CN105426605B - 多屏三维航迹及噪声等值线实时显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多屏三维航迹及噪声等值线实时显示方法，包括：第一步，串联航迹三维数据线及计算飞机飞行速度。并使用skyline软件实时显示。第二步，根据航迹数据以及NPD噪声计算模型计算实时噪声网格数据、噪声监测点噪声值。第三步，等值线追踪，等值线平滑，等值线颜色填充。第四步，等值线在skyline上实时加载以及多监测点多屏分配展示。由于各个PC机端加载计算该噪声监测点区域内的实时噪声等值线，计算方式具有高度的并行性，因此算法效率较高。本发明从算法效率、绘制实时性和绘制精度的角度考虑，结合服务器与PC机系统的软硬件实现快速高效的多屏三维航迹及噪声等值线实时展示系统。

Description

多屏三维航迹及噪声等值线实时显示方法

技术领域

本发明属于民航技术与并行计算领域，特别是涉及一种多屏三维航迹及噪声等值线实时显示方法。

背景技术

随着民航业的迅猛发展以及人们环保意识的逐步增强，机场噪声问题日益突出，如何有效的展示机场噪声对机场周边居民的影响是一个非常重要的研究课题。为此，我国环境保护部规定：在新建、改建以及扩建机场时，需要对机场周围进行噪声环境影响评估，未来噪声影响范围预测。而机场多屏三维航迹及噪声等值线实时展示是一种重要的机场噪声环境影响直观的评估工具，能够为机场周围用地规划及机场噪声评估提供依据。因此，快速而精确的实时绘制机场噪声等值线对机场噪声控制及治理工作有重要的意义。

机场噪声等值线图(noise isoline map)是描述、分析、评价机场周围及航道下所经过区域环境噪声影响的主要资料，是确定机场选址及其周围土地合理规划的科学依据。我国的环保部门已明文规定：对新建机场，在申报机场建设项目时，必须对机场周围地区做出噪声预估和环境影响评价；对原有的机场也应定期报告噪声的等值线图，以便对机场周围的土地利用做出规划。因此，绘制机场噪声等值线图，是机场噪声控制工作的重要环节。

等值线的绘制，传统的做法都是由手工计算和绘制，人们使用等值线图已经经历了几百年的历史，随着计算机技术和图形学技术的发展，等值线的自动绘制方法逐渐增多，并且不断地被不同领域的研究者进行算法改进和方法的完善。常规的等值线绘制通常采用的网格法，其绘制的步骤一般为：离散数据网格化，等值点的计算，等值线的追踪，光滑和标注等值线。等值线的自动绘制方法中常用的有两种方法：三角网格法和矩形网格法。1997年张梅华、梁文康提出了一个三角形上曲面插值算法、2003年周杰等提出一种方法能够适应包括多岛、多连通域等复杂情况，并可以生产贴体的三角网、2009年汤子东等提出了一种基于三角网的等值线的自动填充算、2005年孙科峰等提出了一种利用数据关联表生成矩形网格等值线的算法、2007年陈学工等提出了一种新的等高线追踪算法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种多屏三维航迹及噪声等值线实时显示方法；该专利利用并行计算的方法计算多屏下噪声监测点区域的实时噪声等值；提高多屏分配算法的噪声等值线实时显示处理。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种多屏三维航迹及噪声等值线实时显示方法，包括如下步骤：

步骤一、获取NPD噪声曲线数据并保存至服务器主机Host，根据航迹点与噪声监测点之间的距离和航班使用的发动机推力，结合NPD噪声曲线数据计算出该监测点下的理想实时噪声值；

步骤二、对上述理想实时噪声值进行NPD噪声曲线插值处理，得到具体推力下的噪声曲线；

步骤三、上述NPD噪声曲线插值处理具体为：首先使用欧式距离计算噪声监测点与航迹点之间的距离d，判断d所处的距离范围，使用该范围下的噪声插值公式获取该距离下的噪声曲线；

当d小于200ft时；ft为长度单位英尺；；

当d大于等于200ft且小于等于25000ft时；

当d大于25000ft时；

其中，d表示计算噪声监测点与航迹点之间的距离，L(d)表示在距离d处的噪声值；

步骤四、根据飞机的实时推力P以及步骤三的计算，采用推力插值公式获取该推力下的噪声曲线；

推力插值公式如：

其中：P表示飞机的实时推力，L(P)表示推力为P时的噪声值；

步骤五、根据步骤三和步骤四过程的计算，获得特定距离下以及特定推力下的噪声值数据；

步骤六、以航空器下方的感知点为中心点，向四周扩散的一个区域；上述中心点的噪声值最大，与该中心点距离越远则噪声值越小；航空器噪声影响的区域是一个局部区域，计算该局部区域的噪声网格数据；

步骤七、根据飞机的移动方向，计算飞机实时的噪声影响范围内的噪声网格数据；

步骤八、各个PC机端只计算该加载监测点区域的实时噪声网格及等值线追踪、平滑、颜色填充、实时加载任务。

进一步：所述步骤八具体包括：

步骤101、使用NPD噪声计算模型对网格点及网格边上插值点的计算；

步骤102、使用基于路径栅格的机场噪声等值线追踪算法，绘制出机场噪声等值线图；

步骤103、经追踪绘制的等值线，最邻近的等值点之间通过直线段来连接，这样特定的等值线就成为一组直线段的拼接，在拐角的地方会带有很明显的棱角，随后对等值线进行光滑处理；

步骤104、等值线的填充；所述等值线包括闭合等值线和开放等值线。

本发明具有的优点和积极效果是：

通过采用上述技术方案，各个PC机端加载计算该噪声监测点区域内的实时噪声等值线，计算方式具有高度的并行性，因此算法效率较高。由于充分地利用多个PC机端联合服务器端的硬件架构，实现并行计算；因此本发明从算法效率、绘制实时性和绘制精度的角度考虑，结合服务器与PC机系统的软硬件实现快速高效的多屏三维航迹及噪声等值线实时展示系统。

附图说明：

图1为本发明优选实施例的硬件结构图；

图2是本发明中NPD插值计算方法图；

图3是本发明中NPD噪声曲线插值算法流程图；

图4是本发明优选实施例某一个时刻航空器噪声影响范围示意图；

图5是本发明优选实施例噪声影响区域随时间的变化示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1，一种多屏三维航迹及噪声等值线实时显示装置，包括：

航迹处理展示模块，航迹数据是由空管部门使用雷达监测设备获取飞机的实时经纬度、海拔高度等数据。雷达获取的航迹数据由一系列离散的航迹点组成，离散化程度由雷达的扫描周期(通常为3～5秒)决定。若将每条航迹的航迹点按时间先后顺序连接,则形成一条由多个离散航迹点构成的航迹线。飞机进场、离场时，发动机引擎推力大小不一，飞机的速度随之改变，导致在相同的时间间隔内，雷达获取的航迹数据所表征的实际空间间隔分布不均匀。

原始雷达数据有很多错误、缺失等脏数据，且包含对噪声影响评估分析无用的属性。因此，需要对原始雷达数据进行数据筛选，选择重要数据属性和完整正确的航迹信息。表1给出了一个航班按照时间顺序排序后的一部分航迹数据。

表1一个航班的航迹数据片段

表2Boeing737-500的LAmax等级下NPD噪声曲线表

NPD噪声计算模块，根据噪声的物理传播规律得出的预测方法，该类方法主要是基于飞机的噪声性能数据NPD(Noise-Power-Distance curves)曲线的预测方法，NPD曲线，即飞机的噪声距离特性曲线，它是在基准环境条件下(速度160海里、风速小于4.1m/s、温度15℃、相对湿度70％)飞机沿无限长直线航迹匀速飞行时飞机的噪声-功率-距离对应关系的一组曲线。该类预测方法的基本过程是：首先用航班数据和NPD特性曲线计算预测点在理论条件下的噪声级，然后用机场实际环境信息将理论噪声级修正至与机场特定环境相符的实际噪声级。该方法具有很好的预测效果和很强的实用性，但是在实际应用中由于实际条件限制会导致预测结果不准确及成本高等问题

Host主机服务器及显示屏模块，用于保存实时航迹数据、NPD数据，以及多屏分配算法，屏幕显示机场主要区域范围全局的地图以及该时刻下的航迹飞行过程。

多个PC机模块，用于切换噪声监测点区域的航迹飞行过程和实时噪声等值线加载。并且承担该区域内的实时噪声网格计算任务以及等值线追踪、平滑、填充、等值线实时加载等任务。

利用NPD噪声值表及噪声插值算法计算多屏下噪声监测点区域的实时噪声值的方法；

请参阅图2至图5，一种多屏三维航迹及噪声等值线实时显示方法，包括如下步骤：

步骤一、获取NPD噪声曲线数据并保存服务器主机Host，如表2表示Boeing737-500的LAmax等级下NPD噪声曲线表，根据操作类型A(进港)、D(离港)不同其对应的噪声曲线也是不一样的。如果知道航迹点与噪声监测点之间的距离和该航班使用的发动机推力，结合如表2的在NPD噪声曲线表就可以计算该监测点下的实时噪声值。

步骤二、由表2可知NPD噪声曲线提供的数据是理想情况下推力分别为不同等级以及不同距离下的噪声值。是一个理想情况下的推力与距离噪声值，而实际飞行中飞机的推力是变化的，推力的大小决定了噪声值的大小。因此需要使用如图1中的方法对NPD数据进行插值计算，得到具体推力下的噪声曲线。

步骤三、NPD噪声曲线插值算法流程图如图3所示，首先使用欧式距离计算噪声监测点与航迹点之间的距离d，判断d所处的距离范围，使用该范围下的噪声插值公式获取该距离下的噪声曲线。

当d小于200ft时；ft为长度单位英尺；

当d大于等于200ft且小于等于25000ft时；

当d大于25000ft时；

其中，d表示计算噪声监测点与航迹点之间的距离，L(d)表示在距离d处的噪声值；

步骤四、根据飞机的实时推力P以及步骤三的计算，采用推力插值公式获取该推力下的噪声曲线。

推力插值公式如：

其中：P表示飞机的实时推力，L(P)表示推力为P时的噪声值；

步骤五、根据步骤三和步骤四过程的计算，就可以获得特定距离下以及特定推力下的噪声值数据，即如图2中的两条曲线的交点噪声值L_P,d

步骤六、在某一时刻的航空器噪声对噪声监测点的影响范围展现如图4所示的空间特性：以航空器下方的感知点为中心，向四周扩散的一个区域。中心点的噪声值最大，越往外噪声值越小。因此，航空器噪声影响的区域是一个小的局部区域，只需要计算该局部范围的噪声网格数据即可。

步骤七、航空噪声的持续时间长，受影响区域中心的噪声一般持续在30-60秒左右，人们感受到的飞机噪声是由小到大再变小，有明显的变化特征。同时由于飞机的速度快，航空器噪声的影响区域也会随着飞机的移动而移动，会呈现如图5所示的时间特征。因此，要根据飞机的移动方向，计算飞机实时的噪声影响范围内的噪声网格数据。

步骤八、各个PC机端只计算该加载监测点区域的实时噪声网格及等值线追踪、平滑、颜色填充、实时加载任务。各个监测点PC机并行工作互不影响；

等值线加载以及监测点多屏展示分配模块，实时展示系统有两部分：第一部分主显区域加载整个机场区域的地图以及该时刻下的航迹飞行过程。第二部分是多屏噪声监测点展示部分，只展示该监测点区域内的实时噪声值以及噪声等值线。由于噪声监测点显示屏数目有限，机场噪声监测点较多，不足以一一分配，本发明按照飞机进入主显示地图区域的先后顺序进入队列，噪声监测屏显示在队列中依次显示该航迹下的噪声影响监测点区域等值线与噪声值。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (2)

1.一种多屏三维航迹及噪声等值线实时显示方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、获取NPD噪声曲线数据并保存至服务器主机Host，根据航迹点与噪声监测点之间的距离和航班使用的发动机推力，结合NPD噪声曲线数据计算出该监测点下的理想实时噪声值；

步骤二、对上述理想实时噪声值进行NPD噪声曲线插值处理，得到具体推力下的噪声曲线；

步骤三、上述NPD噪声曲线插值处理具体为：首先使用欧式距离计算噪声监测点与航迹点之间的距离d，判断d所处的距离范围，使用该范围下的噪声插值公式获取该距离下的噪声曲线；

当d小于200ft时；ft为长度单位英尺；

当d大于等于200ft且小于等于25000ft时；

当d大于25000ft时；

其中，d表示计算噪声监测点与航迹点之间的距离，L(d)表示在距离d处的噪声值；

步骤四、根据飞机的实时推力P以及步骤三的计算，采用推力插值公式获取该推力下的噪声曲线；

推力插值公式如：

其中：P表示飞机的实时推力，L(P)表示推力为P时的噪声值；

步骤五、根据步骤三和步骤四过程的计算，获得特定距离下以及特定推力下的噪声值数据；

步骤六、以航空器下方的感知点为中心点，向四周扩散的一个区域；上述中心点的噪声值最大，与该中心点距离越远则噪声值越小；航空器噪声影响的区域是一个局部区域，计算该局部区域的噪声网格数据；

步骤七、根据飞机的移动方向，计算飞机实时的噪声影响范围内的噪声网格数据；

步骤八、各个PC机端只计算其加载监测点区域的实时噪声网格及等值线追踪、平滑、颜色填充、实时加载任务。

2.根据权利要求1所述的多屏三维航迹及噪声等值线实时显示方法，其特征在于：所述步骤八具体包括：

步骤101、使用NPD噪声计算模型对网格点及网格边上插值点的计算；

步骤102、使用基于路径栅格的机场噪声等值线追踪算法，绘制出机场噪声等值线图；

步骤103、经追踪绘制的等值线，最邻近的等值点之间通过直线段来连接，这样特定的等值线就成为一组直线段的拼接，在拐角的地方会带有很明显的棱角，随后对等值线进行光滑处理；

步骤104、等值线的填充；所述等值线包括闭合等值线和开放等值线。