1 研究背景及国内外研究成果

1.1 研究背景

空中旅行在我们的生活中已经越来越不可或缺，随之而来的是对机场数量和服务水平的日益增大的需求。除了在数量上我们需要更多的新机场外，已有的机场管理质量也亟待提高。一些大型机场已经俨然成为一个自成一体的城市，当然也是地球上现代化程度要求最高的“城市”。跟一个普通的城市一样，机场从规划选址到建设再到建成后的管理，迫切需要更加科学的、系统的操作手段。

首先，这是贯彻落实科学发展观，建设以人为本、资源节约型、环境友好型的绿色机场的迫切需要。目前，中国已有城市近700个，已通航的城市还不足城市总数的1/4。总体来看，中国机场数量少，密度小。截止2002年底，中国内地（不包括港、澳、台地区）共有定期民用航班运输机场143个。据有关研究机构对40个国家的统计，1万km2平均拥有2.08个机场，而中国目前仅有0.127个，远低于其他国家水平。随着中国经济的长远发展的良好态势，特别是在2002年中国民航完成了机场“属地化”等一系列改革之后，中国民航业步入了新的发展阶段。据不完全统计，截至2002年底，全国机场新建、扩建竣工项目共有17个；2003年计划开工和计划竣工项目共有23个，待批预可或准备开工正在进行前期准备工作的新建机场项目达33个。面对这样的发展速度，对于机场建设这样动辄数亿甚至数十亿的工程，如果不做好规划选址，失败的后果将是惨烈的。如果我们采用新的技术手段，我们就能够最大程度地避免浪费资源、破坏环境和不利于人本的巨大错误，能够把错误或风险消灭在工程前期或萌芽状态。

其次，这是巨型复杂工程科学决策和管理的迫切需要。如前所述，机场类似于一个城市，建设一个机场等同于在建设一个小型的城市，无论是建设速度还是建设质量，可以说是牵一发而动全局，如何决策建设、如何保证项目进度和项目质量在掌握之中，传统的CAD图纸加实地勘查已经无法满足一个现代决策者统筹全局所需的视野范围和思维高度。没有现代化的手段和技术，谁也无法保障建设最佳，谁也无法保证没有风险。

第三，这是机场现代化管理的需要。就机场管理而言，这是实现机场现代化最重要的一个环节，伴随着机场拥挤、班机延误、噪声问题、融资困难、环境压力等等一系列问题，旧有的管理模式在成功运营了几近一个世纪之后面临着巨大的挑战，如何更好地管理机场，使得机场设备设施达到它们最大的利用价值成了我们必须解决的问题。

最后，这是行业现代化管理的需要。这是特别重要的，民航是高技术新设备使用聚集的行业，作为行业最高的行政管理机关，民航总局（CACC）做了大量的、常人难以理解的管理服务工作，但是，由于以前没有一套先进的手段，使领导层无法在尽短时间里全面及时掌握机场和相关驻场单位的详细和精确信息，无法进一步做好日常管理和处理紧急突发事件，以及行业发展的战略决策。如果有了这样一个系统，就能够为领导提供可视的高质量的服务手段，使领导能够充分拥有详实的数据和信息，从而及时做出恰当的决策。

因此，建设以地理信息系统（GIS）为核心的机场规划管理多维数字化系统是十分必要的。它将带给我们精确的数字，并且能更好地发挥数据的作用，使我们告别旧有的管理模式，上升到现代化的和更加科学管理轨道上来。

1.2国内外研究成果

美国等发达国家航空业起步早，整体较为成熟，对于新技术、新方法的应用也走在前列。1999年美国国家大地测量局在哈里斯堡国际机场利用数字摄影测量、SAR(合成孔径雷达)、多光谱遥感技术进行了机场障碍物制图试验。在美国联邦航空局（FAA）一个项目中，研究者们研究将GIS用于波特兰机场的规划定址。他们研究的问题包括：1、确定可能限制机场扩张的城市发展模式；2、评估机场结构的改变对机场周边交通和土地利用的影响；3、找出可能与机场运作冲突的公路建设和土地开发；4、展示利用遥感数据对机场周围区域进行规划是一种节约而有效的手段。

从对机场规划管理的各个影响因素的深入研究来看，目前的研究和实验主要集中在机场鸟类冲突、噪音和机场净空等几个领域。

研究鸟类的活动习性对机场的规划管理有着重要的作用，美国空军的BASH（the Bird Aircraft Strike Hazard）团队一直致力于使用高科技技术开发相关产品以改善军队飞行的安全，BASH团队的两个主要产品是BAM（Bird Avoidance Model）和AHAS（the Avian Hazard Advisory system）系统。前者是基于GIS的鸟类预警模型，后者是将BAM和NEXRAD气象雷达数据结合在一起，给出鸟类的移动和盘旋的预测模型。AHAS系统可以通过处理NEXRAD雷达数据从而识别鸟的出现和鸟的移动，以及大规模的鸟类迁徙的实时信息。

噪声是机场建设一个不可回避的问题，尽管飞机的制造技术得到了极大的提高，但是噪音问题依然没有得到解决，研究现有机场的噪音规律对规划机场也有重大的指导意义，美国RL实验室开发了一套基于GIS的机场噪音跟踪和监控系统，该系统包含两个重要的方面，一是实现了用雷达跟踪飞机的盘旋，抵达和离开，二是对机场区域的噪音进行监控。

同样，在净空领域，NGS遥感研究和开发中心一直在评估将几种遥感技术集成到航空障碍物制图中的可能性。目前，他们是在合并地域测量数据和航空摄影测量数据的基础上，进行航空障碍物制图。

GIS在商业机场管理的全面应用确切地说应该始于2002年。当年美国联邦航空局（FAA）资助纽约区域规划组织按照FAA的标准和数据格式提供纽约十家商业化机场的GIS数据文件。这些数据包括道路、市界、水体、高程、地形坡度、湿地、洪水区域、正射影像、人口统计、机场属性、地下水水位、旅馆、学校、分区、土地利用编码、土壤和垃圾。这些数据的采集是后来机场全面采用基于GIS管理手段的一个序幕。

国内把GIS直接应用于机场规划管理方面尚没有进行，但行业内使用GIS的单位和部门也不多。机场工程民航科研基地从2003年开始研究，并一直在跟踪国际上的技术和工程趋势，并已经有了阶段性的研究成果。可以说，在GIS在本行业的应用研究和建设方面与国际上的差距并不大。

1.3 GIS用于机场管理的优越性

GIS用于机场规划管理的优越性表现在：

1、 提供较高的数据精度

GIS管理的优点在于能够将所有的管理都纳入到空间数据参考模型的框架下面，记录显示所有设备设施的空间位置。

2、对航空摄影测量和卫星影像数据的集成

在机场的设计规划中已经越来越多地使用到航空摄影测量数据和卫星影像数据，如何把这两种数据很好地加以利用，GIS无疑是最好地选择。

3、高程数据的集成

合成孔径雷达（SAR），激光雷达（LIAR）已经越来越多的在机场的宣传中看到，借助GIS，我们可以用它们获得的高程数据生成地面高程模型，实现虚拟现实模型，从而达到很多有利于机场设计规划管理的应用目的。

4、计算机辅助设计和GIS的完美结合

将CAD与GIS结合，首先是两种数据源的无缝集成，GIS的分析功能在CAD的辅助下得到更加完美的发挥。

5、数据采集系统的现代化。

可以借助ArcPAD等掌上电脑来完成数据的采集和无缝集成。

6、GIS和GPS结合等等。

机场建设阶段的建筑材料的统筹规划、建成运行后机场客流物流的无障碍通行、设备设施的最优化配置利用，都可以通过GPS和GIS的结合来实现。

7、节约成本

一个典型的应用是借助GIS的分析功能，指导完善的拆迁、复原和风险改善能力的服务来减少机场扩张的成本。

2 主要的研究内容

我国机场规划选址目前还没有一个系统的、科学的方法体系。迄今为止，主要依据的是一些专家和领导的眼光，在机场规划选址方面，我们需要利用遥感和地理信息系统技术为机场选址提供一套系统的、科学的、可操作性强的技术论证手段。

机场建设是一个时间跨度较大的工程，在这个过程中，协调各方面的人力物力，保证项目的进度和质量牵涉到纷繁复杂的各个层面，我们需要提供一套系统，让决策者足不出户即能运筹帷幄。

在机场管理方面，我国民航正在运营的机场大部分是有多年历史的老机场，受客观条件和技术发展的限制，在建设时期几乎都没有对信息集成作全面和统一的考虑，各业务部门往往各自为政。我们需要一套能够让各个部门共享同一套数据但是同时针对各个部门功能界面不同的系统。具体的研究内容如下：

2.1 机场规划选址

(1) 基础环境分析（地理位置、地质条件、气象条件、交通状况、基础设施）

机场选址涉及很多因素，但有些是基本的，具有根本否决权，比如地质条件。如果一个区域的地质条件不能承受飞机的重量，那么第一步就会被否决掉。将经过整理的基础环境数据录入空间数据库，利用GIS的叠置分析可以有效、快速地初步确定候选场址。

(2) 利用SAR数据或者用地形图生成高程模型进行机场净空分析

机场选址时，要考虑净空要求，必须保持一定空域内无障碍物，以保证飞机的起降安全和机场的正常使用。其办法是规定一些假想面作为障碍物限制面，凡自然物或人工建筑物的高度伸出这些假想面之上的部分称为障碍物。若有障碍物，则须同有关部门协商移去或拆除；若无法拆除，则须确定可否在不降低飞行安全的条件下改变起降方案。否则，须另选场址。

利用SAR数据能够提取出较高精度的DEM，以及地面建筑物和植被的高度。利用提取出的高程数据建立实地场景的三维模型，对其进行通视性分析，判断在指定空域内是否存在障碍物。

(3) 利用多光谱遥感数据评价候选场址生态环境，防止鸟与飞机相撞

建设机场应该是以不破坏、至少尽可能少地破坏当地的生态环境为出发点。通过多光谱遥感数据的分析能够了解候选场址的生态环境状况，继而分析当地鸟类的生活习性，制定相应的措施防止鸟与飞机相撞事件的发生。

(4) 机场噪声影响分析

噪声是一个值得重视的问题。它是一种环境污染。可利用高分辨率影像如QuickBird、IKONOS等提取当地居民地分布结构，并综合考虑机场布局，飞机噪声以及常年风向等因素来建立噪声传播模型，利用GIS空间分析技术绘制噪声分布图，以制订相应的降噪方案。

(5) 虚拟机场可视化

利用QuickBird、IKONOS等高分辨率影像结合由(SAR数据提取出的)高精度DEM可以建立逼真的机场环境，在虚拟环境中进行分析，提供了一个直观的分析平台。

2.2 机场建设管理

(1) 机场项目进度虚拟可视化

利用虚拟现实技术建立逼真的机场建设环境，能够按照项目进度改变虚拟场景。提供一个可视化和分析的平台。

(2) 基于GIS和GPS的机场建设信息系统。

建立基于GIS、GPS的机场建设信息系统，包括建设建筑材料位置动态监控，质量监控、人员的登记和流动、资金落实状况等一系列功能，从而减少建筑材料的浪费和提高机场建设的效率。

2.3 机场管理

(1) 基建管理：地下管网、地面建筑、路面设施、安防（监视器、消防）器材、停机坪喷灌、路灯、跑道道面

1) 机场布局规划管理

通过对机场布局规划的连续跟踪管理，更新并创建最新的地图产品。

2) 管线管理

跟踪地上和地下管线的位置和属性。

3) 洪水面(flood planes)和湿地

这些区域是被禁止建造建筑物的，GIS能用于识别这些区域，从而能在建筑规划中给出特定的指导。

4) 建筑规划

使用建筑数据对当前在建机场区域进行划分。

5) 机场安全系统

基于GIS的安全系统可以帮助节约成本和辅助评估未来的安全系统需求，提供一个可靠的和值得信赖的安全服务。

6) 人口影响

通过使用不同时期的GIS地图，机场区周围的人口密度的影响可以被加以重视和比较。

7) 安全检查点

机场区的边界防护图，它显示了机场区的空中边界和陆地边界，它可以用来确定我们需要设立安全检查出入点的区域。

8）跑道道面管理系统

建立集空间和属性信息管理、道面使用性能的全方面评价和预测以及道面养护维修对策的辅助决策为一体的先进的机场道面管理系统。各项功能设置可严格依据中国民航总局的有关规定执行，系统内各项评价指标标准符合国际民航组织（ICAO）及中国民航总局对机场道面的各项运行指标。为道面各项损害提供具体的调查方法和损害成因参考分析，并提供相对应的维修对策建议。

(2) 商务管理：场地租赁

1) 机场空间租赁管理

通过集成一个租赁管理数据库，可以跟踪管理机场空间租赁。

2) 财产管理和土地获取

跟踪管理机场管理局通过环境规划所拥有的，租出的和获取的土地财产。 (3) 物流管理：人、物运转

1) 机场过道管理

提供机场过道质量的可视化界面，显示无法通行的过道的模式及过道的维护管理。

2) 动态的候机路线

使用GIS地图，动态地确定可能的候机路线，避免经过建筑区域和障碍物。

3) 自动化的捷运系统

大多数的现代化机场都开始实行一种更加复杂的自动化的捷运系统，GIS能被用于确定在机场的哪些区域有最多的旅客需要通过。

4) 机场登记目录（signature inventory）

建立机场内乘客登记的数据库，数据库被关联到GIS地图中，并关联到实际的位置，从而可以更好的识别区域。

(4) 交通管理：机场公路、停车场、机场小车

1) 营运规划

GIS可以被用于确定机场不同营运区域的营运面积，可以包括公路、人行道、飞机停靠和机场公共停车位等等。

(5) 应急方案：火灾、迫降、疏散、劫持

1) 飞机救援消防站点（ARFF Aircraft Rescue & Fire Fighting）和道路

利用GIS数据进行模拟仿真研究，找出最优的ARFF位置和在规定时间内到达事故中心的最优线路。

2) 机场区内事故

GIS数据能用于绘制机场区内事故倾向于发生的区域，当事故出现在这些区域时，可以采取一定的特别措施。

(6) 规划方案：噪音、净空、路径分析

1) 分析噪音的影响

使用噪音等值线数据，判断不同的机场操作假定条件下的噪音影响。

2) 运用噪音缓解程序

优化，评估成本，运用声音绝缘方法，和声音属性获取程序。

3) 三维航空空间管理

利用三维航空空间平面，能评估出不同机场的航空空间障碍物。 (7) 便民查询：多媒体查询（触摸屏、网络）

通过触摸屏和网络服务，可以查询机场所提供的各种服务、办理各种手续的流程、路线、服务区的平面图等一系列内容，提供人性化服务。

3 预期要达到的目标

3.1 预期要达到的目标

最后实现的将是运行相对独立，功能有所重叠的三套系统，一是针对机场规划选址的决策支持系统，一是用于机场建设管理的信息系统，再一个是计算机辅助的设备管理信息系统。不同的单位使用不同的系统，但它们都可以供民航总局使用。

机场规划选址的决策支持系统的架构如图1所示。该系统的实现大致分为三个阶段，首先是数据的收集和整理。数据包括属性数据、遥感影像数据和地图数据。属性数据主要是指航空业务量、社会经济因素和社区价值，如人口统计情况，人均可支配收入，经济活动和行业状况，地理因素（区位因素），竞争状况，社会因素（城市化趋势，教育水平的提高等等），政治因素（税收状况）；遥感数据主要是雷达数据，航空摄影测量数据和高分辨率的多光谱数据；地图数据包括地形图和专题图。以这些数据为基础，提取图中所示的10个因素的信息，最后，以这10个因素作为分析因子，使用层次分析、神经网络分析或者灰色系统等方法来建立决策模型，得出选址结果。

基于GIS和GPS的机场建设管理信息系统如图2所示，它能完成建筑机械设备的动态跟踪，提供到达建筑场址的最优路径，从而减少资源的浪费和并提高建设的效率，它能够提供建筑物建设过程中的三维模拟，让领导者能够实时了解建设的情况。同时，它能提供机场建筑场地的总的遥感平面图，给出场地布局和规划，提供建设决策者统揽全局的视觉。

计算机辅助的设备管理信息系统如图3所示，该系统基于ArcGIS技术(ArcSDE， ArcView， CAD Client ArcSDE)，Oracle DBMS，和 AutoCAD实现，它将管理机场的各种建筑物，既包括地上的管理，同时也包括地下的管线网络的管理，同时使用Oracle Financial财务软件管理机场的租赁、土地财产等。 尽管主要设计的是航站楼“建筑区域”的管理，但是通过采用基于ArcGIS的解决方案，这个系统将依托业界著名的geodatabase 来实现将所有的功能实现都纳入到空间参考模型的框架下，从而赋予机场航站楼内地上地下每个设备“空间坐标”的内涵。

系统注重的是设备和建筑配套的装备的描述、清单以及保养维修，该系统除了是基于空间参考模型这一特征外，另外一个鲜明的特征是对GIS和CAD的集成，从而很好地确保了图形信息（ArcSDE的图层和AutoCAD的图层）与属性信息（Oracle表）的关联，它也意味着系统数据在客户服务器的环境中可以得到动态的维护并且图形文件能够在该环境中实现共享。系统架构如图3

在这个客户服务器的环境下，系统整个是围绕着空间数据模型（Oracle 和ArcSDE）来架构的，其特点是所有的设备对象都相对于一个地理位置坐标，从而保证了设备的空间定位管理。另一个值得称道的是，所有图形图像数据和属性数据都存于服务器端，针对不同的应用目地用AO来定制它们各自所需的功能和界面。

对于建筑物的平面图我们用ArcView等工具来进行编辑，而对于设备图纸则采用CAD Client SDE进行编辑，在ArcSDE服务器中可以对两种数据层进行集成。

3.2 拟解决的关键问题

1、虚拟机场的三维重建，它体现在机场规划选址建设和管理的各个阶段中，是当前系统实现的核心内容之一。 2、噪声传播模型的建立，噪声污染是机场无法逃避的问题。同样，从选址到最后的机场管理的各个阶段都必须考虑这一因素。建立好的监控模型是非常必要的。

3、鸟类活动模型模拟，它同上面的噪音问题一样突出，必须试图建立一个模型模拟出鸟的活动习性，从而更好地避免鸟害。

4、机场各业务部门的数据并不一致，首要解决异质异构数据整合共享。

5、机场管理数据量大，要求高，保证数据库运行的稳定与高效。

6、GIS与CAD的无缝集成。

4.实例分析

下面，通过一个简单的实例来展望一下未来系统的某些功能，以航站楼火警为例，当航站楼内某处火警响了，我们实施消防的具体步骤为：

1、根据警铃控制系统可以获知火警发生的位置并显示在监控中心大屏幕上；

2、值班人员可以根据系统中的火警应急预案进行应对；

3、及时通过广播系统疏散周边可能受到影响的旅客，给出准确的撤离路线；

4、从其位置我们可以调出其所处房间的平面图和三维图；以指导消防人员进行作业；

5、灾后可以根据系统中的资料评估受灾情况。

最后，衷心感谢中国科学院遥感应用研究所的牛铮研究员，他和他的研究小组提供了一些资料并给了作者有益的建议。（中国民航网智库专家 徐军库 机场工程民航科研基地）