复杂地形下直升机目视航图的GIS实现研究综述

肖洁芸，周 伟，*，王永虎，王科明

（1.西南大学，重庆 400715；2.重庆交通大学，重庆 400074；3.重庆市公安局特警总队警用航空管理办公室，重庆 401147）

目视航图是飞行人员执行飞行任务时必不可少的基础资料，也是小型飞机能够安全低空目视飞行的重要条件[1]。目前国内外许多学者和专家在提升直升机救援能力方面的研究主要集中在完善国家航空救援体系上，在部分发达国家，航空救援体系相对完备并已成规模，建立起了以直升机为主的周密救援网络[2-3]，此外如美国与荷兰也形成了较为完善的目视航图制图系统[4]，积极促进了本国通航产业的发展，提高了应急救援的安全保障能力。而国内航空救援体系亟待完善，搜救行动初期缺乏相应的资料和飞行情报准备，救援效率低下且存在巨大安全隐患，同时目视航图的开发与制作长期以来也处于摸索阶段，西安航图大队是我国唯一开始制作目视航图的机构，但其为空军独家航图制作单位[5]，对于民用航空飞行还需建立更具针对性的制图机构与方法[6]。

地理信息系统（Geography Information System，GIS）在国外应急救援领域有较广泛的应用，其救援工作主要集中在城市工业事故方面[7]，GIS在我国的起步较晚但发展迅速，迄今已在社会经济多方面实现了技术应用与可视化，但目前在通用航空中尚缺乏对数字化目视航图制作和使用的普及[8]。利用GIS进行直升机飞行目视航图的数字化，对下一阶段规划飞行最优路径、进一步提高航空应急救援保障能力和救援效率都具有重要意义。

1 直升机目视航图的GIS实现

直升机飞行员日常使用传统目视航图结合纸质地形图，上面仅有地形地貌、等高线及地物位置形状特征的标记，这导致了很长时间里直升机目视航图都存在不便被计算机直接记录和利用、技术无保障、效率低、重复利用性差和误差大等问题。然而，GIS支持下制作的电子目视航图具有网络化和集约便捷的优点，因此利用GIS对目视航图进行数字化是必要的。

国内直升机目视航图的GIS实现经历了较长的摸索过程。如张文元等[9]认为传统航图要素综合取舍方法费时费力且人为误差大，故于2009年提出了一种基于规则库的目视航图自动化制图技术，利用ArcGIS Front Creator等软件制作了目视航图专题符号库；该方案首先利用地理空间要素自身的属性设计了基于属性规则的符号自动匹配程序；其次针对对面状地物，采取聚合并提取轮廓的方法设计了基于距离规则的符号自动匹配程序，同时还探讨了点状要素注记自动配置建立的规则（如过滤规则、位置规则和比例尺规则等）；最后将XML规则文件存储在服务器数据库中，以便用户通过新建、修改、管理和调用各种规则文件来制作出满足不同要求的目视航图产品，也可以自动快速地实现规则库的更新与共享。黄俊祥等[10]于2013年针对当时国内通用航空还未形成完整目视航图符号设计的现状，从目视航图视觉质量角度出发，采用模糊数学的方法建立综合评价模型，通过实验对比了来自6个不同单位的目视航图，分别从整图和单符号（机场符号、障碍物符号、NDB符号和VORDME符号）的角度进行评价分析，以整体视觉效果、符号识别情况和信息传达清晰度为评价指标，得出了在目视航图制作过程中必须注意的视觉变量要点，促进了GIS数字化制图中航图内容符号设计的科学标准化。王秋实[11]于2015年以广州白云国际机场为例，分别对比了传统制式地形图、谷歌地球卫星地图和数字高程地形图，发现传统制式地形图由于年代久远，导致近年新修建的地物无法及时补充标识，进而造成印刷图制作中人为因素误差的情况，不适合作为目视航图底图；谷歌地球卫星地图精度高但容易存在数据冗余和地图要素堆叠的问题；而数字高程模型地形图可以通过调整比例尺大小来控制误差精度，同时还可以提取所需图层（如公路、铁路、河流和山脉等），将区域相关地形地貌可视化展现，最适合用于制作航空目视航图。贺敏[12]于2018年对通用机场目视航图的应用研究做了整理，总结了不同情景下目视航图所需要素的选取原则，详细地介绍了航图制作的要点与注意事项，其认为可分辨性良好的检查点可以帮助飞行员快速目视判断航图上的重要信息并避免迷航偏航等的意外情况，高密度地区航图制作应注意要素分辨率和重要性、多障碍物地区航图制作应注意将地形和高程通过晕渲清晰呈现，同时也应从飞行员角度出发制作目视航图的可视化符号。王吉等[13]于2019年以海南通用航空为例，提出一种基于MyEclipse开发环境的低空目视航图系统的构建方法并介绍了其基本功能，该系统主要通过SQL Server数据库管理系统来管理基础地理信息、专题地理信息（气象、起降点、服务区和导航基站等）和文件等数据库，开发的低空飞行目视航图WebGIS客户端可为用户提供自主性强、智能化的航线规划方式、实现地理空间数据与空域数据可视化、为用户实时提供周边飞行环境信息和导航定位信息，该系统已在海南省全境推广应用，助力海南通用航空的安全飞行。

这些研究经验是构建我国便捷、人性且智能化通用航空目视航图的一次次成功摸索，在各方共同努力下，民航空管局于2019年3月发布了全国首张数字化目视飞行航图（四川省），同日上线了相应的航空信息服务平台，预计2019年6月面向全国所有用户开放，同时还于2019年12月正式公布了全国的数字化通用目视航图并投入使用，这标志着我国通用航空向世界更高水平迈进，低空空域开放水平提高，通航事业迎来高质量发展时代[14]。

2 复杂地形下直升机目视航图的GIS实现

我国主要地貌类型中，山地丘陵约占土地总面积的43%[15]，尤其是西南地区，山地分布集中，整体起伏度较大，是复杂地形分布的典型区域。复杂地形下的直升机救援相比在其他简单地形区域，会更大程度地受到恶劣天气和众多天然障碍物的干扰，近些年直升机在执行紧急救援任务中频频发生坠机事故，从1970年至2015年间国内发生的61起直升机飞行事故中了解到，在所有的61起事故中，因恶劣天气和障碍物干扰导致飞行员注意力分配不当甚至失去目视参考的飞行事故有29起，占到了近半[16]，人为因素引发的直升机飞行安全问题急需解决，因此在复杂地形下执行应急救援任务所使用的直升机目视航图必须进行优化。

郑潇雨[17]于2013年基于SuperMap的目视航图要素数据库建库，首先通过扫描矢量化区域纸质大比例尺地形图并进行配准，其次通过提取和绘制等高线来创建数字地面高程数据集，即可浏览复杂地形下的具体三维场景，然后在目视航图地理信息（如公路、铁路、河流、湖泊、市县界和市县点等）与航空信息（机场、导航台、航线和空域等）的呈现中将一些重要地标和航行要素符号化，最后在制图综合的过程中根据具体飞行任务的需求来选择适当的比例尺，增加或减少制图要素，生成最终应用的目视航图。类似地，黄邦菊等[18-19]于2013年以四川绵阳机场周边为例，针对复杂地形下直升机救援保障体系不完善的当前状况，提出利用GIS系统对飞行区域目视航图数字化，然后矢量化城镇、公路、航路等地标与航行要素，再通过GIS量算功能和表面分析功能分别获取各航段的距离、各航段的航线角和各航段的高程值，最终基于该复杂地形下的数字化航图建立了直升机飞行航线网络，为后续的直升机最优救援路径的选址规划奠定基础。潘卫军等[7]也于2013年以四川广汉机场周边及汶川县周边为例，在ArcGIS10.0环境下，基于地形数据和绕飞障碍物数据（山区河谷地带），综合考虑飞行高度的限制和飞行器的性能，通过矢量生成算法得到飞行路径规划的Voronoi图并构建航线网络数据集，使得飞行人员能够在数字地图上查询到航线规划所要考虑的各种参数（如区域最高点、最低点、点间距等），并利用计算机实现快速便捷的最短最优路径规划。2017年7月28日，中国首个通用机场PBN（基于性能导航）飞行程序，暨首个直升机PinS（空间点）程序在珠海九洲机场试飞成功，这标志着直升机复杂天气条件下安全运行能力的提升。PinS程序是一种直升机特有的性能导航程序，在基于直升机性能的基础上，结合ICAO8186文件理论设计出来的，可以根据空间定位点的理念，在不依赖地面导航设施的条件下实现直升机导航。通过直升机内置的飞行管理计算机系统与导航程序的完美结合，直升机可以根据预先设定好的飞行程序，在人工不干预的情况下精准地完成各航段飞行，从容应对复杂空域条件，确保飞行安全。这种运行理念扭转了以往直升机设备简单，人工操作为主的理念，让机组从操纵变成管理，让直升机从机械走向智能，充分发挥出直升机的运行优势。虽然这种专属飞行程序与直升机机型等级有关，不具备普适性，但适宜的飞行程序可以制定出详尽的飞行计划，在保证飞行安全的基础上可以提高任务执行力。

综合以上研究可发现，在复杂地形下直升机目视航图的GIS实现中，优化目视航图一方面需要将更多的飞行危险系数（如事故多发区域、天气状况和障碍物情况）、飞行高度、飞行耗时及飞行耗油量等要素作为制作目视航图的考虑因素，另一方面需要实时获取精准的导航定位与方向判断，在GIS中加入适当的坐标体系，以便飞行员在救援工作中进行准确的空中定位参考和飞行规划，最大程度地降低复杂地形带来的飞行难度[20]，同时还要根据直升机的等级与性能，将大量航行资料转变为包含各种航空信息的数字化、电子化、智能化目视航图，提高临时飞行前的准备效率，保障飞行员进行合理的注意力分配。

3 结束语

综观上述研究，我国直升机目视航图的GIS实现方面经过近些年的发展积累了一定的成果与经验，但其作为应急救援体系的基础，对于后续精密飞行计划的制定、救援直升机航迹的规划等需求尚不能满足，尤其是针对在复杂地形下直升机目视航图的GIS实现相关研究成果较少，该领域还有极大的发展空间。目视航图的GIS实现不仅要满足地形三维精确显示的要求，而且便于飞行员对直升机方位、安全飞行高度、沿途导航设备的判断，进而满足最优路径规划的需要。航图的GIS实现目前面临着2个关键的技术问题，一是全面考虑直升机所满足的越障分析要求，保证直升机低空应急救援的安全性，二是保障生成的数字地面模型能够满足后续航迹规划的要求。因此针对我国西南地区，有必要开展复杂地形下基于GIS的直升机应急救援安全保障能力方面的相关研究与系统开发，进一步提高我国航空应急救援能力。