基于GIS的机场航线规划与管理研究

闫 鹤，张旭帆

（1．西安测绘总站，陕西 西安 710043； 2.重庆新田野土地测绘服务有限公司，重庆 400020）

飞行航线是在统一时空框架下由一系列不同时间的地理位置点构成的，为能够对飞行航线进行统一的可视化表达和分析，GIS系统能够提供有力支持。本文利用GIS系统的时空框架和高效的可视化、分析工具，研究如何将以机场局部坐标系下飞行航线利用GIS进行统一可视化和管理，为机场建设前期筹划、飞行实时监控等提供有力支持。

1 机场局部坐标系到世界坐标系的转换模型

在机场（跑道）固定的情况下，常规航线的计量和起算是相对跑道两端的开车点的相对坐标进行标记的，即以跑道两端的开车点为原点，以跑道轴线为零度线，逆时针为正向、顺时针为反向，这一计量方式是行业规范，并铺开使用，但为了能够将不同机场的航线进行统一化的管理和可视化，需要在航线的局部坐标系和GIS世界坐标系之间建立转化模型。通过机场规划和勘查资料等能够得到机场跑道原点在世界坐标系下的经纬度和高程同时能够得到跑道在世界坐标系下的方位角。

1.1 投影坐标系选择

地图投影是利用一定数学法则把地球表面的经、纬线转换到平面上的理论和方法[4]。由于地球是一个赤道略宽、两极略扁的不规则球体，故其表面是不可展平的曲面，运用任何数学方法进行转换都会产生误差和变形，为按照不同的需求缩小误差，就产生了各种投影方法。

地图投影按变形方式可以分为等角、等积、任意投影3种方式，针对航线的特殊要求，应尽力保证方向和角度的真实性和准确性，满足实时监控、导航和规划时的精度要求和与实地的一致性。因此综合考虑各种投影的变形特征，在本系统应用中采用墨卡托投影坐标系。

1.2 坐标转化模型

利用GIS带有的投影变换功能能够求得跑道原点在墨卡托投影下的坐标，将问题转化为已知局部坐标系原点在世界坐标系下的坐标，建立两个坐标下任意一点的转换模型。采用通用数学模型如下：

设O(X,Y)，O′(X′,Y′)是 2 个坐标系；O′在O(X,Y)中的坐标为(x0,y0)，由x轴到x′轴的角度为t；坐标转换公式是：

2 航线统一化模型

2.1 标准航线的分解与组合

分析飞行航线的特点可以发现，任何一条航线都可以分解成为许多航线片段（简称航段）的组合。每一片段的速度、功率、飞机仰角等飞行状态相对比较稳定，只要确定了每一片段的轨迹，整个航线就确定了。对这些组成片段加以分析发现，其主要有两大类，一类是直线（包括起飞滑跑、着陆滑跑、直线爬升、直线下滑以及直线平飞等）；另一类是曲线（包括左转弯爬升、右转弯爬升、左转弯平飞、右转弯平飞、左转弯下滑、右转弯下滑等）[5]。这两类基本航段就是飞行航线组成的基本要素，其不同的排列组合共同构成了不同的飞行航线。每一要素的几何特征具有相似性，其数学模型基本相同，不同的只是相关参数而已。因此只要建立直线和曲线航段这两个基本要素的通用模型，就可以任意增加删减航段，变换相关参数，组合而成任何所需要的飞行航线[6]。如图1所示，在飞行训练中经常采用的大环线航线起飞爬升阶段，可以进行再次细分为如图2所示的4个航线片段，分别是直线爬升和弧线转弯爬升等4个通用片段。

图1 大环线飞行航线投影图

图2 飞行航线分解投影图

2.2 直线航段通用模型

该航线片段示意图如图3、4所示。

图3 直线航段三维视图

图4 直线航段平面投影图

完整描述该航段模型并计算飞机沿该航线片段飞行时所需要的参数有航段序号i、飞行航迹俯仰角zB（爬升角为正，下滑角为负，平飞为零）、末端高度zBi、x轴到航线的水平转角αi（0 ≤αi≤ 2π）、末端速度vBi、末端功率θi＝0，如果是平飞即θi＝0时，还需要知道水平飞行距离Si。

由航线的连续性和传递性可知，第i个航段的起点坐标是第i＝1个航段的终点坐标；第i个航段的终点坐标可由相关参数求得，公式如下。

起点坐标：

终点坐标：

x轴到航段的水平转角αi（0 ≤αi≤ 2π）可根据机场坐标系x轴的方位角（即主跑道的方位角αrw0）和飞行航迹的方位角εi计算如下：

2.3 曲线航段通用模型

该航段示意图如图5、6所示。

图5 曲线航段三维视图

图6 曲线航段平面投影图

与直线航段相似，完整描述该航段模型并计算飞机沿该航线片段飞行时的噪声所需要的参数有航段序号i、飞行航迹俯仰角zB（爬升角为正，下滑角为负，平飞为零）、末端高度zBi、航线的水平转角αi（－2π≤αi≤2π，顺时针为负、逆时针为正），转弯半径ri、端速度vBi、末端功率PBi以及转弯中心的平面坐标Bi∶(xBi,yBi,zBi)等。航段起点坐标为前一航段终点坐标，终点坐标为Bi∶(xBi,yBi,zBi)，按如下计算确定。

水平面内二维向量：

得：

3 航线可视化方法

在利用通用航线模型求得航线段每一点在局部坐标系的坐标后，通过航线属性知道每个直线段的方位角和弧线段角度，通过第二节的坐标转换公式将航线段参数转化至墨卡托投影坐标系下得到其世界坐标，通过这些参数能够在GIS系统中进行可视化表达。对于直线段的可视化表达比较简单，一般的GIS系统都提供相应的工具。弧线段的可视化，各种GIS平台提供的接口不尽相同，本文以ArcEngine开发平台提供的弧线绘制工具为例。

ArcEngine提供了丰富的根据不同的参数绘制弧段的方法。图7所示为CircularArc组件类图形示意，利用IConstructCircularArc方法能够根据弧段不同的参数进行多样组合计算和可视化弧[7]。根据前面已解算的参数，依据起始点、弧度和半径在图上绘制弧线航线段。

图7 ArcEngine CircularArc方法

设计对大环线、交叉航线两种比较复杂的航线进行可视化表达。按照通用航线模型进行分解，制作分解模板，同时将航线模板代入机场和不同飞机性能参数，建立实际航线，并求解各航线点位置，转换至投影坐标系，然后利用GIS平台进行图上可视化的技术路线。

在具体实现上，本文以ArcEngine C#二次开发平台为基础编程实现，以机场为单位建立工程，加入飞机、航线和机场参数，与数据库进行关联能够实时查询该航线的飞机参数性能等，并利用ArcEngine丰富的符号体系，对航线进行颜色和线型的设置并同时叠加机场影像进行显示，进一步提高可用性。如图8、9所示。

图8 某机场180度航线

图9 某机场左右转弯大环线航线

4 结 语

本文通过初步研究，对基于GIS的航线可视化有了一些成果，但对通过GIS深入挖掘和应用航线信息还需要深入讨论，同时应结合三维GIS进一步丰富可视化手段。