基于AMDB的机场空侧三维场景建模技术研究

董健康，王洁宁，姜高扬，赵元棣

（中国民航大学a.空中交通管理研究基地；b.天津市空管运行规划与安全技术重点实验室，天津 300300）

机场场面和终端区运行是航空安全重点保障区域，也是造成整个航班运行延误和直接航空运输成本增加的重要区域，随着航空运输的高速发展，大型繁忙机场由于存在复杂的拓扑结构、地面交通协同调度、高吞吐量的飞行流量以及相邻管制单位之间高负荷的管制协调，其逐渐成为约制飞行流量焦点和航空安全事故高发地区。飞行流量的增加迫切要求增加机场容量，主要通过机场扩建、不断改进管制方式和飞行程序、优化场面交通引导与控制等手段实现。同时，恶劣天气影响下的机场管制运行和应急响应处置机制也是保证机场高效、安全运行的重点。上述问题的解决之道在于提高机场塔台管制人员的管制协同调配以及对新程序、新技术的适应能力，这就要求事先逼真模拟各种情况、有针对性地进行反复、详尽的分析验证和演练。高性能的塔台视景模拟仿真系统成为空管新技术研发和管制模拟训练的重要基础设施。

塔台视景模拟仿真是在高真实感、沉浸感虚拟现实环境支持下对空中交通塔台管制（air traffic control tower，ATCT）的模拟仿真，它集成了虚拟现实、分布式实时计算、复杂系统仿真、ATC管制及信息处理等技术，是空管运行验证与模拟训练中最为复杂的一类技术。

虚拟环境的真实感和沉浸感是营造高逼真塔台视景模拟仿真基础，目前视景仿真中主要采用Multigen公司的Greator软件实施三维场景数据库的构建，由其定义的.flt数字场景描述已成为业界标准[1]。传统的机场三维场景数据建模主要通过手工交互手段，在Creator软件中创建和优化模型，随着应用的深入，通过OpenFlight API[2]自动建立特定领域的三维场景数据日益收到重视[3-7]。

机场空侧区域主要由跑道系统、滑行道系统、机坪系统、灯光系统、引导标识牌和导航设施等构成，是航空器及车辆等活动目标运行的场所，其存在着几何拓扑复杂、场景范围广的特征。针对机场空侧区域，国际民航组织（ICAO）在附件14[8-9]中规范了其几何参数、纹理标识和布局体系，为实现机场空侧区域三维场景自动建模提供了支持。然而，机场的拓扑布局由于地理位置、气象条件、运营需求等条件的限制存在不同的构型，为此在航行情报AIP资料中都包含了各个机场的布局资料信息。ICAO在Doc 9881建议采用机场绘图数据库（airport mapping database，AMDB）作为机场几何拓扑信息的标准数据模型[10]。

本文以AMDB为基础，针对机场三维场景数据自动生成问题展开研究。首先分析了AMDB的基本架构和数据构造，然后建立了以AIXM5交换标准[11]为原型的机场数据整合模型，提出了面向机场三维场景数据的特征模型，设计并实现了基于OpenFlight API的场景树构造，最后以天津滨海国际机场为例给出了验证结果。

1 AMDB的基本架构和数据构造

AMDB是描述机场拓扑的地理信息（GIS）数据库，其由两部分数据构成：一是采用点、线和多边形建模的机场几何特征信息；二是描述机场元素的特征信息，包括标识、场面特征及数据精度等。图1给出了AMDB数据库中所包含的机场主要元素。

通常GIS数据模型包含3个部分：数据Schema，数据特征实例和数据特征类。基于此，ICAO制定了相关标准规范机场地图GIS数据，如图2所示，DO-272A[12]给出了机场地图数据所包含的内容，组织机构，发布、更新等的最低标准。DO-291[13]按照文献[9]的需求定义了数据标识、内容、参考体系、质量、获取方式及数据维护等，并针对特征分类采用UML给出了相关数据结构和编码。ARINC-816[14]则定义了嵌入式的机场地图数据库实现。本文重点通过DO-272A和DO-291规范机场地图数据，表1给出了滑行道引导线的主要特征数据定义。

表1 滑行道引导线的主要特征数据定义Tab.1 Taxiway guidanceline information

参照表1的数据项目，本文依据DO-291规范，设计出滑行道元素的XML-Schema结构（如图3所示），实现针对AMDB数据的操作。

由于AMDB主要针对机载合成视景（synthetic vision systems，SVS）和电子飞行包（EFB），采用简单的点、线、面几何表示模型，缺少真实纹理信息，因此需要对机场三维场景数据进行进一步的整合加工，使之适合于三维场景表示。

2 基于AIXM5的数据接口设计

航空信息交换模型AIXM5是EuroControl开发的面向航空信息管理（AIM）的信息交换标准，它以ISO19100系列国际地理信息标准为基础，采用UML和XML规范了航空信息交换模型。AIXM5涵盖了众多航空信息，其中关于机场信息定义了9个特征类，分别是：机场/直升机机场，停机坪，直升机起降场面，灯光系统，指示标志系统，跑道，水上机场，场面污染物，滑行道系统。本文以滑行道系统AIXM5规范为例，讨论ADMB数据的整合，形成相应的接口描述。

AIXM5定义了3个特征类分别描述滑行道（如图4（a）所示）、滑行引导线（如图 4（b）所示）和滑行等待位置（如图4（c）所示）。显然，AIXM5是一套相对庞大的特征描述体系，且存在着复杂关联，它采用UML构造数据概念模型，通过XML+GML实现不同系统间信息互操作交换。

AIXM5针对空管运行应用中信息完整性的需求设计了相应的数据项，由于AIXM5是以OGC（open geospatial consortium）为标准，底层的定义非常复杂，考虑到本文的实际需求，按照AIXM5的概念模型，进行了接口裁剪，形成了如图5所示的XML-Schema接口模型。

3 机场三维场景特征模型

视景仿真的场景描述通常采用OpenFlight数据格式，它是MultiGen-Paradigm公司开发的一种三维模型表示文件格式，适合于场景实时绘制的需求。

由第2节分析可知，AMDB中采用点、线和面来刻画机场拓扑构造，其中缺乏针对机场三维场景的纹理、材质重要元素，同时，针对滑行引导线、停机位线、滑行道标志等都需要进行面片化处理，特别是机场草坪在AMDB中没有具体的数据特征实例，需要进行重建。本文按照OpenFlight的结构特性，采用特征建模的方法，分类对具体的机场三维场景要素进行建模处理。

3.1 场景特征模型分类

依据OpenFlight数据格式，本文建立了不同时候、构造采用子面结构，其构造如图8所示。

表2 特征模型分类Tab.2 Feature model classification

其他机场场景特征模型的参数构造如表2所示。

3.2 场景纹理库构造及映射处理

按照OpenFlight数据格式对纹理数据的要求，本文研究建立了符合纹理优化存储需求的纹理集（tex气ture atlas），首先对纹理进行了分类，主要包括机场地形纹理、滑行道引导标记牌纹理、跑道纹理、机场典型建筑纹理及机场标志牌纹理等。纹理集采用rgba格式，按照2n×2n的大小进行数据组织。由于采用了多纹理合并，需要定义特定的纹理映射，本文根据纹理特征进行编码，形成在纹理集中的UV映射，并且存储到纹理数据库。图9为跑道纹理和滑行道引导标记牌纹理的纹理集合。

按照OpenFlight API接口，纹理映射有两种方式：第1种为直接给定面片顶点纹理坐标，适合于规则纹理的面片纹理映射；第2种为通过构造纹理映射模板实现，主要针对非三角面片或矩形面片的凸多边形面片纹理映射。

3.3 场景生成的处理流程

场景生成的处理流程如图10所示。

图10 场景生成处理流程Fig.10 Processing diagram of scene generation

按照图10的处理流程，编制了机场空侧机场三维场景生成软件模块，并以天津滨海国际机场和上海浦东国际机场为例分别生成了OpenFlight格式的三维场景模型，图11为天津滨海国际机场场景模型。图12为机场关键场景放大表示模型。

4 结语

本文研究建立基于AMDB数据的机场空侧三维场景生成技术，通过AMDB提取机场几何构造数据，按照场景构造元素进行了特征分类，并依据附件14和MH5001-2009对场景特殊的三维模型进行了重建处理，实现了基于OpenFlight API的三维场景构造，结果表明该技术可以实现机场空侧三维场景的自动生成，为快速搭建机场三维场景提供支持。进一步的工作是集成机场三维地标建筑场景模型，并通过虚实结合的手段实现机场周围大场景的构建。

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