CN109671150A - 基于数字地球的机场土方计算方法 - Google Patents

Abstract

一种基于数字地球的机场土方计算方法，包括坐标系转换步骤S110，原始地形数模建立步骤S120，边坡生成步骤S130，设计表面数字地面模型生成步骤S140，土方量计算步骤S150。本发明借助在线的高程和影像图，能够建立在开源数据地球平台OsgEarth上，通过将用户定义的机场区域数字化，按照设计区域边界生成边坡，整个设计区域和原始地形面进行土方量计算，以便快速进行机场选址过程中的土方量评估，能够初选出合适的场址，提高了整体的设计效率。

Description

基于数字地球的机场土方计算方法

技术领域

本申请涉及地域分析，具体的，涉及一种基于数字地球的机场土方评估方法，能够在机场前期的分析设计中进行土方计算，优化机场设计。

背景技术

近年来随着我国多项利好政策的出台，我国通航产业进入快速发展的黄金期，各省市相继出台了各自的通用机场布局规划。截止2020年，全国要建成通用机场数量达500个，通用机场建设进入了高速发展时期。而机场构型设计和选址是机场建设前期关键环节，机场构型设计和选址是否科学合理，直接影响着机场后期的建设成本、技术难度、运营安全等诸多方面。

数字地球技术已经比较广泛地应用于飞行模拟、军事模拟等方面，但是目前并没有在机场选址中用于机场区域设计。

当前机场选址主要借助于二维电子地图，将机场设计范围的边界线导入到电子地图中，然后获取该区域的高程文件，将其导入到基于AutoCAD平台的土方计算软件中，计算土方量，以评估合理的机场构型、平面位置和标高。

使用二维电子地图进行机场构型设计和选址，主要有以下几个缺点：

(1)工作量较大、较繁琐，同时，在项目开展前期，往往很难得到二维电子地图，因此在项目前期准备阶段无法对场址进行比较深入的分析；

(2)不便于直观地感知土方平衡的经济性，也不能直接利用原始地形数据生成边坡，这样在做土方平衡时只能凭借经验估算边坡土方量，与真实的土方量可能就存在较大的误差；

(3)传统二维方式完成的选址方案，在方案交流时也存在诸多的不方便，为了能够清晰说明方案的优劣，一般还需要委托外部单位制作专门的效果图，也会导致项目成本和工期的增加。

因此，如何基于数字地球进行机场土方的计算，以简化场平面设计和选址分析工作，使设计更加科学合理，成为现有技术亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于数字地球进行机场土方的计算方法，充分利用数字地球的优势，使得机场区域数字化，按照设计区域边界生成边坡，整个设计区域和原始地形面进行土方量计算，以便快速进行机场选址过程中的土方量评估。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于数字地球的机场土方计算方法，包括如下步骤：

坐标系转换步骤S110：建立机场的直角坐标系和数字地球使用的近似椭球体的地理坐标之间的转换关系，以便机场设计地形和原始地形在土方计算时使用相同的坐标系；

原始地形数模建立步骤S120：利用数字地球平台获得机场设计区域的原始地形高程数据，保存在DEM中，并基于机场坐标系变换生成TIN数模，以作为生成边坡和计算土方量的基础；

边坡生成步骤S130：沿设计区域边界进行放坡计算，采用平面与纵断面结合的方法生成边坡线并根据相交关系进行裁剪，各条相邻的边坡线汇总生成边坡面；

设计表面数字地面模型生成步骤S140：将机场设计区域和边坡区域汇总，包括所有的边坡线，创建表示设计范围的三角网数模；

土方量计算步骤S150：使用方格网法进行土方计算，具体包括

(1)根据设计表面模型计算出整个设计区域，包括边坡的最小包围框；

(2)对最小包围框按照特定的边长划分成若干个小方格，创建M*N的DEM模型，每一个方格通过数模内插点标高分别获得设计标高和原始地形标高，计算这个小方格的填方量和挖方量；

(3)累加所有方格的填方量和挖方量，得到整个机场的土方工程量。

可选的，在步骤S110和步骤S120之间，还具有机场设计区域外边界数据导入步骤S115：对含有高程信息的机场设计区域边界线进行离散化，所述边界线具有多段，离散化后是一个多边形，对该多边形进行狄洛尼三角化，创建OSG节点然后加载到数字地球平台作为网格显示。

可选的，在步骤S110中，将机场跑道的中心定义为机场坐标系的原点，建立一个X轴指向正东、Y轴指向正北的平面直角坐标系，并且定义它和地理坐标系的转换关系，从而能够在平面直角坐标系中进行相关的计算。

可选的，在步骤S120中，在获得原始地形高程数据时，通过机场设计范围线计算出最小包围框，然后下载包围框内的原始地形高程数据，保存在DEM。

可选的，在步骤S120中，将所述最小包围框往各个方向扩大一定距离得到新的包围框，然后下载新的包围框内的原始地形高程数据。

可选的，边坡生成步骤S130具体包括：

(1)对机场设计范围边界线按指定间距进行采样，平面上每个样本点沿边界线该点的法线方向做一条射线，该射线即为放坡线，放坡线是由填挖规则拼接而成的折线，每一段的斜率根据用户输入的填挖方坡比来确定，沿该放坡线在平面上的投影直线，在原始地形TIN数模上计算剖面线，该剖面线与放坡线的纵断面折线计算交点，在第一个交点处截断折线，得到边坡线的终点；

(2)每个离散点处都进行边坡线计算，得到整个设计范围的边坡线集合；

(3)访问每一条边坡线，如果它与其他的边坡线产生相交，就在交点处对这条边坡线进行截断，裁剪后的结果作为正式边坡线。

可选的，在边坡生成步骤S130中，还具有每相邻的两条边坡线构成若干个四边形和三角形，按照这种方式可以根据所有边坡线创建OSG中的节点，将每个四边形和三角形作为一个可绘制体，以OSG节点的方式在数字地球平台上显示出来。

可选的，在表面数字地面模型生成步骤S140中，采用狄洛尼三角网作为数学模型，机场设计范围的每一条线段和每一条边坡线作为断裂线数据添加到三角网，根据特定的算法转换成面，得到设计表面数字地面模型。

本发明借助在线的高程和影像图，能够建立在开源数据地球平台OsgEarth上，通过将用户定义的机场区域数字化，按照设计区域边界生成边坡，整个设计区域和原始地形面进行土方量计算，以便快速进行机场选址过程中的土方量评估，能够初选出合适的场址，提高了整体的设计效率。

附图说明

图1是根据本发明具体实施例的基于数字地球的机场土方计算方法的流程图；

图2是根据本发明具体实施例的数字地图坐标示意图；

图3是根据本发明具体实施例的设计范围形成网格的示意图；

图4为根据本发明具体实施例的原地面DEM的拼接的示意图；

图5是根据本发明具体实施例的边坡采样生成的示意图；

图6是根据本发明具体实施例的边坡的剖面图；

图7是根据本发明具体实施例的两个边坡线裁剪的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明在于利用数字地球实时获取各个区域高程，完成机场坐标系和数字地球坐标系的变换，通过将用户定义的机场区域数字化，按照设计区域边界生成边坡，整个设计区域和原始地形面进行土方量计算，以便快速进行机场选址过程中的土方量评估。

具体而言，参见图1，示出了基于数字地球的机场土方计算方法的流程图，包括如下步骤：

坐标系转换步骤S110：建立机场的直角坐标系和数字地球使用的近似椭球体的地理坐标(经纬度)之间的转换关系，以便机场设计地形和原始地形在土方计算时使用相同的坐标系。

机场坐标系是平面直角坐标系，而数字地球使用的是近似椭球体的地理坐标(经纬度)。在这种情况下，机场坐标系中距离原点较远的一点，它在机场坐标系中的高度和在大地坐标系中的标高就会有很大的差别。

在本步骤中，首先将数字地球的坐标与机场的坐标进行转换，以便机场设计地形和原始地形在土方计算时使用相同的坐标系。

机场设计范围一般在几十公里的范围内，现有的二维设计都是基于平面直角坐标系进行。因此，具体的，参见图2，将机场跑道的中心定义为机场坐标系的原点，建立一个X轴指向正东、Y轴指向正北的平面直角坐标系，并且定义它和地理坐标系的转换关系，从而能够在平面直角坐标系中进行相关的计算。

在一个具体的实施例中，在OsgEarth中，可以使用GeoPoint::createLocalToWorld函数建立一个从机场坐标系到地理坐标的变换矩阵。

原始地形数模建立步骤S120：利用数字地球平台获得机场设计区域的原始地形高程数据，保存在DEM(数字高程模型，Digital Elevation Model)中，并基于机场坐标系变化生成TIN(不规则三角网)数模，以作为生成边坡和计算土方量的基础。

可选的，参见图4，在获得原始地形高程数据时，过机场设计范围线计算出最小包围框，然后下载包围框内的原始地形高程数据，保存在DEM。

进一步的，可以将所述最小包围框往各个方向扩大一定距离，例如扩大2000米之后得到新的包围框，然后下载包围框内的原始地形高程数据，从而便于在边坡计算使用设计区域以外的部分原始地形数据，提高运算效率。

将原始地形高程数据从DEM向TIN数模转换的原因是，球面上两点转换到机场坐标会发生距离和角度的变形，变换之后DEM的各个顶点不再能组成横平竖直的方格网，因此需要创建新的TIN三角网数模，将DEM每个数据点变换的结果添加到TIN数模，建立基于机场坐标系的原始地形TIN数模。

边坡生成步骤S130：沿设计区域边界进行放坡计算，采用平面与纵断面结合的方法生成边坡线并根据相交关系进行裁剪，各条相邻的边坡线汇总生成边坡面；

具体的，包括如下步骤：

(1)参见图5和图6，对机场设计范围边界线按指定间距进行采样，平面上每个样本点沿边界线该点的法线方向做一条射线，该射线即为放坡线，放坡线是由填挖规则拼接而成的折线，在纵断面上(垂直方向)上可以看出，每一段的斜率根据用户输入的填挖方坡比来确定，例如，1:1放坡，每下降5米设置一个3米宽的平台。沿该放坡线在平面上的投影直线，在原始地形TIN数模上计算剖面线，该剖面线与放坡线的纵断面折线计算交点，在第一个交点处截断折线，得到边坡线的终点；

(2)每个离散点处都进行边坡线计算，得到整个设计范围的边坡线集合；

(3)参见图7，访问每一条边坡线，如果它与其他的边坡线产生相交，就在交点处对这条边坡线进行截断，裁剪后的结果作为正式边坡线；

进一步的，还可以具有(4)每相邻的两条边坡线构成若干个四边形和三角形，按照这种方式可以根据所有边坡线创建OSG中的节点，将每个四边形和三角形作为一个可绘制体，以OSG节点的方式在数字地球平台上显示出来。因此，可以方便设计人员在进行机场设计是能够在数字地球上直观的进行评估以及相应的修改，例如，改变位置的选址或者对机场区域的高度进行提升或者下降，使得填方量和挖方量尽量平衡，以降低总土方量。

设计表面数字地面模型生成步骤S140：将机场设计区域和边坡区域汇总，包括所有的边坡线，创建表示设计范围的三角网数模。

可选的，采用狄洛尼三角网作为数学模型，机场设计范围的每一条线段和每一条边坡线作为断裂线数据添加到三角网，根据特定的算法(例如逐步插入法，分治算法)转换成面，得到设计表面数字地面模型。

土方量计算步骤S150：使用方格网法进行土方计算，具体包括

(1)根据设计表面模型计算出整个设计区域(含边坡)的最小包围框；

(2)对最小包围框按照特定的边长划分成若干个小方格，创建M*N的DEM模型，每一个方格通过数模内插点标高分别获得设计标高和原始地形标高，计算这个小方格的填方量和挖方量；

(3)累加所有方格的填方量和挖方量，得到整个机场的土方工程量。

进一步的，在步骤S110和步骤S120之间，还具有机场设计区域外边界数据导入步骤S115：

机场设计区域边界线是一条闭合的多段线，需要在OsgEarth数字地球的三维场景中展示，必须将其转换为可显示的网格对象。

因此，参见图3，该步骤为对含有高程信息的机场设计区域边界线进行离散化，所述边界线具有多段，离散化后是一个多边形，对该多边形进行狄洛尼三角化，创建OSG节点然后加载到数字地球平台作为网格显示。

由于已经将机场设计区域导入数字地球中，设计人员可以直观的感受机场设计区域与原始高程的差距，从而预估出土方量，从而对机场设计区域的标高进行调整，以降低土方量。

本发明在数字地球上完成机场区域的设计，在通用数字地球技术的基础上解决下面的若干个技术问题：

(1)实现机场坐标系和数字地球坐标系的转换。

传统二维设计使用的都是以机场的特殊位置为原点的平面直角坐标系，但是数字地球一般使用WGS的地理坐标系(近椭球体坐标系)，在机场数据和地球上高程等特殊数据进行运算时，本发明建立两个坐标系之间的转换。

(2)在数字地球平台上提供机场设计区域定义、边坡生成、土方计算，便于用户的学习和使用。

(3)本发明能够基于数字地球进行使用，为设计客户端提供实时获取最新的高程和影像数据的能力。

基于日益成熟的数字地球技术，可以通过建立或利用已经存在的多种网络数据源，在数字地球上实时浏览和使用全国乃至全球的高程和影像数据，某些数据甚至还能够定期更新，这样用户就能够彻底抛弃原来购买纸质地形图进行数字化的繁琐工作。

(4)本发明提供多种辅助观察手段，从三维空间直观感受机场位置、构型的合理性。

机场的选址涉及到多种因素，包括土方的合理性、飞行程序的可行性、现状地理条件的适应性、现有交通条件的便利性等，在三维场景中，通过将机场设计范围返回到数字地球上，设计者和评审者能够非常直观地评估机场位置和构型的合理性。

(5)能够在平台上创建边坡，提供更完善的选址土方量计算。

边坡设计一直都是大型土木工程的设计难点，对于机场这样具有复杂设计边界的工程来说尤其如此。本发明在数字地球平台上设计了优秀的边坡生成算法，结合机场设计高程和原始地形条件的基础上，自动化生成整个机场的边坡，从而分析填挖和剪切。

因此，本发明借助在线的高程和影像图，能够建立在开源数据地球平台OsgEarth上，通过将用户定义的机场区域数字化，按照设计区域边界生成边坡，整个设计区域和原始地形面进行土方量计算，以便快速进行机场选址过程中的土方量评估，能够初选出合适的场址。

本发明具有如下优点：

1.在三维数字地球平台上所见即所得的方式进行选址设计，能够在三维环境中直观分析设计面与原地面位置关系，进行填挖分析等重要设计工作；

2.用户能够访问到需要的高程和影像数据，设计前期快速介入，解决前期无图无法深入分析的弊端，提高了设计项目的效率；

3.在项目前期，无需二维地图，可使用该平台在指定范围选址，只需通过简单操作，便可分析出多个场址之间的利弊，便于方案的讨论与选取；

4.简化设计工作，可较为容易的得到填挖方土方量、填挖高度。

显然，本领域技术人员应该明白，上述的本发明的各单元或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个计算装置上,可选地，他们可以用计算机装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (8)

1.基于数字地球的机场土方计算方法，包括如下步骤：

坐标系转换步骤S110：建立机场的直角坐标系和数字地球使用的近似椭球体的地理坐标之间的转换关系，以便机场设计地形和原始地形在土方计算时使用相同的坐标系；

原始地形数模建立步骤S120：利用数字地球平台获得机场设计区域的原始地形高程数据，保存在DEM中，并基于机场坐标系变换生成TIN数模，以作为生成边坡和计算土方量的基础；

边坡生成步骤S130：沿设计区域边界进行放坡计算，采用平面与纵断面结合的方法生成边坡线并根据相交关系进行裁剪，各条相邻的边坡线汇总生成边坡面；

设计表面数字地面模型生成步骤S140：将机场设计区域和边坡区域汇总，包括所有的边坡线，创建表示设计范围的三角网数模；

土方量计算步骤S150：使用方格网法进行土方计算，具体包括

(1)根据设计表面模型计算出整个设计区域，包括边坡的最小包围框；

(2)对最小包围框按照特定的边长划分成若干个小方格，创建M*N的DEM模型，每一个方格通过数模内插点标高分别获得设计标高和原始地形标高，计算这个小方格的填方量和挖方量；

(3)累加所有方格的填方量和挖方量，得到整个机场的土方工程量。

2.根据权利要求1所述的机场土方计算方法，其特征在于：

在步骤S110和步骤S120之间，还具有机场设计区域外边界数据导入步骤S115：对含有高程信息的机场设计区域边界线进行离散化，所述边界线具有多段，离散化后是一个多边形，对该多边形进行狄洛尼三角化，创建OSG节点然后加载到数字地球平台作为网格显示。

3.根据权利要求1或2所述的机场土方计算方法，其特征在于：

在步骤S110中，将机场跑道的中心定义为机场坐标系的原点，建立一个X轴指向正东、Y轴指向正北的平面直角坐标系，并且定义它和地理坐标系的转换关系，从而能够在平面直角坐标系中进行相关的计算。

4.根据权利要求3所述的机场土方计算方法，其特征在于：

在步骤S120中，在获得原始地形高程数据时，通过机场设计范围线计算出最小包围框，然后下载包围框内的原始地形高程数据，保存在DEM。

5.根据权利要求4所述的机场土方计算方法，其特征在于：

在步骤S120中，将所述最小包围框往各个方向扩大一定距离得到新的包围框，然后下载新的包围框内的原始地形高程数据。

6.根据权利要求1或2所述的机场土方计算方法，其特征在于：

边坡生成步骤S130具体包括：

(1)对机场设计范围边界线按指定间距进行采样，平面上每个样本点沿边界线该点的法线方向做一条射线，该射线即为放坡线，放坡线是由填挖规则拼接而成的折线，每一段的斜率根据用户输入的填挖方坡比来确定，沿该放坡线在平面上的投影直线，在原始地形TIN数模上计算剖面线，该剖面线与放坡线的纵断面折线计算交点，在第一个交点处截断折线，得到边坡线的终点；

(2)每个离散点处都进行边坡线计算，得到整个设计范围的边坡线集合；

(3)访问每一条边坡线，如果它与其他的边坡线产生相交，就在交点处对这条边坡线进行截断，裁剪后的结果作为正式边坡线。

7.根据权利要求6所述的机场土方计算方法，其特征在于：

在边坡生成步骤S130中，还具有每相邻的两条边坡线构成若干个四边形和三角形，按照这种方式可以根据所有边坡线创建OSG中的节点，将每个四边形和三角形作为一个可绘制体，以OSG节点的方式在数字地球平台上显示出来。

8.根据权利要求3所述的机场土方计算方法，其特征在于：

在表面数字地面模型生成步骤S140中，采用狄洛尼三角网作为数学模型，机场设计范围的每一条线段和每一条边坡线作为断裂线数据添加到三角网，根据特定的算法转换成面，得到表面数字地面模型。