基于Cesium的机场净空保护区三维可视化管理关键技术

杨盛华 郭欣萌 尹 洋 杨 魁 张 月 房洪利 王浩涵

(1.天津滨海国际机场有限公司，天津 300300； 2.天津华北地质勘查总院，天津 300170)

0 引言

机场净空保护区是指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边地区障碍物的高度，具有分布范围广、涉及地物多等特点，其管理的好坏直接影响飞机的飞行安全以及机场的高效运行和长远发展[1]。传统的人工管理模式很难对净空保护区内众多的建筑物进行系统性的、有针对性的巡查，存在管理效率低、管理资料繁杂、管理维护难等问题[2]。

为了解决上述问题，进一步实现机场更加安全、高效、智慧的建设愿景，净空安全管理的数字化成为人们研究的焦点。李鹏等[3]在建立机场净空区障碍物限制面的数学模型基础上，使用ArcGIS软件建立净空限制面三角网高程模型。张献民等[4]以SuperMap软件为基础，开发了基于三维动态仿真场景的净空评价系统。盛昀[5]运用ArcGIS平台绘制各个障碍物限制面，研究了每个限制面内的限制高程计算方法。上述成果主要围绕三维模型的建立及净空评价的方法展开研究，理论研究扎实，但与净空安全管理实际需求融合较少，在应用中具有一定的局限性，主要体现在：(1)三维可视化效果较差；(2)互动性操作较少；(3)功能单一，实用性不够。

因此，本文在选择Cesium三维引擎的基础上，对机场净空保护区三维可视化管理关键技术进行研究，并以天津机场为例开发了InSAR净空智慧监测系统，实现了净空专题数据在三维层面的显示和管理。

1 机场净空保护区三维管理系统总体设计

系统采取浏览器、服务器的B/S架构进行开发，总体设计分为3个层次：可视化层、服务层、数据层。系统整体架构如图1所示。

数据层是将可视化层所需要的数据进行存储，包括地形影像数据、天地图数据、三维建筑物模型数据、障碍物限制面数据。服务层是通过HTTP协议进行通信，实现客户端和数据端信息有效的传递。采用Nodejs服务对系统进行部署，并通过基于Node的前端Web开发框架进行开发，同时发布数据的WMS等服务，方便数据的调用[6]。可视化层是将系统以网页的形式在浏览器端显示，通过HTML5等Web前端技术实现网页内容的加载和样式的整合。可视化层包括对三维场景的展示，体现在三维模型及矢量数据的可视化、图层的管理及加载效果方面，还包括鼠标操作对应虚拟地球的响应[7]。

2 机场净空保护区三维管理系统实现的关键技术

2.1 WebGL可视化框架选型

基于WebGL的可视化无需安装任何插件，通过结合JavaScript和OpenGLES2.0提供一种类似于OpenGL的API，并在Web端提供3D加速渲染功能。近年来WebGL迅速发展，多个基于WebGL的开源引擎不断出现并得到应用，如：Three.j，Mapbox-gl，Webglearth，Cesium等。

在综合考虑不同平台的优缺点之后，选择Cesium作为前端三维数据的展示平台，主要理由如下：(1)GIS专业性。Cesium平台能够接入各种GIS系统中常用的数据以及服务，同时能够实现三维地形数据、三维模型数据的展示。(2)易用性。Cesium官网有良好的学习文档和示例代码，并且在国内也开始流行起来，在论坛有大量讨论，并且github更新活跃[8-9]。

2.2 动态可调的预警阈值面三维建模

2.2.1 障碍物限制面的三维建模

为了保障航空器起降安全和机场安全运行，防止由于机场周边障碍物增多而使机场变得无法使用的情况，《民用机场飞行区技术标准》(MH 5001—2013)规定了一系列的障碍物限制面，对机场及其周边地区障碍物的高度进行限制[10]，主要包括：起飞爬升面、进近面、过渡面、内水平面、锥形面、内过渡面、内进近面和复飞面，共8个面。每一个面通过规定起算位置、限制界限、起算标高以及延伸坡度，明确限制面的尺寸以及限制高度要求。

以进近面为例，在三维空间里其表现为由不同的多个面以不同角度组合而成，无法采用1个函数进行表示。因此要实现数字化、三维化的障碍物限制面，首先需要将其分解为简单、可描述的数学模型，然后通过模型计算每个简单面关键点的空间位置和三维坐标，进而在Cesium三维引擎上建立进近面的三维模型。进近面的三维剖面如图2所示。

进近面共由3段组成，分别为L1，L2，L2，各段的函数关系如下。

第1段L1:

(1)

第2段L2:

(2)

第3段L3:

(3)

将进近面各组成面的数学模型式(1)～式(3)带入机场跑道的具体坐标，即可得出各组成面的端点坐标，实现进近面三维组合面的表达，如图3所示。

图3 进近面的三维模型示意

参照此方法，在数据库中依次建立内水平面、锥形面等其他障碍物限制面三维数学模型。

2.2.2 动态可调的预警阈值面三维模型

在实际的净空管理中，由于障碍物限制面的范围较大、建筑物多，净空巡视检查工作不可能实时跟进每个建筑物的高度变化情况，超高建筑物被发现时往往已经突破限制高度，对机场的安全运行已经带来影响。因此，从提前防控、及时预警的角度出发，以障碍物限制面的三维建模为基础，通过互动式的输入方式给障碍物限制面的既有限制高度设置预警阈值，建立动态可调的预警阈值面三维模型。通过调整预警阈值取值，对建筑物进行不同严格程度的限高分析，实现具有预防性的建筑物限高管理，形成分层级的预警阈值体系。

2.3 海量异构数据的三维可视化

机场净空保护区的地理空间区域存在多类型的地理空间数据。采用Cesium对这些数据同时进行可视化时，三维模型与影像数据等二维平面数据间会存在覆盖现象，建筑物三维模型与障碍物限制面的三维模型、预警阈值面三维模型也将存在覆盖。若不做处理，所有数据均会被浏览器加载，对可视化效果没有意义。同时，冗余数据会导致系统资源开销增大，可视化效率降低[11]。

因此系统采用了构建瓦片的方式，使用基于四叉树的方式对数据进行优化调度，构建层次细节(levels of detail，LOD)来对海量异构数据进行组织和管理，从而减轻场景的负担。例如，物体在远离一定距离时，展示出的几何结构和纹理分辨率相比近距离时会更少。

2.3.1 空间数据加载优化方法整体流程

本文空间数据加载优化方法通过剔除被高优先级别覆盖的低级别数据来实现加载优化，优先程度排序为预警阈值面三维模型>障碍物限制面的三维模型>建筑物三维模型>天地图数据>地形影像，具体流程如图4所示。

图4 空间数据加载优化方法流程

加载具有三维模型的场景时，首先判断预警阈值面三维模型、障碍物限制面三维模型是否显示。若不显示则对建筑物三维模型覆盖区域进行定位，然后通过空间拓扑分析来判断天地图瓦片和地形瓦片与建筑物三维模型外边界的包含关系，实现选择性的加载与请求。

2.3.2 基于四叉树的LOD算法

基于四叉树的LOD算法是一种层次LOD系统，该算法将整块数据分解为一个四叉树结构的图块，称为块[12]。块的根节点是一个含有较少细节的整个地形的表示方法。根节点下面的4个子块将整个地形分割为相同大小的4块，提供了一种含有较多细节的表示，其中每一块同样有4个子块。四叉树中的每个顶点都在预处理步骤中进行获取，通过简化整个地理空间网格的子集获取特定水平的几何误差。在四叉树的每个较低细节级别，几何误差是下一个更精细级别的2倍。

该算法的实现主要包含生成、选择和切换3个部分。生成是按照层次深度来生成不同版本的模型，较简单的模型用包络矩形、三角网来表示原始建筑物三维模型和障碍物限制面三维模型。选择是根据不同数据的优先程度、视点距模型的长度来绘制不同版本的三维模型、二维平面数据。切换是通过光滑等过渡处理来解决不同版本的模型之间变化时产生的突兀现象。

3 以天津机场为例开展的实例应用

本文用Cesium作为实现机场净空保护区三维可视化管理的引擎，以合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR技术)等多源遥感技术获取的建筑物坐标及高度数据为基础，结合天津机场实际情况建立了InSAR净空智慧监测系统。系统包括三维城市地图、预警阈值体系、自动的净空限高分析和预警提示以及建筑物变化的动态监测等功能。

3.1 图层和数据管理

图层、数据管理主要包括各影像层、不同跑道对应障碍物限制面层、不同年份建筑物层的展示及渲染绘制。系统中图层管理模块逻辑流程如图5所示。

图5 图层管理模块流程图

天津机场净空保护区为每条跑道(含规划跑道)两端各20 km，跑道中心线两侧各10 km的复合区域，总面积达1 019 km2。运用InSAR等多源遥感技术获取该区域建筑物坐标及高度数据，得到28.299 9万栋建筑物信息。由于数据量较大，选择四叉树的矢量切片方式进行管理，并配置相应的索引文件，切片后为3DTiles格式[13]。此外，为实现点击模型出现相关属性的功能，需要将属性信息存储在3DTiles中，在系统中注册选择信息事件，获取实体对象，并遍历对象中的所有信息，将属性中相应的字段填入infobox中。

3.2 预警阈值体系

以天津机场西跑道为例，依据式(1)～式(3)计算进近面等各组成面的数学模型，得出各组成面的端点坐标，生成三维组合面，建立天津机场障碍物限制面的三维模型。在此基础上，根据净空管理需要生成动态可调的预警阈值面三维模型。

以2019年天津机场净空保护区范围内的建筑物为例，结合已有数据和实际巡视经验，设置系统的预警阈值分别为5 m，10 m，15 m，用逐步严格的限制要求分析现有建筑物的超高情况，并分别构建红色、黄色、蓝色3个管理层级，对突破限制高度的建筑物进行分层管理，建立预警阈值体系。经过系统对比分析，从28万栋建筑物中分别筛选出突破3条跑道预警阈值体系限高的建筑物1 528个，1 184个和1 352个。天津机场根据这些建筑物所处的不同层级，提出不同管控要求，制定有针对性的巡视路线和巡视周期，改变了以往净空保护区内建筑物全部依靠人工进行巡视检查，整个巡视无目的性、碎片化的情况，实现了靶向式巡视和系统管控，巡视效率大幅提高，净空管理水平明显提升。天津机场红色层级建筑物示意图如图6所示。

图6 天津机场红色层级建筑物示意图

4 结论

以地理信息为基础，利用三维可视化技术对机场净空保护区内的建筑物进行净空安全管理具有巨大的实用价值。本文在开展总体设计的基础上，以进近面为例给出障碍物限制面及预警阈值面三维模型的建立方法，实现集成四叉树LOD算法和优先等级加载算法的三维可视化策略，然后以天津机场为例建立净空智慧监测系统。运行效果表明：系统所提供的技术方案具有良好的展示效果，能快速、直观地反映净空保护区内建筑物净空限高管理的情况，为靶向式净空巡视提供依据，能显著提升机场净空安全管理数字化、精细化、智慧化水平，具备广阔的行业推广前景。