基于Cesium的機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)三維可視化管理關(guān)鍵技術(shù)

楊盛華 郭欣萌 尹 洋 楊 魁 張 月 房洪利 王浩涵

(1.天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)有限公司，天津 300300； 2.天津華北地質(zhì)勘查總院，天津 300170)

0 引言

機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)是指為保障飛機(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(chǎng)及其周邊地區(qū)障礙物的高度，具有分布范圍廣、涉及地物多等特點(diǎn)，其管理的好壞直接影響飛機(jī)的飛行安全以及機(jī)場(chǎng)的高效運(yùn)行和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展[1]。傳統(tǒng)的人工管理模式很難對(duì)凈空保護(hù)區(qū)內(nèi)眾多的建筑物進(jìn)行系統(tǒng)性的、有針對(duì)性的巡查，存在管理效率低、管理資料繁雜、管理維護(hù)難等問(wèn)題[2]。

為了解決上述問(wèn)題，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)更加安全、高效、智慧的建設(shè)愿景，凈空安全管理的數(shù)字化成為人們研究的焦點(diǎn)。李鵬等[3]在建立機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)障礙物限制面的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，使用ArcGIS軟件建立凈空限制面三角網(wǎng)高程模型。張獻(xiàn)民等[4]以SuperMap軟件為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了基于三維動(dòng)態(tài)仿真場(chǎng)景的凈空評(píng)價(jià)系統(tǒng)。盛昀[5]運(yùn)用ArcGIS平臺(tái)繪制各個(gè)障礙物限制面，研究了每個(gè)限制面內(nèi)的限制高程計(jì)算方法。上述成果主要圍繞三維模型的建立及凈空評(píng)價(jià)的方法展開(kāi)研究，理論研究扎實(shí)，但與凈空安全管理實(shí)際需求融合較少，在應(yīng)用中具有一定的局限性，主要體現(xiàn)在：(1)三維可視化效果較差；(2)互動(dòng)性操作較少；(3)功能單一，實(shí)用性不夠。

因此，本文在選擇Cesium三維引擎的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)三維可視化管理關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并以天津機(jī)場(chǎng)為例開(kāi)發(fā)了InSAR凈空智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了凈空專題數(shù)據(jù)在三維層面的顯示和管理。

1 機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)三維管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采取瀏覽器、服務(wù)器的B/S架構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，總體設(shè)計(jì)分為3個(gè)層次：可視化層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)層是將可視化層所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，包括地形影像數(shù)據(jù)、天地圖數(shù)據(jù)、三維建筑物模型數(shù)據(jù)、障礙物限制面數(shù)據(jù)。服務(wù)層是通過(guò)HTTP協(xié)議進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)客戶端和數(shù)據(jù)端信息有效的傳遞。采用Nodejs服務(wù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行部署，并通過(guò)基于Node的前端Web開(kāi)發(fā)框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，同時(shí)發(fā)布數(shù)據(jù)的WMS等服務(wù)，方便數(shù)據(jù)的調(diào)用[6]?？梢暬瘜邮菍⑾到y(tǒng)以網(wǎng)頁(yè)的形式在瀏覽器端顯示，通過(guò)HTML5等Web前端技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容的加載和樣式的整合?？梢暬瘜影▽?duì)三維場(chǎng)景的展示，體現(xiàn)在三維模型及矢量數(shù)據(jù)的可視化、圖層的管理及加載效果方面，還包括鼠標(biāo)操作對(duì)應(yīng)虛擬地球的響應(yīng)[7]。

2 機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)三維管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 WebGL可視化框架選型

基于WebGL的可視化無(wú)需安裝任何插件，通過(guò)結(jié)合JavaScript和OpenGLES2.0提供一種類似于OpenGL的API，并在Web端提供3D加速渲染功能。近年來(lái)WebGL迅速發(fā)展，多個(gè)基于WebGL的開(kāi)源引擎不斷出現(xiàn)并得到應(yīng)用，如：Three.j，Mapbox-gl，Webglearth，Cesium等。

在綜合考慮不同平臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)之后，選擇Cesium作為前端三維數(shù)據(jù)的展示平臺(tái)，主要理由如下：(1)GIS專業(yè)性。Cesium平臺(tái)能夠接入各種GIS系統(tǒng)中常用的數(shù)據(jù)以及服務(wù)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)三維地形數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)的展示。(2)易用性。Cesium官網(wǎng)有良好的學(xué)習(xí)文檔和示例代碼，并且在國(guó)內(nèi)也開(kāi)始流行起來(lái)，在論壇有大量討論，并且github更新活躍[8-9]。

2.2 動(dòng)態(tài)可調(diào)的預(yù)警閾值面三維建模

2.2.1 障礙物限制面的三維建模

為了保障航空器起降安全和機(jī)場(chǎng)安全運(yùn)行，防止由于機(jī)場(chǎng)周邊障礙物增多而使機(jī)場(chǎng)變得無(wú)法使用的情況，《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(MH 5001—2013)規(guī)定了一系列的障礙物限制面，對(duì)機(jī)場(chǎng)及其周邊地區(qū)障礙物的高度進(jìn)行限制[10]，主要包括：起飛爬升面、進(jìn)近面、過(guò)渡面、內(nèi)水平面、錐形面、內(nèi)過(guò)渡面、內(nèi)進(jìn)近面和復(fù)飛面，共8個(gè)面。每一個(gè)面通過(guò)規(guī)定起算位置、限制界限、起算標(biāo)高以及延伸坡度，明確限制面的尺寸以及限制高度要求。

以進(jìn)近面為例，在三維空間里其表現(xiàn)為由不同的多個(gè)面以不同角度組合而成，無(wú)法采用1個(gè)函數(shù)進(jìn)行表示。因此要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、三維化的障礙物限制面，首先需要將其分解為簡(jiǎn)單、可描述的數(shù)學(xué)模型，然后通過(guò)模型計(jì)算每個(gè)簡(jiǎn)單面關(guān)鍵點(diǎn)的空間位置和三維坐標(biāo)，進(jìn)而在Cesium三維引擎上建立進(jìn)近面的三維模型。進(jìn)近面的三維剖面如圖2所示。

進(jìn)近面共由3段組成，分別為L(zhǎng)1，L2，L2，各段的函數(shù)關(guān)系如下。

第1段L1:

(1)

第2段L2:

(2)

第3段L3:

(3)

將進(jìn)近面各組成面的數(shù)學(xué)模型式(1)～式(3)帶入機(jī)場(chǎng)跑道的具體坐標(biāo)，即可得出各組成面的端點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)近面三維組合面的表達(dá)，如圖3所示。

圖3 進(jìn)近面的三維模型示意

參照此方法，在數(shù)據(jù)庫(kù)中依次建立內(nèi)水平面、錐形面等其他障礙物限制面三維數(shù)學(xué)模型。

2.2.2 動(dòng)態(tài)可調(diào)的預(yù)警閾值面三維模型

在實(shí)際的凈空管理中，由于障礙物限制面的范圍較大、建筑物多，凈空巡視檢查工作不可能實(shí)時(shí)跟進(jìn)每個(gè)建筑物的高度變化情況，超高建筑物被發(fā)現(xiàn)時(shí)往往已經(jīng)突破限制高度，對(duì)機(jī)場(chǎng)的安全運(yùn)行已經(jīng)帶來(lái)影響。因此，從提前防控、及時(shí)預(yù)警的角度出發(fā)，以障礙物限制面的三維建模為基礎(chǔ)，通過(guò)互動(dòng)式的輸入方式給障礙物限制面的既有限制高度設(shè)置預(yù)警閾值，建立動(dòng)態(tài)可調(diào)的預(yù)警閾值面三維模型。通過(guò)調(diào)整預(yù)警閾值取值，對(duì)建筑物進(jìn)行不同嚴(yán)格程度的限高分析，實(shí)現(xiàn)具有預(yù)防性的建筑物限高管理，形成分層級(jí)的預(yù)警閾值體系。

2.3 海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的三維可視化

機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)的地理空間區(qū)域存在多類型的地理空間數(shù)據(jù)。采用Cesium對(duì)這些數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行可視化時(shí)，三維模型與影像數(shù)據(jù)等二維平面數(shù)據(jù)間會(huì)存在覆蓋現(xiàn)象，建筑物三維模型與障礙物限制面的三維模型、預(yù)警閾值面三維模型也將存在覆蓋。若不做處理，所有數(shù)據(jù)均會(huì)被瀏覽器加載，對(duì)可視化效果沒(méi)有意義。同時(shí)，冗余數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)資源開(kāi)銷增大，可視化效率降低[11]。

因此系統(tǒng)采用了構(gòu)建瓦片的方式，使用基于四叉樹(shù)的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，構(gòu)建層次細(xì)節(jié)(levels of detail，LOD)來(lái)對(duì)海量異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和管理，從而減輕場(chǎng)景的負(fù)擔(dān)。例如，物體在遠(yuǎn)離一定距離時(shí)，展示出的幾何結(jié)構(gòu)和紋理分辨率相比近距離時(shí)會(huì)更少。

2.3.1 空間數(shù)據(jù)加載優(yōu)化方法整體流程

本文空間數(shù)據(jù)加載優(yōu)化方法通過(guò)剔除被高優(yōu)先級(jí)別覆蓋的低級(jí)別數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)加載優(yōu)化，優(yōu)先程度排序?yàn)轭A(yù)警閾值面三維模型>障礙物限制面的三維模型>建筑物三維模型>天地圖數(shù)據(jù)>地形影像，具體流程如圖4所示。

圖4 空間數(shù)據(jù)加載優(yōu)化方法流程

加載具有三維模型的場(chǎng)景時(shí)，首先判斷預(yù)警閾值面三維模型、障礙物限制面三維模型是否顯示。若不顯示則對(duì)建筑物三維模型覆蓋區(qū)域進(jìn)行定位，然后通過(guò)空間拓?fù)浞治鰜?lái)判斷天地圖瓦片和地形瓦片與建筑物三維模型外邊界的包含關(guān)系，實(shí)現(xiàn)選擇性的加載與請(qǐng)求。

2.3.2 基于四叉樹(shù)的LOD算法

基于四叉樹(shù)的LOD算法是一種層次LOD系統(tǒng)，該算法將整塊數(shù)據(jù)分解為一個(gè)四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)的圖塊，稱為塊[12]。塊的根節(jié)點(diǎn)是一個(gè)含有較少細(xì)節(jié)的整個(gè)地形的表示方法。根節(jié)點(diǎn)下面的4個(gè)子塊將整個(gè)地形分割為相同大小的4塊，提供了一種含有較多細(xì)節(jié)的表示，其中每一塊同樣有4個(gè)子塊。四叉樹(shù)中的每個(gè)頂點(diǎn)都在預(yù)處理步驟中進(jìn)行獲取，通過(guò)簡(jiǎn)化整個(gè)地理空間網(wǎng)格的子集獲取特定水平的幾何誤差。在四叉樹(shù)的每個(gè)較低細(xì)節(jié)級(jí)別，幾何誤差是下一個(gè)更精細(xì)級(jí)別的2倍。

該算法的實(shí)現(xiàn)主要包含生成、選擇和切換3個(gè)部分。生成是按照層次深度來(lái)生成不同版本的模型，較簡(jiǎn)單的模型用包絡(luò)矩形、三角網(wǎng)來(lái)表示原始建筑物三維模型和障礙物限制面三維模型。選擇是根據(jù)不同數(shù)據(jù)的優(yōu)先程度、視點(diǎn)距模型的長(zhǎng)度來(lái)繪制不同版本的三維模型、二維平面數(shù)據(jù)。切換是通過(guò)光滑等過(guò)渡處理來(lái)解決不同版本的模型之間變化時(shí)產(chǎn)生的突兀現(xiàn)象。

3 以天津機(jī)場(chǎng)為例開(kāi)展的實(shí)例應(yīng)用

本文用Cesium作為實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)三維可視化管理的引擎，以合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(InSAR技術(shù))等多源遙感技術(shù)獲取的建筑物坐標(biāo)及高度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合天津機(jī)場(chǎng)實(shí)際情況建立了InSAR凈空智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括三維城市地圖、預(yù)警閾值體系、自動(dòng)的凈空限高分析和預(yù)警提示以及建筑物變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。

3.1 圖層和數(shù)據(jù)管理

圖層、數(shù)據(jù)管理主要包括各影像層、不同跑道對(duì)應(yīng)障礙物限制面層、不同年份建筑物層的展示及渲染繪制。系統(tǒng)中圖層管理模塊邏輯流程如圖5所示。

圖5 圖層管理模塊流程圖

天津機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)為每條跑道(含規(guī)劃跑道)兩端各20 km，跑道中心線兩側(cè)各10 km的復(fù)合區(qū)域，總面積達(dá)1 019 km2。運(yùn)用InSAR等多源遙感技術(shù)獲取該區(qū)域建筑物坐標(biāo)及高度數(shù)據(jù)，得到28.299 9萬(wàn)棟建筑物信息。由于數(shù)據(jù)量較大，選擇四叉樹(shù)的矢量切片方式進(jìn)行管理，并配置相應(yīng)的索引文件，切片后為3DTiles格式[13]。此外，為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊模型出現(xiàn)相關(guān)屬性的功能，需要將屬性信息存儲(chǔ)在3DTiles中，在系統(tǒng)中注冊(cè)選擇信息事件，獲取實(shí)體對(duì)象，并遍歷對(duì)象中的所有信息，將屬性中相應(yīng)的字段填入infobox中。

3.2 預(yù)警閾值體系

以天津機(jī)場(chǎng)西跑道為例，依據(jù)式(1)～式(3)計(jì)算進(jìn)近面等各組成面的數(shù)學(xué)模型，得出各組成面的端點(diǎn)坐標(biāo)，生成三維組合面，建立天津機(jī)場(chǎng)障礙物限制面的三維模型。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)凈空管理需要生成動(dòng)態(tài)可調(diào)的預(yù)警閾值面三維模型。

以2019年天津機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的建筑物為例，結(jié)合已有數(shù)據(jù)和實(shí)際巡視經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置系統(tǒng)的預(yù)警閾值分別為5 m，10 m，15 m，用逐步嚴(yán)格的限制要求分析現(xiàn)有建筑物的超高情況，并分別構(gòu)建紅色、黃色、藍(lán)色3個(gè)管理層級(jí)，對(duì)突破限制高度的建筑物進(jìn)行分層管理，建立預(yù)警閾值體系。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)對(duì)比分析，從28萬(wàn)棟建筑物中分別篩選出突破3條跑道預(yù)警閾值體系限高的建筑物1 528個(gè)，1 184個(gè)和1 352個(gè)。天津機(jī)場(chǎng)根據(jù)這些建筑物所處的不同層級(jí)，提出不同管控要求，制定有針對(duì)性的巡視路線和巡視周期，改變了以往凈空保護(hù)區(qū)內(nèi)建筑物全部依靠人工進(jìn)行巡視檢查，整個(gè)巡視無(wú)目的性、碎片化的情況，實(shí)現(xiàn)了靶向式巡視和系統(tǒng)管控，巡視效率大幅提高，凈空管理水平明顯提升。天津機(jī)場(chǎng)紅色層級(jí)建筑物示意圖如圖6所示。

圖6 天津機(jī)場(chǎng)紅色層級(jí)建筑物示意圖

4 結(jié)論

以地理信息為基礎(chǔ)，利用三維可視化技術(shù)對(duì)機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)內(nèi)的建筑物進(jìn)行凈空安全管理具有巨大的實(shí)用價(jià)值。本文在開(kāi)展總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，以進(jìn)近面為例給出障礙物限制面及預(yù)警閾值面三維模型的建立方法，實(shí)現(xiàn)集成四叉樹(shù)LOD算法和優(yōu)先等級(jí)加載算法的三維可視化策略，然后以天津機(jī)場(chǎng)為例建立凈空智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。運(yùn)行效果表明：系統(tǒng)所提供的技術(shù)方案具有良好的展示效果，能快速、直觀地反映凈空保護(hù)區(qū)內(nèi)建筑物凈空限高管理的情況，為靶向式凈空巡視提供依據(jù)，能顯著提升機(jī)場(chǎng)凈空安全管理數(shù)字化、精細(xì)化、智慧化水平，具備廣闊的行業(yè)推廣前景。