基于GIS的機場航線規劃與管理研究

閆 鶴，張旭帆

（1．西安測繪總站，陜西 西安 710043； 2.重慶新田野土地測繪服務有限公司，重慶 400020）

飛行航線是在統一時空框架下由一系列不同時間的地理位置點構成的，為能夠對飛行航線進行統一的可視化表達和分析，GIS系統能夠提供有力支持。本文利用GIS系統的時空框架和高效的可視化、分析工具，研究如何將以機場局部坐標系下飛行航線利用GIS進行統一可視化和管理，為機場建設前期籌劃、飛行實時監控等提供有力支持。

1 機場局部坐標系到世界坐標系的轉換模型

在機場（跑道）固定的情況下，常規航線的計量和起算是相對跑道兩端的開車點的相對坐標進行標記的，即以跑道兩端的開車點為原點，以跑道軸線為零度線，逆時針為正向、順時針為反向，這一計量方式是行業規范，并鋪開使用，但為了能夠將不同機場的航線進行統一化的管理和可視化，需要在航線的局部坐標系和GIS世界坐標系之間建立轉化模型。通過機場規劃和勘查資料等能夠得到機場跑道原點在世界坐標系下的經緯度和高程同時能夠得到跑道在世界坐標系下的方位角。

1.1 投影坐標系選擇

地圖投影是利用一定數學法則把地球表面的經、緯線轉換到平面上的理論和方法[4]。由于地球是一個赤道略寬、兩極略扁的不規則球體，故其表面是不可展平的曲面，運用任何數學方法進行轉換都會產生誤差和變形，為按照不同的需求縮小誤差，就產生了各種投影方法。

地圖投影按變形方式可以分為等角、等積、任意投影3種方式，針對航線的特殊要求，應盡力保證方向和角度的真實性和準確性，滿足實時監控、導航和規劃時的精度要求和與實地的一致性。因此綜合考慮各種投影的變形特征，在本系統應用中采用墨卡托投影坐標系。

1.2 坐標轉化模型

利用GIS帶有的投影變換功能能夠求得跑道原點在墨卡托投影下的坐標，將問題轉化為已知局部坐標系原點在世界坐標系下的坐標，建立兩個坐標下任意一點的轉換模型。采用通用數學模型如下：

設O(X,Y)，O′(X′,Y′)是 2 個坐標系；O′在O(X,Y)中的坐標為(x0,y0)，由x軸到x′軸的角度為t；坐標轉換公式是：

2 航線統一化模型

2.1 標準航線的分解與組合

分析飛行航線的特點可以發現，任何一條航線都可以分解成為許多航線片段（簡稱航段）的組合。每一片段的速度、功率、飛機仰角等飛行狀態相對比較穩定，只要確定了每一片段的軌跡，整個航線就確定了。對這些組成片段加以分析發現，其主要有兩大類，一類是直線（包括起飛滑跑、著陸滑跑、直線爬升、直線下滑以及直線平飛等）；另一類是曲線（包括左轉彎爬升、右轉彎爬升、左轉彎平飛、右轉彎平飛、左轉彎下滑、右轉彎下滑等）[5]。這兩類基本航段就是飛行航線組成的基本要素，其不同的排列組合共同構成了不同的飛行航線。每一要素的幾何特征具有相似性，其數學模型基本相同，不同的只是相關參數而已。因此只要建立直線和曲線航段這兩個基本要素的通用模型，就可以任意增加刪減航段，變換相關參數，組合而成任何所需要的飛行航線[6]。如圖1所示，在飛行訓練中經常采用的大環線航線起飛爬升階段，可以進行再次細分為如圖2所示的4個航線片段，分別是直線爬升和弧線轉彎爬升等4個通用片段。

圖1 大環線飛行航線投影圖

圖2 飛行航線分解投影圖

2.2 直線航段通用模型

該航線片段示意圖如圖3、4所示。

圖3 直線航段三維視圖

圖4 直線航段平面投影圖

完整描述該航段模型并計算飛機沿該航線片段飛行時所需要的參數有航段序號i、飛行航跡俯仰角zB（爬升角為正，下滑角為負，平飛為零）、末端高度zBi、x軸到航線的水平轉角αi（0 ≤αi≤ 2π）、末端速度vBi、末端功率θi＝0，如果是平飛即θi＝0時，還需要知道水平飛行距離Si。

由航線的連續性和傳遞性可知，第i個航段的起點坐標是第i＝1個航段的終點坐標；第i個航段的終點坐標可由相關參數求得，公式如下。

起點坐標：

終點坐標：

x軸到航段的水平轉角αi（0 ≤αi≤ 2π）可根據機場坐標系x軸的方位角（即主跑道的方位角αrw0）和飛行航跡的方位角εi計算如下：

2.3 曲線航段通用模型

該航段示意圖如圖5、6所示。

圖5 曲線航段三維視圖

圖6 曲線航段平面投影圖

與直線航段相似，完整描述該航段模型并計算飛機沿該航線片段飛行時的噪聲所需要的參數有航段序號i、飛行航跡俯仰角zB（爬升角為正，下滑角為負，平飛為零）、末端高度zBi、航線的水平轉角αi（－2π≤αi≤2π，順時針為負、逆時針為正），轉彎半徑ri、端速度vBi、末端功率PBi以及轉彎中心的平面坐標Bi∶(xBi,yBi,zBi)等。航段起點坐標為前一航段終點坐標，終點坐標為Bi∶(xBi,yBi,zBi)，按如下計算確定。

水平面內二維向量：

得：

3 航線可視化方法

在利用通用航線模型求得航線段每一點在局部坐標系的坐標后，通過航線屬性知道每個直線段的方位角和弧線段角度，通過第二節的坐標轉換公式將航線段參數轉化至墨卡托投影坐標系下得到其世界坐標，通過這些參數能夠在GIS系統中進行可視化表達。對于直線段的可視化表達比較簡單，一般的GIS系統都提供相應的工具。弧線段的可視化，各種GIS平臺提供的接口不盡相同，本文以ArcEngine開發平臺提供的弧線繪制工具為例。

ArcEngine提供了豐富的根據不同的參數繪制弧段的方法。圖7所示為CircularArc組件類圖形示意，利用IConstructCircularArc方法能夠根據弧段不同的參數進行多樣組合計算和可視化弧[7]。根據前面已解算的參數，依據起始點、弧度和半徑在圖上繪制弧線航線段。

圖7 ArcEngine CircularArc方法

設計對大環線、交叉航線兩種比較復雜的航線進行可視化表達。按照通用航線模型進行分解，制作分解模板，同時將航線模板代入機場和不同飛機性能參數，建立實際航線，并求解各航線點位置，轉換至投影坐標系，然后利用GIS平臺進行圖上可視化的技術路線。

在具體實現上，本文以ArcEngine C#二次開發平臺為基礎編程實現，以機場為單位建立工程，加入飛機、航線和機場參數，與數據庫進行關聯能夠實時查詢該航線的飛機參數性能等，并利用ArcEngine豐富的符號體系，對航線進行顏色和線型的設置并同時疊加機場影像進行顯示，進一步提高可用性。如圖8、9所示。

圖8 某機場180度航線

圖9 某機場左右轉彎大環線航線

4 結 語

本文通過初步研究，對基于GIS的航線可視化有了一些成果，但對通過GIS深入挖掘和應用航線信息還需要深入討論，同時應結合三維GIS進一步豐富可視化手段。