机场净空保护区的三维可视化处理

和璇，蒋传熙

（云南省基础测绘技术中心）

1 引言

为保障飞机在起飞降落时的安全，各机场根据《民用机场飞行区技术标准》（MH5001-2021）划定净空保护区，但是随着城市化建设的迅速发展，产生了城市建设与机场净空保护的矛盾，城市扩张与机场管理协调难度大[1]。与此同时，近年来三维实景建模技术迅速发展，数字中国、数字孪生等大规模实景三维模型应用进入人们的视野，而机场净空管理仍然停留在二维平面。面对日趋复杂的净空环境，不断增加的管理要求，如何利用现有的三维建模技术将机场净空进行立体展示、管理成为了一个值得探讨的问题。本文就如何将机场净空保护区进行三维可视化处理进行了研究，分别对净空保护区及障碍物三维处理、净空保护区三维地形构建的方法及要点进行了探讨，并结合实际提出一套可视化处理思路。

2 净空保护区及净空保护区障碍物

机场净空内在机场起降航线所在的一定区域内规定了若干障碍物限制面，而这些限制面相交、重叠，构成一个范围较大的抽象区域，该抽象区域之上称为机场净空。根据《民用机场飞行区技术标准》，在以机场跑道为中轴线的约800km2内划定为机场净空，机场净空内的障碍物限制面主要包括升降带、进近面、过渡面、内水平面、锥形面、起飞爬升面、外水平面等，各限制面以不同的起算基准按照特定的散开率、坡度向外延伸。通常情况下，以净空图对净空保护区各限制面的情况进行反映，包括俯视图和剖面图。俯视图主要反映净空保护区内各限制面范围，所在区域以及已有障碍物分布情况；剖面图从高程上对净空保护区内限高情况进行反映。净空图多以CAD的形式进行二维绘制，虽能准确表示障碍物的位置，但是对于障碍物高程信息和障碍物限制面的反映都不够直观，同时无法准确标注呈面状分布的超高障碍物，如建筑群、山脉等。

通过以上对净空保护区的分析，净空保护区具有以下特点：①保护范围大；②限制面叠加高度复杂但具备一定的规律性；③各限制面通常以矢量的形式进行可视化表达。

机场净空保护区内的障碍物，按障碍物类型主要可分为人工障碍物、自然障碍物。自然障碍物主要为山头，以地形高度作为障碍物高度，人工障碍物以最高点高程作为障碍物高程。在净空管理中主要关注障碍物的所处位置信息、高度信息以及障碍物属性。障碍物位置信息包括坐标、距机场基准点距离、磁方位角等；高度信息主要包括障碍物高程，同时结合障碍物位置计算障碍物所在限制面限制高度及超高情况；障碍物属性主要包括障碍物类型、归属等。同时，受机场电磁环境保护区影响，机场净空保护区内110kV的电塔需进行信息采集，包括电塔所属电力线、编号等信息，并完成电塔连线。

3 三维建模的方式方法及特点

三维实景模型从三维的角度对现实地表世界进行表述。从前，受到数据获取、计算机技术等条件的制约，对高分辨影像的使用一直处于二维图像的层面，但是随着计算机存储性能，CPU、GPU运算能力的进一步提升，以及实景中国建设的推进，高分辨率数据产品的生产不止局限于二维世界，更扩展到了三维实景模型。三维实景模型的构建从采用的数据源以及建模方法来看有多种方式，如DEM叠加DOM、正射航空摄影采用三维实景建模、倾斜航空摄影采用三维实景建模等。采用不同方法构建的三维实景模型，模型精细度是最根本的差别，模型精细度越高，数据量及制作成本也相应增加。

采用DEM叠加DOM形成地形级三维实景模型，这一方法的优势在于数据量小，同时可以更快地获取大范围的模型，但相对的、模型的精细度依赖于DOM和DEM的精度，而且DEM仅反映地形情况，因此，采用此方法形成的三维实景模型仅对地形情况进行反映，对桥梁、房屋等地物形态无法进行有效建模。采用正射航空摄影获取下视镜头照片，通过采集大量同名点完成三角网构建，并利用下视镜头照片完成纹理映射，该方法称为正射航空摄影采用三维实景建模，相比第一种，由于采用了正射航空摄影，数据量及工作量都有一定的提升，这样就能更好地反映地物形态，如桥梁、房屋等。但是，仅采用下视镜头会存在部分无影像区域侧面纹理丢失、模型结构变形等问题，特别是在建筑密集区，因此，前两种方式一般作为地形模型生产。城市级三维实景模型生产更多地采用倾斜航空摄影三维实景建模，倾斜航空摄影采用多镜头相机，同时获取多角度镜头照片，从而获得更多的侧面纹理信息，利用三维实景建模构建地表MESH，完成三维实景模型构建。相比前两种方式，数据量及计算量都呈几何级数增长，采用该方法制作的三维实景模型变形小，侧面纹理相对清晰，通过简单修模，可达到城市级三维实景模型的要求。按照自然资源部提出的三维实景的分级分类，可以将三维实景模型分为三个层级，即地形级、城市级和部件级，模型精细度、数据量逐级增加。

4 机场净空保护区三维可视化处理

机场净空保护区的三维可视化处理包括：①三维实景模型底图的制作；②三维净空保护区限制面的制作；③障碍物展绘。首先在净空保护区域内构建三维实景模型，然后将净空保护区限制面从平面拓展到三维空间，形成完整的净空保护区，将其作为净空管理的基础，在此之上叠加相关障碍物、管理范围等信息，可实现净空保护区的三维可视化管理。

4.1 三维实景模型底图制作

机场净空保护区域内的三维实景模型重点以反映地形为主，由于涉及面积较大，为方便数据的使用，可采用数据量较小的DEM叠加DOM构建三维实景模型，作为机场净空保护区的三维底图，在满足使用的基础上最大程度地节省成本，提高数据处理效率，同时减小数据存储的压力。

为满足使用要求，净空保护区三维实景模型需完整覆盖整个机场净空保护区。由于机场区域作为禁飞区，很难采用无人机获取高分辨率影像数据，因此，可采用高分辨率卫星影像提供三维实景模型底图的纹理信息。对于DEM的选择，目前市面上使用较多的有SRTM15、SRTM3、GMTED、ALOS等不同数据源、不同精度的DEM数据，DEM精度越高，数据量越大，地形模型的构建越难。

4.2 三维净空保护区限制面制作

根据《民用机场飞行区技术标准》中相关规定，不同跑道类型的机场各净空限制面爬升高度不同，但总体来说均以基准高程按特定的爬升率或散开率进行控制，在对净空保护区各限制面进行三维矢量化之前，需分析各限制面高度及范围控制情况。

首先确定各限制面的起止位置，以飞行区指标I为4等的精密进近跑道为例，进近面以跑道入口前60m处为起止边，起止边长为300m；内水平面则以跑道两端入口中点作为圆心；起飞爬升面起始边为跑道端外60m处。然后再以限制面为单位，将抽象的限制面实体化为平面几何图形，确定好各关键节点平面坐标，如起止边端点、拐点、散开率等。

其次根据各限制面起算点高程、爬升率、限高等推算各限制面高度变化情况，利用关键点高程值将平面的几何图形拉升为三维矢量图形。例如从平面上看，进近面为两个等腰梯形（见图1）。

图1 进近面俯视图

加入高程后从剖面反映进近面可拆分为四个不同的高度节点。第一个点为进近面起算点高程，通常为端点高程；第二点高度为端点高程+60m；第三点高程为端点高程+150m；第四点高程与第三点一致，通过四点连线可作为一个方向上进近面的高度控制线，综合平面控制范围可以看出进近面的控制区域实际为一个等腰梯形连接一个长方形（见图2）。而相应的，锥形面在平面展示上为两个同心椭圆环，加入高程后，锥形面控制区域实际为倒置的椭圆锥型如图3所示。

图2 进近面剖面图

图3 锥形面剖面图

需要注意的是，净空保护区外水平面的限制条件为在跑道中线两侧各10km，跑道端外20km，高出原地面30m且高出机场标高150m。因此，外水平面需要参照地形及机场标高进行综合确定，同时外水平面内物体的高度也作为障碍物判定的一个要素。

综上所述，对机场净空保护区限制面的矢量化除外水平面外，仅需要确定各限制面关键点高程，采用以点构线、以线构面的方式确定三维矢量限制面。而外水平面可依据通过构建的地形级三维实景模型以及机场标高进行确定。将限制面与地形模型叠加后形成了机场净空保护区三维可视化的基础底图。对比二维平面图，三维模型底图更加直观的呈现了各限制面相互关系以及限制面与地形的关系。

4.3 障碍物展绘及空间地理信息数据库的构建

对机场净空保护区内的各种障碍物，可采用三维矢量点数据来进行表达，通过获取的障碍物三维坐标，直接展绘至三维模型底图上并根据障碍物的类型进行符号化处理。由于外水平面的限高条件包含高出原有地面点30m，因此，在外水平面上三维净空保护区的优势尤为突出，相比传统的平面净空保护区图，以三维地形模型作为基础，将障碍物直接展绘至对应空间位置，结合障碍物的高度，就可以直观的对是否超高做出判定。高压电塔在完成矢量点展绘后，也可以采用矢量线进行连接，形成机场净空保护区内高压线路图。密集连片建筑区可采用矢量面进行范围框定，相比单独以点进行超高建筑物标识，矢量面更加全面的反映了障碍物区域及覆盖情况，对于净空保护区的管理更加高效。

将净空保护区内所有障碍物按照空间位置组成空间地理信息数据库，将障碍物坐标、高度、归属、超高情况、所在限制面等信息以数据库的形式进行存放，形成机场净空保护区障碍物空间信息数据库。该数据库叠加其他矢量数据后可进行有效地空间分析、图形展示、属性查询等，提高了管理效率。

5 结语

实景中国、数字孪生促进了三维可视化技术的发展，通过构建三维场景，叠加三维矢量限制面，将平面的净空图转换为三维净空保护区，实现了机场净空保护区的三维可视化处理，直观反映了净空保护区内地形情况。同时构建的机场净空保护区障碍物空间信息数据库，直观、清晰地展示了净空保护区内障碍物的情况。机场净空保护区的三维可视化为后续机场净空保护区的精细化管理提供了帮助。