肖潔蕓，周 偉，*，王永虎，王科明

（1.西南大學(xué)，重慶 400715；2.重慶交通大學(xué)，重慶 400074；3.重慶市公安局特警總隊(duì)警用航空管理辦公室，重慶 401147）

目視航圖是飛行人員執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)必不可少的基礎(chǔ)資料，也是小型飛機(jī)能夠安全低空目視飛行的重要條件[1]。目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和專家在提升直升機(jī)救援能力方面的研究主要集中在完善國(guó)家航空救援體系上，在部分發(fā)達(dá)國(guó)家，航空救援體系相對(duì)完備并已成規(guī)模，建立起了以直升機(jī)為主的周密救援網(wǎng)絡(luò)[2-3]，此外如美國(guó)與荷蘭也形成了較為完善的目視航圖制圖系統(tǒng)[4]，積極促進(jìn)了本國(guó)通航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高了應(yīng)急救援的安全保障能力。而國(guó)內(nèi)航空救援體系亟待完善，搜救行動(dòng)初期缺乏相應(yīng)的資料和飛行情報(bào)準(zhǔn)備，救援效率低下且存在巨大安全隱患，同時(shí)目視航圖的開(kāi)發(fā)與制作長(zhǎng)期以來(lái)也處于摸索階段，西安航圖大隊(duì)是我國(guó)唯一開(kāi)始制作目視航圖的機(jī)構(gòu)，但其為空軍獨(dú)家航圖制作單位[5]，對(duì)于民用航空飛行還需建立更具針對(duì)性的制圖機(jī)構(gòu)與方法[6]。

地理信息系統(tǒng)（Geography Information System，GIS）在國(guó)外應(yīng)急救援領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用，其救援工作主要集中在城市工業(yè)事故方面[7]，GIS在我國(guó)的起步較晚但發(fā)展迅速，迄今已在社會(huì)經(jīng)濟(jì)多方面實(shí)現(xiàn)了技術(shù)應(yīng)用與可視化，但目前在通用航空中尚缺乏對(duì)數(shù)字化目視航圖制作和使用的普及[8]。利用GIS進(jìn)行直升機(jī)飛行目視航圖的數(shù)字化，對(duì)下一階段規(guī)劃飛行最優(yōu)路徑、進(jìn)一步提高航空應(yīng)急救援保障能力和救援效率都具有重要意義。

1 直升機(jī)目視航圖的GIS實(shí)現(xiàn)

直升機(jī)飛行員日常使用傳統(tǒng)目視航圖結(jié)合紙質(zhì)地形圖，上面僅有地形地貌、等高線及地物位置形狀特征的標(biāo)記，這導(dǎo)致了很長(zhǎng)時(shí)間里直升機(jī)目視航圖都存在不便被計(jì)算機(jī)直接記錄和利用、技術(shù)無(wú)保障、效率低、重復(fù)利用性差和誤差大等問(wèn)題。然而，GIS支持下制作的電子目視航圖具有網(wǎng)絡(luò)化和集約便捷的優(yōu)點(diǎn)，因此利用GIS對(duì)目視航圖進(jìn)行數(shù)字化是必要的。

國(guó)內(nèi)直升機(jī)目視航圖的GIS實(shí)現(xiàn)經(jīng)歷了較長(zhǎng)的摸索過(guò)程。如張文元等[9]認(rèn)為傳統(tǒng)航圖要素綜合取舍方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且人為誤差大，故于2009年提出了一種基于規(guī)則庫(kù)的目視航圖自動(dòng)化制圖技術(shù)，利用ArcGIS Front Creator等軟件制作了目視航圖專題符號(hào)庫(kù)；該方案首先利用地理空間要素自身的屬性設(shè)計(jì)了基于屬性規(guī)則的符號(hào)自動(dòng)匹配程序；其次針對(duì)對(duì)面狀地物，采取聚合并提取輪廓的方法設(shè)計(jì)了基于距離規(guī)則的符號(hào)自動(dòng)匹配程序，同時(shí)還探討了點(diǎn)狀要素注記自動(dòng)配置建立的規(guī)則（如過(guò)濾規(guī)則、位置規(guī)則和比例尺規(guī)則等）；最后將XML規(guī)則文件存儲(chǔ)在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便用戶通過(guò)新建、修改、管理和調(diào)用各種規(guī)則文件來(lái)制作出滿足不同要求的目視航圖產(chǎn)品，也可以自動(dòng)快速地實(shí)現(xiàn)規(guī)則庫(kù)的更新與共享。黃俊祥等[10]于2013年針對(duì)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)通用航空還未形成完整目視航圖符號(hào)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，從目視航圖視覺(jué)質(zhì)量角度出發(fā)，采用模糊數(shù)學(xué)的方法建立綜合評(píng)價(jià)模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了來(lái)自6個(gè)不同單位的目視航圖，分別從整圖和單符號(hào)（機(jī)場(chǎng)符號(hào)、障礙物符號(hào)、NDB符號(hào)和VORDME符號(hào)）的角度進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，以整體視覺(jué)效果、符號(hào)識(shí)別情況和信息傳達(dá)清晰度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出了在目視航圖制作過(guò)程中必須注意的視覺(jué)變量要點(diǎn)，促進(jìn)了GIS數(shù)字化制圖中航圖內(nèi)容符號(hào)設(shè)計(jì)的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化。王秋實(shí)[11]于2015年以廣州白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)為例，分別對(duì)比了傳統(tǒng)制式地形圖、谷歌地球衛(wèi)星地圖和數(shù)字高程地形圖，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)制式地形圖由于年代久遠(yuǎn)，導(dǎo)致近年新修建的地物無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充標(biāo)識(shí)，進(jìn)而造成印刷圖制作中人為因素誤差的情況，不適合作為目視航圖底圖；谷歌地球衛(wèi)星地圖精度高但容易存在數(shù)據(jù)冗余和地圖要素堆疊的問(wèn)題；而數(shù)字高程模型地形圖可以通過(guò)調(diào)整比例尺大小來(lái)控制誤差精度，同時(shí)還可以提取所需圖層（如公路、鐵路、河流和山脈等），將區(qū)域相關(guān)地形地貌可視化展現(xiàn)，最適合用于制作航空目視航圖。賀敏[12]于2018年對(duì)通用機(jī)場(chǎng)目視航圖的應(yīng)用研究做了整理，總結(jié)了不同情景下目視航圖所需要素的選取原則，詳細(xì)地介紹了航圖制作的要點(diǎn)與注意事項(xiàng)，其認(rèn)為可分辨性良好的檢查點(diǎn)可以幫助飛行員快速目視判斷航圖上的重要信息并避免迷航偏航等的意外情況，高密度地區(qū)航圖制作應(yīng)注意要素分辨率和重要性、多障礙物地區(qū)航圖制作應(yīng)注意將地形和高程通過(guò)暈渲清晰呈現(xiàn)，同時(shí)也應(yīng)從飛行員角度出發(fā)制作目視航圖的可視化符號(hào)。王吉等[13]于2019年以海南通用航空為例，提出一種基于MyEclipse開(kāi)發(fā)環(huán)境的低空目視航圖系統(tǒng)的構(gòu)建方法并介紹了其基本功能，該系統(tǒng)主要通過(guò)SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)來(lái)管理基礎(chǔ)地理信息、專題地理信息（氣象、起降點(diǎn)、服務(wù)區(qū)和導(dǎo)航基站等）和文件等數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)的低空飛行目視航圖WebGIS客戶端可為用戶提供自主性強(qiáng)、智能化的航線規(guī)劃方式、實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)與空域數(shù)據(jù)可視化、為用戶實(shí)時(shí)提供周邊飛行環(huán)境信息和導(dǎo)航定位信息，該系統(tǒng)已在海南省全境推廣應(yīng)用，助力海南通用航空的安全飛行。

這些研究經(jīng)驗(yàn)是構(gòu)建我國(guó)便捷、人性且智能化通用航空目視航圖的一次次成功摸索，在各方共同努力下，民航空管局于2019年3月發(fā)布了全國(guó)首張數(shù)字化目視飛行航圖（四川?。?，同日上線了相應(yīng)的航空信息服務(wù)平臺(tái)，預(yù)計(jì)2019年6月面向全國(guó)所有用戶開(kāi)放，同時(shí)還于2019年12月正式公布了全國(guó)的數(shù)字化通用目視航圖并投入使用，這標(biāo)志著我國(guó)通用航空向世界更高水平邁進(jìn)，低空空域開(kāi)放水平提高，通航事業(yè)迎來(lái)高質(zhì)量發(fā)展時(shí)代[14]。

2 復(fù)雜地形下直升機(jī)目視航圖的GIS實(shí)現(xiàn)

我國(guó)主要地貌類型中，山地丘陵約占土地總面積的43%[15]，尤其是西南地區(qū)，山地分布集中，整體起伏度較大，是復(fù)雜地形分布的典型區(qū)域。復(fù)雜地形下的直升機(jī)救援相比在其他簡(jiǎn)單地形區(qū)域，會(huì)更大程度地受到惡劣天氣和眾多天然障礙物的干擾，近些年直升機(jī)在執(zhí)行緊急救援任務(wù)中頻頻發(fā)生墜機(jī)事故，從1970年至2015年間國(guó)內(nèi)發(fā)生的61起直升機(jī)飛行事故中了解到，在所有的61起事故中，因惡劣天氣和障礙物干擾導(dǎo)致飛行員注意力分配不當(dāng)甚至失去目視參考的飛行事故有29起，占到了近半[16]，人為因素引發(fā)的直升機(jī)飛行安全問(wèn)題急需解決，因此在復(fù)雜地形下執(zhí)行應(yīng)急救援任務(wù)所使用的直升機(jī)目視航圖必須進(jìn)行優(yōu)化。

鄭瀟雨[17]于2013年基于SuperMap的目視航圖要素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)建庫(kù)，首先通過(guò)掃描矢量化區(qū)域紙質(zhì)大比例尺地形圖并進(jìn)行配準(zhǔn)，其次通過(guò)提取和繪制等高線來(lái)創(chuàng)建數(shù)字地面高程數(shù)據(jù)集，即可瀏覽復(fù)雜地形下的具體三維場(chǎng)景，然后在目視航圖地理信息（如公路、鐵路、河流、湖泊、市縣界和市縣點(diǎn)等）與航空信息（機(jī)場(chǎng)、導(dǎo)航臺(tái)、航線和空域等）的呈現(xiàn)中將一些重要地標(biāo)和航行要素符號(hào)化，最后在制圖綜合的過(guò)程中根據(jù)具體飛行任務(wù)的需求來(lái)選擇適當(dāng)?shù)谋壤撸黾踊驕p少制圖要素，生成最終應(yīng)用的目視航圖。類似地，黃邦菊等[18-19]于2013年以四川綿陽(yáng)機(jī)場(chǎng)周邊為例，針對(duì)復(fù)雜地形下直升機(jī)救援保障體系不完善的當(dāng)前狀況，提出利用GIS系統(tǒng)對(duì)飛行區(qū)域目視航圖數(shù)字化，然后矢量化城鎮(zhèn)、公路、航路等地標(biāo)與航行要素，再通過(guò)GIS量算功能和表面分析功能分別獲取各航段的距離、各航段的航線角和各航段的高程值，最終基于該復(fù)雜地形下的數(shù)字化航圖建立了直升機(jī)飛行航線網(wǎng)絡(luò)，為后續(xù)的直升機(jī)最優(yōu)救援路徑的選址規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。潘衛(wèi)軍等[7]也于2013年以四川廣漢機(jī)場(chǎng)周邊及汶川縣周邊為例，在ArcGIS10.0環(huán)境下，基于地形數(shù)據(jù)和繞飛障礙物數(shù)據(jù)（山區(qū)河谷地帶），綜合考慮飛行高度的限制和飛行器的性能，通過(guò)矢量生成算法得到飛行路徑規(guī)劃的Voronoi圖并構(gòu)建航線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，使得飛行人員能夠在數(shù)字地圖上查詢到航線規(guī)劃所要考慮的各種參數(shù)（如區(qū)域最高點(diǎn)、最低點(diǎn)、點(diǎn)間距等），并利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)快速便捷的最短最優(yōu)路徑規(guī)劃。2017年7月28日，中國(guó)首個(gè)通用機(jī)場(chǎng)PBN（基于性能導(dǎo)航）飛行程序，暨首個(gè)直升機(jī)PinS（空間點(diǎn)）程序在珠海九洲機(jī)場(chǎng)試飛成功，這標(biāo)志著直升機(jī)復(fù)雜天氣條件下安全運(yùn)行能力的提升。PinS程序是一種直升機(jī)特有的性能導(dǎo)航程序，在基于直升機(jī)性能的基礎(chǔ)上，結(jié)合ICAO8186文件理論設(shè)計(jì)出來(lái)的，可以根據(jù)空間定位點(diǎn)的理念，在不依賴地面導(dǎo)航設(shè)施的條件下實(shí)現(xiàn)直升機(jī)導(dǎo)航。通過(guò)直升機(jī)內(nèi)置的飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與導(dǎo)航程序的完美結(jié)合，直升機(jī)可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的飛行程序，在人工不干預(yù)的情況下精準(zhǔn)地完成各航段飛行，從容應(yīng)對(duì)復(fù)雜空域條件，確保飛行安全。這種運(yùn)行理念扭轉(zhuǎn)了以往直升機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)單，人工操作為主的理念，讓機(jī)組從操縱變成管理，讓直升機(jī)從機(jī)械走向智能，充分發(fā)揮出直升機(jī)的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)。雖然這種專屬飛行程序與直升機(jī)機(jī)型等級(jí)有關(guān)，不具備普適性，但適宜的飛行程序可以制定出詳盡的飛行計(jì)劃，在保證飛行安全的基礎(chǔ)上可以提高任務(wù)執(zhí)行力。

綜合以上研究可發(fā)現(xiàn)，在復(fù)雜地形下直升機(jī)目視航圖的GIS實(shí)現(xiàn)中，優(yōu)化目視航圖一方面需要將更多的飛行危險(xiǎn)系數(shù)（如事故多發(fā)區(qū)域、天氣狀況和障礙物情況）、飛行高度、飛行耗時(shí)及飛行耗油量等要素作為制作目視航圖的考慮因素，另一方面需要實(shí)時(shí)獲取精準(zhǔn)的導(dǎo)航定位與方向判斷，在GIS中加入適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)體系，以便飛行員在救援工作中進(jìn)行準(zhǔn)確的空中定位參考和飛行規(guī)劃，最大程度地降低復(fù)雜地形帶來(lái)的飛行難度[20]，同時(shí)還要根據(jù)直升機(jī)的等級(jí)與性能，將大量航行資料轉(zhuǎn)變?yōu)榘鞣N航空信息的數(shù)字化、電子化、智能化目視航圖，提高臨時(shí)飛行前的準(zhǔn)備效率，保障飛行員進(jìn)行合理的注意力分配。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜觀上述研究，我國(guó)直升機(jī)目視航圖的GIS實(shí)現(xiàn)方面經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展積累了一定的成果與經(jīng)驗(yàn)，但其作為應(yīng)急救援體系的基礎(chǔ)，對(duì)于后續(xù)精密飛行計(jì)劃的制定、救援直升機(jī)航跡的規(guī)劃等需求尚不能滿足，尤其是針對(duì)在復(fù)雜地形下直升機(jī)目視航圖的GIS實(shí)現(xiàn)相關(guān)研究成果較少，該領(lǐng)域還有極大的發(fā)展空間。目視航圖的GIS實(shí)現(xiàn)不僅要滿足地形三維精確顯示的要求，而且便于飛行員對(duì)直升機(jī)方位、安全飛行高度、沿途導(dǎo)航設(shè)備的判斷，進(jìn)而滿足最優(yōu)路徑規(guī)劃的需要。航圖的GIS實(shí)現(xiàn)目前面臨著2個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題，一是全面考慮直升機(jī)所滿足的越障分析要求，保證直升機(jī)低空應(yīng)急救援的安全性，二是保障生成的數(shù)字地面模型能夠滿足后續(xù)航跡規(guī)劃的要求。因此針對(duì)我國(guó)西南地區(qū)，有必要開(kāi)展復(fù)雜地形下基于GIS的直升機(jī)應(yīng)急救援安全保障能力方面的相關(guān)研究與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，進(jìn)一步提高我國(guó)航空應(yīng)急救援能力。