CN109710994B - 基于数字地球的机场障碍物限制面超限分析方法 - Google Patents

Abstract

一种基于数字地球的机场障碍物限制面超限分析方法，包括坐标系转换步骤S110，障碍物限制面建立步骤S120，障碍物限制面数字模型建立步骤S130，超高方格计算步骤S140和超限边界计算步骤S150。本发明使用孔斯曲面精确定义障碍物限制面的形状，能够进行精确的数学分析；建立了障碍物限制面的数字表面模型，能够快速的找到障碍物限制面的标高；基于原始地形数模和障碍物限制面数字表面模型进行超限分析的算法有效提升机场净空分析的效率；本发明的原始地形超高分析能够得到超高范围的边界、超高产生土方量和最大超限高度，极大的提高了机场净空分析的效率。

Description

基于数字地球的机场障碍物限制面超限分析方法

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障碍物限制面超限分析方法，能够在机场前期的分析设计中进行净空分析，优化机场设计。

背景技术

传统的净空分析多数是在二维平面完成的，设计人员根据《民用机场飞行区技术标准》MH5001-2013，在AutoCAD中绘制净空平面图及断面图。在进行超高分析时，一般情况下采用人工分析的方式，直接在平面上进行超高分析。但是由于原地面和净空面都是变化的平面，比较两个平面之间的高度关系并不方便，即使采用一些特定分析技巧(比如将某些变化的面拆分进行分析)，人工超高分析误差仍然很大，而且工作繁重。

在机场净空设计中，目前应用较多的是基于AutoCAD的Obstacle SurfacePlanner软件，该软件能够导入地形数据(DEM)和表格形式的障碍物数据，在输入跑道等级、几何尺寸的情况下，自动生成需要的多个净空面，同时能够对障碍物超高进行简单的分析。

由于在机场设计前期阶段并不容易获得地形和障碍物数据，实际设计人员在使用时很少使用净空分析的功能，主要使用的只是绘制最终的障碍物限制面成果图，这大大减弱了该软件的适用性。

因此，如何能够让用户方便地在机场设计前期阶段进行净空分析，优化机场设计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的机场障碍物限制面超限分析方法，能够让用户方便地在机场设计前期阶段进行净空分析，优化机场设计。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

基于数字地球的机场障碍物限制面超限分析方法，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(经纬度)之间的转换关系；

障碍物限制面建立步骤S120:根据障碍物限制面的特点，选择使用孔斯曲面作为障碍物限制面的数学模型；

障碍物限制面数字模型建立步骤S130:建立方格空间索引，所述方格空间索引包括若干个可以快速访问的矩阵化的方格，每个方格中保存覆盖这个方格的所有的障碍物限制面索引；

超高方格计算步骤S140:计算所有障碍物限制面的最大范围，将其划分成M*N的方格区域，每个单元格计算出对应的障碍物限制面最低高度，再计算出这一点的原始地形高度，如果障碍物限制面的高度小于原始地形高度，就表示这个单元格是超限的，找到一个超限的方格之后，使用广度优先遍历的方式进行遍历，查找出所有的超限区域；

超限边界计算步骤S150：自动搜索每一个超限区域并追踪它的边界线，得到超限区域的边界线。

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，障碍物限制面包括内水平面、锥形面、进近面、过渡面、复飞面和起飞爬升面。

可选的，在步骤S120中，所述孔斯曲面为单线性孔斯曲面。

可选的，在步骤S140中，所述计算出对应的障碍物限制面最低高度具体为利用障碍物限制面数字模型的方格空间索引获取所在方格，然后获得覆盖这个方格的所有障碍物限制面，计算这一点在每个障碍物限制面中的标高，取最小值即可。

可选的，在步骤S140中，所述计算出这一点的原始地形高度具体为：通过数字地球平台获得机场净空影响范围内的DEM数据，进行坐标转换后建立TIN三角网，以便快速查询某一点的原始地面高程。

可选的，S140的具体步骤可以为：

(1)计算整个净空设计范围的最小包围框，将其划分成10米边长的多个小方格，整个包围框的区域构成一个M*N的DEM；

(2)遍历DEM的每一个方格，根据方格中心点的X、Y坐标，通过原始地形三角网数模内插计算原地面标高，通过净空面数字表面模型内插计算净空限制标高，如果原地面标高大于净空限制标高，就表示这个方格是超限的；

(3)沿行、列遍历所有方格，找到一个超限的方格之后，使用广度优先遍历的方式查找与它直接相邻的4个方格，如果哪个方格是超限的，就添加到缓冲区，从缓冲区取出最后一个方格，继续执行周边查找，多次执行这个过程，直到一个超限区域被查找出来；

(4)继续遍历所有方格，找到下一个未被使用的小方格，开始下一个超限。

可选的，所述步骤S150具体为：

(1)每一个超限区域都是多个相邻DEM方格的集合，建立标准图算法的“点-边”数据结构，通过某个顶点能快速获取它连接的边，通过每条边也能快速获取它连接的两个顶点；

(2)找到最左下角的顶点作为出发点，以水平向右作为起始搜索方向，按照逆时针的顺序寻找它连接的边，再将这条边的另一个顶点作为出发点，继续查找下一条边；

(3)重复执行步骤2，直到查找到的结果是已经搜索到的一个顶点，将所有搜索到的顶点连接起来，得到超限区域的边界线。

本发明具有如下的优点：

1.使用孔斯曲面精确定义障碍物限制面的形状，能够进行精确的数学分析；

2.建立了障碍物限制面的数字表面模型，能够快速的找到障碍物限制面的标高；

3.基于原始地形数模(TIN)和障碍物限制面数字表面模型进行超限分析的算法有效提升机场净空分析的效率；

4.追踪超限区域，较好的获得了超限区域边界线。

本发明的原始地形超高分析能够得到超高范围的边界、超高产生土方量和最大超限高度，极大的提高了机场净空分析的效率。

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障碍物限制面超限分析方法的流程图；

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是单线性孔斯曲面的示意图；

图4为根据本发明具体实施例的参数化生成障碍物限制面的示意图；

图5是根据本发明具体实施例的遍历方格搜索超限区域的原理示意图。

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和影像数据，完成机场坐标系和数字地球坐标系的变换，建立净空需要的各个障碍物限制面，并相应的障碍物限制面数字表面模型，以便能够快速的寻找到所有的障碍物限制面，最终利用DEM依据现有地形表面和障碍物限制表面，实现快速的超高分析。

具体而言，参见图1，示出了基于数字地球的机场障碍物限制面超限分析方法的流程图，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，以便障碍物限制面和原始地形DEM能在同一个坐标系中参与计算。

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。

因此，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，以便障碍物限制面和原始地形DEM能在同一个坐标系中参与计算。

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，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。

障碍物限制面建立步骤S120:根据障碍物限制面的特点，选择使用孔斯曲面作为障碍物限制面的数学模型。

每个障碍物限制面的几何参数在《民用机场飞行区技术标准》MH5001-2013中有详细的规定。

具体而言，本发明的障碍物限制面包括内水平面、锥形面、进近面、过渡面、复飞面和起飞爬升面的障碍物限制面。

上述障碍物限制面根据跑道参数和飞行区等级标准就能参数化生成。

孔斯曲面是一种基于边界条件定义的数学插值曲面，构造出来的曲面严格满足给定的边界条件。

孔斯曲面从本质上来说是根据四条边界曲线进行插值得到的，能够支持复杂的曲面形状。对于机场净空需要的各个限制面来说，它是由许多直线、圆弧段组成的曲面片。通过实际计算结果的对比分析，选择单线性孔斯曲面用于机场净空分析。

参见图3，单线性孔斯曲面由两条相对的边界曲线(C1、C2)加上两条直线段(L1、L2)构成，边界曲线可以包括多种类型，例如Bezier曲线、B样条曲线以及离散点拟合曲线等。给定两条边界曲线C1(0,v)、C2(1,v)，在C1和C2曲线上按照线性插值可获得中间的过渡线段，从这个角度来看它是一个直纹曲面。

孔斯曲面是一种标准的数学曲面，在多种计算机图形学的论文或专著中就能找到它的定义规则。根据孔斯曲面定义计算曲面内任意点的标高，采用标准的算法进行实现即可。

具体而言，在本发明的障碍物限制面中利用孔斯曲线计算高程值的方法为：

(1)从目标点的XY坐标计算孔斯曲面中对应的UV坐标；

(2)根据计算出来的UV坐标，使用双线性内插法计算高程值。

障碍物限制面数字模型建立步骤S130:建立方格空间索引，所述方格空间索引包括若干个可以快速访问的矩阵化的方格，每个方格中保存覆盖这个方格的所有的障碍物限制面索引。

所述方格空间索引为矩阵化的多个方格，即为障碍物限制面的数字表面模型，其包含了多个孔斯曲面的集合。

由于每个障碍物限制面由一个或多个孔斯曲面组成，这些曲面之间还可能有重叠(竖向标高不同)，不能直接建立三角网类型的数字表面模型。因此，步骤S130目的在于建立基于这些数学曲面建立可快速计算任意点高程的数字表面模型。图4为根据本发明具体实施例的参数化生成障碍物限制面的示意图。

超高方格计算步骤S140:计算所有障碍物限制面的最大范围，将其划分成M*N的方格区域，每个单元格计算出对应的障碍物限制面最低高度(障碍物限制面有平面重叠)，再计算出这一点的原始地形高度，如果障碍物限制面的高度小于原始地形高度，就表示这个单元格是超限的，找到一个超限的方格之后，使用广度优先遍历的方式进行遍历，查找出所有的超限区域。

其中，在步骤S140中，所述计算出对应的障碍物限制面最低高度具体为利用障碍物限制面数字模型的方格空间索引获取所在方格，然后获得覆盖这个方格的所有障碍物限制面，计算这一点在每个障碍物限制面中的标高，取最小值即可。

其中，在步骤S140中，所述计算出这一点的原始地形高度具体为：通过数字地球平台获得机场净空影响范围内的DEM数据，进行坐标转换后建立TIN三角网，以便快速查询某一点的原始地面高程。

这是因为

(1)OsgEarth提供了非常方便的查询任意点高程的方法，可以指定障碍物限制面的经纬度范围创建标准的DEM模型；

(2)DEM类中保存的每个点都是经纬度坐标，需要将其转换到机场坐标系，从球面到平面的转换之后就不再是规则的方格数据，因此需要建立标准的狄洛尼三角网数字地面模型(TIN)来存储转换到机场坐标系之后的原始地形数模。

其中S140的具体步骤可以为，参见图4：

(1)计算整个净空设计范围的最小包围框，将其划分成10米边长的多个小方格，整个包围框的区域构成一个M*N的DEM；

(2)遍历DEM的每一个方格，根据方格中心点的X、Y坐标，通过原始地形三角网数模(TIN)内插计算原地面标高，通过净空面数字表面模型内插计算净空限制标高，如果原地面标高大于净空限制标高，就表示这个方格是超限的；

(3)沿行、列遍历所有方格，找到一个超限的方格之后，使用广度优先遍历的方式查找与它直接相邻的4个方格(即上下左右)，如果哪个方格是超限的，就添加到缓冲区，从缓冲区取出最后一个方格，继续执行周边查找，多次执行这个过程，直到一个超限区域被查找出来；

(4)继续遍历所有方格，找到下一个未被使用的小方格，开始下一个超限。

超限边界计算步骤S150：自动搜索每一个超限区域并追踪它的边界线，得到超限区域的边界线。

在一个可选的实施例中，

(1)每一个超限区域都是多个相邻DEM方格的集合，建立标准图算法的“点-边”数据结构，通过某个顶点能快速获取它连接的边，通过每条边也能快速获取它连接的两个顶点；

(2)找到最左下角的顶点作为出发点，以水平向右作为起始搜索方向，按照逆时针的顺序寻找它连接的边，再将这条边的另一个顶点作为出发点，继续查找下一条边；

(3)重复执行步骤2，直到查找到的结果是已经搜索到的一个顶点，将所有搜索到的顶点连接起来，得到超限区域的边界线。

综上，本发明解决了如下的问题：

(1)建立能够实时获取各个区域高程和影像数据的数字地球平台。

基于日益成熟的数字地球技术，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。

(2)机场坐标系和数字地球坐标系的变换。

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，建立两个坐标系之间的转换。

(3)建立净空需要的各个障碍物限制面的数学模型。

障碍物限制面包括内水平面、锥形面、进近面、过渡面、复飞面、起飞爬升面等多种，从几何特点来看属于三角面、梯形面、圆锥面等类型。建立一种孔斯曲面数据结构和方格空间索引的数学模型，能够在内存中快速计算障碍物限制面每个点处的标高，并在数字地球平台上进行快速网格化显示。

(4)根据所有的障碍物限制面，建立能够快速内插高程的障碍物限制面数字表面模型。

每个障碍物限制面由一个或多个基本数学曲面组成，这些曲面之间还可能有重叠(竖向标高不同)，不能直接建立三角网类型(TIN)的数字表面模型，本发明基于这些数学曲面(包括平面重叠竖向不同的部分)建立能够快速计算高程的数字表面模型。

(5)依据现有地形表面和障碍物限制表面，实现快速的超高分析。

由于障碍物限制面数字表面模型的特殊性，不能使用传统两个三角网直接叠加分析交线的算法，本发明基于原始地形数模(TIN)和障碍物限制面数字表面模型进行超高区域的追踪和绘制。

本发明具有如下的优点：

1.使用孔斯曲面精确定义障碍物限制面的形状，能够进行精确的数学分析；

2.建立了障碍物限制面的数字表面模型，能够快速的找到障碍物限制面的标高；

3.基于原始地形数模(TIN)和障碍物限制面数字表面模型进行超限分析的算法有效提升机场净空分析的效率；

4.追踪超限区域，较好的获得了超限区域边界线。

本发明的原始地形超高分析能够得到超高范围的边界、超高产生土方量和最大超限高度，极大的提高了机场净空分析的效率。

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 (7)

1.基于数字地球的机场障碍物限制面超限分析方法，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经纬度的地理坐标之间的转换关系；

障碍物限制面建立步骤S120: 根据障碍物限制面的特点，选择使用孔斯曲面作为障碍物限制面的数学模型；

障碍物限制面数字模型建立步骤S130:建立方格空间索引，所述方格空间索引包括若干个可以快速访问的矩阵化的方格，每个方格中保存覆盖这个方格的所有的障碍物限制面索引；

超高方格计算步骤S140: 计算所有障碍物限制面的最大范围，将其划分成M*N的方格区域，每个单元格计算出对应的障碍物限制面最低高度，再计算出这一点的原始地形高度，如果障碍物限制面的高度小于原始地形高度，就表示这个单元格是超限的，找到一个超限的方格之后，使用广度优先遍历的方式进行遍历，查找出所有的超限区域；

超限边界计算步骤S150：自动搜索每一个超限区域并追踪它的边界线，得到超限区域的边界线；

所述自动搜索每一个超限区域并追踪它的边界线，得到超限区域的边界线，具体包括：

（1）每一个超限区域都是多个相邻DEM方格的集合，建立标准图算法的“点-边”数据结构，通过某个顶点能快速获取它连接的边，通过每条边也能快速获取它连接的两个顶点；

（2）找到最左下角的顶点作为出发点，以水平向右作为起始搜索方向，按照逆时针的顺序寻找它连接的边，再将这条边的另一个顶点作为出发点，继续查找下一条边；

（3）重复执行步骤2，直到查找到的结果是已经搜索到的一个顶点，将所有搜索到的顶点连接起来，得到超限区域的边界线。

2.根据权利要求1所述的分析方法，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。

3.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：

在步骤S120中，障碍物限制面包括内水平面、锥形面、进近面、过渡面、复飞面和起飞爬升面。

4.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：

在步骤S120中，所述孔斯曲面为单线性孔斯曲面。

5.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：

在步骤S140中，所述计算出对应的障碍物限制面最低高度具体为利用障碍物限制面数字模型的方格空间索引获取所在方格，然后获得覆盖这个方格的所有障碍物限制面，计算这一点在每个障碍物限制面中的标高，取最小值即可。

6.根据权利要求5所述的分析方法，其特征在于：

在步骤S140中，所述计算出这一点的原始地形高度具体为：通过数字地球平台获得机场净空影响范围内的DEM数据，进行坐标转换后建立TIN三角网，以便快速查询某一点的原始地面高程。

7.根据权利要求6所述的分析方法，其特征在于：

S140的具体步骤可以为：

（1）计算整个净空设计范围的最小包围框，将其划分成10米边长的多个小方格，整个包围框的区域构成一个M*N的DEM；

（2）遍历DEM的每一个方格，根据方格中心点的X、Y坐标，通过原始地形三角网数模内插计算原地面标高，通过净空面数字表面模型内插计算净空限制标高，如果原地面标高大于净空限制标高，就表示这个方格是超限的；

（3）沿行、列遍历所有方格，找到一个超限的方格之后，使用广度优先遍历的方式查找与它直接相邻的4个方格，如果哪个方格是超限的，就添加到缓冲区，从缓冲区取出最后一个方格，继续执行周边查找，多次执行这个过程，直到一个超限区域被查找出来；

（4）继续遍历所有方格，找到下一个未被使用的小方格，开始下一个超限。

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