和璇，蔣傳熙

（云南省基礎(chǔ)測(cè)繪技術(shù)中心）

1 引言

為保障飛機(jī)在起飛降落時(shí)的安全，各機(jī)場(chǎng)根據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（MH5001-2021）劃定凈空保護(hù)區(qū)，但是隨著城市化建設(shè)的迅速發(fā)展，產(chǎn)生了城市建設(shè)與機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)的矛盾，城市擴(kuò)張與機(jī)場(chǎng)管理協(xié)調(diào)難度大[1]。與此同時(shí)，近年來(lái)三維實(shí)景建模技術(shù)迅速發(fā)展，數(shù)字中國(guó)、數(shù)字孿生等大規(guī)模實(shí)景三維模型應(yīng)用進(jìn)入人們的視野，而機(jī)場(chǎng)凈空管理仍然停留在二維平面。面對(duì)日趨復(fù)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(shù)將機(jī)場(chǎng)凈空進(jìn)行立體展示、管理成為了一個(gè)值得探討的問(wèn)題。本文就如何將機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)進(jìn)行三維可視化處理進(jìn)行了研究，分別對(duì)凈空保護(hù)區(qū)及障礙物三維處理、凈空保護(hù)區(qū)三維地形構(gòu)建的方法及要點(diǎn)進(jìn)行了探討，并結(jié)合實(shí)際提出一套可視化處理思路。

2 凈空保護(hù)區(qū)及凈空保護(hù)區(qū)障礙物

機(jī)場(chǎng)凈空內(nèi)在機(jī)場(chǎng)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(gòu)成一個(gè)范圍較大的抽象區(qū)域，該抽象區(qū)域之上稱為機(jī)場(chǎng)凈空。根據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，在以機(jī)場(chǎng)跑道為中軸線的約800km2內(nèi)劃定為機(jī)場(chǎng)凈空，機(jī)場(chǎng)凈空內(nèi)的障礙物限制面主要包括升降帶、進(jìn)近面、過(guò)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(zhǔn)按照特定的散開(kāi)率、坡度向外延伸。通常情況下，以凈空?qǐng)D對(duì)凈空保護(hù)區(qū)各限制面的情況進(jìn)行反映，包括俯視圖和剖面圖。俯視圖主要反映凈空保護(hù)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(duì)凈空保護(hù)區(qū)內(nèi)限高情況進(jìn)行反映。凈空?qǐng)D多以CAD的形式進(jìn)行二維繪制，雖能準(zhǔn)確表示障礙物的位置，但是對(duì)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(shí)無(wú)法準(zhǔn)確標(biāo)注呈面狀分布的超高障礙物，如建筑群、山脈等。

通過(guò)以上對(duì)凈空保護(hù)區(qū)的分析，凈空保護(hù)區(qū)具有以下特點(diǎn)：①保護(hù)范圍大；②限制面疊加高度復(fù)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(jìn)行可視化表達(dá)。

機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)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(diǎn)高程作為障礙物高程。在凈空管理中主要關(guān)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(biāo)、距機(jī)場(chǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)距離、磁方位角等；高度信息主要包括障礙物高程，同時(shí)結(jié)合障礙物位置計(jì)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(shí)，受機(jī)場(chǎng)電磁環(huán)境保護(hù)區(qū)影響，機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)內(nèi)110kV的電塔需進(jìn)行信息采集，包括電塔所屬電力線、編號(hào)等信息，并完成電塔連線。

3 三維建模的方式方法及特點(diǎn)

三維實(shí)景模型從三維的角度對(duì)現(xiàn)實(shí)地表世界進(jìn)行表述。從前，受到數(shù)據(jù)獲取、計(jì)算機(jī)技術(shù)等條件的制約，對(duì)高分辨影像的使用一直處于二維圖像的層面，但是隨著計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)性能，CPU、GPU運(yùn)算能力的進(jìn)一步提升，以及實(shí)景中國(guó)建設(shè)的推進(jìn)，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(kuò)展到了三維實(shí)景模型。三維實(shí)景模型的構(gòu)建從采用的數(shù)據(jù)源以及建模方法來(lái)看有多種方式，如DEM疊加DOM、正射航空攝影采用三維實(shí)景建模、傾斜航空攝影采用三維實(shí)景建模等。采用不同方法構(gòu)建的三維實(shí)景模型，模型精細(xì)度是最根本的差別，模型精細(xì)度越高，數(shù)據(jù)量及制作成本也相應(yīng)增加。

采用DEM疊加DOM形成地形級(jí)三維實(shí)景模型，這一方法的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)據(jù)量小，同時(shí)可以更快地獲取大范圍的模型，但相對(duì)的、模型的精細(xì)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(shí)景模型僅對(duì)地形情況進(jìn)行反映，對(duì)橋梁、房屋等地物形態(tài)無(wú)法進(jìn)行有效建模。采用正射航空攝影獲取下視鏡頭照片，通過(guò)采集大量同名點(diǎn)完成三角網(wǎng)構(gòu)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(shí)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(huì)存在部分無(wú)影像區(qū)域側(cè)面紋理丟失、模型結(jié)構(gòu)變形等問(wèn)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(jí)三維實(shí)景模型生產(chǎn)更多地采用傾斜航空攝影三維實(shí)景建模，傾斜航空攝影采用多鏡頭相機(jī)，同時(shí)獲取多角度鏡頭照片，從而獲得更多的側(cè)面紋理信息，利用三維實(shí)景建模構(gòu)建地表MESH，完成三維實(shí)景模型構(gòu)建。相比前兩種方式，數(shù)據(jù)量及計(jì)算量都呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，采用該方法制作的三維實(shí)景模型變形小，側(cè)面紋理相對(duì)清晰，通過(guò)簡(jiǎn)單修模，可達(dá)到城市級(jí)三維實(shí)景模型的要求。按照自然資源部提出的三維實(shí)景的分級(jí)分類，可以將三維實(shí)景模型分為三個(gè)層級(jí)，即地形級(jí)、城市級(jí)和部件級(jí)，模型精細(xì)度、數(shù)據(jù)量逐級(jí)增加。

4 機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)三維可視化處理

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

4.1 三維實(shí)景模型底圖制作

機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)域內(nèi)的三維實(shí)景模型重點(diǎn)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(gòu)建三維實(shí)景模型，作為機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)的三維底圖，在滿足使用的基礎(chǔ)上最大程度地節(jié)省成本，提高數(shù)據(jù)處理效率，同時(shí)減小數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的壓力。

為滿足使用要求，凈空保護(hù)區(qū)三維實(shí)景模型需完整覆蓋整個(gè)機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)。由于機(jī)場(chǎng)區(qū)域作為禁飛區(qū)，很難采用無(wú)人機(jī)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(shí)景模型底圖的紋理信息。對(duì)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(gòu)建越難。

4.2 三維凈空保護(hù)區(qū)限制面制作

根據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)規(guī)定，不同跑道類型的機(jī)場(chǎng)各凈空限制面爬升高度不同，但總體來(lái)說(shuō)均以基準(zhǔn)高程按特定的爬升率或散開(kāi)率進(jìn)行控制，在對(duì)凈空保護(hù)區(qū)各限制面進(jìn)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(biāo)I為4等的精密進(jìn)近跑道為例，進(jìn)近面以跑道入口前60m處為起止邊，起止邊長(zhǎng)為300m；內(nèi)水平面則以跑道兩端入口中點(diǎn)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(shí)體化為平面幾何圖形，確定好各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)平面坐標(biāo)，如起止邊端點(diǎn)、拐點(diǎn)、散開(kāi)率等。

其次根據(jù)各限制面起算點(diǎn)高程、爬升率、限高等推算各限制面高度變化情況，利用關(guān)鍵點(diǎn)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(jìn)近面為兩個(gè)等腰梯形（見(jiàn)圖1）。

圖1 進(jìn)近面俯視圖

加入高程后從剖面反映進(jìn)近面可拆分為四個(gè)不同的高度節(jié)點(diǎn)。第一個(gè)點(diǎn)為進(jìn)近面起算點(diǎn)高程，通常為端點(diǎn)高程；第二點(diǎn)高度為端點(diǎn)高程+60m；第三點(diǎn)高程為端點(diǎn)高程+150m；第四點(diǎn)高程與第三點(diǎn)一致，通過(guò)四點(diǎn)連線可作為一個(gè)方向上進(jìn)近面的高度控制線，綜合平面控制范圍可以看出進(jìn)近面的控制區(qū)域?qū)嶋H為一個(gè)等腰梯形連接一個(gè)長(zhǎng)方形（見(jiàn)圖2）。而相應(yīng)的，錐形面在平面展示上為兩個(gè)同心橢圓環(huán)，加入高程后，錐形面控制區(qū)域?qū)嶋H為倒置的橢圓錐型如圖3所示。

圖2 進(jìn)近面剖面圖

圖3 錐形面剖面圖

需要注意的是，凈空保護(hù)區(qū)外水平面的限制條件為在跑道中線兩側(cè)各10km，跑道端外20km，高出原地面30m且高出機(jī)場(chǎng)標(biāo)高150m。因此，外水平面需要參照地形及機(jī)場(chǎng)標(biāo)高進(jìn)行綜合確定，同時(shí)外水平面內(nèi)物體的高度也作為障礙物判定的一個(gè)要素。

綜上所述，對(duì)機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)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(guān)鍵點(diǎn)高程，采用以點(diǎn)構(gòu)線、以線構(gòu)面的方式確定三維矢量限制面。而外水平面可依據(jù)通過(guò)構(gòu)建的地形級(jí)三維實(shí)景模型以及機(jī)場(chǎng)標(biāo)高進(jìn)行確定。將限制面與地形模型疊加后形成了機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)三維可視化的基礎(chǔ)底圖。對(duì)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(guān)系以及限制面與地形的關(guān)系。

4.3 障礙物展繪及空間地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

對(duì)機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)內(nèi)的各種障礙物，可采用三維矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行表達(dá)，通過(guò)獲取的障礙物三維坐標(biāo)，直接展繪至三維模型底圖上并根據(jù)障礙物的類型進(jìn)行符號(hào)化處理。由于外水平面的限高條件包含高出原有地面點(diǎn)30m，因此，在外水平面上三維凈空保護(hù)區(qū)的優(yōu)勢(shì)尤為突出，相比傳統(tǒng)的平面凈空保護(hù)區(qū)圖，以三維地形模型作為基礎(chǔ)，將障礙物直接展繪至對(duì)應(yīng)空間位置，結(jié)合障礙物的高度，就可以直觀的對(duì)是否超高做出判定。高壓電塔在完成矢量點(diǎn)展繪后，也可以采用矢量線進(jìn)行連接，形成機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)內(nèi)高壓線路圖。密集連片建筑區(qū)可采用矢量面進(jìn)行范圍框定，相比單獨(dú)以點(diǎn)進(jìn)行超高建筑物標(biāo)識(shí)，矢量面更加全面的反映了障礙物區(qū)域及覆蓋情況，對(duì)于凈空保護(hù)區(qū)的管理更加高效。

將凈空保護(hù)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(kù)，將障礙物坐標(biāo)、高度、歸屬、超高情況、所在限制面等信息以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式進(jìn)行存放，形成機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)障礙物空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)疊加其他矢量數(shù)據(jù)后可進(jìn)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(jié)語(yǔ)

實(shí)景中國(guó)、數(shù)字孿生促進(jìn)了三維可視化技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)構(gòu)建三維場(chǎng)景，疊加三維矢量限制面，將平面的凈空?qǐng)D轉(zhuǎn)換為三維凈空保護(hù)區(qū)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)的三維可視化處理，直觀反映了凈空保護(hù)區(qū)內(nèi)地形情況。同時(shí)構(gòu)建的機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)障礙物空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)，直觀、清晰地展示了凈空保護(hù)區(qū)內(nèi)障礙物的情況。機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)的三維可視化為后續(xù)機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)的精細(xì)化管理提供了幫助。