基于GIS的太陽(yáng)能光反射對(duì)民航降落影響的仿真系統(tǒng)

張海建 孫丹

（北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 北京市 100018）

增加能源供應(yīng)、保障能源安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，是中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)面臨的重大戰(zhàn)略任務(wù)。在我國(guó)“科學(xué)、綠色、低碳”的可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略背景下，必須努力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，在化石燃料日趨減少的情況下，太陽(yáng)能作為一種可再生能源，已成為人類(lèi)使用能源的重要組成部分。隨著生態(tài)文明建設(shè)融入到社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個(gè)方面，

建設(shè)綠色機(jī)場(chǎng)越來(lái)越為民航業(yè)界所關(guān)注。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有一些機(jī)場(chǎng)嘗試采用光伏發(fā)電來(lái)利用太陽(yáng)能，用于機(jī)場(chǎng)供電。如美國(guó)菲尼克斯天港國(guó)際機(jī)場(chǎng)、丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng)，以及日本東京羽田機(jī)場(chǎng)、希臘雅典國(guó)際機(jī)場(chǎng)和我國(guó)的深圳機(jī)場(chǎng)等均有太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。[1]機(jī)場(chǎng)進(jìn)行太陽(yáng)能光伏發(fā)電站的建設(shè)，不僅具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，而且還會(huì)取得了良好的社會(huì)效益。在民航機(jī)場(chǎng)進(jìn)行光伏發(fā)電站的建設(shè)，主要考慮的光伏發(fā)電站所需安裝的地理位置、太陽(yáng)能板面積等因素，出于飛行安全的考慮，首要的任務(wù)是光伏發(fā)電站建設(shè)完成后，在飛機(jī)降落時(shí)，需要評(píng)估太陽(yáng)能反射光是否會(huì)對(duì)飛行員的視線產(chǎn)生影響。

目前,隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)已經(jīng)與各行各業(yè)深度融合，數(shù)字經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，在很大程度上提高了生產(chǎn)效能。在評(píng)估太陽(yáng)能反射光是否會(huì)對(duì)飛行員的視線產(chǎn)生影響研究過(guò)程中，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)結(jié)合地理信息系統(tǒng) (GIS, Geographic Information System)技術(shù)為我們提供了行之有效的技術(shù)手段。目前，GIS 技術(shù)廣泛應(yīng)用于各類(lèi)計(jì)算機(jī)仿真中，通過(guò)實(shí)體建模、數(shù)學(xué)模型設(shè)置、參數(shù)輸入等，在空間和屬性數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上運(yùn)行模型，從而模擬出對(duì)象的運(yùn)動(dòng)過(guò)程來(lái)進(jìn)行可視化仿真，在此背景下，將仿真技術(shù)與GIS 技術(shù)相結(jié)合，對(duì)太陽(yáng)能反射光對(duì)飛行員的視線影響進(jìn)行方法研究、模型研究，并對(duì)實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行探討，實(shí)施方案具有良好通用性、可適用于不同仿真規(guī)模和不同機(jī)場(chǎng)的仿真系統(tǒng)。通過(guò)太陽(yáng)光照和電陽(yáng)能反射光線的數(shù)據(jù)模型，可以得出，太陽(yáng)能板的反射是否會(huì)對(duì)飛機(jī)降落時(shí)飛行員的視線產(chǎn)生影響。

1 飛機(jī)降落時(shí)電陽(yáng)能光反射模型

要想知道太陽(yáng)能光反射對(duì)民航降落是否存在影響，就要觀測(cè)和計(jì)算太陽(yáng)高度角與反射角的變化，進(jìn)而判斷太陽(yáng)能反射光是否會(huì)對(duì)民航降落時(shí)的飛行員的視線產(chǎn)生影響，太陽(yáng)高度角與反射角在很多文獻(xiàn)中都有所提及，不作為本文討論的重點(diǎn)。在本系統(tǒng)中，假定忽略大氣層對(duì)太陽(yáng)光線折射的影響，在本文討論的太陽(yáng)能工程中，太陽(yáng)能電池板與地面夾角為25 度。飛機(jī)降落的軌跡與地面的夾角為3 度，用α 表示；飛機(jī)下降時(shí)的府仰角為15 度，用β 表示；飛行員在飛機(jī)降落飛行過(guò)程中,垂直向下的可視角度是20 度，用γ 表示。[2]如圖1 所示。

本模型中，所有參數(shù)采用角度度數(shù)，以及反射鏡面為原點(diǎn)(0,0,0)的坐標(biāo)系

飛機(jī)飛行參數(shù)如下：

軌道傾角：α=3°；仰角：β=15°；可視角：γ=20°

可視角度與地面的夾角：

圖1：飛機(jī)降落示意圖

圖2：系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖3：系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

反射線所用點(diǎn)的坐標(biāo)：(xR, yR, zR)

飛機(jī)飛行軌道的方程：

圖4：太陽(yáng)光照射及反射效果

其中x0, y0, z0, m, n, p 均為已知系數(shù)，t 為（時(shí)間）參數(shù)；

若已知飛機(jī)軌道上兩點(diǎn)：(xC, yC, zC), (xD, yD, zD)，可以直接給出系數(shù)：

第一步，求反射高度角 h0，及方位角 d0

此處的方位角為以 x（東）為方向逆時(shí)針計(jì)的，若要換算成以 y（北）方向順時(shí)針計(jì)（即與圖中一致），公式為：

第二步，判斷飛機(jī)駕駛艙是否有反射線進(jìn)入；

首先計(jì)算反射線在飛機(jī)航線上的投影，計(jì)算如下兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo) A(xA, yA, zA), B(xB, yB, zB)：

然后計(jì)算反射線夾角：

判斷：

若 θ<α 或θ>θ0，駕駛室內(nèi)不會(huì)照入反射光；

若α<θ<θ0，計(jì)算飛機(jī)在航線上位置為(x,y,z)處時(shí)的反射線高度：

若z1

若z1>z，駕駛室內(nèi)會(huì)照入反射光；

2 基于三維GIS的模擬仿真系統(tǒng)

太陽(yáng)能光反射對(duì)民航降落影響仿真系統(tǒng)，是運(yùn)用航空攝影、測(cè)繪數(shù)據(jù)、數(shù)字正射影像圖（DOM）和數(shù)字高程模型（DEM）及三維規(guī)劃模型數(shù)據(jù)，建筑、道路、景點(diǎn)、設(shè)施模型構(gòu)建的整個(gè)飛機(jī)起飛和降落的三維景觀，結(jié)合三維GIS 地理信息系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)飛機(jī)、地形、太陽(yáng)、太陽(yáng)能反光板等相關(guān)因素構(gòu)建實(shí)景，使用者進(jìn)入地圖，進(jìn)行多角度觀察太陽(yáng)能反光板，飛機(jī)的全貌，還可進(jìn)入飛機(jī)駕駛艙，通過(guò)駕駛員視角觀察太陽(yáng)能光反射是否對(duì)飛機(jī)有影響。

通過(guò)輸入不同的日期、時(shí)間、經(jīng)緯度、太陽(yáng)能反光板夾角等相關(guān)因素，系統(tǒng)將根據(jù)不同參數(shù)通過(guò)模擬計(jì)算，分別可以模擬全年365 天*24 小時(shí)任何不同經(jīng)緯度點(diǎn)位對(duì)不同高度的飛機(jī)起降的環(huán)境，最終為太陽(yáng)能光伏發(fā)電站規(guī)劃建設(shè)提供輔助決策。

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

其中，基礎(chǔ)設(shè)施層，主要為支撐本系統(tǒng)運(yùn)行的計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備；數(shù)據(jù)資源層主要包括支撐本系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，含地型數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)及本系統(tǒng)所使用其他數(shù)據(jù)；應(yīng)用層主要包括支撐層和功能層兩部分，支撐層包括應(yīng)用支撐平臺(tái)和地理信息支持平臺(tái)，功能層主要包括三維操作、模擬飛行和仿真分析三部分，為系統(tǒng)需主要完成的功能。

系統(tǒng)基于地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)“SuperMap Objects .NET 6R”，采用C/S 架構(gòu)，使用Visual Studio 2010 開(kāi)發(fā)環(huán)境，C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光反射對(duì)民航降落影響仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)。

2.2 建設(shè)內(nèi)容

太陽(yáng)能降落系統(tǒng)的功能模塊如圖3 所示。主要包括兩部分，分別為系統(tǒng)設(shè)置和飛行模擬，其中，系統(tǒng)設(shè)置部分主要仿真模型數(shù)據(jù)設(shè)置，進(jìn)行數(shù)據(jù)源的設(shè)置；基礎(chǔ)GIS 功能包含了測(cè)距、預(yù)覽等基礎(chǔ)的GIS 功能；查詢(xún)定位主要實(shí)現(xiàn)了不同地理位置的定位功能，在指定的區(qū)域進(jìn)行預(yù)覽與模擬仿真。

飛行模模擬是仿真系統(tǒng)的核心功能，主要包括多視角瀏覽、光照設(shè)置、飛機(jī)起降模擬、觀察視角設(shè)置、飛行速度設(shè)置、飛行進(jìn)度設(shè)置等內(nèi)容，通過(guò)此功能模塊，可以直觀清晰了太陽(yáng)能光反射對(duì)飛機(jī)降落過(guò)程中對(duì)飛行員視線的影響。

2.3 主要功能預(yù)覽

2.3.1 太陽(yáng)光照射及反射

太陽(yáng)光照射及反射效果如圖4 所示，通過(guò)調(diào)整日期和時(shí)間，可能查看到在指定位置的太陽(yáng)能板的入射光及反射光的情況。

2.3.2 不同視角預(yù)覽

通過(guò)進(jìn)行視角切換，可以從第三人稱(chēng)視角和第一人稱(chēng)查看飛機(jī)上升和下降的情況，其中，通過(guò)第一人稱(chēng)視角模擬，在駕駛艙內(nèi)，可以直觀的看到太陽(yáng)反射光是否對(duì)飛行員的視線產(chǎn)生影響，當(dāng)前生影響時(shí)，會(huì)同時(shí)發(fā)出警報(bào)。

3 結(jié)束語(yǔ)

GIS 仿真技術(shù)在仿真領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，采用三維GIS 仿真平臺(tái)，融合計(jì)算模型，建立基于真實(shí)場(chǎng)景的信息平臺(tái)，在該系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了可視化的太陽(yáng)能所射光線對(duì)民航降落對(duì)飛行員視線的影響。該系統(tǒng)通過(guò)擴(kuò)展，可以應(yīng)用到所有需要建立光伏發(fā)電的機(jī)場(chǎng)，為評(píng)估提供輔助決策，為設(shè)計(jì)施工提供依據(jù)。