機場凈空保護區(qū)的三維可視化處理

和璇，蔣傳熙

（云南省基礎測繪技術中心）

1 引言

為保障飛機在起飛降落時的安全，各機場根據(jù)《民用機場飛行區(qū)技術標準》（MH5001-2021）劃定凈空保護區(qū)，但是隨著城市化建設的迅速發(fā)展，產(chǎn)生了城市建設與機場凈空保護的矛盾，城市擴張與機場管理協(xié)調(diào)難度大[1]。與此同時，近年來三維實景建模技術迅速發(fā)展，數(shù)字中國、數(shù)字孿生等大規(guī)模實景三維模型應用進入人們的視野，而機場凈空管理仍然停留在二維平面。面對日趨復雜的凈空環(huán)境，不斷增加的管理要求，如何利用現(xiàn)有的三維建模技術將機場凈空進行立體展示、管理成為了一個值得探討的問題。本文就如何將機場凈空保護區(qū)進行三維可視化處理進行了研究，分別對凈空保護區(qū)及障礙物三維處理、凈空保護區(qū)三維地形構建的方法及要點進行了探討，并結合實際提出一套可視化處理思路。

2 凈空保護區(qū)及凈空保護區(qū)障礙物

機場凈空內(nèi)在機場起降航線所在的一定區(qū)域內(nèi)規(guī)定了若干障礙物限制面，而這些限制面相交、重疊，構成一個范圍較大的抽象區(qū)域，該抽象區(qū)域之上稱為機場凈空。根據(jù)《民用機場飛行區(qū)技術標準》，在以機場跑道為中軸線的約800km2內(nèi)劃定為機場凈空，機場凈空內(nèi)的障礙物限制面主要包括升降帶、進近面、過渡面、內(nèi)水平面、錐形面、起飛爬升面、外水平面等，各限制面以不同的起算基準按照特定的散開率、坡度向外延伸。通常情況下，以凈空圖對凈空保護區(qū)各限制面的情況進行反映，包括俯視圖和剖面圖。俯視圖主要反映凈空保護區(qū)內(nèi)各限制面范圍，所在區(qū)域以及已有障礙物分布情況；剖面圖從高程上對凈空保護區(qū)內(nèi)限高情況進行反映。凈空圖多以CAD的形式進行二維繪制，雖能準確表示障礙物的位置，但是對于障礙物高程信息和障礙物限制面的反映都不夠直觀，同時無法準確標注呈面狀分布的超高障礙物，如建筑群、山脈等。

通過以上對凈空保護區(qū)的分析，凈空保護區(qū)具有以下特點：①保護范圍大；②限制面疊加高度復雜但具備一定的規(guī)律性；③各限制面通常以矢量的形式進行可視化表達。

機場凈空保護區(qū)內(nèi)的障礙物，按障礙物類型主要可分為人工障礙物、自然障礙物。自然障礙物主要為山頭，以地形高度作為障礙物高度，人工障礙物以最高點高程作為障礙物高程。在凈空管理中主要關注障礙物的所處位置信息、高度信息以及障礙物屬性。障礙物位置信息包括坐標、距機場基準點距離、磁方位角等；高度信息主要包括障礙物高程，同時結合障礙物位置計算障礙物所在限制面限制高度及超高情況；障礙物屬性主要包括障礙物類型、歸屬等。同時，受機場電磁環(huán)境保護區(qū)影響，機場凈空保護區(qū)內(nèi)110kV的電塔需進行信息采集，包括電塔所屬電力線、編號等信息，并完成電塔連線。

3 三維建模的方式方法及特點

三維實景模型從三維的角度對現(xiàn)實地表世界進行表述。從前，受到數(shù)據(jù)獲取、計算機技術等條件的制約，對高分辨影像的使用一直處于二維圖像的層面，但是隨著計算機存儲性能，CPU、GPU運算能力的進一步提升，以及實景中國建設的推進，高分辨率數(shù)據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)不止局限于二維世界，更擴展到了三維實景模型。三維實景模型的構建從采用的數(shù)據(jù)源以及建模方法來看有多種方式，如DEM疊加DOM、正射航空攝影采用三維實景建模、傾斜航空攝影采用三維實景建模等。采用不同方法構建的三維實景模型，模型精細度是最根本的差別，模型精細度越高，數(shù)據(jù)量及制作成本也相應增加。

采用DEM疊加DOM形成地形級三維實景模型，這一方法的優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)量小，同時可以更快地獲取大范圍的模型，但相對的、模型的精細度依賴于DOM和DEM的精度，而且DEM僅反映地形情況，因此，采用此方法形成的三維實景模型僅對地形情況進行反映，對橋梁、房屋等地物形態(tài)無法進行有效建模。采用正射航空攝影獲取下視鏡頭照片，通過采集大量同名點完成三角網(wǎng)構建，并利用下視鏡頭照片完成紋理映射，該方法稱為正射航空攝影采用三維實景建模，相比第一種，由于采用了正射航空攝影，數(shù)據(jù)量及工作量都有一定的提升，這樣就能更好地反映地物形態(tài)，如橋梁、房屋等。但是，僅采用下視鏡頭會存在部分無影像區(qū)域側面紋理丟失、模型結構變形等問題，特別是在建筑密集區(qū)，因此，前兩種方式一般作為地形模型生產(chǎn)。城市級三維實景模型生產(chǎn)更多地采用傾斜航空攝影三維實景建模，傾斜航空攝影采用多鏡頭相機，同時獲取多角度鏡頭照片，從而獲得更多的側面紋理信息，利用三維實景建模構建地表MESH，完成三維實景模型構建。相比前兩種方式，數(shù)據(jù)量及計算量都呈幾何級數(shù)增長，采用該方法制作的三維實景模型變形小，側面紋理相對清晰，通過簡單修模，可達到城市級三維實景模型的要求。按照自然資源部提出的三維實景的分級分類，可以將三維實景模型分為三個層級，即地形級、城市級和部件級，模型精細度、數(shù)據(jù)量逐級增加。

4 機場凈空保護區(qū)三維可視化處理

機場凈空保護區(qū)的三維可視化處理包括：①三維實景模型底圖的制作；②三維凈空保護區(qū)限制面的制作；③障礙物展繪。首先在凈空保護區(qū)域內(nèi)構建三維實景模型，然后將凈空保護區(qū)限制面從平面拓展到三維空間，形成完整的凈空保護區(qū)，將其作為凈空管理的基礎，在此之上疊加相關障礙物、管理范圍等信息，可實現(xiàn)凈空保護區(qū)的三維可視化管理。

4.1 三維實景模型底圖制作

機場凈空保護區(qū)域內(nèi)的三維實景模型重點以反映地形為主，由于涉及面積較大，為方便數(shù)據(jù)的使用，可采用數(shù)據(jù)量較小的DEM疊加DOM構建三維實景模型，作為機場凈空保護區(qū)的三維底圖，在滿足使用的基礎上最大程度地節(jié)省成本，提高數(shù)據(jù)處理效率，同時減小數(shù)據(jù)存儲的壓力。

為滿足使用要求，凈空保護區(qū)三維實景模型需完整覆蓋整個機場凈空保護區(qū)。由于機場區(qū)域作為禁飛區(qū)，很難采用無人機獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)，因此，可采用高分辨率衛(wèi)星影像提供三維實景模型底圖的紋理信息。對于DEM的選擇，目前市面上使用較多的有SRTM15、SRTM3、GMTED、ALOS等不同數(shù)據(jù)源、不同精度的DEM數(shù)據(jù)，DEM精度越高，數(shù)據(jù)量越大，地形模型的構建越難。

4.2 三維凈空保護區(qū)限制面制作

根據(jù)《民用機場飛行區(qū)技術標準》中相關規(guī)定，不同跑道類型的機場各凈空限制面爬升高度不同，但總體來說均以基準高程按特定的爬升率或散開率進行控制，在對凈空保護區(qū)各限制面進行三維矢量化之前，需分析各限制面高度及范圍控制情況。

首先確定各限制面的起止位置，以飛行區(qū)指標I為4等的精密進近跑道為例，進近面以跑道入口前60m處為起止邊，起止邊長為300m；內(nèi)水平面則以跑道兩端入口中點作為圓心；起飛爬升面起始邊為跑道端外60m處。然后再以限制面為單位，將抽象的限制面實體化為平面幾何圖形，確定好各關鍵節(jié)點平面坐標，如起止邊端點、拐點、散開率等。

其次根據(jù)各限制面起算點高程、爬升率、限高等推算各限制面高度變化情況，利用關鍵點高程值將平面的幾何圖形拉升為三維矢量圖形。例如從平面上看，進近面為兩個等腰梯形（見圖1）。

圖1 進近面俯視圖

加入高程后從剖面反映進近面可拆分為四個不同的高度節(jié)點。第一個點為進近面起算點高程，通常為端點高程；第二點高度為端點高程+60m；第三點高程為端點高程+150m；第四點高程與第三點一致，通過四點連線可作為一個方向上進近面的高度控制線，綜合平面控制范圍可以看出進近面的控制區(qū)域實際為一個等腰梯形連接一個長方形（見圖2）。而相應的，錐形面在平面展示上為兩個同心橢圓環(huán)，加入高程后，錐形面控制區(qū)域實際為倒置的橢圓錐型如圖3所示。

圖2 進近面剖面圖

圖3 錐形面剖面圖

需要注意的是，凈空保護區(qū)外水平面的限制條件為在跑道中線兩側各10km，跑道端外20km，高出原地面30m且高出機場標高150m。因此，外水平面需要參照地形及機場標高進行綜合確定，同時外水平面內(nèi)物體的高度也作為障礙物判定的一個要素。

綜上所述，對機場凈空保護區(qū)限制面的矢量化除外水平面外，僅需要確定各限制面關鍵點高程，采用以點構線、以線構面的方式確定三維矢量限制面。而外水平面可依據(jù)通過構建的地形級三維實景模型以及機場標高進行確定。將限制面與地形模型疊加后形成了機場凈空保護區(qū)三維可視化的基礎底圖。對比二維平面圖，三維模型底圖更加直觀的呈現(xiàn)了各限制面相互關系以及限制面與地形的關系。

4.3 障礙物展繪及空間地理信息數(shù)據(jù)庫的構建

對機場凈空保護區(qū)內(nèi)的各種障礙物，可采用三維矢量點數(shù)據(jù)來進行表達，通過獲取的障礙物三維坐標，直接展繪至三維模型底圖上并根據(jù)障礙物的類型進行符號化處理。由于外水平面的限高條件包含高出原有地面點30m，因此，在外水平面上三維凈空保護區(qū)的優(yōu)勢尤為突出，相比傳統(tǒng)的平面凈空保護區(qū)圖，以三維地形模型作為基礎，將障礙物直接展繪至對應空間位置，結合障礙物的高度，就可以直觀的對是否超高做出判定。高壓電塔在完成矢量點展繪后，也可以采用矢量線進行連接，形成機場凈空保護區(qū)內(nèi)高壓線路圖。密集連片建筑區(qū)可采用矢量面進行范圍框定，相比單獨以點進行超高建筑物標識，矢量面更加全面的反映了障礙物區(qū)域及覆蓋情況，對于凈空保護區(qū)的管理更加高效。

將凈空保護區(qū)內(nèi)所有障礙物按照空間位置組成空間地理信息數(shù)據(jù)庫，將障礙物坐標、高度、歸屬、超高情況、所在限制面等信息以數(shù)據(jù)庫的形式進行存放，形成機場凈空保護區(qū)障礙物空間信息數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫疊加其他矢量數(shù)據(jù)后可進行有效地空間分析、圖形展示、屬性查詢等，提高了管理效率。

5 結語

實景中國、數(shù)字孿生促進了三維可視化技術的發(fā)展，通過構建三維場景，疊加三維矢量限制面，將平面的凈空圖轉換為三維凈空保護區(qū)，實現(xiàn)了機場凈空保護區(qū)的三維可視化處理，直觀反映了凈空保護區(qū)內(nèi)地形情況。同時構建的機場凈空保護區(qū)障礙物空間信息數(shù)據(jù)庫，直觀、清晰地展示了凈空保護區(qū)內(nèi)障礙物的情況。機場凈空保護區(qū)的三維可視化為后續(xù)機場凈空保護區(qū)的精細化管理提供了幫助。