机场净空区与障碍物精细化三维建模与表达

张玉茜

摘  要：针对机场净空区与障碍物三维可视化中出现的问题，本文依据民用机场飞行区的相关技术要求与标准，对机场净空区进行精确计算，并基于三维建模软件Sketch Up对机场净空区与机场周边障碍物进行精细化建模研究。针对障碍物模型构建分类体系，建立障碍物模型库，使用开源三维框架Cesium进行综合展示。研究结果表明，通过Sketch Up进行精准三维建模，进行净空区与障碍物三维场景的展示，为后期进行超高分析、数据管理等提供技术支持。

关键词：机场净空  三维建模  三维可视化  障碍物

中图分类号：P258                             文献标识码：A                 文章编号：1674-098X（2020）09（a）-0129-09

Abstract： In view of the problems in the three-dimensional visualization of airfield clearance zone and obstacles， this paper accurately calculates the Airfield Clearance Zone based on the relevant technical requirements and standards of the civil airport flight zone. And based on THE 3D modeling software Sketch Up， refined modeling research was conducted on the airport clearance area and obstacles around the airport. The classification system is built for obstacle models， the obstacle model library is established， and the open source 3D framework Cesium is used for comprehensive display. The research results show that the accurate three-dimensional modeling is performed by Sketch Up， and the three-dimensional scenes of the airfield clearance zone and the obstacle are displayed， which provides technical support for the ultra-high analysis and data management in the later stage.

Key Words：Airfield clearance zone; 3D modeling; 3D visualization; Obstacle

隨着中国经济的蓬勃发展，人们的出行方式也逐渐丰富了起来，而选择乘坐飞机出行的人群比重也在逐渐提升，飞行安全也越来越受到大众的关注。而机场净空区内对建筑物以及信号塔等障碍物有着严格的高度要求，中国的建设力量也越来越强大，建筑物高度也逐渐突破天际，如果建筑高度超出规定，将会对飞行安全造成威胁。

三维建模技术已经趋于成熟，基于不同的三维建模平台都有出色的成功案例[1-4]。基于三维建模技术，对机场净空区的研究主要有，李宗礼基于ArcGIS软件构建机场三维净空模型，进行机场障碍物的净空评价和展示[5]。陆济湘等计算出机场净空范围，在AutoCAD中进行机场净空平面的绘制，综合使用GIS技术建立了基于不规则三角网的机场净空限制面三维数字模型，不仅能够进行机场净空区的三维展示，并且能够根据位置查询出限高值[6]。刘维斗与赵瑞根据民航相关技术标准的规定，对洛阳机场进近面、起飞爬升面、内水平面等净空障碍物限制面进行数学建模，利用KML地理信息标记语言对该模型进行立体描述，并通过Google Earth实现了洛阳机场净空区域模型的三维可视化，直观的显示净空规划范围，实现了洛阳机场的净空管理的可视化[7]。焦守波与袁春娟进行了机场净空区评定管理研究，减少了工程修建与人工计算产生的误差，提高了工作效率[8]。

在现阶段研究基础之上，为了实现机场净空区与障碍物的三维浏览与显示，首先确定净空区几何坐标系，进行各组成区顶点的精准计算与精细化建模，其次对障碍物进行精细化建模并构建出障碍物模型库，最后基于开源三维框架进行净空区与障碍物可视化。

1  净空区组成及定义

《民用机场飞行区技术标准》对于机场净空的概念描述如下，为保障飞机起降安全而规定的障碍物限制面以上的空间，用以限制机场及其周围地区障碍物的高度。为了保证飞机起飞着陆，沿着机场跑道周围要有一个没有影响飞行安全的障碍物的区域，这个区域叫做机场净空区[9]。净空区示意图如图1所示。

机场净空区由端净空和侧净空组成，端净空是一组从跑道两端以一定距离起，根据一定的条件，采取相应的起始宽度和向两侧扩展的斜率及障碍物限制坡度所组成的梯形或舌形的净空限制面，包括起飞爬升面、进近面、内进近面、复飞面等。起飞爬升面是净空道边缘、跑道端的一个倾斜的平面和其他规定的面。进近面是跑道入口前的一个倾斜的平面或几个平面的组合。内进近面是靠近跑道入口的一个矩形，其起点与进近面的起点重合，并按规定的进近面的宽度、长度和坡度向上向外延伸至进近面的终点。复飞面是预留返航所需的空间，在保证飞机着陆失败后能够顺利复飞。

侧净空由过渡面、内水平面、锥形面、内过渡面等部分组成。过渡面沿跑道中线两侧各向外倾斜，两端按规定的坡度准全边线向外倾斜，直到与相应的内水平面和锥形面相交为止。内水平面是位于机场及其周围以上的一个水平面中的一个面，其类似一个椭圆，由两边的两个半圆和中间一个矩形组成。锥形面从内水平面的周边开始，以一定坡度向上和向外倾斜，直到规定的外缘高度为止。

障碍物定义为位于供飞机地面活动的地区上，或突出于为保护飞行中的航空器而规定的限制面之上，或位于上述规定限制面之外但评定为对空中航行有危险的，一切固定的（无论是临时的还是永久的）和移动的物体，或是这些物体的一部分，主要的障碍物有电力塔、信号塔、高层建筑等。

2  净空区模型构建

2.1 几何坐标系构建

净空区模型建立，首先进行几何坐标系的构建，以机场跑道端点进近面一侧为原点建立空间直角坐标系[9-10]。确定坐标原点为机场升降带进近面一端与跑道中心线相交的位置，X轴正方向为跑道中心线向进近面延伸的方向，Y轴与X轴垂直且位于升降带侧边，Z轴为原点所在水平面的法线。以原点为起点进行数学计算与模型构建，几何坐标系示意图如图2所示。

2.2 净空区关键顶点计算

2.2.1 进近面顶点计算

对于进近面的顶点计算，关键参数有跑道长度为L，宽度为W。进近面一共分为三段，第一段坡度为S1，长度为L1;第二段坡度为S2，长度为L2;第三段为水平段，长度为L3，末端高度为H;进近面靠近升降带一侧宽度为2W1整体侧边散开率S0。进近面的方程有8个点需要确定，又因为其点位关于坐标轴对称，所以只求4个，分别记为A1、A2、A3、A4，具体点位置如图3所示。

A1点坐标为A1（0，W1，0），A2，A3，A4计算公式如下所示。

2.2.2 过渡面与内水平面顶点计算

过渡面坡度S3，过渡面与内水平面相交的点有B1、B2，进近面两侧过渡面与内水平面的交点B3，起飞爬升面两侧过渡面与内水平面的交点B4，以及升降带与过渡面交点A1、A0，进近面的跑道入口距离为W2，内水平面的高度为H1，起飞爬升面的向上倾斜的坡度S5具体点位置如图4所示。

内水平面由两个半圆和中间一个矩形组成，两端半径为R，两端半圆的圆心为跑道中心线与跑道端线的交点。需要计算的顶点主要是矩形和半圆的连接点B5、B6。

2.2.3 锥形面顶点计算

锥形面的主要参数有2个，锥形面的高度H2和向外向上延伸的坡度S4。计算锥形面的主要顶点数据有，进近面与锥形面的交点C1以及经过进近面边线的垂面与锥形面边线的交点C2，以及锥形面的末端拐点C3和C4，具体点位置如图5所示。

2.2.4 起飞爬升面顶点计算

起飞爬升面的界限包括一条起端的内边、两条侧边和一条末端界以及外边界。起飞爬升面的主要参数有跑道入口距离为W4，起端宽度W5，起飞爬升面的长度L6，起飞爬升面的向上倾斜的坡度S5，起飞爬升面向两侧扩散的斜率S6。起飞爬升面的计算主要是计算起飞爬升面的顶点D1、起飞爬升面与内水平面的交点D2、起飞爬升面与锥形面的交点D3、锥形面被起飞爬升面切割的拐点D4和起飞爬升面的末端顶点D5，图6为起飞爬升面的具体点位示意图。

2.3 净空区精细化建模

2.3.1 机场跑道建模

机场跑道长度为3600m，宽度为45m，根据机场的长度和宽度定义矩形，并根据民用机场飞行区技术标准与机场实地情况构建跑道细节，主要细节构建有垂直穿越跑道的滑行道中线标志，滑行边线及滑行道肩标志，飞行区滑行道的强制性指令标志，复杂的滑行道相交处信息标志等，机场细节建模如图7所示。

2.3.2 进近面建模

进近面第一段起端的宽度300m，起端距跑道入口距离60m，侧边散开率为15%，整个第一段的长度为3000m，坡度为2%。第二段侧边散开率为15%，整个第二段的长度3600m，坡度为2.5%。水平段长度为8400m，侧边散开率为15%。关键顶点有8个分别为A1、A2、A3、A4，以及A1、A2、A3、A4关于跑道中心线的镜像点，通过对称即可画出，将各定点连接起来即可，如图8。

2.3.3 过渡面与内水平面建模

过渡面沿跑道中线两侧各向外倾斜150m，斜率为1：7，其下边缘从进近面的侧面与内水平面交点处开始向下延伸至内进近面的内侧面，然后再沿升降带与跑道中线平行过渡面上边在内水平面的平面上，与进近面的构建类似，过渡面的顶点顺序为B1、B2、B3、B4，通过对称得到另外半边的顶点位置，过渡面模型构建完成。

内水平面的高度为45m，半径为4000m，除与过渡面的交点之外，关键顶点有B5、B6。以跑道两端入口中点为圆心，按半径4000m画出两侧的圆弧，再以与跑道中线平行的两条直线与圆弧相切成一个近似椭圆形，将其与过渡面连接，构建出一个水平面即为内水平面。过渡面与内水平面细节建模结果如图9所示。

2.3.4 锥形面建模

锥形面的构建，锥形面斜率为1：20，宽度为2000m，首先根据C3和C4的位信息构造出半圆构成外边界，外边界高167.76m，内水平面与锥形面的交线构成内边界。从锥形面上那个半圆选个点在同一平面内连接内水平面的一个点构建直角三角形，坡度為5%，选中锥形面的半圆点击路径跟随再选中直角三角形，锥形面倾斜部分构造完成，其结果如图10所示。

2.3.5 起飞爬升面建模

起飞爬升面，起端宽度为180m，末端宽度为1200m，侧边散开度为12.5%，坡度为2%。首先构建方法类似于进近面，画出起端线与末端线，定义好坡度，延长至15000m处，即可构建完成，结果如图11所示。最终净空区结果图如图12、13所示，还包括复飞面与内进近面。

3  障碍物精细化建模与模型库构建

3.1 障碍物精细化建模

障碍物模型构建，通过实地调查与测量，得到障碍物模型的属性信息主要有名称，经纬度，障碍物相对于机场基准点的磁方位角，直线距离，相对于机场基准点的水平距离（平行于跑道），相对于跑道中心线/延长线垂直距离，所在限制面，障碍物高程，障碍物最高点高程（含屋顶构筑物、施工塔吊），以及超高情况，实景照片等信息。根据信息与照片上的纹理，在Sketch Up中进行空间坐标系的建立与建模工作，构建结果如图14所示。

3.2 障碍物模型库构建

为方便后期模型三维可视化与模型管理，进行障碍物模型库的构建工作。根据障碍物在不同功能、范围、外观进行障碍物的划分，15km以内的障碍物划分为烟囱、高压电线塔、电线杆、移动信号塔、联通信号塔、照明灯、塔台、航管楼9类。在15～55km之间，将障碍物划分为避雷针、烟囱、移动信号塔、联通信号塔、高压电线塔、电线杆、居民楼、行政办公楼、庙宇、塔吊10类。在进行后期障碍物增加时，同一类型的障碍物可以直接从模型库里调用模型，进行简单参数修改即可使用。

4  净空区与障碍物三维可视化

Sketch Up进行三维建模得到的仅仅是单体模型，结合开源三维框架Cesium与三维可视化等技术，将机场净空区与障碍物进行综合展示。Cesium是一款优秀的开源三维框架并且具有良好的三维可视化效果，并在性能，精度，渲染质量以及多平台，易用性上都有高质量的保证。Cesium支持.gltf和.glb格式的文件，Sketch Up建模得到的数据并不能直接在Cesium中进行显示，首先通过Sketch Up将数据导出为.obj格式的文件，然后通过Cesium官网提供的obj2gltf工具库将obj文件转换为过.gltf或.glb格式的文件。将障碍物的名称以及经纬度等属性信息存储在json格式中，通过前端遍历以及坐标转换等工作进行障碍物的综合展示，净空区及障碍物可视化结果如图15与图16所示。

5  结语

根据相关技术标准与规定，对机场净空区各个组成部分进行分析研究，以跑道一端中间位置为原点构建空间直角坐标系，通过构建数学公式对进近面、过渡面与内水平面、锥形面和起飞爬升面等关键顶点进行精确计算，通过三维建模软件Sketch Up对各个面进行三维建模。对于障碍物，根据属性信息构建三维模型，并定义分类标准，实现了障碍物模型库的构建。结合开源三维框架Cesium与三维可视化技术，实现了净空区与障碍物模型的三维可视化，能够实现简单的三维浏览等功能。

参考文献

[1] 张伟，周洪文，江婷，等.基于SketchUp的某地铁站三维模型构建方法[J].矿山测量，2015（1）：82-85，6.

[2] 陈建辉，李朝奎，方军，等.基于3DsMax与SketchUp的联合三维建模方法及其应用[J].地理信息世界，2018，25（3）：60-63，70.

[3] 周鹏.基于SketchUp和ArcGIS三维虚拟校园模型的设计与实现[J].科技创新与生产力，2016（2）：53-54.

[4] 王崇倡，王琦.基于Skyline和SketchUp的数字校园设计与实现[J].测绘与空间地理信息，2018，41（7）：180-182，186，191.

[5] 李宗礼.基于ArcGIS的机场净空分析三维可视化[J].民航学报，2018，2（1）：11-15.

[6] 陆济湘，宋晓丽，李雪林.机场净空区范围的确定及三维可视化[J].武汉理工大学学报信息与管理工程版，2013，35（6）：828-832.

[7] 刘维斗，赵瑞.洛阳机场净空区域三维模型的分析与实现[J].科技创新与应用，2015（23）：71-72.

[8] 焦守波，袁春娟.机场净空区评定管理研究[J].科技资讯，2019，17（15）：48-49.

[9] 中國民用航空局.民用机场飞行区技术标准[S]﹒MH5001-2013，2013.

[10] 刘应朝.机场净空分析的三维可视化及其算法研究[D].成都：成都理工大学，2009.

[11] 盛昀.绵阳机场净空管理的系统研究[D].北京：中国民用航空飞行学院，2019.