機場噪聲三維熱力圖構建方法研究

收稿日期：2023-04-24

基金項目：山東省自然科學基金青年項目（ZR2021QD113）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.22.023

摘? 要：伴隨我國機場的改擴建與數(shù)量的增加，機場噪聲問題也日漸突出，進行機場噪聲的可視化成為治理機場噪聲的重要部分。文章針對機場噪聲可視化中出現(xiàn)的問題，提出基于開源框架Cesium進行機場噪聲的三維熱力圖可視化，探討了坐標轉換以及三維熱力圖的實現(xiàn)原理與方法。通過將實測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預處理并在Cesium框架中進行調用，最終實現(xiàn)了機場噪聲的三維熱力圖可視化，驗證了技術與方法的可行性，豐富了機場噪聲的可視化效果，采用漸變過渡的可視化方法來消除噪聲數(shù)據(jù)的數(shù)值界限，減小了算時的誤差，使可視化效果更加逼真。為職能部門優(yōu)化飛行程序，合理規(guī)劃空間以及進行有效的降噪工作提供了科學依據(jù)。

關鍵詞：機場噪聲；熱力圖；Cesium；三維地理信息

中圖分類號：TP391? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）22-0105-04

Research on Construction Method of Airport Noise 3D Heat Map

TENG Xiuhua1， 2

（1.No.1 Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resource， Ji'nan? 250109， China; 2.Key Laboratory of Cableway Intelligent Deformation Monitoring of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources， Ji'nan? 250109， China）

Abstract： With the reconstruction and expansion of airports in China and the increase in the number， the problem of airport noise has become increasingly prominent. Visualizing airport noise has become an important part of managing airport noise. This paper proposes a 3D heat map visualization of airport noise based on the open-source framework Cesium， addressing the issues that arise in the visualization of airport noise. It explores the coordinate transformation and the principles and methods of the implementation of 3D heat map. By preprocessing the measured data and calling them in the Cesium framework， a 3D heat map visualization of airport noise is finally achieved， verifying the feasibility of the technology and methods， enriching the visualization effect of airport noise. The gradual transition visualization method is used to eliminate the numerical boundaries of noise data， reducing computational errors， and making the visualization effect more realistic. This provides a scientific basis for functional departments to optimize flight procedures， plan space reasonably， and carry out effective noise reduction work.

Keywords： airport noise; heat map; Cesium; 3D geographic information

0? 引? 言

隨著中國經(jīng)濟實力的與日俱增，我國民航事業(yè)進入蓬勃發(fā)展階段，改擴建機場與新建機場的數(shù)量都在逐漸增加。與此同時，機場噪聲的問題也日漸突出，機場與周圍居民產生了一些糾紛與矛盾，所以必須尋找行之有效的方法進行機場噪聲數(shù)據(jù)可視化，目前機場噪聲主要的可視化主要有噪聲等值線、等值面兩種方法。國內外對機場噪聲可視化的研究主要有：呼和木其日進行了機場噪聲時空特征分析，以及噪聲等值線的生成算法研究，并使用Skyline二次開發(fā)工具，進行機場噪聲動態(tài)可視化的系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)。實現(xiàn)了機場噪聲動態(tài)可視化系統(tǒng)[1]。程國勇等基于使用不需要布點、插值的方法進行了單次飛行事件的機場噪聲等值線繪制，使得等值線誤差進一步縮減[2]。牛田田等采用中國海拔高度DEM數(shù)據(jù)，使用ArcGIS系列工具進行圖形信息處理，使用.net工具進行自主編程和機場噪聲等值線的計算，并進行機場噪聲等值線圖的繪制[3]。其他學者對機場噪聲可視化也有一些優(yōu)秀的實踐[4-6]。對于熱力圖（Heat Map）的相關研究有：盧健等闡述了熱力圖的生成原理，并基于Openlayers地圖框架實現(xiàn)了農產品品種分布熱力圖[7]。楊微等研究了熱力圖的熱度計算方法與相關技術流程，并進行了技術驗證[8]。董浩洋等提出了基于改進加權核密度估計法的戰(zhàn)場態(tài)勢熱力圖的構建展示方法，通過符合人直觀認知的熱力圖形式展示戰(zhàn)場態(tài)勢熱點[9]。鄧超等基于熱力圖，使用C#語言實現(xiàn)了卷煙市場的可視化[10]。冉桂華等研究了熱力圖的原理與關鍵技術，實現(xiàn)了對景區(qū)人流量進行動態(tài)監(jiān)測并對結果進行熱力圖可視化表達[11]。綜上所述，等值線和等值面作為機場噪聲可視化主要方法已經(jīng)得到了成熟的應用，但是將熱力圖應用在機場噪聲可視化中的研究卻較少。

因此，本文對機場噪聲可視化方法進行擴充，使用開源三維框架Cesium進行機場噪聲的三維熱力圖可視化，綜合研究了Cesium三維框架的特點及其優(yōu)勢，進行了坐標轉換與熱力圖生成算法等關鍵技術的研究，實現(xiàn)了機場噪聲的三維熱力圖可視化，采用漸變過渡的可視化方法來消除噪聲數(shù)據(jù)的數(shù)值界限，減小了計算誤差，使可視化效果更加逼真，能夠簡單地辨別出某一區(qū)域受到噪聲影響的程度，具有一定的研究價值與實踐意義。

1? 技術背景與數(shù)據(jù)介紹

1.1? Cesium概述

Cesium是一款優(yōu)秀的開源三維框架，其誕生于2011年，支持跨平臺、跨瀏覽器，國內外對Cesium有著非常多的研究與應用[12-20]。Cesium支持2D、2.5D、3D地圖，實現(xiàn)了真正的二三維一體化。除常規(guī)的二維空間數(shù)據(jù)格式以外，Cesium還支持glb、gltf三維格式的數(shù)據(jù)，并通過3D Tiles格式可以動態(tài)加載點云數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、地形以及影像的切片等，其中3D Tiles是用于流式傳輸大規(guī)模異構3D地理空間數(shù)據(jù)集的開放規(guī)范，針對流式渲染進行了優(yōu)化，能夠加快三維模型的加載速度與瀏覽的流暢度。Cesium核心類為Viewer，它是地圖可視化展示的主窗口，Cesium程序應用的切入口。

1.2? 機場噪聲可視化方法

機場噪聲的可視化方法主要有等值線法、等值面法。等值線由等高線拓展而來，是一種常用的地理空間數(shù)據(jù)可視化的方法，它是以一種平滑的曲線來展示連續(xù)分布的制圖現(xiàn)象數(shù)量特征漸變的方法，通過在空間上把具有相同屬性值的點連接起來，形成直觀、形象的圖形，因此成為眾多領域監(jiān)測值表示的重要方法。等值面法則是等值線法的一種擴充，在等值線之間進行顏色的填充以達到更好的可視化效果，能夠更加直觀地展示地理空間數(shù)據(jù)的特征。以上兩種方法是常用方法，本文對機場噪聲可視化進行方法擴充，使用熱力圖來展示機場噪聲。熱力圖打破了等值線的數(shù)值界限，減小了等值線在計算時的誤差，使用漸變過渡的方法來噪聲數(shù)據(jù)，更加逼真。

熱力圖是通過函數(shù)進行數(shù)據(jù)的聚合，并采用高亮而特殊的漸進色帶的方式進行可視化展示的一種方法。熱力圖作為數(shù)據(jù)可視化（Information Visualization）的方法之一。其最初發(fā)布于微軟公司，作為其公司的內部研究模型。在疊加地圖底層數(shù)據(jù)后，熱力圖以其高效而又直觀的數(shù)據(jù)展現(xiàn)方式來展現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的空間分布態(tài)勢，在溫度可視化、海洋鹽度密度可視化等方面有著優(yōu)秀的應用。熱力圖使用配色矩陣上不同深度的顏色來表示數(shù)據(jù)的聚合程度及數(shù)值的大小，噪聲值越大的區(qū)域顏色越深，以RGB（255，0，0）表示最高噪聲，噪聲值低的區(qū)域以RGB（0，0，255）表示，隨著比例尺的縮放，熱力圖會隨之進行聚合。

1.3? 數(shù)據(jù)來源

本文研究數(shù)據(jù)為在山東某機場周圍進行實測所得，通過GPS接收機與噪聲檢測儀的綁定進行機場噪聲值的動態(tài)檢測，獲取的數(shù)值有測試點的經(jīng)緯度以及噪聲值。

2? 關鍵技術研究

2.1? 坐標轉換

本文實測坐標是以經(jīng)緯度為單位的地理坐標，需要進行地理坐標與屏幕坐標之間的轉換才能在前端進行可視化展示。地理坐標以地球質心為坐標原點，以經(jīng)緯度為單位表示，在Cesium中常用的地理坐標為WGS-84坐標系；笛卡爾空間直角坐標系的單位以米表示。轉換過程為首先將地理坐標轉換為笛卡爾空間直角坐標系（Cartesian3），Cartesian3轉換為笛卡爾平面坐標系（Cartesian2），Cartesian2對象取出X、Y值即為屏幕坐標。如圖1所示。

對于地理坐標系轉笛卡爾空間直角坐標系，在程序中計算的原理為將地理坐標系的經(jīng)緯度及高程轉換為笛卡爾空間直角坐標系中的x、y、z。如圖2（a）所示為地球橢球體的豎切面，緯度為地球某點連線與赤道的夾角，以t表示。隨著緯度的升高，夾角也隨之變大，緯度圈半徑也相應縮短，設短半軸長度為R1，長半軸長度為R2，經(jīng)度圈半徑為R3，則z以及經(jīng)度圈半徑的計算式為：

z = R1×sin（t）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

R3 = R2×cos（t）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

圖2（b）為地球橫切面，經(jīng)度代表與本初子午線的夾角，以n表示，x指向本初子午線，設緯線圈半徑為R4，本初子午線處x = R4，y = 0，在90°經(jīng)線，x = 0，y = R4，隨著角度的變化，xy值也相應增加或減小，其計算式為：

X = R4×cos（n）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

y = R4×sin（n）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

把x、y、z坐標去除半徑部分，可以作為該經(jīng)緯度的x、y、z向量指向，即N（normal），其式為：

N = （cos（t）×cos（n），cos（t）×sin（n），sin（t）） （5）

單位化該向量，再乘以對應的地球橢球體半徑e（6 378 137.0，6 378 137.0，6 356 752.314 245 179 3）得到經(jīng)緯度對應0平面的笛卡爾坐標位置。

地球橢球體與常規(guī)球體之間還存在一定的誤差，需要進行進一步的計算來近似糾正，以減小誤差，糾正算法公式為：

（6）

以上公式求出經(jīng)緯度在0平面（高程為0）時的笛卡爾坐標；如果涉及高程，加上高程值對應的矢量，就可以得出對應高程的位置；高程直接使用N指向，增加量= height×N，加到坐標上即可得出帶高程值的坐標。

2.2? 熱力圖生成算法研究

熱力圖生成算法可以總結為以下幾個步驟：

1）進行單點緩沖區(qū)的構建，對每個位置點進行渲染半徑的設置，并且確定內圓的比例，在內圓與外圓之間進行放射漸變，其中間顏色深，邊緣較低，結果為由內向外放射漸變的灰色圓。

2）繪制全部位置點，單點緩沖區(qū)沒有使用權重值，不能直接用于顏色映射，每一個熱點都有一個位置和權重，權重越大，則該點越顯著，也就代表其漸變的一個衰變因素，不同的權重值對應著不同的透明值，常見的計算對象透明度公式如式（7）所示：

（7）

其中，I（Intensity）表示強度，Z表示位置點的權重值，Z0表示權重值的最小值，Zmax表示權重值的最大值。

3）進行熱力圖配色矩陣的建設，對于噪聲的數(shù)值大則賦予RGB（255，0，0），數(shù)值小賦予RGB（0，0，255），并依次變化如圖3所示。

4）對每個點位進行著色，首先根據(jù)區(qū)域內每個像素點累計得到的灰度值，從配色矩陣中得到對應位置的顏色進行渲染，最后達到熱力圖的效果。

3? 算法實現(xiàn)

本文基于開源三維地理信息框架Cesium進行底圖的加載以及熱力圖的繪制，將前期預處理的數(shù)據(jù)存儲成json格式的js文件，并在前端進行調用。主要方法為：定義CesiumHeatmap并進行畫布大小、透明度、半徑以及漸變等屬性的設置；通過organiseData構造渲染器所需要的數(shù)據(jù)格式，主要用于查找出熱力值的最大值和最小值，通過這兩個值來決定各熱力圖的顏色渲染比例；使用createRadialGradient（）方法進行單點緩沖區(qū)的繪制；通過radius定義緩沖區(qū)的半徑；使用createLinearGradient（）方法生成配色矩陣，結果返回Uint8ClampedArray類型的圖片數(shù)據(jù)，數(shù)組中所有的值都是整數(shù)，范圍是0～255。使用drawAlpha（）方法進行熱力圖的繪制，通過傳參得到噪聲點的位置、半徑等信息進行canvas的生成并更新渲染邊界；使用colorize（）方法進行熱力圖的渲染著色，獲取canvas的RGBA像素信息，然后調色板的顏色對畫布上的RGBA像素信息進行修改，即可將熱力圖渲染出不同的顏色，結果如圖4所示。

在Cesium中進行高德底圖的加載并調用其接口，進行熱力圖的真三維立體顯示，效果更加逼真。可以看到的是，機場跑道及兩側的噪聲值最大，隨著距離的增加，噪聲值也逐漸降低。如圖5、圖6所示。

4? 結? 論

本文綜合運用三維可視化技術與開源三維地理信息開發(fā)框架Cesium進行機場噪聲三維熱力圖的可視化，闡述了相關技術體系與概念，闡述了坐標轉換關鍵技術，對機場噪聲熱力圖生成算法進行研究，設計出一套合理的流程進行機場噪聲數(shù)據(jù)的三維可視化展示，使用熱力圖能夠更加直觀地展示噪聲值在不同區(qū)域的空間態(tài)勢，采用漸變過渡的可視化方法實現(xiàn)了噪聲數(shù)據(jù)的平滑展示，減小了計算時的誤差，使可視化效果更加逼真，展示的信息更加全面，能夠為決策人員提供更加真實的數(shù)據(jù)支持，該方法是對機場噪聲三維可視化方法的一種擴充，具有一定的實踐意義。

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作者簡介：滕秀華（1985—），女，漢族，山東德州人，高級工程師，大學本科，研究方向：機場噪聲影響及安全運行管理。