三維GIS在機場道面管理中的應用探討

【摘 要】分析了三維 GIS 技術的應用優勢，然后闡述了三維GIS技術在機場道面管理中的應用，包括三維場景顯示、道面網格化管理、道面病害分布狀況可視化、道面性狀評價結果著色展示和道面性能預測與養護決策，以達到對機場道面更科學高效化管理的目標。

【關鍵詞】三維GIS； 機場道面管理； 三維建模

【中圖分類號】TP393.09【文獻標志碼】A

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0 引言

航空器能否安全起降和滑行，在于狀況良好的道面。為了使機場道面的性能滿足航空器安全運行的要求，機場工作人員需要采取一系列措施對機場道面進行管理。現有的機場道面管理方法主要基于機場道面質量檢測數據的性能評價，進行科學合理地評價、預測、養護決策等一系列活動［1］，具體來說就是對收集的道面基本信息進行管理，利用這些數據分析評價道面性狀并預測道面未來發展，確定最優化的道面管理方案。

近年來，利用GIS技術輔助機場道面管理已成為一種趨勢，早在2002年，同濟大學自主研發的上海機場道面管理系統就第一次使用GIS技術用于建立空間數據庫，實現對其管理的數據庫進行地圖空間査詢及空間分析［2］。然而此類應用大多停留在二維空間維度上，基于三維處理與分析的研究較少。事實上，相比二維平面的表達方式，在三維GIS的幫助下， 道面管理中各環節中涉及到的數據可以更直觀地可視化，大大提高機場道面管理的效率和準確性。

1 三維GIS技術

1.1 三維GIS技術概述

GIS是一種旨在采集、存儲、操作、分析、管理和呈現空間地理數據的系統，已廣泛用于智能城市建設、環境評估、土地管理、災害預測和許多其他領域。近年來，隨著GIS技術的不斷成熟以及計算機圖形學、三維可視化、測繪技術等各種理論和技術的快速發展，三維GIS技術受到了越來越多的關注， 逐步成為 GIS 研究的主流方向之一。傳統的GIS沿著兩個維度繪制：水平x軸和垂直y軸，而三維 GIS 的研究對象是三維空間，因此不僅能提供坐標，而且通過添加另一個維度z，能表達三維空間中物體之間的水平和垂直關系，增強了數據收集和分析的深度，使得空間物體以立體的方式呈現給用戶，可以更詳細地描繪物體和提供更加真實豐富的地理空間信息，給人一種沉浸感［3］。

1.2 三維GIS技術優勢

將三維GIS 技術運用到機場道面管理工作中的優勢有：首先，通過建立機場道面以及跑道病害等三維模型，構建出三維實景場景，能更直觀地反映道面狀況。因為用二維的圖形界面展示空間信息是非常抽象的，相比二維GIS，三維表達更加逼近現實世界，使抽象難懂的空間信息直觀化。其次，三維GIS 技術為機場開展各種機場道面管理工作提供幫助，如道面基本信息管理、道面病害狀況可視化分析、養護維修分析等。通過實現對載入GIS軟件（ArcGIS、Super Map或其他）內數據的分析、查詢、統計，提高機場工作人員對信息的把控力；通過結合道面實際情況建立預測模型輔助分析，預測道面未來性能，擬定預防性養護計劃。

2 三維GIS的應用分析

2.1 三維場景構建

機場道面的三維模型構建是后續進行道面基本信息、道面病害分布狀況、道面性狀評價結果、道面性能預測與養護決策信息可視化顯示的基礎。為了更真實的展示機場道面和周邊環境，三維模型構建的主要對象為機場道面結構層和機場其他附屬設施，如航站樓、停機坪、助航燈光等。為了使創建的場景更加的真實，針對機場道面結構層的三維模型構建，可按照如下步驟進行：首先收集建模數據，根據機場道面設計資料并結合實地調研勘查結果，利用建模軟件（Revit 、3D Max或其他），搭建道面多層結構的三維模型，不同結構層用不同顏色分層進行顯示，接著道面三維模型表面可采用真實采集的拼接圖片附著。

將機場地形數據、圖像數據、紋理數據和制作出來的三維模型導入GIS軟件進行處理。將道面基本信息、道面病害分布狀況、道面性狀評價結果、道面性能預測與養護決策信息都直接關聯到三維實景模型上。在三維GIS空間中，不僅可以對三維模型進行放大、縮小、旋轉，也可以設置場景路徑進行場景漫游，對道面結構層任意角度瀏覽。

2.2 道面網格化管理

為了方便對道面進行管理，通常做法是對道面進行網格化管理，因此需要參考現行的MH/T 5024-2009《民用機場道面評價管理技術規范》，根據道面結構層組合形式、道面材料以及作用荷載的力學分布等條件進行單元劃分，一般將機場道面分為多個部位，每個部位又被分為多個區塊，其中道面區塊是進行道面信息可視化展示的最小單元。此外，在GIS軟件中編輯屬性表，將網格屬性信息添加到各個網格中。

在三維GIS空間中，點擊三維實體模型上的其中一個網格，該區塊會被高亮的線條標注，能以文字的方式顯示網格的屬性，如分區編號（部位編號和區塊編號）、面積大小、經緯度、道面類型等。

2.3 道面病害分布狀況可視化

隨著使用年限的增加，機場道面長期裸露在自然環境下，受環境因素和機輪荷載的影響會出現各種病害。道面病害分為表觀缺陷和道面結構隱性缺陷。表觀缺陷數據通常來源機場工作人員日常巡檢過程中手持巡檢儀拍攝的圖片，這類缺陷有裂縫、沉陷或錯臺等。道面結構隱性缺陷數據可以利用探地雷達接收的界面波譜圖，判斷出比較顯著的道面裂縫、水泥混凝土道面板底脫空情況、瀝青道面層間是否存留積水的情況等。

在三維GIS空間中，道面表觀缺陷病害，可以通過標簽顯示詳情的方式，如圖1所示，展示的信息可以有病害的位置標注、現場拍攝的照片、病害類型、損壞程度、發現日期以及處理狀態等。此外，一些具有三維屬性的道面結構隱性缺陷病害可以使用三維建模軟件三維可視化表達，對于存在用于跑道內部結構中的病害，可以設置透明度顯示病害在不同道面層位的分布情況。

2.4 道面性狀評價結果著色展示

道面性狀評價是根據各種基礎檢測資料， 主要是道面病害數據，計算道面各項評價指標，幫助機場工作人員了解道面各區域的狀況，同時它也是道面性能預測和養護決策的依據。 國內外普遍采用的評價指標是PCI，它由道面病害類型、病害數量和嚴重程度等多因素綜合確定，適用于水泥、瀝青及各種復合道面。取值范圍為0到100，0表示道面結構失效，100表示道面表觀完好。我國的PCI評價標準按照PCI范圍分為優（PCIgt;85）、良（70＜PCI＜85）、中（55＜PCI＜70）、次（40＜PCI＜55）、差（PCI＜40）五個評價等級。另一種常用的評價指標是由美國FAA提出的SCI，但是這種評價方法只能作為道面結構性能判斷的輔助指標。

在三維GIS空間中，可以利用不同的顏色表征道面各區塊性能的不同評價等級，不同評價方法置于不同圖層，以PCI評價指標為例（圖2），通過對道面性狀評價結果用不同的顏色表示，不僅可以幫助機場工作人員快速直觀地掌握道面的整體狀況，也能輔助其對道面實施養護措施，例如圖2中1號色塊區域表示警告，提醒機場工作人員需要盡快維修，2號色塊區域表示道面狀況整體良好，道面結構性能滿足。

2.5 道面性能預測與養護決策

道面性能預測是編制養護計劃的關鍵。在GIS軟件中可以建立數學模型，根據道面性狀評價結果，預測道面未來發展趨勢，幫助機場工作人員以區塊為單位，快速確定需要養護的道面區域以及需要采取的養護措施類型，進一步擬定短、中或長期的道面預防性養護方案。道面性能預測模型一般可分為確定型模型和概率型模型，確定型模型能夠在給定條件下預測給定時刻的道面性能值，概率型模型則將道面狀況發展的不確定性納入考慮范圍，預測值為在某給定時刻道面性能值的分布狀況。最常用的概率型模型是馬爾可夫模型，除此之外，神經網絡、時間序列法、遺傳算法等也常用于道面性能預測［4］。

在三維GIS空間中，對于道面性能預測，以不同的預測模型計算出的結果可以置于不同的圖層，不同階段的預測結果以不同的顏色表示。對于道面養護決策，可以對有養護計劃的道面區域進行標注，點擊選擇需要養護的道面區域，利用GIS的空間分析功能計算總養護區域的面積，進行效益費用分析，幫助機場工作人員生成最優預防性養護方案。

3 結束語

綜上所述，將三維GIS技術應用于機場道面管理中，在該技術的支撐下，不僅能為機場工作人員提供更友好的可視化界面，也能實現道面管理工作中相關數據的可視化展示以及輔助養護計劃的智能化分析決策，讓機場道面管理工作水平和效率整體提高。在未來機場道面管理工作中，應該在綜合我國當前道面管理發展情況的基礎上，高度重視三維GIS 技術并加大對該技術的研究和使用，借助三維GIS技術的優勢來實現對機場道面的科學高效化管理， 不斷創新和改進，保證三維GIS 技術可以在機場道面管理中發揮出最大的作用和價值。

參考文獻

［1］ 劉震.基于BIM與 Web GL 的機場道面管理系統研究［D］.南京： 東南大學， 2019.

［2］ 凌建明，袁捷， 西紹波， 等. 上海機場道面管理系統研究與開發 ［J］. 同濟大學學報 （自然科學版）， 2005， 33（8）：1041-1046.

［3］ 陶瓊，朱大明.三維 GIS 的發展趨勢與建模分析［J］.地礦測繪，2008，24（4）： 35-37.

［4］ 楊明珠. 基于GIS的機場道面管理系統研究與框架設計［D］. 南京：東南大學， 2017.

［作者簡介］代穩（1993—），女，碩士，工程師，研究方向為機場工程。