摘要：飞机是当今社会中人类不可或缺的交通运输工具，而机场的规划建设和管理水平则体现了航空运输业发展水平。无论是在机场的规划建设还是日常管理中，都需要对机场的净空条件做出评价。本文从机场选址的角度出发，结合国际民航组织民用航空公约附件14中对进近面、过渡面、内水平面、锥形面等障碍物限制面的定义，在Autodesk公司BIM设计产品Autodesk Civil 3D 2018中进行三维建模，通过坐标系的转换，数字模型的导出，在Google Earth中实现机场净空障碍物限制面三维可视化，为机场选址提供净空好坏判断的依据。
关键词：BIM；三维可视化；选址；
作为国家交通基础设施，机场建设已经成为发展地方经济，带动区域发展的先行项目，而机场建设中最重要的一步是机场选址，在选址过程中涉及到国家的政治、军事、经济、城市发展；场地的工程地质、水文地质、电磁环境、净空空域、气象条件等诸多因素，而传统的机场选址一般在小比例尺地形图及Google Earth进行，这种方法可以大致判断场址周边条件，但无法直观反映机场净空条件，净空处理土方工程量等信息，不能为决策者提供直观、形象的决策依据。本文按照国际民航组织民用航空公约附件14对障碍物限制面的要求，应用BIM设计软件，构建出机场净空三维模型，并在此基础上，通过地理坐标系的转换，数字模型的导出，在Google Earth中实现三维显示效果的技术，增加机场选址决策过程的直观性，使选址过程更加科学，应用前景更为广阔。
1 机场选址及净空要求
机场净空指的是飞机沿着起落航线飞行过程中与其他物体之间的空间，该空间的大小直接关系到飞行安全[1]。机场障碍物限制面是为保证飞机飞行安全，在飞机起落航线周围对地面物体的高度进行限制的区域。
根据民用机场航空管理相关规定，对机场选址阶段的净空和空域做了相关要求，首先机场位置的选择要保证飞行安全，飞行程序合理、可行，与相邻机场及有关空域、航线不发生干扰和冲突。其次，场址净空要良好，满足附件14中对障碍物限制面的要求、障碍物评价面（OAS）、平行进近障碍物评价面（PAOAS）的要求，以及对地形复杂场址飞机一发失效起飞爬升面的要求。可以看出，在机场选址阶段，机场净空及空域条件占据着十分重要的地位，也是场址是否可行的关键因素。
不同的跑道类型，对其净空保护限制面要求也不同[2]。对于中国民航最常见的机场飞行区等级指标I为3或4的精密进近ILS跑道，障碍物限制面主要包括了进近面、过渡面、起飞爬升面、内水平面和锥形面，其平面形态见下图。
图1 净空保护障碍物限制面平面图
各个国家对于机场净空障碍物限制面的规章、标准和规范不尽相同，但是基本内容都按照国际民航组织民用航空公约附件14的标准来执行，附件14中对机场净空障碍物限制面的几何参数做了具体要求，本文中不再具体阐述，直接将其作为标准引用，作为机场选址阶段构建净空模型，判断场址净空好坏的依据。
2 机场净空数字模型的建立
要实现机场净空障碍物限制面的三维可视化，对机场净空数字模型进行精确的构建是非常重要的，本次机场净空数字模型的建立选择了Autodesk公司BIM设计产品Autodesk Civil 3D 2018，该软件不同于一般的建模软件，是一款Autodesk公司专门为场地设计开发的BIM三维设计软件，功能非常强大，模型精度非常高，在创建模型的过程中可同时完成设计工作，适用范围包括了勘测、场地规划、道路设计等多个领域。但其中最有价值的部分是三维数字模型的构建，以及与Google Earth等软件之间轻松实现数据交换。
2.1模型建造原理
下面具体介绍一下模型建造原理，在 Civil 3D 中，三维数字地形模型被称为“曲面”。Civil 3D 中的曲面分为两种类型，即三角网曲面和栅格曲面，其中三角网曲面是使用不规则三角网（TIN）来模拟真实的机场净空障碍物限制面，与栅格数据模型相比，较为精确，因此更适合机场净空数字模型的建立。本文中的曲面均是指三角网曲面。在 Civil 3D 中，尽管可以使用多种不同的样式（例如等高线或坡度分析）来显示曲面，但是在不同的显示样式背后，曲面的数据均以不规则三角网（TIN）模式来存储和操作。在曲面生成过程中，不规则三角网（TIN）是以三个点形成一个三角形面的原理构建曲面的，整个机场净空数字模型可以由无数个三角形面组成。机场净空数字模型的建立是实现三维可视化的基础，而Civil 3D可以做到机场净空数字模型中每一个点的标高都满足附件14中对障碍物限制面的要求，模型的建立具体包括五个部分内容：
经过以上五个部分可将机场净空数字模型以三角网的形式矢量化，矢量数据由两个基本元素构成：（1）矢量点（X，Y，Z）；（2）连接点形成三角形的边。在 Civil 3D 中TIN构网是基于狄洛尼（Delaunay）三角网。狄洛尼三角网是由相互邻接且互不重叠的三角形的集合，每一三角形的外接圆内不包含其他的点，也就是说狄洛尼法采用的是最近化原理，所有离散点会与它们最接近的两个邻近点相连接，从而形成一个三角形面。狄洛尼三角网具有如下特点[3]：
1、为减少细长三角形的生成影响精度，狄洛尼三角网形成的三角形基本是接近等角三角形；
2、以最相近的三个点构成一个三角形，保证三边之和最小；
3、三角剖分的结果唯一，即三角剖分的结果和点处理的顺序无关。
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图2 净空障碍物限制面三角网（TIN）模型及等高线显示
考虑到净空控制图需送给相关政府机关审批，经常是通过限制面等高线的方式形成正式报告作为上报和存档的依据。以等高线的方式表示限制面可直观明了地反映净空限制结果，而Civil 3D可以轻松实现了该功能。
2.2模型的导出
模型在构建完成之后，即完成了数据的输入，并以可视化数字模型的方式在Civil 3D中进行存储，但机场选址阶段，大家常用的Google Earth有着特殊的原始地形三维可视化优势，如何将构建好的净空曲面模型导入Google Earth中，判断场址净空的好坏，是完成机场选址净空可视化的关键。这个过程涉及矢量数据如何转换，坐标系如何统一，高程系如何统一等一系列问题，在回答这些问题之前，首先要知道Google Earth中的模型是以什么形式储存的，Google Earth提供了全球的地貌影像与三维数据，它有两种类型的地标文件储存形式，一种是KML文件，一种是KMZ文件，KML文件是一种XML描述语言，文本格式，KMZ文件是Google Earth默认的输出文件格式，是一个经过ZIP格式压缩过的KML文件，一般情况下，KMZ文件和KML文件都可从Google Earth中打开。这两种文件均具有地点书签记录功能，即用户在Google Earth中添加的各种信息是在其地图影像之上通过不同的图层叠加在原有的地图影像之上[3]，而KML是添加和制作图层的最基本工具，是描述和保存地理信息（如点、线、图像、多边形和3D模型等）的语言。那么实现模型的精确导出，只要将Civil 3D中的曲面模型，导出为KML文件即可，而Civil 3D提供了强大的数据转换工具，但使用前提是基于三角网形式的矢量数据，在数据导出的过程中，涉及经纬度坐标和AutoCAD XY坐标的转换问题，以及机场基准点标高的确定问题，通过Civil 3D中的“工具箱”，可直接点取DWG基准点，输入Google Earth中相应的经纬度、旋转角度、高程信息，实现坐标系的互转和模型高程的定义，具体功能见下图：
图3 净空障碍物限制面三角网（TIN）模型的导出
3障碍物高程超限判定
民航障碍物分为地物和地形，其中地物障碍物包括超高的高压线、基站、建构筑物等，一般需现场踏勘确定，本文中对障碍物的判断仅限于地形障碍物，根据前文的研究成果，只需要在Google Earth打开导出的KML文件，通过直观的观察障碍物进行评估即可，Google Earth中净空障碍物限制面显示效果见下图：
图4 净空障碍物限制面在Google Earth三维可视化
通过直观视觉判定，上图中机场场址北侧内水平面，锥形面，南侧锥形面部分山体超高，超高障碍物的面积可以通过Google Earth自带测量工具进行测量，净空处理土方量可以通过Google Earth高程信息与上述测量得出的超高障碍物面积完成初步估算。整个过程在选址阶段便捷并且高效，通过直观判断场址净空的好坏，对选址初期进行场址初步判断起到了决策的直观性、科学性作用。
4 结论与展望
机场选址是集设计与决策为一体的复杂过程，本文从机场选址中需要判断的关键因素（机场净空优劣）出发，结合BIM设计软件，在Google Earth中实现了机场净空障碍物限制面三维可视化，克服了传统的机场选址方法局限性，为选址提供了三维可视化的选址环境。不但可以节约人力、物力和财力，而且可以更好地提高工作效率和决策的科学水平，为机场选址提供了可靠地技术支持。
参考文献：
[1]王维.机场净空管理[M].北京：中国民航出版社，2008.
[2]国际民航组织 机场国际标准和建议措施（附件14 第六版）[Z].国际民航组织理事会，2013
[3]薛亚婷.基于Google Earth及KML的数字校园设计与实现方法研究[D].兰州：兰州大学.2007.6.
论文作者:段瑞
论文发表刊物:《基层建设》2018年第25期
论文发表时间:2018/9/17
标签：机场论文; 障碍物论文; 模型论文; 曲面论文; 角形论文; 数字论文; 文件论文; 《基层建设》2018年第25期论文;