彭俊超， 林廣發(fā)，2，3， 梁麗娟， 梁春陽(yáng)

1(福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福州 350007)

2(福建省陸地災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估工程技術(shù)研究中心，福州 350007)

3(海西地理國(guó)情動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與應(yīng)急保障研究中心，福州 350007)

1 引言

鳥擊(bird strike) 又稱鳥撞，是指飛機(jī)等航空器與天空中飛行的鳥類相撞并引發(fā)安全事故的飛行事件，具有突發(fā)性和多發(fā)性的特點(diǎn)[1]. 在航空安全中，鳥擊不僅會(huì)帶來(lái)巨大的財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?lái)機(jī)毀人亡的災(zāi)難. 由于機(jī)場(chǎng)選址常位于城郊，周邊常常存在鳥類棲息繁殖的場(chǎng)所，且生物量豐富，為不同生態(tài)位鳥類提供豐富的食物. 加之飛機(jī)起降過(guò)程飛行高度較低，導(dǎo)致超過(guò)百分之九十的鳥擊事件發(fā)生在機(jī)場(chǎng)和機(jī)場(chǎng)附近空域[1]，因此，機(jī)場(chǎng)周邊鳥擊防范工作十分必要.

近十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多機(jī)場(chǎng)應(yīng)民航局要求進(jìn)行了機(jī)場(chǎng)周圍鳥類生境及鳥擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的調(diào)研，主要通過(guò)調(diào)查機(jī)場(chǎng)周邊鳥類動(dòng)態(tài)時(shí)空分布情況，統(tǒng)計(jì)鳥情高度變化、鳥情年際變化、鳥情季節(jié)變化、鳥類生境分布特征、鳥類多樣性等[2-5]，以此進(jìn)行鳥擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，其調(diào)查結(jié)果多為統(tǒng)計(jì)報(bào)表，平面風(fēng)險(xiǎn)圖等，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的描述不夠直觀，缺少三維可視化展示. 國(guó)外在鳥擊防范這一領(lǐng)域研究較早[6]，處于領(lǐng)先水平，F(xiàn)isher J[7]將GIS技術(shù)用于機(jī)場(chǎng)鳥情管理與分析; Shamoun-Baranes J等[8]使用柵格數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)鳥擊風(fēng)險(xiǎn)值，并用多層?xùn)鸥駭?shù)據(jù)展示不同高度鳥擊風(fēng)險(xiǎn); Walter WD等[9]在機(jī)場(chǎng)使用鳥類三維飛行模式來(lái)識(shí)別航空飛機(jī)碰撞的熱點(diǎn). 這些都對(duì)鳥擊風(fēng)險(xiǎn)可視化的研究有重要參考價(jià)值.

三維可視化鳥擊風(fēng)險(xiǎn)可以將充滿于機(jī)場(chǎng)周邊自然空間的鳥擊風(fēng)險(xiǎn)視作一連續(xù)標(biāo)量場(chǎng). 三維標(biāo)量場(chǎng)是指每一個(gè)點(diǎn)位的屬性值都可以用一個(gè)單一標(biāo)量來(lái)表示的空間場(chǎng)[10]，其可視化技術(shù)應(yīng)用在許多領(lǐng)域用來(lái)展現(xiàn)抽象、不可見(jiàn)的事物. 如氣象場(chǎng)模擬[11]、海洋特征提取可視化[12]、電磁場(chǎng)仿真[13]等. 本文通過(guò)GIS技術(shù)計(jì)算鳥擊風(fēng)險(xiǎn)值，在虛擬三維地理場(chǎng)景下可視化鳥擊風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)量場(chǎng)，并與鳥類飛行路徑、機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)空域疊加. 將此方法應(yīng)用于在建的廈門翔安國(guó)際機(jī)場(chǎng)，為機(jī)場(chǎng)建設(shè)指揮部提供一份更直觀的鳥擊風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果.

2 機(jī)場(chǎng)三維空間鳥擊風(fēng)險(xiǎn)可視化方法

2.1 三維空間鳥擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多機(jī)場(chǎng)都進(jìn)行了鳥擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并提出了一些與鳥擊風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的評(píng)價(jià)指數(shù)，如：鳥類多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)、鳥種優(yōu)勢(shì)度、RB頻率指數(shù)等;其中，相對(duì)數(shù)量成分、相對(duì)時(shí)間成分、相對(duì)空間成分、相對(duì)重量成分、相對(duì)集群情況和鳥類活動(dòng)距飛行區(qū)的距離，鳥類飛行高度這7個(gè)影響因子較為重要. 本文將機(jī)場(chǎng)周邊三維空間劃分為立體格網(wǎng)，每個(gè)空間單元視為具有相同的鳥擊風(fēng)險(xiǎn)，鳥擊風(fēng)險(xiǎn)值由單元基底的土地利用類型、高度位置以及距離機(jī)場(chǎng)距離決定.鳥類生境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估取決于某類生境下不同鳥種的居留類型、體長(zhǎng)、數(shù)量等級(jí)、飛行高度.

首先通過(guò)鳥類生境調(diào)查，設(shè)計(jì)遙感分類體系并進(jìn)行土地利用分類. 然后根據(jù)飛行高度范圍對(duì)每種生境進(jìn)行鳥群種類的統(tǒng)計(jì)，計(jì)算該高度層不同生境風(fēng)險(xiǎn)值，計(jì)算公式如下：

其中，h為該高度層的中間值，用于標(biāo)識(shí)高度層，Rih為該高度層生境i風(fēng)險(xiǎn)值，Resj為該生境下鳥種j的居留類型得分，Numj為該生境下鳥種j的數(shù)量等級(jí)得分，Lj為鳥種j的體長(zhǎng)，n為該生境下鳥種數(shù)量. fj(h)函數(shù)表示鳥種j在該高度的風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重，Hj為其飛行高度，ΔHj為鳥種j在飛行高度上的活動(dòng)范圍，若其活動(dòng)范圍在高度層h之下，則認(rèn)為該鳥種在此層沒(méi)有威脅; 若其在該高度層之上，則認(rèn)為距離該鳥種平時(shí)飛行高度越近的單元風(fēng)險(xiǎn)值越高. 再將各高度層的生境風(fēng)險(xiǎn)與對(duì)應(yīng)的土地利用類型進(jìn)行映射，求得各平面單元生境風(fēng)險(xiǎn). 最后與機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)進(jìn)行疊加分析，距離其越近風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重越高，求得整個(gè)三維空間各個(gè)位置的鳥擊風(fēng)險(xiǎn)值.

2.2 三維空間單元地址與鳥擊風(fēng)險(xiǎn)值的統(tǒng)一存儲(chǔ)

本文鳥擊風(fēng)險(xiǎn)值分高度層進(jìn)行存儲(chǔ)，將DEM數(shù)據(jù)統(tǒng)一加上各高度層高度值存儲(chǔ)，這樣既保留了DEM的空間位置又加上了鳥擊風(fēng)險(xiǎn)高度信息，可以據(jù)此確定空間位置，而且符合飛行高度以地表高度起算.

在疊加高度層時(shí)，首先將風(fēng)險(xiǎn)值標(biāo)準(zhǔn)化為5個(gè)等級(jí)，在映射有風(fēng)險(xiǎn)值的土地利用圖層上添加高度字段，然后將標(biāo)準(zhǔn)化后的風(fēng)險(xiǎn)值記錄在高度字段的小數(shù)點(diǎn)后末位，根據(jù)該值選擇適宜的分辨率進(jìn)行柵格化，再與DEM值相加，DEM像元值保留兩位有效數(shù)字，把多個(gè)高度區(qū)間的風(fēng)險(xiǎn)柵格數(shù)據(jù)輸出成多個(gè)ASCII通用文本數(shù)據(jù)，以此作為Unity3D構(gòu)建三維風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)量場(chǎng)的尋址依據(jù)，且能直接讀取到單元地址的鳥擊風(fēng)險(xiǎn)值. 下面以100 m為分層高度為例，如圖1所示，兩個(gè)格網(wǎng)分別代表同一地理位置不同高度層的片段格網(wǎng)，小數(shù)點(diǎn)后末位為該位置的鳥擊風(fēng)險(xiǎn)值.

圖1 鳥擊風(fēng)險(xiǎn)值存儲(chǔ)

這種將風(fēng)險(xiǎn)值儲(chǔ)存在柵格值小數(shù)點(diǎn)后的數(shù)據(jù)格式，還可以在小數(shù)點(diǎn)后按規(guī)定格式存儲(chǔ)相同空間位置的其他多個(gè)參數(shù)，也可以作為復(fù)雜三維標(biāo)量場(chǎng)可視化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu). 其優(yōu)點(diǎn)在于：節(jié)約存儲(chǔ)空間，減少讀取次數(shù)，提高檢索效率; 但是只適合存儲(chǔ)等值面規(guī)整的標(biāo)量場(chǎng)數(shù)據(jù)，無(wú)法適配等值面復(fù)雜、流動(dòng)性較強(qiáng)的標(biāo)量場(chǎng)數(shù)據(jù).

2.3 基于Unity3D的機(jī)場(chǎng)鳥擊三維風(fēng)險(xiǎn)可視化

2.3.1 Unity3D游戲引擎

Unity3D是由Unity Technologies公司開發(fā)的跨平臺(tái)專業(yè)游戲引擎. 作為游戲引擎相較于三維渲染引擎、三維仿真GIS平臺(tái)其優(yōu)勢(shì)在于交互能力強(qiáng)，且在三維渲染能力上也不遜色. 該平臺(tái)適用于地理大場(chǎng)景的構(gòu)建，能實(shí)時(shí)的處理大量的三維模型，可以在“所見(jiàn)即所得”的操作平臺(tái)下進(jìn)行場(chǎng)景建模，具有高效率和高質(zhì)量等特點(diǎn). 其提供給開發(fā)者的燈光組件、粒子系統(tǒng)、物理引擎、碰撞檢測(cè)等組件，在本文的鳥擊風(fēng)險(xiǎn)的可視化中十分適用.

2.3.2 機(jī)場(chǎng)空域三維場(chǎng)景可視化

虛擬三維地理場(chǎng)景仿真是機(jī)場(chǎng)鳥擊風(fēng)險(xiǎn)可視化效果的基底，它不僅包含空間位置信息，而且可以全方位的展示一塊地理區(qū)域，同時(shí)給觀者一種身臨其境的感受. 機(jī)場(chǎng)空域三維場(chǎng)景建模主要內(nèi)容包括虛擬三維地形模型與機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)模型.

大規(guī)模地形可視化是大型戶外環(huán)境模擬不可缺少的組成部分[14]，三維地形模型需要包括高程信息，影像貼圖，地名位置信息. 機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)是指限制機(jī)場(chǎng)及其周圍地區(qū)的物體高度的規(guī)劃區(qū)域，由升降帶和障礙物限制面組成，障礙物限制面包括：起飛爬升面、進(jìn)近面、內(nèi)進(jìn)近面、內(nèi)水平面、過(guò)渡面、內(nèi)過(guò)渡面、錐形面和復(fù)飛面[15]. 機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)條件直接關(guān)系到飛機(jī)的安全起降，同時(shí)該區(qū)域也是鳥擊事件的高發(fā)區(qū)[16]. 所以凈空區(qū)的展示作為機(jī)場(chǎng)鳥擊風(fēng)險(xiǎn)的重要參照需要疊加在場(chǎng)景中. 此外，還需要添加適宜的光照和天空，使場(chǎng)景更加真實(shí).

2.3.3 鳥擊風(fēng)險(xiǎn)三維可視化

(1) 鳥群飛行路徑可視化

鳥類飛行路徑與機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)的疊置分析是鳥擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要組成部分. 通過(guò)觀察鳥類飛行路徑可以識(shí)別航空碰撞熱點(diǎn)區(qū)域，更直觀的感受鳥擊風(fēng)險(xiǎn). 鳥類飛行路徑可視化效果分兩種：一種為宏觀展示線形飛行路徑，另一種直接模擬鳥群在場(chǎng)景中飛行，其中線形飛行路徑與遠(yuǎn)景鳥群模擬通過(guò)Unity3D的粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，粒子是簡(jiǎn)單的圖像或網(wǎng)格，每個(gè)粒子代表小部分流體或無(wú)定形實(shí)體，并且所有粒子的效果一起產(chǎn)生完整實(shí)體的印象，可以將其組成線形路徑實(shí)體或鳥群實(shí)體.

但是粒子系統(tǒng)模擬的鳥群只適用于遠(yuǎn)景觀看，當(dāng)視點(diǎn)接近該鳥群時(shí)則只能觀看到顆粒狀的點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)，為了優(yōu)化近景效果，需要使用LOD技術(shù)切換成近景的鳥群仿真模擬. 鳥群飛行仿真包括：鳥類飛行動(dòng)作模擬和鳥群行為仿真. 通過(guò)Unity3D的Sprite Editor實(shí)現(xiàn)鳥類飛行動(dòng)畫效果，通過(guò)智能體技術(shù)實(shí)現(xiàn)鳥群的向目標(biāo)飛行、跟隨頭鳥、集群、漫游、靠近減速、避免碰撞等行為的模擬.

(2) 鳥擊風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)可視化

目前常用的三維標(biāo)量場(chǎng)可視化方法主要有面繪制方法和直接體繪制方法兩種[17]. 由于鳥擊風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)為規(guī)則格網(wǎng)，且對(duì)細(xì)節(jié)要求不高，只需提高柵格分辨率即可提高精度，故選用直接體繪制方法，該方法把整個(gè)單元看作由同一物質(zhì)構(gòu)成，用同一色彩來(lái)繪制該單元的六個(gè)面并填充[18]. 在Unity3D中可以采用內(nèi)置的Cube構(gòu)建標(biāo)量場(chǎng)的單元. 讀取風(fēng)險(xiǎn)值存儲(chǔ)文件，獲取場(chǎng)元位置和風(fēng)險(xiǎn)值，并用不同顏色標(biāo)識(shí)不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí).

2.3.4 鳥擊風(fēng)險(xiǎn)一體化表達(dá)

鳥擊風(fēng)險(xiǎn)一體化顯示的前提是統(tǒng)一的三維地理坐標(biāo)系. 首先需要將各項(xiàng)數(shù)據(jù)的GIS經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為Unity3D中的世界坐標(biāo). 然后根據(jù)世界坐標(biāo)構(gòu)建三維地形模型，疊加機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)模型，再在場(chǎng)景中進(jìn)行鳥擊風(fēng)險(xiǎn)可視化. 由于鳥擊風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估是以地表起算的，所以鳥擊風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的構(gòu)建需要以地形高度為起算點(diǎn)進(jìn)行搭建，最終形成風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)與三維地形的鑲嵌結(jié)構(gòu).

風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景融合完畢后，為了將場(chǎng)景的宏觀和細(xì)節(jié)都展示給用戶，本方法設(shè)置了兩種場(chǎng)景瀏覽方式：一是攝像機(jī)漫游，二是飛機(jī)飛行模擬，操控游戲手柄，模擬飛機(jī)在風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景中飛行，實(shí)時(shí)渲染渲染周圍3×3×3的三維風(fēng)險(xiǎn)，并在UGUI構(gòu)建的數(shù)據(jù)面板中顯示當(dāng)前地理位置、飛行高度、風(fēng)險(xiǎn)值信息.

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

機(jī)場(chǎng)鳥擊風(fēng)險(xiǎn)三維可視化系統(tǒng)主要用于機(jī)場(chǎng)建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的鳥情動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和管理，系統(tǒng)選用Unity3D平臺(tái)開發(fā)，使用UGUI設(shè)計(jì)圖形用戶界面，實(shí)現(xiàn)了上述鳥擊風(fēng)險(xiǎn)可視化方法. 系統(tǒng)分3個(gè)層次設(shè)計(jì)開發(fā)，分別為數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、表現(xiàn)層，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示. 其中數(shù)據(jù)層空間數(shù)據(jù)包括：DEM、遙感影像、土地利用面狀矢量數(shù)據(jù)、鳥類棲息地點(diǎn)狀矢量數(shù)據(jù)、鳥類風(fēng)險(xiǎn)路徑線狀矢量數(shù)據(jù)、機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)面狀矢量數(shù)據(jù)、鳥擊風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)量數(shù)據(jù). 屬性數(shù)據(jù)庫(kù)包括：鳥類基礎(chǔ)屬性表、鳥情觀測(cè)記錄表、土地利用與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)照表.

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)集成了地理信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、物理仿真技術(shù)和嚴(yán)肅游戲引擎內(nèi)核，直觀的展示了鳥擊風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源與空間分布. 具體功能模塊如圖3所示.

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 基于GIS的三維空間鳥擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

首先根據(jù)本文敘述的鳥擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，讀取屬性數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果更新在土地利用與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)照表中，表結(jié)構(gòu)如表1所示，以高度字段為主鍵，其余字段為遙感影像土地利用分類體系對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)值.

圖3 系統(tǒng)功能模塊圖

表1 土地利用與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)照表

然后，將表中數(shù)據(jù)寫入對(duì)應(yīng)土地利用面狀矢量數(shù)據(jù)的屬性表中. 調(diào)用ArcEngine的GP服務(wù)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)字段值和DEM像元大小進(jìn)行柵格化. 再獲取用戶輸入的凈空區(qū)權(quán)重與距離權(quán)重，進(jìn)行疊置分析和緩沖區(qū)分析. 最后進(jìn)行柵格運(yùn)算，將加權(quán)結(jié)果根據(jù)本文存儲(chǔ)方法進(jìn)行存儲(chǔ)輸出.

3.2.2 風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景構(gòu)建

(1) 機(jī)場(chǎng)空域三維場(chǎng)景構(gòu)建

首先讀取ASCII格式的DEM數(shù)據(jù)，為Mesh的頂點(diǎn)、三角面、貼圖坐標(biāo)賦值，創(chuàng)造Mesh并用遙感影像貼圖. 再將3DMAX建模的機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)模型導(dǎo)入，根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果放置，讀取用戶輸入?yún)?shù)調(diào)整其顏色和透明度. 最后添加光照和天空盒子，并調(diào)整材質(zhì)金屬性和光滑程度，優(yōu)化顯示效果.

(2) 三維標(biāo)量場(chǎng)構(gòu)建

讀取標(biāo)量場(chǎng)數(shù)據(jù)的角點(diǎn)經(jīng)緯度，高度以及風(fēng)險(xiǎn)值，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后根據(jù)對(duì)應(yīng)位置、分辨率、高度，使用CreatePrimitive逐行創(chuàng)造Cube，位置和高度轉(zhuǎn)換后用于transform.position的賦值，分辨率對(duì)應(yīng)Cube的transform.localScale; 再根據(jù)每個(gè)單元對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)值使用GetComponent＜Renderer＞().material.color進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)值對(duì)應(yīng)顏色的渲染，并用改變材質(zhì)屬性為Fade，即玻璃體可穿過(guò)，再設(shè)置透明度. 最后使用UGUI繪制圖例.

3.2.3 基于粒子系統(tǒng)的鳥類飛行路徑模擬

(1) 線形鳥群飛行路徑模擬

制作線形路徑預(yù)制件：創(chuàng)建一個(gè)粒子系統(tǒng)，根據(jù)場(chǎng)景設(shè)置粒子大小. 循環(huán)發(fā)射粒子，配合單位時(shí)間生成粒子數(shù)，計(jì)算初始速度，使粒子間保持較小的距離，連成虛線.

從空間數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取鳥飛路徑的經(jīng)緯度及高度存入三維數(shù)組，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，取第一個(gè)點(diǎn)為起點(diǎn)，放置路徑預(yù)制件，計(jì)算路徑點(diǎn)之間的方向和距離，并得到每前后兩個(gè)點(diǎn)的距離和總的路徑長(zhǎng)度，據(jù)此調(diào)整Velocity over LifeTime的Curve，使粒子沿著路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將起始點(diǎn)到終止點(diǎn)的時(shí)間返回，給粒子生命周期StartLifeTime賦值，控制粒子消亡. 最后定義不同路徑上粒子的StartColor，實(shí)現(xiàn)用不同顏色標(biāo)識(shí)鳥飛路徑，并用UGUI繪制圖例.

(2) 遠(yuǎn)景鳥群飛行模擬

Unity3D的粒子系統(tǒng)提供了豐富的參數(shù)設(shè)置，開發(fā)者可以根據(jù)用戶輸入的形態(tài)、數(shù)量、時(shí)間間隔等修改粒子系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鳥群形態(tài)的模擬. 如最大粒子數(shù)MaxParticles用于改變鳥群數(shù)量; Shape Module中不同的Shape屬性用于改變鳥群形態(tài)，其中Circle可用于模擬由頭鳥領(lǐng)隊(duì)的V形鳥群，Hemisphere可用于模擬成團(tuán)飛行的鳥群.

將一個(gè)粒子系統(tǒng)作為一個(gè)鳥群GameObject，獲取路徑點(diǎn)間方向向量，實(shí)現(xiàn)物體逐點(diǎn)運(yùn)動(dòng). 最后設(shè)置時(shí)間間隔，在起始點(diǎn)和終止點(diǎn)不斷生成鳥群，并在其達(dá)到目的地時(shí)消亡.

3.2.4 基于智能體的鳥群近景仿真

首先導(dǎo)入三組飛鳥模型：振翅、滑翔、撲翼，將三組模型輪轉(zhuǎn)變換，得到鳥的動(dòng)畫效果，將其存為預(yù)制件.在遠(yuǎn)近景切換時(shí)根據(jù)原粒子系統(tǒng)鳥群數(shù)量按一定比例復(fù)制生成相當(dāng)數(shù)量的鳥群. 保持在場(chǎng)景中逐點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的方向不變，將每一只鳥視為一個(gè)智能體，為其添加剛體組件，掛載行為規(guī)則代碼.

行為規(guī)則的實(shí)現(xiàn)：假想鳥群個(gè)體間存在聚力和分力，以力推動(dòng)智能體的運(yùn)動(dòng). 用Unity3D中的三維向量Vector3來(lái)模擬的力對(duì)鳥的牽引. 根據(jù)力的大小、方向模擬個(gè)體的飛行方向和速度. 以個(gè)鳥智能體為球心，以設(shè)定參數(shù)為半徑發(fā)射射線，返回碰撞到的所有其他智能體，根據(jù)返回的距離確定其行為.

3.2.5 鳥擊風(fēng)險(xiǎn)交互式瀏覽

(1) 攝像機(jī)漫游

根據(jù)獲取到的場(chǎng)景大小自動(dòng)設(shè)定Camera的Far參數(shù)調(diào)整視距，使用transform組件實(shí)現(xiàn)第一人稱場(chǎng)景漫游.

(2) 飛機(jī)飛行模擬

導(dǎo)入飛機(jī)模型，在飛機(jī)模型上掛載攝像機(jī)，調(diào)整位置和視距，編程實(shí)現(xiàn)游戲手柄控制飛機(jī)的俯沖、拉升、向左、向右，模擬飛機(jī)在上述場(chǎng)景中飛行. 由于飛機(jī)穿過(guò)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)量場(chǎng)時(shí)顏色重疊，導(dǎo)致顯示效果不佳，故將初始標(biāo)量場(chǎng)顏色均賦為透明，使用Unity3D提供的碰撞器組件，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)元的碰撞檢測(cè)，利用OnTriggerEnter()，OnTriggerExit()，OnTriggerStay()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)同步渲染周圍三維風(fēng)險(xiǎn).

4 應(yīng)用案例

4.1 研究區(qū)概況

在建的廈門翔安機(jī)場(chǎng)位于大嶝島東南側(cè)，處在東亞-澳大利西亞遷徙路線上，具有冬候鳥和過(guò)境鳥108種，灘涂、魚塘、鹽場(chǎng)等濱海濕地為水鳥提供了豐富的食物，是廈門市水鳥重要的遷徙停歇地和越冬地; 機(jī)場(chǎng)場(chǎng)址周邊6×12平方公里為鳥擊高頻率發(fā)生區(qū)，在該區(qū)域建設(shè)民航機(jī)場(chǎng)對(duì)區(qū)域水鳥的生存造成比較大的影響，鸕鶿、鷺類、鴴鷸類、鷗類和雁鴨類等水鳥對(duì)機(jī)場(chǎng)民航飛行具有潛在的鳥擊威脅.

4.2 可視化效果展示

翔安機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)總面積合計(jì)288平方千米，其中起飛爬升面、內(nèi)進(jìn)近面、過(guò)渡面范圍內(nèi)飛機(jī)活動(dòng)密集，為了防范鳥擊風(fēng)險(xiǎn)需經(jīng)常驅(qū)鳥; 而進(jìn)近面、內(nèi)水平面和錐形面區(qū)域內(nèi)，飛機(jī)的飛行高度較高或者只在特定情況才盤旋活動(dòng)，沒(méi)有驅(qū)鳥，相對(duì)而言鳥類受影響較小.機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)模型及三維地理場(chǎng)景可視化效果如圖4所示.

圖5左、右兩幅分別是翔安機(jī)場(chǎng)周邊威脅程度較高的鳥類鸕鶿在高空飛行的實(shí)景圖和粒子系統(tǒng)的遠(yuǎn)景模擬效果; 圖6左、右兩幅分別是鐵嘴沙鸻鳥群的實(shí)景圖與智能體鳥群模擬的近景仿真; 對(duì)比可見(jiàn)模擬效果較好. 圖7為鳥擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矢量結(jié)果圖，其經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理與可視化到Unity3D平臺(tái)上的效果如圖8所示.圖9為飛機(jī)飛行模擬對(duì)最終場(chǎng)景的瀏覽.

此外，在數(shù)據(jù)條件滿足的情況下，還可以進(jìn)行考慮季節(jié)或月份的鳥擊風(fēng)險(xiǎn)分析，鳥類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)使用該季度或該月份. 逐季或逐月成圖，再在三維場(chǎng)景中以時(shí)間滑塊的形式展示鳥擊風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化.

圖4 機(jī)場(chǎng)空域三維場(chǎng)景

圖5 高空飛行鸕鶿(左)的粒子系統(tǒng)模擬(右)

圖6 成群的鐵嘴沙鸻(左)及基于智能體的鳥群模擬(右)

圖7 鳥擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

圖8 三維鳥擊風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景

圖9 飛機(jī)飛行模擬瀏覽

5 結(jié)論

本文基于Unity3D游戲平臺(tái)根據(jù)廈門翔安國(guó)際機(jī)場(chǎng)鳥擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需求，開發(fā)了一套鳥擊風(fēng)險(xiǎn)可視化系統(tǒng)，更好的展現(xiàn)機(jī)場(chǎng)周邊鳥擊風(fēng)險(xiǎn)的空間分布及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，據(jù)此可以進(jìn)行更具有針對(duì)性的鳥擊防范策略，為主管部門提供輔助決策支持. 在此基礎(chǔ)上提出了一種機(jī)場(chǎng)鳥擊風(fēng)險(xiǎn)三維可視化方法. 該方法的特點(diǎn)包括：① 三維風(fēng)險(xiǎn)值的存儲(chǔ); ② 多尺度的鳥群展示; ③ 沉浸式的風(fēng)險(xiǎn)可視化; ④ 三維地理場(chǎng)景與機(jī)場(chǎng)管制凈空區(qū)的一體化集成展示.

這種鳥擊風(fēng)險(xiǎn)可視化方法可具體展示抽象的風(fēng)險(xiǎn)值在機(jī)場(chǎng)周邊的分布情況，對(duì)于機(jī)場(chǎng)鳥擊風(fēng)險(xiǎn)防控具有規(guī)劃與應(yīng)急決策參考價(jià)值; 沉浸式的風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)可視化能幫助飛行員體驗(yàn)鳥擊風(fēng)險(xiǎn)的分布，可集成到飛行虛擬仿真訓(xùn)練模塊中; 三維標(biāo)量場(chǎng)中風(fēng)險(xiǎn)值的編碼方法，能節(jié)約存儲(chǔ)空間，提高讀取效率，對(duì)于海洋、環(huán)境、大氣等類似應(yīng)用情景也具有應(yīng)用推廣價(jià)值.