for comprehensive display. The research results show that the accurate three-dimensional modeling is performed by Sketch Up， and the three-dimensional scenes of the airfield clearance zone and the obstacle are displayed， which provides technical support for the ultra-high analysis and data management in the later stage.

Key Words：Airfield clearance zone; 3D modeling; 3D visualization; Obstacle

隨著中國經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，人們的出行方式也逐漸豐富了起來，而選擇乘坐飛機(jī)出行的人群比重也在逐漸提升，飛行安全也越來越受到大眾的關(guān)注。而機(jī)場凈空區(qū)內(nèi)對建筑物以及信號塔等障礙物有著嚴(yán)格的高度要求，中國的建設(shè)力量也越來越強(qiáng)大，建筑物高度也逐漸突破天際，如果建筑高度超出規(guī)定，將會對飛行安全造成威脅。

三維建模技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，基于不同的三維建模平臺都有出色的成功案例[1-4]。基于三維建模技術(shù)，對機(jī)場凈空區(qū)的研究主要有，李宗禮基于ArcGIS軟件構(gòu)建機(jī)場三維凈空模型，進(jìn)行機(jī)場障礙物的凈空評價(jià)和展示[5]。陸濟(jì)湘等計(jì)算出機(jī)場凈空范圍，在AutoCAD中進(jìn)行機(jī)場凈空平面的繪制，綜合使用GIS技術(shù)建立了基于不規(guī)則三角網(wǎng)的機(jī)場凈空限制面三維數(shù)字模型，不僅能夠進(jìn)行機(jī)場凈空區(qū)的三維展示，并且能夠根據(jù)位置查詢出限高值[6]。劉維斗與趙瑞根據(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)了洛陽機(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)了洛陽機(jī)場的凈空管理的可視化[7]。焦守波與袁春娟進(jìn)行了機(jī)場凈空區(qū)評定管理研究，減少了工程修建與人工計(jì)算產(chǎn)生的誤差，提高了工作效率[8]。

在現(xiàn)階段研究基礎(chǔ)之上，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)場凈空區(qū)與障礙物的三維瀏覽與顯示，首先確定凈空區(qū)幾何坐標(biāo)系，進(jìn)行各組成區(qū)頂點(diǎn)的精準(zhǔn)計(jì)算與精細(xì)化建模，其次對障礙物進(jìn)行精細(xì)化建模并構(gòu)建出障礙物模型庫，最后基于開源三維框架進(jìn)行凈空區(qū)與障礙物可視化。

1? 凈空區(qū)組成及定義

《民用機(jī)場飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對于機(jī)場凈空的概念描述如下，為保障飛機(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。為了保證飛機(jī)起飛著陸，沿著機(jī)場跑道周圍要有一個(gè)沒有影響飛行安全的障礙物的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域叫做機(jī)場凈空區(qū)[9]。凈空區(qū)示意圖如圖1所示。

機(jī)場凈空區(qū)由端凈空和側(cè)凈空組成，端凈空是一組從跑道兩端以一定距離起，根據(jù)一定的條件，采取相應(yīng)的起始寬度和向兩側(cè)擴(kuò)展的斜率及障礙物限制坡度所組成的梯形或舌形的凈空限制面，包括起飛爬升面、進(jìn)近面、內(nèi)進(jìn)近面、復(fù)飛面等。起飛爬升面是凈空道邊緣、跑道端的一個(gè)傾斜的平面和其他規(guī)定的面。進(jìn)近面是跑道入口前的一個(gè)傾斜的平面或幾個(gè)平面的組合。內(nèi)進(jìn)近面是靠近跑道入口的一個(gè)矩形，其起點(diǎn)與進(jìn)近面的起點(diǎn)重合，并按規(guī)定的進(jìn)近面的寬度、長度和坡度向上向外延伸至進(jìn)近面的終點(diǎn)。復(fù)飛面是預(yù)留返航所需的空間，在保證飛機(jī)著陸失敗后能夠順利復(fù)飛。

側(cè)凈空由過渡面、內(nèi)水平面、錐形面、內(nèi)過渡面等部分組成。過渡面沿跑道中線兩側(cè)各向外傾斜，兩端按規(guī)定的坡度準(zhǔn)全邊線向外傾斜，直到與相應(yīng)的內(nèi)水平面和錐形面相交為止。內(nèi)水平面是位于機(jī)場及其周圍以上的一個(gè)水平面中的一個(gè)面，其類似一個(gè)橢圓，由兩邊的兩個(gè)半圓和中間一個(gè)矩形組成。錐形面從內(nèi)水平面的周邊開始，以一定坡度向上和向外傾斜，直到規(guī)定的外緣高度為止。

障礙物定義為位于供飛機(jī)地面活動的地區(qū)上，或突出于為保護(hù)飛行中的航空器而規(guī)定的限制面之上，或位于上述規(guī)定限制面之外但評定為對空中航行有危險(xiǎn)的，一切固定的（無論是臨時(shí)的還是永久的）和移動的物體，或是這些物體的一部分，主要的障礙物有電力塔、信號塔、高層建筑等。

2? 凈空區(qū)模型構(gòu)建

2.1 幾何坐標(biāo)系構(gòu)建

凈空區(qū)模型建立，首先進(jìn)行幾何坐標(biāo)系的構(gòu)建，以機(jī)場跑道端點(diǎn)進(jìn)近面一側(cè)為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系[9-10]。確定坐標(biāo)原點(diǎn)為機(jī)場升降帶進(jìn)近面一端與跑道中心線相交的位置，X軸正方向?yàn)榕艿乐行木€向進(jìn)近面延伸的方向，Y軸與X軸垂直且位于升降帶側(cè)邊，Z軸為原點(diǎn)所在水平面的法線。以原點(diǎn)為起點(diǎn)進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算與模型構(gòu)建，幾何坐標(biāo)系示意圖如圖2所示。

2.2 凈空區(qū)關(guān)鍵頂點(diǎn)計(jì)算

2.2.1 進(jìn)近面頂點(diǎn)計(jì)算

對于進(jìn)近面的頂點(diǎn)計(jì)算，關(guān)鍵參數(shù)有跑道長度為L，寬度為W。進(jìn)近面一共分為三段，第一段坡度為S1，長度為L1;第二段坡度為S2，長度為L2;第三段為水平段，長度為L3，末端高度為H;進(jìn)近面靠近升降帶一側(cè)寬度為2W1整體側(cè)邊散開率S0。進(jìn)近面的方程有8個(gè)點(diǎn)需要確定，又因?yàn)槠潼c(diǎn)位關(guān)于坐標(biāo)軸對稱，所以只求4個(gè)，分別記為A1、A2、A3、A4，具體點(diǎn)位置如圖3所示。

A1點(diǎn)坐標(biāo)為A1（0，W1，0），A2，A3，A4計(jì)算公式如下所示。

2.2.2 過渡面與內(nèi)水平面頂點(diǎn)計(jì)算

過渡面坡度S3，過渡面與內(nèi)水平面相交的點(diǎn)有B1、B2，進(jìn)近面兩側(cè)過渡面與內(nèi)水平面的交點(diǎn)B3，起飛爬升面兩側(cè)過渡面與內(nèi)水平面的交點(diǎn)B4，以及升降帶與過渡面交點(diǎn)A1、A0，進(jìn)近面的跑道入口距離為W2，內(nèi)水平面的高度為H1，起飛爬升面的向上傾斜的坡度S5具體點(diǎn)位置如圖4所示。

內(nèi)水平面由兩個(gè)半圓和中間一個(gè)矩形組成，兩端半徑為R，兩端半圓的圓心為跑道中心線與跑道端線的交點(diǎn)。需要計(jì)算的頂點(diǎn)主要是矩形和半圓的連接點(diǎn)B5、B6。

2.2.3 錐形面頂點(diǎn)計(jì)算

錐形面的主要參數(shù)有2個(gè)，錐形面的高度H2和向外向上延伸的坡度S4。計(jì)算錐形面的主要頂點(diǎn)數(shù)據(jù)有，進(jìn)近面與錐形面的交點(diǎn)C1以及經(jīng)過進(jìn)近面邊線的垂面與錐形面邊線的交點(diǎn)C2，以及錐形面的末端拐點(diǎn)C3和C4，具體點(diǎn)位置如圖5所示。

2.2.4 起飛爬升面頂點(diǎn)計(jì)算

起飛爬升面的界限包括一條起端的內(nèi)邊、兩條側(cè)邊和一條末端界以及外邊界。起飛爬升面的主要參數(shù)有跑道入口距離為W4，起端寬度W5，起飛爬升面的長度L6，起飛爬升面的向上傾斜的坡度S5，起飛爬升面向兩側(cè)擴(kuò)散的斜率S6。起飛爬升面的計(jì)算主要是計(jì)算起飛爬升面的頂點(diǎn)D1、起飛爬升面與內(nèi)水平面的交點(diǎn)D2、起飛爬升面與錐形面的交點(diǎn)D3、錐形面被起飛爬升面切割的拐點(diǎn)D4和起飛爬升面的末端頂點(diǎn)D5，圖6為起飛爬升面的具體點(diǎn)位示意圖。

2.3 凈空區(qū)精細(xì)化建模

2.3.1 機(jī)場跑道建模

機(jī)場跑道長度為3600m，寬度為45m，根據(jù)機(jī)場的長度和寬度定義矩形，并根據(jù)民用機(jī)場飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與機(jī)場實(shí)地情況構(gòu)建跑道細(xì)節(jié)，主要細(xì)節(jié)構(gòu)建有垂直穿越跑道的滑行道中線標(biāo)志，滑行邊線及滑行道肩標(biāo)志，飛行區(qū)滑行道的強(qiáng)制性指令標(biāo)志，復(fù)雜的滑行道相交處信息標(biāo)志等，機(jī)場細(xì)節(jié)建模如圖7所示。

2.3.2 進(jìn)近面建模

進(jìn)近面第一段起端的寬度300m，起端距跑道入口距離60m，側(cè)邊散開率為15%，整個(gè)第一段的長度為3000m，坡度為2%。第二段側(cè)邊散開率為15%，整個(gè)第二段的長度3600m，坡度為2.5%。水平段長度為8400m，側(cè)邊散開率為15%。關(guān)鍵頂點(diǎn)有8個(gè)分別為A1、A2、A3、A4，以及A1、A2、A3、A4關(guān)于跑道中心線的鏡像點(diǎn)，通過對稱即可畫出，將各定點(diǎn)連接起來即可，如圖8。

2.3.3 過渡面與內(nèi)水平面建模

過渡面沿跑道中線兩側(cè)各向外傾斜150m，斜率為1：7，其下邊緣從進(jìn)近面的側(cè)面與內(nèi)水平面交點(diǎn)處開始向下延伸至內(nèi)進(jìn)近面的內(nèi)側(cè)面，然后再沿升降帶與跑道中線平行過渡面上邊在內(nèi)水平面的平面上，與進(jìn)近面的構(gòu)建類似，過渡面的頂點(diǎn)順序?yàn)锽1、B2、B3、B4，通過對稱得到另外半邊的頂點(diǎn)位置，過渡面模型構(gòu)建完成。

內(nèi)水平面的高度為45m，半徑為4000m，除與過渡面的交點(diǎn)之外，關(guān)鍵頂點(diǎn)有B5、B6。以跑道兩端入口中點(diǎn)為圓心，按半徑4000m畫出兩側(cè)的圓弧，再以與跑道中線平行的兩條直線與圓弧相切成一個(gè)近似橢圓形，將其與過渡面連接，構(gòu)建出一個(gè)水平面即為內(nèi)水平面。過渡面與內(nèi)水平面細(xì)節(jié)建模結(jié)果如圖9所示。

2.3.4 錐形面建模

錐形面的構(gòu)建，錐形面斜率為1：20，寬度為2000m，首先根據(jù)C3和C4的位信息構(gòu)造出半圓構(gòu)成外邊界，外邊界高167.76m，內(nèi)水平面與錐形面的交線構(gòu)成內(nèi)邊界。從錐形面上那個(gè)半圓選個(gè)點(diǎn)在同一平面內(nèi)連接內(nèi)水平面的一個(gè)點(diǎn)構(gòu)建直角三角形，坡度為5%，選中錐形面的半圓點(diǎn)擊路徑跟隨再選中直角三角形，錐形面傾斜部分構(gòu)造完成，其結(jié)果如圖10所示。

2.3.5 起飛爬升面建模

起飛爬升面，起端寬度為180m，末端寬度為1200m，側(cè)邊散開度為12.5%，坡度為2%。首先構(gòu)建方法類似于進(jìn)近面，畫出起端線與末端線，定義好坡度，延長至15000m處，即可構(gòu)建完成，結(jié)果如圖11所示。最終凈空區(qū)結(jié)果圖如圖12、13所示，還包括復(fù)飛面與內(nèi)進(jìn)近面。

3? 障礙物精細(xì)化建模與模型庫構(gòu)建

3.1 障礙物精細(xì)化建模

障礙物模型構(gòu)建，通過實(shí)地調(diào)查與測量，得到障礙物模型的屬性信息主要有名稱，經(jīng)緯度，障礙物相對于機(jī)場基準(zhǔn)點(diǎn)的磁方位角，直線距離，相對于機(jī)場基準(zhǔn)點(diǎn)的水平距離（平行于跑道），相對于跑道中心線/延長線垂直距離，所在限制面，障礙物高程，障礙物最高點(diǎn)高程（含屋頂構(gòu)筑物、施工塔吊），以及超高情況，實(shí)景照片等信息。根據(jù)信息與照片上的紋理，在Sketch Up中進(jìn)行空間坐標(biāo)系的建立與建模工作，構(gòu)建結(jié)果如圖14所示。

3.2 障礙物模型庫構(gòu)建

為方便后期模型三維可視化與模型管理，進(jìn)行障礙物模型庫的構(gòu)建工作。根據(jù)障礙物在不同功能、范圍、外觀進(jìn)行障礙物的劃分，15km以內(nèi)的障礙物劃分為煙囪、高壓電線塔、電線桿、移動信號塔、聯(lián)通信號塔、照明燈、塔臺、航管樓9類。在15～55km之間，將障礙物劃分為避雷針、煙囪、移動信號塔、聯(lián)通信號塔、高壓電線塔、電線桿、居民樓、行政辦公樓、廟宇、塔吊10類。在進(jìn)行后期障礙物增加時(shí)，同一類型的障礙物可以直接從模型庫里調(diào)用模型，進(jìn)行簡單參數(shù)修改即可使用。

4? 凈空區(qū)與障礙物三維可視化

Sketch Up進(jìn)行三維建模得到的僅僅是單體模型，結(jié)合開源三維框架Cesium與三維可視化等技術(shù)，將機(jī)場凈空區(qū)與障礙物進(jìn)行綜合展示。Cesium是一款優(yōu)秀的開源三維框架并且具有良好的三維可視化效果，并在性能，精度，渲染質(zhì)量以及多平臺，易用性上都有高質(zhì)量的保證。Cesium支持.gltf和.glb格式的文件，Sketch Up建模得到的數(shù)據(jù)并不能直接在Cesium中進(jìn)行顯示，首先通過Sketch Up將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為.obj格式的文件，然后通過Cesium官網(wǎng)提供的obj2gltf工具庫將obj文件轉(zhuǎn)換為過.gltf或.glb格式的文件。將障礙物的名稱以及經(jīng)緯度等屬性信息存儲在json格式中，通過前端遍歷以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等工作進(jìn)行障礙物的綜合展示，凈空區(qū)及障礙物可視化結(jié)果如圖15與圖16所示。

5? 結(jié)語

根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定，對機(jī)場凈空區(qū)各個(gè)組成部分進(jìn)行分析研究，以跑道一端中間位置為原點(diǎn)構(gòu)建空間直角坐標(biāo)系，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)公式對進(jìn)近面、過渡面與內(nèi)水平面、錐形面和起飛爬升面等關(guān)鍵頂點(diǎn)進(jìn)行精確計(jì)算，通過三維建模軟件Sketch Up對各個(gè)面進(jìn)行三維建模。對于障礙物，根據(jù)屬性信息構(gòu)建三維模型，并定義分類標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了障礙物模型庫的構(gòu)建。結(jié)合開源三維框架Cesium與三維可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了凈空區(qū)與障礙物模型的三維可視化，能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的三維瀏覽等功能。

參考文獻(xiàn)

[1] 張偉，周洪文，江婷，等.基于SketchUp的某地鐵站三維模型構(gòu)建方法[J].礦山測量，2015（1）：82-85，6.

[2] 陳建輝，李朝奎，方軍，等.基于3DsMax與SketchUp的聯(lián)合三維建模方法及其應(yīng)用[J].地理信息世界，2018，25（3）：60-63，70.

[3] 周鵬.基于SketchUp和ArcGIS三維虛擬校園模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2016（2）：53-54.

[4] 王崇倡，王琦.基于Skyline和SketchUp的數(shù)字校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測繪與空間地理信息，2018，41（7）：180-182，186，191.

[5] 李宗禮.基于ArcGIS的機(jī)場凈空分析三維可視化[J].民航學(xué)報(bào)，2018，2（1）：11-15.

[6] 陸濟(jì)湘，宋曉麗，李雪林.機(jī)場凈空區(qū)范圍的確定及三維可視化[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)信息與管理工程版，2013，35（6）：828-832.

[7] 劉維斗，趙瑞.洛陽機(jī)場凈空區(qū)域三維模型的分析與實(shí)現(xiàn)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（23）：71-72.

[8] 焦守波，袁春娟.機(jī)場凈空區(qū)評定管理研究[J].科技資訊，2019，17（15）：48-49.

[9] 中國民用航空局.民用機(jī)場飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S]﹒MH5001-2013，2013.

[10] 劉應(yīng)朝.機(jī)場凈空分析的三維可視化及其算法研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2009.

[11] 盛昀.綿陽機(jī)場凈空管理的系統(tǒng)研究[D].北京：中國民用航空飛行學(xué)院，2019.