復雜地形下直升機目視航圖的GIS實現研究綜述

肖潔蕓，周 偉，*，王永虎，王科明

（1.西南大學，重慶 400715；2.重慶交通大學，重慶 400074；3.重慶市公安局特警總隊警用航空管理辦公室，重慶 401147）

目視航圖是飛行人員執行飛行任務時必不可少的基礎資料，也是小型飛機能夠安全低空目視飛行的重要條件[1]。目前國內外許多學者和專家在提升直升機救援能力方面的研究主要集中在完善國家航空救援體系上，在部分發達國家，航空救援體系相對完備并已成規模，建立起了以直升機為主的周密救援網絡[2-3]，此外如美國與荷蘭也形成了較為完善的目視航圖制圖系統[4]，積極促進了本國通航產業的發展，提高了應急救援的安全保障能力。而國內航空救援體系亟待完善，搜救行動初期缺乏相應的資料和飛行情報準備，救援效率低下且存在巨大安全隱患，同時目視航圖的開發與制作長期以來也處于摸索階段，西安航圖大隊是我國唯一開始制作目視航圖的機構，但其為空軍獨家航圖制作單位[5]，對于民用航空飛行還需建立更具針對性的制圖機構與方法[6]。

地理信息系統（Geography Information System，GIS）在國外應急救援領域有較廣泛的應用，其救援工作主要集中在城市工業事故方面[7]，GIS在我國的起步較晚但發展迅速，迄今已在社會經濟多方面實現了技術應用與可視化，但目前在通用航空中尚缺乏對數字化目視航圖制作和使用的普及[8]。利用GIS進行直升機飛行目視航圖的數字化，對下一階段規劃飛行最優路徑、進一步提高航空應急救援保障能力和救援效率都具有重要意義。

1 直升機目視航圖的GIS實現

直升機飛行員日常使用傳統目視航圖結合紙質地形圖，上面僅有地形地貌、等高線及地物位置形狀特征的標記，這導致了很長時間里直升機目視航圖都存在不便被計算機直接記錄和利用、技術無保障、效率低、重復利用性差和誤差大等問題。然而，GIS支持下制作的電子目視航圖具有網絡化和集約便捷的優點，因此利用GIS對目視航圖進行數字化是必要的。

國內直升機目視航圖的GIS實現經歷了較長的摸索過程。如張文元等[9]認為傳統航圖要素綜合取舍方法費時費力且人為誤差大，故于2009年提出了一種基于規則庫的目視航圖自動化制圖技術，利用ArcGIS Front Creator等軟件制作了目視航圖專題符號庫；該方案首先利用地理空間要素自身的屬性設計了基于屬性規則的符號自動匹配程序；其次針對對面狀地物，采取聚合并提取輪廓的方法設計了基于距離規則的符號自動匹配程序，同時還探討了點狀要素注記自動配置建立的規則（如過濾規則、位置規則和比例尺規則等）；最后將XML規則文件存儲在服務器數據庫中，以便用戶通過新建、修改、管理和調用各種規則文件來制作出滿足不同要求的目視航圖產品，也可以自動快速地實現規則庫的更新與共享。黃俊祥等[10]于2013年針對當時國內通用航空還未形成完整目視航圖符號設計的現狀，從目視航圖視覺質量角度出發，采用模糊數學的方法建立綜合評價模型，通過實驗對比了來自6個不同單位的目視航圖，分別從整圖和單符號（機場符號、障礙物符號、NDB符號和VORDME符號）的角度進行評價分析，以整體視覺效果、符號識別情況和信息傳達清晰度為評價指標，得出了在目視航圖制作過程中必須注意的視覺變量要點，促進了GIS數字化制圖中航圖內容符號設計的科學標準化。王秋實[11]于2015年以廣州白云國際機場為例，分別對比了傳統制式地形圖、谷歌地球衛星地圖和數字高程地形圖，發現傳統制式地形圖由于年代久遠，導致近年新修建的地物無法及時補充標識，進而造成印刷圖制作中人為因素誤差的情況，不適合作為目視航圖底圖；谷歌地球衛星地圖精度高但容易存在數據冗余和地圖要素堆疊的問題；而數字高程模型地形圖可以通過調整比例尺大小來控制誤差精度，同時還可以提取所需圖層（如公路、鐵路、河流和山脈等），將區域相關地形地貌可視化展現，最適合用于制作航空目視航圖。賀敏[12]于2018年對通用機場目視航圖的應用研究做了整理，總結了不同情景下目視航圖所需要素的選取原則，詳細地介紹了航圖制作的要點與注意事項，其認為可分辨性良好的檢查點可以幫助飛行員快速目視判斷航圖上的重要信息并避免迷航偏航等的意外情況，高密度地區航圖制作應注意要素分辨率和重要性、多障礙物地區航圖制作應注意將地形和高程通過暈渲清晰呈現，同時也應從飛行員角度出發制作目視航圖的可視化符號。王吉等[13]于2019年以海南通用航空為例，提出一種基于MyEclipse開發環境的低空目視航圖系統的構建方法并介紹了其基本功能，該系統主要通過SQL Server數據庫管理系統來管理基礎地理信息、專題地理信息（氣象、起降點、服務區和導航基站等）和文件等數據庫，開發的低空飛行目視航圖WebGIS客戶端可為用戶提供自主性強、智能化的航線規劃方式、實現地理空間數據與空域數據可視化、為用戶實時提供周邊飛行環境信息和導航定位信息，該系統已在海南省全境推廣應用，助力海南通用航空的安全飛行。

這些研究經驗是構建我國便捷、人性且智能化通用航空目視航圖的一次次成功摸索，在各方共同努力下，民航空管局于2019年3月發布了全國首張數字化目視飛行航圖（四川省），同日上線了相應的航空信息服務平臺，預計2019年6月面向全國所有用戶開放，同時還于2019年12月正式公布了全國的數字化通用目視航圖并投入使用，這標志著我國通用航空向世界更高水平邁進，低空空域開放水平提高，通航事業迎來高質量發展時代[14]。

2 復雜地形下直升機目視航圖的GIS實現

我國主要地貌類型中，山地丘陵約占土地總面積的43%[15]，尤其是西南地區，山地分布集中，整體起伏度較大，是復雜地形分布的典型區域。復雜地形下的直升機救援相比在其他簡單地形區域，會更大程度地受到惡劣天氣和眾多天然障礙物的干擾，近些年直升機在執行緊急救援任務中頻頻發生墜機事故，從1970年至2015年間國內發生的61起直升機飛行事故中了解到，在所有的61起事故中，因惡劣天氣和障礙物干擾導致飛行員注意力分配不當甚至失去目視參考的飛行事故有29起，占到了近半[16]，人為因素引發的直升機飛行安全問題急需解決，因此在復雜地形下執行應急救援任務所使用的直升機目視航圖必須進行優化。

鄭瀟雨[17]于2013年基于SuperMap的目視航圖要素數據庫建庫，首先通過掃描矢量化區域紙質大比例尺地形圖并進行配準，其次通過提取和繪制等高線來創建數字地面高程數據集，即可瀏覽復雜地形下的具體三維場景，然后在目視航圖地理信息（如公路、鐵路、河流、湖泊、市縣界和市縣點等）與航空信息（機場、導航臺、航線和空域等）的呈現中將一些重要地標和航行要素符號化，最后在制圖綜合的過程中根據具體飛行任務的需求來選擇適當的比例尺，增加或減少制圖要素，生成最終應用的目視航圖。類似地，黃邦菊等[18-19]于2013年以四川綿陽機場周邊為例，針對復雜地形下直升機救援保障體系不完善的當前狀況，提出利用GIS系統對飛行區域目視航圖數字化，然后矢量化城鎮、公路、航路等地標與航行要素，再通過GIS量算功能和表面分析功能分別獲取各航段的距離、各航段的航線角和各航段的高程值，最終基于該復雜地形下的數字化航圖建立了直升機飛行航線網絡，為后續的直升機最優救援路徑的選址規劃奠定基礎。潘衛軍等[7]也于2013年以四川廣漢機場周邊及汶川縣周邊為例，在ArcGIS10.0環境下，基于地形數據和繞飛障礙物數據（山區河谷地帶），綜合考慮飛行高度的限制和飛行器的性能，通過矢量生成算法得到飛行路徑規劃的Voronoi圖并構建航線網絡數據集，使得飛行人員能夠在數字地圖上查詢到航線規劃所要考慮的各種參數（如區域最高點、最低點、點間距等），并利用計算機實現快速便捷的最短最優路徑規劃。2017年7月28日，中國首個通用機場PBN（基于性能導航）飛行程序，暨首個直升機PinS（空間點）程序在珠海九洲機場試飛成功，這標志著直升機復雜天氣條件下安全運行能力的提升。PinS程序是一種直升機特有的性能導航程序，在基于直升機性能的基礎上，結合ICAO8186文件理論設計出來的，可以根據空間定位點的理念，在不依賴地面導航設施的條件下實現直升機導航。通過直升機內置的飛行管理計算機系統與導航程序的完美結合，直升機可以根據預先設定好的飛行程序，在人工不干預的情況下精準地完成各航段飛行，從容應對復雜空域條件，確保飛行安全。這種運行理念扭轉了以往直升機設備簡單，人工操作為主的理念，讓機組從操縱變成管理，讓直升機從機械走向智能，充分發揮出直升機的運行優勢。雖然這種專屬飛行程序與直升機機型等級有關，不具備普適性，但適宜的飛行程序可以制定出詳盡的飛行計劃，在保證飛行安全的基礎上可以提高任務執行力。

綜合以上研究可發現，在復雜地形下直升機目視航圖的GIS實現中，優化目視航圖一方面需要將更多的飛行危險系數（如事故多發區域、天氣狀況和障礙物情況）、飛行高度、飛行耗時及飛行耗油量等要素作為制作目視航圖的考慮因素，另一方面需要實時獲取精準的導航定位與方向判斷，在GIS中加入適當的坐標體系，以便飛行員在救援工作中進行準確的空中定位參考和飛行規劃，最大程度地降低復雜地形帶來的飛行難度[20]，同時還要根據直升機的等級與性能，將大量航行資料轉變為包含各種航空信息的數字化、電子化、智能化目視航圖，提高臨時飛行前的準備效率，保障飛行員進行合理的注意力分配。

3 結束語

綜觀上述研究，我國直升機目視航圖的GIS實現方面經過近些年的發展積累了一定的成果與經驗，但其作為應急救援體系的基礎，對于后續精密飛行計劃的制定、救援直升機航跡的規劃等需求尚不能滿足，尤其是針對在復雜地形下直升機目視航圖的GIS實現相關研究成果較少，該領域還有極大的發展空間。目視航圖的GIS實現不僅要滿足地形三維精確顯示的要求，而且便于飛行員對直升機方位、安全飛行高度、沿途導航設備的判斷，進而滿足最優路徑規劃的需要。航圖的GIS實現目前面臨著2個關鍵的技術問題，一是全面考慮直升機所滿足的越障分析要求，保證直升機低空應急救援的安全性，二是保障生成的數字地面模型能夠滿足后續航跡規劃的要求。因此針對我國西南地區，有必要開展復雜地形下基于GIS的直升機應急救援安全保障能力方面的相關研究與系統開發，進一步提高我國航空應急救援能力。