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        三維GIS在機場道面管理中的應(yīng)用探討

        2024-01-01 00:00:00代穩(wěn)邵黎明曹鐵
        四川建筑 2024年3期
        關(guān)鍵詞:三維建模

        【摘 要】分析了三維 GIS 技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢,然后闡述了三維GIS技術(shù)在機場道面管理中的應(yīng)用,包括三維場景顯示、道面網(wǎng)格化管理、道面病害分布狀況可視化、道面性狀評價結(jié)果著色展示和道面性能預(yù)測與養(yǎng)護決策,以達到對機場道面更科學高效化管理的目標。

        【關(guān)鍵詞】三維GIS; 機場道面管理; 三維建模

        【中圖分類號】TP393.09【文獻標志碼】A

        建筑論壇與建筑設(shè)計建筑論壇與建筑設(shè)計

        0 引言

        航空器能否安全起降和滑行,在于狀況良好的道面。為了使機場道面的性能滿足航空器安全運行的要求,機場工作人員需要采取一系列措施對機場道面進行管理。現(xiàn)有的機場道面管理方法主要基于機場道面質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)的性能評價,進行科學合理地評價、預(yù)測、養(yǎng)護決策等一系列活動[1],具體來說就是對收集的道面基本信息進行管理,利用這些數(shù)據(jù)分析評價道面性狀并預(yù)測道面未來發(fā)展,確定最優(yōu)化的道面管理方案。

        近年來,利用GIS技術(shù)輔助機場道面管理已成為一種趨勢,早在2002年,同濟大學自主研發(fā)的上海機場道面管理系統(tǒng)就第一次使用GIS技術(shù)用于建立空間數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)對其管理的數(shù)據(jù)庫進行地圖空間査詢及空間分析[2]。然而此類應(yīng)用大多停留在二維空間維度上,基于三維處理與分析的研究較少。事實上,相比二維平面的表達方式,在三維GIS的幫助下, 道面管理中各環(huán)節(jié)中涉及到的數(shù)據(jù)可以更直觀地可視化,大大提高機場道面管理的效率和準確性。

        1 三維GIS技術(shù)

        1.1 三維GIS技術(shù)概述

        GIS是一種旨在采集、存儲、操作、分析、管理和呈現(xiàn)空間地理數(shù)據(jù)的系統(tǒng),已廣泛用于智能城市建設(shè)、環(huán)境評估、土地管理、災(zāi)害預(yù)測和許多其他領(lǐng)域。近年來,隨著GIS技術(shù)的不斷成熟以及計算機圖形學、三維可視化、測繪技術(shù)等各種理論和技術(shù)的快速發(fā)展,三維GIS技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注, 逐步成為 GIS 研究的主流方向之一。傳統(tǒng)的GIS沿著兩個維度繪制:水平x軸和垂直y軸,而三維 GIS 的研究對象是三維空間,因此不僅能提供坐標,而且通過添加另一個維度z,能表達三維空間中物體之間的水平和垂直關(guān)系,增強了數(shù)據(jù)收集和分析的深度,使得空間物體以立體的方式呈現(xiàn)給用戶,可以更詳細地描繪物體和提供更加真實豐富的地理空間信息,給人一種沉浸感[3]。

        1.2 三維GIS技術(shù)優(yōu)勢

        將三維GIS 技術(shù)運用到機場道面管理工作中的優(yōu)勢有:首先,通過建立機場道面以及跑道病害等三維模型,構(gòu)建出三維實景場景,能更直觀地反映道面狀況。因為用二維的圖形界面展示空間信息是非常抽象的,相比二維GIS,三維表達更加逼近現(xiàn)實世界,使抽象難懂的空間信息直觀化。其次,三維GIS 技術(shù)為機場開展各種機場道面管理工作提供幫助,如道面基本信息管理、道面病害狀況可視化分析、養(yǎng)護維修分析等。通過實現(xiàn)對載入GIS軟件(ArcGIS、Super Map或其他)內(nèi)數(shù)據(jù)的分析、查詢、統(tǒng)計,提高機場工作人員對信息的把控力;通過結(jié)合道面實際情況建立預(yù)測模型輔助分析,預(yù)測道面未來性能,擬定預(yù)防性養(yǎng)護計劃。

        2 三維GIS的應(yīng)用分析

        2.1 三維場景構(gòu)建

        機場道面的三維模型構(gòu)建是后續(xù)進行道面基本信息、道面病害分布狀況、道面性狀評價結(jié)果、道面性能預(yù)測與養(yǎng)護決策信息可視化顯示的基礎(chǔ)。為了更真實的展示機場道面和周邊環(huán)境,三維模型構(gòu)建的主要對象為機場道面結(jié)構(gòu)層和機場其他附屬設(shè)施,如航站樓、停機坪、助航燈光等。為了使創(chuàng)建的場景更加的真實,針對機場道面結(jié)構(gòu)層的三維模型構(gòu)建,可按照如下步驟進行:首先收集建模數(shù)據(jù),根據(jù)機場道面設(shè)計資料并結(jié)合實地調(diào)研勘查結(jié)果,利用建模軟件(Revit 、3D Max或其他),搭建道面多層結(jié)構(gòu)的三維模型,不同結(jié)構(gòu)層用不同顏色分層進行顯示,接著道面三維模型表面可采用真實采集的拼接圖片附著。

        將機場地形數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)和制作出來的三維模型導(dǎo)入GIS軟件進行處理。將道面基本信息、道面病害分布狀況、道面性狀評價結(jié)果、道面性能預(yù)測與養(yǎng)護決策信息都直接關(guān)聯(lián)到三維實景模型上。在三維GIS空間中,不僅可以對三維模型進行放大、縮小、旋轉(zhuǎn),也可以設(shè)置場景路徑進行場景漫游,對道面結(jié)構(gòu)層任意角度瀏覽。

        2.2 道面網(wǎng)格化管理

        為了方便對道面進行管理,通常做法是對道面進行網(wǎng)格化管理,因此需要參考現(xiàn)行的MH/T 5024-2009《民用機場道面評價管理技術(shù)規(guī)范》,根據(jù)道面結(jié)構(gòu)層組合形式、道面材料以及作用荷載的力學分布等條件進行單元劃分,一般將機場道面分為多個部位,每個部位又被分為多個區(qū)塊,其中道面區(qū)塊是進行道面信息可視化展示的最小單元。此外,在GIS軟件中編輯屬性表,將網(wǎng)格屬性信息添加到各個網(wǎng)格中。

        在三維GIS空間中,點擊三維實體模型上的其中一個網(wǎng)格,該區(qū)塊會被高亮的線條標注,能以文字的方式顯示網(wǎng)格的屬性,如分區(qū)編號(部位編號和區(qū)塊編號)、面積大小、經(jīng)緯度、道面類型等。

        2.3 道面病害分布狀況可視化

        隨著使用年限的增加,機場道面長期裸露在自然環(huán)境下,受環(huán)境因素和機輪荷載的影響會出現(xiàn)各種病害。道面病害分為表觀缺陷和道面結(jié)構(gòu)隱性缺陷。表觀缺陷數(shù)據(jù)通常來源機場工作人員日常巡檢過程中手持巡檢儀拍攝的圖片,這類缺陷有裂縫、沉陷或錯臺等。道面結(jié)構(gòu)隱性缺陷數(shù)據(jù)可以利用探地雷達接收的界面波譜圖,判斷出比較顯著的道面裂縫、水泥混凝土道面板底脫空情況、瀝青道面層間是否存留積水的情況等。

        在三維GIS空間中,道面表觀缺陷病害,可以通過標簽顯示詳情的方式,如圖1所示,展示的信息可以有病害的位置標注、現(xiàn)場拍攝的照片、病害類型、損壞程度、發(fā)現(xiàn)日期以及處理狀態(tài)等。此外,一些具有三維屬性的道面結(jié)構(gòu)隱性缺陷病害可以使用三維建模軟件三維可視化表達,對于存在用于跑道內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的病害,可以設(shè)置透明度顯示病害在不同道面層位的分布情況。

        2.4 道面性狀評價結(jié)果著色展示

        道面性狀評價是根據(jù)各種基礎(chǔ)檢測資料, 主要是道面病害數(shù)據(jù),計算道面各項評價指標,幫助機場工作人員了解道面各區(qū)域的狀況,同時它也是道面性能預(yù)測和養(yǎng)護決策的依據(jù)。 國內(nèi)外普遍采用的評價指標是PCI,它由道面病害類型、病害數(shù)量和嚴重程度等多因素綜合確定,適用于水泥、瀝青及各種復(fù)合道面。取值范圍為0到100,0表示道面結(jié)構(gòu)失效,100表示道面表觀完好。我國的PCI評價標準按照PCI范圍分為優(yōu)(PCIgt;85)、良(70<PCI<85)、中(55<PCI<70)、次(40<PCI<55)、差(PCI<40)五個評價等級。另一種常用的評價指標是由美國FAA提出的SCI,但是這種評價方法只能作為道面結(jié)構(gòu)性能判斷的輔助指標。

        在三維GIS空間中,可以利用不同的顏色表征道面各區(qū)塊性能的不同評價等級,不同評價方法置于不同圖層,以PCI評價指標為例(圖2),通過對道面性狀評價結(jié)果用不同的顏色表示,不僅可以幫助機場工作人員快速直觀地掌握道面的整體狀況,也能輔助其對道面實施養(yǎng)護措施,例如圖2中1號色塊區(qū)域表示警告,提醒機場工作人員需要盡快維修,2號色塊區(qū)域表示道面狀況整體良好,道面結(jié)構(gòu)性能滿足。

        2.5 道面性能預(yù)測與養(yǎng)護決策

        道面性能預(yù)測是編制養(yǎng)護計劃的關(guān)鍵。在GIS軟件中可以建立數(shù)學模型,根據(jù)道面性狀評價結(jié)果,預(yù)測道面未來發(fā)展趨勢,幫助機場工作人員以區(qū)塊為單位,快速確定需要養(yǎng)護的道面區(qū)域以及需要采取的養(yǎng)護措施類型,進一步擬定短、中或長期的道面預(yù)防性養(yǎng)護方案。道面性能預(yù)測模型一般可分為確定型模型和概率型模型,確定型模型能夠在給定條件下預(yù)測給定時刻的道面性能值,概率型模型則將道面狀況發(fā)展的不確定性納入考慮范圍,預(yù)測值為在某給定時刻道面性能值的分布狀況。最常用的概率型模型是馬爾可夫模型,除此之外,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、時間序列法、遺傳算法等也常用于道面性能預(yù)測[4]。

        在三維GIS空間中,對于道面性能預(yù)測,以不同的預(yù)測模型計算出的結(jié)果可以置于不同的圖層,不同階段的預(yù)測結(jié)果以不同的顏色表示。對于道面養(yǎng)護決策,可以對有養(yǎng)護計劃的道面區(qū)域進行標注,點擊選擇需要養(yǎng)護的道面區(qū)域,利用GIS的空間分析功能計算總養(yǎng)護區(qū)域的面積,進行效益費用分析,幫助機場工作人員生成最優(yōu)預(yù)防性養(yǎng)護方案。

        3 結(jié)束語

        綜上所述,將三維GIS技術(shù)應(yīng)用于機場道面管理中,在該技術(shù)的支撐下,不僅能為機場工作人員提供更友好的可視化界面,也能實現(xiàn)道面管理工作中相關(guān)數(shù)據(jù)的可視化展示以及輔助養(yǎng)護計劃的智能化分析決策,讓機場道面管理工作水平和效率整體提高。在未來機場道面管理工作中,應(yīng)該在綜合我國當前道面管理發(fā)展情況的基礎(chǔ)上,高度重視三維GIS 技術(shù)并加大對該技術(shù)的研究和使用,借助三維GIS技術(shù)的優(yōu)勢來實現(xiàn)對機場道面的科學高效化管理, 不斷創(chuàng)新和改進,保證三維GIS 技術(shù)可以在機場道面管理中發(fā)揮出最大的作用和價值。

        參考文獻

        [1] 劉震.基于BIM與 Web GL 的機場道面管理系統(tǒng)研究[D].南京: 東南大學, 2019.

        [2] 凌建明,袁捷, 西紹波, 等. 上海機場道面管理系統(tǒng)研究與開發(fā) [J]. 同濟大學學報 (自然科學版), 2005, 33(8):1041-1046.

        [3] 陶瓊,朱大明.三維 GIS 的發(fā)展趨勢與建模分析[J].地礦測繪,2008,24(4): 35-37.

        [4] 楊明珠. 基于GIS的機場道面管理系統(tǒng)研究與框架設(shè)計[D]. 南京:東南大學, 2017.

        [作者簡介]代穩(wěn)(1993—),女,碩士,工程師,研究方向為機場工程。

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