面向安全监测的机场三维建模方法

方 军，黄长青，娄书荣

（1.武汉大学遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079；2.天津市地下空间规划管理信息中心，天津 300070）

随着经济和航空运输事业的发展，机场规模不断扩大，航线不断增多，飞行间隔不断缩小，机场周边城市建设的扩张等诸多因素，机场的安全问题日益严重，机场安全事故屡有发生。机场的安全监测形势越来越严峻，亟须采取新的技术手段来解决这些问题。三维建模技术可以直观精确地还原现实中的障碍物与机场设施，有助于快速地进行飞行安全分析和模拟，及时发现影响机场安全的危险源，降低机场安全事故的风险，提高机场安全管理水平。

国外早期将三维仿真技术应用于机场塔台的模拟训练中，逐步发展到机场监测与控制的三维可视化研究等［1］。BEUTHEL等基于 WorldTool-Kit开发实现了二维与三维交互的机场虚拟仿真系统，完成了机场管理过程中的统计图表数据与三维实景的关联［2］。美国田纳西州大学可视化应用中心也利用WorldToolKit和WorldUp开发了机场的布局和客流仿真系统，并对旅客行李安检出入进行了模拟，为机场的安保工作提供了支持［3］。国内已有学者构建了机场净空区三维模型并进行超高障碍物三维分析等研究［4－7］，并基于GIS开发了机场多跑道三维净空管理系统［8］和机场旅客导航系统［9］等。以上研究均利用三维技术提高了机场安全管理的水平，但并没有对机场内部设施及周边环境进行全方位的三维建模，机场三维场景的逼真度和精细度较差，无法精确地对机场安全进行三维监测。为了更好地发挥三维建模技术给机场安全监测带来的优势，笔者从安全监测的角度分析和探讨了机场三维建模的技术方法，并应用于机场三维展示及安全监测系统中。

1 机场三维建模内容和精度要求

虽然不同机场的安全管理机构设置不尽相同，但大致上都包含以下几个子系统:飞行安全保障系统、机坪安全保障系统、空防安全保障系统、应急救援保障系统和指挥协调系统［10］。各子系统的安全保障具体内容和包含的需要建模的三维实体如表1所示。

表1中各个子系统的各项任务内容相互协调组合完成整个复杂的机场安全管理工作，每一个环节都不容忽视，因此，对与机场安全相关的每一个实体尽可能地进行三维建模监测，其他二维数据和资料数据则通过关联和属性的方式进行监测。

1.1 机场三维建模的范围和对象

构建机场三维场景，首先必须明确机场三维建模的范围和对象。机场净空区是保证飞机起降安全的区域，其范围和规格根据机场等级确定，国家民航局规定最高级别机场的净空区地面范围是机场主跑道中心线两侧各15 km，由升降带两端向外各20 km［11］。因此，基于安全监测的目的，机场三维建模范围必须完全包含机场净空区，并适当向外扩展一定范围。

表1 机场主要安全保障系统及内容

为了节约成本，减少建模工作量，只选取机场建模范围内与机场安全相关联的实体对象进行建模。从空间上将机场三维建模的对象分为3个部分:机场三维地形、机场周边建筑物及设施和机场内建筑物及设施，如表2所示。

表2 机场三维建模的对象

机场选址一般选择地势平坦的地区，但机场周边的地形高低起伏和地貌特征也是影响机场安全不可忽略的因素。地面附属物会影响机场的电磁环境，也可能是飞鸟的聚集地，这些潜在危险源不可忽视。

机场周边建筑物及设施的高度是影响机场净空安全的重要因素，国家民航总局规定:在机场净空保护区域内，物体的高度不得超过障碍物限制面；在机场障碍物限制面范围以外、距机场跑道中心线两侧各10 km，跑道端外20 km的区域内，高出原地面30 m且高出机场标高150 m的物体应当视为障碍物［12］。因此，建模范围内超过限制高度的障碍物必须建模，其他标志性的和特殊用途的建筑物，如电磁信号塔、养殖场、屠宰场、靶场、爆炸物仓库和产生烟雾粉尘的场所等影响飞行安全的物体也需要建模。

机场内部建筑物及设施是机场三维建模的重点，机场内所有建筑物、助航灯光设施、消防和保障设施等，都需要进行高精度的三维建模，主要包括航站楼、塔台、指挥楼、办公楼、住宿楼、跑道、滑行道、停机坪、飞机棚、维修库房、助航灯光、助航标记、消防设施和其他公共设施等。

1.2 机场三维建模精度要求

三维模型的精度等级决定了三维场景的真实度，模型的精度越高，数据量越大，投入的成本越多，建模时间效率和渲染效率越低［13］。综合考虑机场三维建模3个部分建模对象对机场安全监测的重要性不同，划分不同的精度等级。

地形模型是大尺度宏观的表现方式，其精度取决于所用数据源DEM和DOM的精度，机场净空区域内DEM的高程精度要求不低于2 m，DOM的地面分辨率不低于1 m。机场周边建筑物分为基础模型和标准模型两个精度等级，较低层的普通建筑用基础模型，要求高程和平面精度均不低于1 m；高层建筑、标志性建筑等具有特殊性质的建筑则用标准模型的精度来规范，要求高程和平面精度均不低于0.5 m。机场内部建筑物及设施全部使用精细模型精度等级，0.2 m以上的细节都要在模型中体现，并采用真实的高分辨率纹理贴图，确保模型的精确度和逼真度。

2 机场三维建模技术方法

2.1 三维建模流程

在虚拟现实领域，三维建模最早分为基于图形的建模和基于图像的建模两种方式，以及后来逐渐发展起来的结合两者优点的基于图形与图像的混合建模技术［14］。随着技术的发展，许多三维建模商业软件也日趋完善，实际工作中三维模型的构建方法也会根据数据来源和应用需求等因素灵活选择，采用多方式相结合的建模方法。面向安全监测的机场三维建模流程如图1所示。

2.2 机场三维地形建模

图1 面向安全监测的机场三维建模流程图

真三维GIS中的地形场景的构建多采用基于真实地形数据的建模技术，即数据来源必须是精确采集的数字高程模型（DEM），并将高分辨率的正射影像（DOM）映射到相应位置来生成地面纹理。DEM可以通过地面工程测量、地形图数字化、数字摄影测量和三维激光扫描仪等方法获取，DEM的精度直接决定了地形场景的真实感。DEM数据常采用TIN模型中的Delaunay三角网来构建，能更精确地表达复杂的地形表面。DOM是利用DEM对航空影像或高分辨率卫星影像进行数字微分纠正、镶嵌和裁剪等步骤而制作生成的同时具备几何精度和影像特征的影像，高精度的DOM作为地形纹理能够直观真实地反映三维地形表面的丰富信息。三维地形模型的精度越高，数据量越大，对系统的硬件资源要求越高。可以利用LOD（levels of detail）技术对机场三维地形模型进行多分辨率表达，从而提高三维地形的渲染效率和响应速度。

2.3 机场周边建筑物及设施建模

机场周边建筑物及设施主要是对机场构成威胁的障碍物，这些三维模型须具备真实的高度信息，对轮廓细节和纹理的要求不高，但对接近净空限制面高度的物体顶部细节需要如实表达，以便对物体顶部障碍物标志或障碍灯进行有效监测。因此，机场净空区范围内高层建筑和标志性建筑的三维模型须达到标准模型精度，重点关注顶部特征信息；其他潜在威胁的建筑和设施建立基础模型即可。目前，各大城市都已建立完备的数字城市基础数据库，因此，机场周边建筑物采用基于二维GIS数据的较为快捷高效的批量建模方式。

从二维GIS数据库中获取建筑物的基底轮廓、建筑物层高和结构等属性信息，在三维空间中进行拉伸，可以直接批量建立简体模型。简体模型添加表面纹理信息即可构建基础模型。基础模型的顶部纹理可以通过叠加正射影像提取并建立映射关系，侧面纹理利用通用素材库中的纹理统一赋值。

标准模型在批量建模的简体模型基础上，添加顶部模型和完善细节部分，可以进一步增强三维模型的真实感。真实纹理采集于实地拍摄的图像，经过去遮挡物和正射纠正处理后，选取长宽为2N像素大小的贴图，尺寸应控制在512×512像素以内，在保证纹理真实性的前提下，尽可能地减小模型的数据量，以保障系统的流畅性。图2展示了标准模型的顶部造型和信号塔模型。

图2 建筑物批量建模

2.4 机场内建筑物及设施建模

机场内部建筑物及设施建模是机场三维建模的核心和重点，模型的精度要求达到精细级别，在近距离视角下，能够精确细致地展现模型的真实结构，使得三维场景中的模型最大限度地还原现实物体。精细建模通常需要事先搜集大量的现状资料和采集实景数据，除了需要二维GIS数据和正射影像数据的辅助外，还需要收集建筑物的平面图、结构图和施工图等，并进行现场勘测确定方位和材质，实地采集照片纹理等。再利用3DS Max、SketchUp、MultiGen Creator等专业软件，通过人机交互的方式精确绘制并构建出整个复杂模型，并结合实景图像映射纹理，再加入灯光效果进行渲染，最后保存导出为通用格式的模型文件，供三维系统加载调用。通过分析机场内建筑的类别和性质，经实地调查得出机场内部一部分结构相对规则的固定建筑，获得图纸等资料或者通过简单的测量获取准确的参考数据。对另外一部分结构复杂，图纸资料缺失，或者可能存在不稳定性变化趋势的建筑和设施，需要精确监测来获取现实数据。综合考虑这两部分建模内容的特点，前者适合利用3DS Max等专业软件建模，充分利用现有参考数据，可以快速地重建精确的地物模型。后者采用LiDAR技术进行三维建模，可节省数据采集的时间。LiDAR激光扫描仪可以全自动地采集高精度三维点云数据和图像数据，可实现点云数据的半自动化处理和人机交互的地物三维重建。在机场内精细模型的建模工作中，应根据实际情况，因地制宜，灵活选择，两种方法优势互补，并制定流程化的操作步骤，减少重复工作，避免错误，提高建模效率。多方式结合机场三维建模流程如图3所示。

图3 多方式结合的三维建模流程图

（1）基于3DS Max的建模。3DS Max提供了快速高效地制作效果逼真的三维模型的工作流程，并且在材质贴图和光照阴影的渲染方面相比其他软件具有明显的优势。利用3DS Max的烘焙技术可将模型的材质和光照效果烘焙到新的纹理贴图中，能够加强模型亮度，在场景中产生真实的阴影，增强场景的层次感。

（2）基于LiDAR的建模流程。三维激光扫描（LiDAR）技术通过高速激光扫描测量的方法，大面积高密度地获取被测对象表面的三维坐标数据，为快速建立目标的三维模型提供了一种全新的技术手段。与传统摄影测量相比，LiDAR技术具有快速、实时、动态、主动性、不接触性、穿透性、高密度和高精度等显著优势。不论是机载还是地面LiDAR，一般都配置了图像传感器同步采集图像信息，实现了LiDAR点云与图像相结合的建模方式，使得LiDAR三维建模技术更加高效和成熟。机载LiDAR适合大范围的数据采集和三维重建，由于点云密度不够和难免有遮挡遗漏的地方，对模型的细节表现不足；地面LiDAR可以近距离扫描，根据细节复杂程度，自主设定点云密度，进行多站扫描数据拼接确保采集数据的完整性，更易于重建模型的细节部分。利用地面Li-DAR三维建模方法对机场结构复杂的物体进行连续监测，可以对比监测出细小的变形特征，用于安全风险分析，及时修复风险源以减少安全事故的发生。图4展示了机场塔台、机场灯光和道面精细模型的效果。

图4 机场精细模型

3 机场安全监测三维系统

建立机场安全监测三维系统是机场三维建模的最终目的，将三维建模的成果数据应用到机场的管理系统中，使三维建模技术更好地服务于机场安全管理工作。

笔者以某机场为例，分析该机场安全监测需要建模的对象，采用多方式相结合的三维建模方法，构建了机场三维场景，如图5所示。并基于ArcGIS Engine提供的API，采用C#编程语言二次开发了机场安全监测三维系统。该系统集成管理机场二维矢量数据、遥感影像数据、地形数据、三维模型数据和实时监测数据等，实现了真三维环境下的机场不安全因素的监测；能够方便地进行三维净空分析，对超高障碍物进行预警；实现了机场道面数字化管理、灯光故障预警、应急救援模拟等功能。

图5 机场三维场景展示界面图

4 结论

笔者在分析了机场安全保障系统的基础上，确定了机场三维建模的范围和建模对象，并根据安全监测需求，为不同的建模对象制定了相应的精度等级标准，采用多方式相结合的三维建模技术方法，分别研究了机场三维地形、机场周边建筑物及设施和机场内建筑物及设施最适宜的三维建模技术路线。最后在机场安全监测三维系统中进行了应用，验证了面向安全监测的机场三维建模技术方法的有效性和实用性。利用三维建模技术能够有效地监测机场内部及周边的安全风险变化，并及时预警，为机场安全管理提供持续的决策支持，提高了机场整体的管理效率和水平。

［1］WEIKERT C，PHAM M，MONTAN H，et al.A comparison between a 2－D and a 3－D simulation of airport tower air traffic control［C］∥Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting.［S.l.］:SAGE Publications，2001:149 －152.

［2］BEUTHEL C，DAI F，KOLB E，et al.3D visualization for the monitoring and control of airport operations［J］.Control Engineering Practice，2002，10（11）:1315－1320.

［3］KOCH D B.3D visualization to support airport security operations［J］.IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine，2004，19（6）:23 －28.

［4］宋柯.机场三维障碍物面绘制与障碍物分析［J］.空中交通管理，2010（4）:42－45.

［5］LUO C L，CAI L C，HUANG M H，et al.Assessment of military airfield obstacle free space based on GIS［J］.Transactions of Nanjing University of Aeronautics＆ Astronautics，2011，28（3）:294 －299.

［6］郭宽伟，岑国平，马文轩.机场净空GIS快速评定方法研究［J］.测绘科学，2012，37（1）:25－27.

［7］杨留方，沈名威，宗庆.机载LiDAR技术及航测遥感影像在机场净空保护区障碍物调查中的应用［J］.城市勘测，2012（4）:80－82.

［8］易巍，徐军库.基于GIS的机场多跑道三维净空管理系统的研究与开发［J］.测绘科学，2010，35（1）:177－178.

［9］张琳娜，梁伟，李君轶.基于2.5维GIS机场旅客导航系统的研究［J］.西北大学学报:自然科学版，2011（5）:917－921.

［10］王永刚，王一苇.基于风险管理的机场安全目标分解研究［J］.安全与环境学报，2012，12（6）:165 －169.

［11］蔡良才，邵斌，郑汝海，等.机场净空区范围确定方法［J］.交通运输工程学报，2004（4）:40－43.

［12］中国民用航空局.民用机场运行安全管理规定［R］.北京:中国民用航空局，2007.

［13］高山，陈思.城市三维建模技术与标准研究［J］.测绘通报，2013（3）:95－97.

［14］李自力.虚拟现实中基于图形与图像的混合建模技术［J］.中国图像图形学报，2001，6（1）:96 －102.