高原机场地理信息系统设计

    赵国富

    

    

    

    摘要：文章分析了设计高原机场地理信息系统的必要性，并从技术和经济可行性两个方面进行分析，给出系统合理的逻辑结构和功能结构设计，最后以三维地理数据维护子功能为例给出了实现。系统设计符合民航系统的实际，能满足现有需求，可以更好地提高西部高原机场的管理水平和运行安全。

    关键词：高原机场;地理信息系统;设计

    中图分类号：TP311.1? ? ? 文献标识码：A

    文章编号：1009-3044（2021）17-0050-03

    开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

    1 背景

    随着国民经济的飞速发展，乘坐民航班机前往西部高原地区旅游的游客在逐年增大，航空运输相关物资的需求也在不断提高，加上国家战略安全的需要，对于西部的政策支持力度也在不断加大。在民航“十三五”规划中明确提出大力推发展和应用新技术，促进高原机场地理信息系统的建设。为了有力保障西部高原机场的运行安全，对高原机场地理信息系统进行合理有效的设计的重要性不言而喻。

    2 可行性分析

    地理信息系统（GIS），它是随着我国计算机技术和互联网技术发展而出现的一种十分重要的空间信息系统[1]。该技术主要被用于进行信息数据的收集、存储和分析， 能有效实现空间分析、空间查询及综合分析评价功能，在地理方面能够发挥出很大的作用，能够将收集到的数据进行图形转化和呈现[2]。

    2.1 技术可行性

    高原机场地理信息系统是以数据库作为其数据管理平台，利用面向对象语言（Java、C#等）和当前非常成熟的数据库访问技术来开发[3]。编译器和集成开发环境有eclipse、pb、visual studio2005等，地理数据处理平台有ArcGis，Supermap Deskpro，Global Mapper，Erdas等。地理开发平台有WordWind，DirectX，ArcEngine等。设计工具用可视化的方式表述软件架构，并将应用程序可视化，此类工具有Rational Rose，Sybase Power Designer，Borland Together等。为了实现开发过程中的有效配置管理（包括版本管理、文档管理、变更管理等），可以使用适当的配置管理工具，如SVN。

    2.2 经济可行性

    从系统的经济可行性方面来看，尽管地理信息开发平台以及相关地理数据比较昂贵，可以充分考虑具体的需求，开发平台可以按照功能模块的许可来购买，具体的数据可以采用高精度与低精度数据搭配的方式来购买，对系统比较关注的信息，可以考虑购买1：5000比例尺的数据，对关注度不大的信息，可以考虑购买1：100000比例尺的数据。

    3 地理数据

    航空数据主要包括机场周围通信与导航台站信息、航路航线、航路点、管制区边界等信息[4-5]。系统所需地理数据如下。

    3.1 卫星影像数据

    卫星影像数据是由卫星拍摄的图片，经过波段的选取、彩色合成、几何校正、镶嵌、色彩调整、融合、裁剪与拼接等一系列的处理之后形成的影像数据，在国土、海洋、矿产以及农业和林业方面，有着广泛的应用。结合具体需求，选择卫星影像数据分辨率应控制在2米范围内，以更好地满足系统的各项功能。

    3.2 DEM数据

    数字高程模型（Digital Elevation Model），简称DEM。它是地球表面地形地貌的一种离散的数学表达，将地面高程表达为一组有序数值阵列，具有表达多样性、恒定的精度、实时性的更新和多比例尺的特点。由于DEM描述的是地面高程信息，所以利用DEM数据能够很好地获取地形的起伏信息。结合具体需求，选择DEM数据至少应满足1：5万比例尺的数据。

    3.3 基础地理矢量数据

    系统中使用的基础地理矢量数據主要是机场周围8KM范围内的高精度的矢量数据，主要应该包括道路、河流、医院、救助站、学校、标志性建筑等信息，这些数据信息的准确性会直接影响到系统最终的分析与显示结果的正确性，因此，选择基础地理矢量数据比例尺至少是1：1万，甚至更大的比例尺的数据。

    4 系统方案设计

    系统以民航航空数据和地理数据（卫星影像数据、矢量数据、Dem数据）为基础，利用卫星影像数据处理技术，构建三维图形和空间信息的地理信息系统，并在此基础上添加相应的业务逻辑，以实现机场周围8Km范围内三维环境的模拟显示和相关的搜寻救援活动。

    4.1 系统体系结构

    系统体系结构如图1所示，主要涉及卫星遥感影像数据、基础地理数据和航空数据，其中基础地理数据包括DEM数据、矢量数据（道路，河流，学校等）;卫星遥感影像数据的处理涉及影像数据的波段的选取、彩色合成、几何校正、镶嵌、色彩调整、融合、裁剪与拼接等一系列的处理;经过这些操作之后，将卫星遥感数据同DEM数据叠加时，需要做配准与叠加的处理，这样在三维地理信息显示平台中才能够准确地构造三维场景;同时，对基础的地理数据需要进行分类、格式转换、投影变换等操作之后，可以将这些数据导入数据库中。数据处理流程示意图如图2所示。

    地理信息显示平台系统通过从数据库中获取基础的数据，然后经过数据到图形信息的转化等操作，将数据以地图的形式展现给用户;用户通过系统提供的地理信息基本操作功能可以完成基本的信息浏览与查询功能;系统管理员通过地理数据维护功能完成地理信息的维护功能，以保证数据库中信息的实时性与正确性;用户可以通过搜寻救援系统为突发应急事件提供有效实用的信息，为搜寻救援节省时间;系统管理员可以通过用户管理系统完成对系统使用用户进行管理，包括用户的增加与删除等操作。

    4.2 系统逻辑结构

    系统的逻辑模型可以分为用户层、服务层和数据支持层三个层次，各层之间相互独立，如图3所示。用户层直接面向用户。系统中的各种信息，在该层有效组织、整理后，以结构化、层次化的信息提供给用户，真正实现“所见即所得”。该层可以为用户提供简单易学的操作，并可以根据自身的需求，自定义设置具有个性化的界面。服务层是系统实现的关键，负责提供可复用的服务，即三个水平服务和两个垂直服务，完成各种业务数据的处理操作。三个水平服务层是数据接口层、数据处理与管理层以及统一数据表示层，两个垂直服务层是安全管理、系统管理，这五个服务层次是系统实现的重中之重。数据支持层则主要负责数据的获取、维护和存储。

    5 系统功能结构

    系统由一系列业务逻辑相对独立的子系统所组成，包括地理数据维护系统、地理数据操作系统、应急搜索救援系统和用户管理系统，而每个子系统又拥有一系列的功能，系统构成如图4所示。

    5.1 三维地理数据维护系统

    在实际的工作中，存在地理信息发生变化的情况，系统为系统管理员提供了地理信息的维护功能，包括添加或者修改地理数据的属性信息，以及增加新的地理地物功能，增强系统数据的真实性、实时性与完整性。

    5.2 用户管理系统建设

    系统用户分为两类用户：系统管理员和系统使用用户，系统管理员拥有系统的所有权限，负责进行系统管理、维护等工作，例如可以对系统进行配置，设置其他用户权限等。使用用户可以使用其权限范围内的系统功能，这样可以一定程度上保障数据的安全。

    5.3 三维场景交互操作系统建设

    在三维地理信息显示平台的基础上建立三维场景交互操作系统，为用户提供三维场景的放大、缩小、平移、全图查看、三维地理要素选择、多视角查看三维场景等基本功能。

    5.4 應急搜索救援系统建设

    当在水系、道路、医院、航空等地方的现场，出现紧急事故时，需要迅速了解事故现场的地理环境信息，非常必要建设应急搜索救援系统。在应急搜索救援系统中，对现场周围的实用信息在地图中高亮显示，并标注相应的文字加以说明，这样在搜索救援时可以尽快地发现问题，并迅速展开救援工作。

    5.5 三维地理信息显示平台

    地理信息显示平台主要功能是加载DEM数据和卫星影像数据，完成三维场景的搭建;自动从基础地理信息数据库中加载数据，完成数据向图形信息的转换功能并生成三维模型，数据信息在显示的过程中，按照地图显示的比例尺，完成地图的渲染、缓冲存储、专题图绘制等工作，使用户在三维场景中更加直观地查看机场周围的地理信息。

    6 功能实现

    由于篇幅所限，仅以三维地理数据维护系统为例介绍。三维地理数据维护系统包括添加或者修改地理数据的属性信息，以及增加新的地理地物功能，增强系统数据的真实性、实时性与完整性。

    系统主要功能如下。

    6.1 地理属性信息编辑

    系统管理员可以通过该功能完成几何对象相关属性信息的修改功能，用户可以通过如下两种实现方式实现属性信息的修改功能。

    1）由图形信息查找相应的属性信息，然后修改。

    用户可以在地图中找到所关注的几何对象，然后，通过查看属性信息按钮，获得该对象的属性信息，然后修改，最后保存。如图5所示。

    2）由属性信息查找有关信息，然后修改。

    在相关信息的属性列表中，通过条件查询，获得所关注的信息，然后修改，最后保存。如图6所示。

    6.2 添加新的地理地物功能

    系统应用之后，随着时间的推移，现实的环境中会出现新的建筑物等地物，为了维护数据库信息的完整性与实时性，系统管理员可以使用该功能完成新出现地物的添加功能;系统管理员需要提供地物的基本信息，包括经纬度信息、地物性质（学校、医院等）等基本信息即可添加成功，系统会将对应地物的三维模型添加到三维场景中。如图7所示。

    7 结束语

    通过高原机场地理信息系统可以搭建基础地理信息数据库，存储机场周围8KM范围内的高精度基础地理信息、影像数据和DEM数据。用户利用三维地理信息展示平台可以直观地查看机场周围相关的地理信息。用户还可以通过简单、实用的三维场景操作工具，辅助用户完成各种工作。系统管理员可以维护基础三维场景数据，保证地理数据的准确性、完整性与实时性。今后需进一步调研民航系统的实际，满足不断变化的需求，更好地提高西部高原机场的管理水平和运行安全。

    参考文献：

    [1] 陈述彭.地理信息系统导论[M].北京：科学出版社，1999.

    [2] 庞邦毅.土地测绘中地理信息系统的应用效果分析[J].建材与装饰，2018（22）：222-223.

    [3] 李天华，廖崇高，杨武年，等.多类型遥感影像在高原机场选址中的应用初探[J].地质找矿论丛，2006（3）：220-223.

    [4] 徐军库，魏小涛.基于工作流与 GIS 技术的机场土地规划及利用系统的设计与实现[J].机场建设，2010（4）：68-71.

    [5] 周亮.西藏日喀则机场改扩建工程地理信息系统（EGIS）设计与实施[D].成都：电子科技大学，2013. 【通联编辑：谢媛媛】