关于GIS在通用航空中的应用

北京理工大学珠海学院二○二○届本科生毕业论文绪论1.1研究背景及现状通用航空（GeneralAviation）是指使用民用航空器从事公共航空运输以外的民用航空活动。近年来，我国通用航空业发展迅速，2016年国务院发布《关于促进通用航空业发展的指导意见》将通用航空定位为战略性新兴产业，谋划提出了通航业服务国家发展战略、促进经济社会发展的目标。但目前，我国通用航空的发展还很不完善，缺乏自主制造航空器能力，也没有建立起一个完善的通航应急救援体系。1.2研究现状进入21世纪以来，人类社会已经进入到了信息时代。随着时代和社会发展，航空应急救援逐渐走进大家的视野，成为应急救援的主要力量。2003年，我国成立交通运输部救助飞行队，拥有4支救助飞行队，8个飞行基地。此外，我国还拥有警用航空机队以及森林消防局直升机队等航空救援力量。但目前，我国通用航空的发展还很不完善，由于起步较晚，发展相对滞后，缺乏自主制造航空器能力，也没有建立起一个完善的通航应急救援体系。1.3研究意义一个国家航空抢险救援救灾的水平，是体现一个国家通用航空水平的重要方面。我国目前现有航空救援力量分散，缺乏统筹与调和，很多资源都集中在军方，但过多的调用军方资源，有可能会造成国家资源的一种浪费，况且当情况特殊，不可调用军方资源时，我们的救援行动就会处于被动，所以发展通航救援，运用民间力量实施救援行动是十分重要的。随着航空技术越来越成熟，未来低空空域越来越多的开放，通用航空市场潜力巨大，增强航空救援，保障直升机应急能力已刻不容缓。

2GIS的结构和功能地理信息系统是由计算机硬件、软件、和不同方法组成的系统，该系统设计来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。用户界面界面用户界面界面数据管理数据管理数据处理数据分析数据输入数据处理数据分析数据输入数据输出图2-1地理信息系统概念框架

2.1地理信息系统基本构成描述具体地理现象的空间、属性和时间特征。空间数据系统硬件空间数据系统硬件GISGIS应用模型系统软件 应用模型系统软件地理信息系统操作，应用人员包括数据输入、处应用人员理、输出等。图2-2图地理信息系统构成示意图2.2空间数据模型GIS的空间信息模型有三个，对象（要素）模型、网络模型以及场模型。对象模型描述离散数据。网络模型描述特殊数据间的交汇。场模型则表达三维空间中的数据，也就是本文所运用的模型。如果我们用二维系统来描述关于地质、气象、灾害等方面时，不能准确的反映、分析相关信息。这时就需要运用到三维模型。目前，三维模型的主要功能包括：编码数据：收集三维数据并验证其准确性，准确性随着数据的属性和显示状态而变化。搜素数据：通过数据的各种属性与不同数据间的关系建立连接。建立模型。2.3空间数据的建立、处理、存储2.3.1数据建立根据空间数据模型，生成与之相适应的的GIS空间数据，如下图所示。根据需求确定数据项目根据需求确定数据项目数据分类和编码数据分类和编码确定数据模型确定数据模型数据输入数据输入栅格数据输入矢量数据输入栅格数据输入矢量数据输入栅格数据矢量数据栅格数据矢量数据图2-3数据结构建立的基本过程2.3.2数据处理数据处理设计范围很广，包括数据变换、数据重组、数据提取等。数据变换实质就是坐标系的变换，即在不同坐标系间确立对应关系。比如当电子设备坐标系和实际地理空间坐标系不一致，或由于实际地理位置常常发生变化，需要对系统数据进行坐标转换时，就需要进行空间数据变换。数据重构是指从格式上对数据进行转换，从而融合不同结构不同来源的数据。数据提取是指对用户需求的某种特定信息的提取。2.3.3数据存储地理信息系统的数据包含空间属性，系统的应用也多与环境相关，所以分析的结果多用图像展示。目前大多数GIS软件都可以查找一些简单的空间信息，并可以分析其实体位置、范围和属性。2.4误差分析表2-4误差分析数据处理过程误差来源数据搜集野外测量误差：仪器误差、记录误差遥感数据误差：信息提取误差地图数据误差：原始数据误差、制图综合及印刷数据输入数字化误差：仪器误差、操作误差不同系统格式转换误差：栅格-矢量转换据数据储存数值精度不够空间精度不够数据处理分类间隔不合理多层数据叠合引起的误差传播：多源数据综合分析误差比例尺不适合引起的误差数据输出输出设备不精确引起的误差输出的媒介不稳定造成的误差数据使用对数据所包含的信息的误解对数据信息使用不当

3关于我国通航应急救援体系3.1应急救援的重要性据《中华人民共和国2019国民经济和社会发展公报》，全年因洪涝和地质灾害造成直接经济损失1923亿元，全年大陆地区共发生5.0级以上地震20次，造成直接经济损失约59亿元。全年各类生产安全事故共死亡29519人。煤矿百万吨死亡人数0.083人，道路交通事故万车死亡人数1.80人。不管是自然灾害还是安全事故，都迫切需要应急救援。2019年12月，习近平总书记在中央政治局第十九次集体学习时强调，要加强航空应急救援能力建设。通用航空作为应急救援和抢险救灾不可替代的重要力量，需要在国家应急救援体系中发挥更大作用。3.2航空救援的优势与传统救援方式相比，航空救援更快捷，反应速度更快，救援范围更广泛，当地面交通处于瘫痪状态，地面运输工具无法展开救援行动时，航空救援可以畅通无阻；当需要对疫情区进行大面积的灭菌时，使用无人机作业可以避免救护人员进入疫区手动消毒。此外，航空救援还可以在黑暗，高空，高温，高湿条件下作业，大幅度的提高了救援行动的效率。3.3航空应急救援分类航空应急救援的类型可以分为:自然灾害救援、事故灾难救援、公共卫生事件救援和公共安全事件救援。最常应用事件主要是以下两类:一是保障重大活动的开展,比如奥运会等重大赛事、阅兵式等人群集聚的活动。二是开展道路交通救援,据统计，2019年，全国共发生道路交通事故265204起，造成73484人死亡，道路交通的援助救护需求日趋强烈。3.4我国通航应急救援体系不足飞机数量少，机型较单一，机场供给不足。截止2018年10月，中国通用航空机队在册总数为3229架，固定翼飞机2200余架(包含公务机330架)、旋翼机940余架、飞艇和热气球85架。截至2018年10月，全国已取证通航机场183个，其中A类机场76个，B类107个，适航许可临时起降点197个，共达到380个。但是很多机场设施不够完善，抑制着航空救援的效率。由于受地理位置影响以及救援任务的特殊性，救援任务一般是由直升机执行。目前我国应用的机型还无法满足高强度的航空救援工作，重型直升机数量少，一些用于救援的大型设备无法运输，导致救援进度缓慢。也有一些直升机也因高空缺氧而无法作业，十分不利于救援的开展。（2）救援体制不完善。我国救援力量来自军方、政府、民营三方面，在实际救援时，由于三方在平时没有任何联合演练，且救援工作的开展方式，面对方向也各不相同，同时，航空救援也需要医疗、气象、消防、地质等多个部门的协调配合，由于救援力量都来自各方调配，即使有专门的应急救援机统一调配，但缺乏关键的沟通，信息共享平台，并不能完全了解各方的救援能力与救援进展，在配合时难免会出现不协调，或重复工作或漏掉某方面，救援资源难以形成合力，自然就无法发挥出最大效力，大大降低了航空救援效率。（3）缺乏专业的通航应急救援机构。在我国，每当灾害或事故发生时，军队是主要救援力量。但是，救援并不符合国家对军队责任的主要定位。况且，军队也并没有日常的灾区救援训练,很难开展有效的工作。我国目前严重缺乏民间航空救援力量，影响着救援工作的进展。（4）救援设备落后。通信与导航设备不够先进，救援设备的不匹配，都导致难以在特殊天气或复杂地形完成救援任务。（5）法律法规体系不健全。目前，通用航空想要使用空域，要经过许多的审批单位，许多的审批项目、手续等，耗费大量时间，直接影响到飞行计划的实施。事实上，航空应急救援的单位是来自不同领域,不同部门,每个部门都有各自的规章制度。当没有统一法规时,很难同时协调好众多部门，导致难以形成有效的救援机制,救援效率低下。（6）人才队伍短缺。目前，我国并没有培养专业航空应急救援人才的机构，优秀飞行员外流也抑制了通用航空的发展。应该发展一条航空学校与通用航空公司共同合作的培养模式，推进通航应急救援人才专业培训，进行长期规划，在选拔专业飞行员时可以面向本来就从事救援工作的机构或者组织，以便开展今后的应急救援任务。航空救援是全民行为。我们必须要建立起一个符合我国国情的通航应急救援体系，充分利用民营力量，形成政府主导，政企联合的模式。当情况发生时，将公安、消防、医疗、等部门归入由政府设立的专业通航应急救援机构下，进行统一调配，由机构利用专用系统进行统一规划、统一布局、统一调配、统一管理，合理利用资源配置，形成规范有序的空中救援力量。

4基于GIS的通航应急救援系统救援系统主要分为四个板块：报警系统、数据查询系统、资源调配系统、模拟救援系统。基于GIS的通航应急救援系统基于GIS的通航应急救援系统整分合析信数息据整分合析信数息据，，提发出布方任案务天地气理情状况况，，救机援型单信位息路线规划，三维模拟接分受析信原息因，，发伤布亡告情警况图4-1系统主要功能4.1报警系统地理信息系统通过结合遥感功能，可以监测到水质、地质活动，地理信息系统还可以对交通流量和人口数据进行分析。当数据超过正常浮动，即灾害事故发生时，报警系统启动，同时对警示进行分析与下一步处理，并将报警信息发送到各救援平台，做好救援准备。报警信息包括灾害事故位置、灾害事故原因、伤亡情况、备注信息。报警系统发布的事故位置，会在系统上予以标识，灾害事故原因及伤亡情况是为救援单位提供参考，备注信息是为了传达某些特殊信息，对救援行动进行具体的说明。4.2数据查询系统一个基本的GIS软件都可以实现对空间实体的简单查找，并可以分析出位置的实体及属性，包括空间属性，非空间属性以及结合空间属性和非空间属性的查询。而为了应用于通用航空应急救援系统，数据查询更加复杂，主要是对属性数据和联合属性数据进行查询。包括可以执行救援的单位，可调配的机型。灾害事故地的天气信息，地理信息，距离灾害事故一定范围内的城镇、村庄等。因为大多数GIS数据库中都储存着软件的属性信息，而较为成熟的数据库还可以直接提供比较完备的查询方式及索引系统。几乎所有的数据库管理系统都支持结构化查询语言（StructuredQueryLanguage,SQL）。通过SQL，我们可以对关键词进行多种组合查询，找出满足条件的目标。但是当对空间联合属性查询时，还需要对SQL进行扩展，即在SQL的基本语法形式上，在查询条件中加入约束条件。常规地理信息系统的关系数据库管理系统（RDBMS）都无法直接对空间数据类型进行直接操作，这时就需要空间数据库引擎（SpatialDatabaseEngine,SDE）间接操作，相当于提供了一个中间层，由SDE为GIS完成数据库中存储，查询，分析，操作的相应功能。4.3资源调配系统地理信息系统的主要任务就是将来自各方面的数据、信息整合在一起，通过数据库就行统一管理，用户可以在其中直接查询特定信息，系统可以对数据进行直观的显示、制图并对各种数据进行分析。地理信息系统的一个特殊领域是空间分析，它可以分析不同地理要素之间的空间关系，包括叠合分析、数字地形分析等，为我们制定救援计划提供了基础。结合地理信息系统拥有的数据和因特网传输技术，可以进行辅助决策，列出符合救援需求，拥有救援可利用机型的最近的单位，救援成功后返回的最佳安置（医疗）单位。向各单位发布救援信息及各自的救援任务，并在系统上显示最新救援情况。4.4模拟救援系统根据具体的灾害事故情况，具体的问题和目标，借助GIS构造概念模型，具体为现实世界中可操作的过程。明确目的明确目的准备分析数据准备分析数据进行分析操作进行分析操作解析结果解析结果结果输出结果输出图4-2GIS应用模型的构建制图建模就是通过对原始数据和派生数据发布操作命令，模拟空间分析过程。为了更好的模拟救援过程，我们使用三维建模。从接收报警开始到救援行动的每一步都可以通过三维模型展示。三维模型一般都是通过多层平面和立体图展示，一些原本由人工完成的复杂且繁琐的工作，像离散的图形、透视图等都可以通过GIS迅速高效准确的完成。通过GIS进行交通规划模型，我们可以了解到交通发生量，还可以进行出行分布预测和交通情况最优分配，从而进行应急救援的最佳路线规划。系统同时也会分析出最短路径或最快方式，或者自定义起始点，系统可以通过救援模拟给出风险性评估，当灾害事故事态紧急时，用户端可以进行自主决策。

5系统拟实现的功能5.1信息传输功能前文中指出了我国通航应急救援体系的协调性与统一性不够完善，缺乏沟通，信息共享平台。通过本系统，参与应急救援的每一个单位，具体到每一架飞机都可以实现信息共享，包括各单位的救援情况，进展程度。当发现目标或遇到情况需要支援时，也可以通过系统联络附近的其他单位。设立的专业通航应急救援机构就是通过系统向各单位发布报警信息及救援任务，协调各个单位，最大限度的利用了资源。5.2数据储存功能想要支持救援行动的开展，系统必须包含着大量数据，比如国内大型通航企业的信息、机场的位置、信息、相关情况、各种飞机类型的信息及它们的主要功能。5.2.1国内通航企业信息获取通航企业的资源主要来自于他们的官方网站，系统可以通过GET类方法获取相关信息，进行解析后以特定格式存入数据库。例如：表5-1国内通航企业信息序号名称内容1企业名称山东通用航空服务股份有限公司2地理位置北纬N36°39′49.40″东经E117°08′10.21″济南市槐荫区齐州路2477号3主要业务森林救火、医疗救护、城市消防、人工降水、气象探测、海洋监测、科学实验等4主要机型运五B（D）飞机、贝尔206、407、429直升机、Ka-32大型直升机及P-750飞机等航空器20多架5运营机场东营胜利机场、垦利治蝗机场、平阴农用机场及济南武警直升机机场6联系电话400-9696997

2.2机场信息由于当灾害事故发生时，仅仅使用通航机场恐怕无法支撑救援行动，所以数据库中除了通航机场信息外，还应包含所有可利用的民用机场的信息。表5-2机场信息表机场名称代码（ICAO/IATA)位置经度纬度飞行区等级跑道数跑道参数...北京首都国际机场ZBAA/PEK北京市顺义区东经E116°35′40.47″北纬N40°04′34.59″4F3长宽3800×60米、3200×50米...上海虹桥国际机场ZSSS/SHA上海市长宁区东经E121°20′33.25″北纬N31°11′48.70″4E2长3400米、宽57.6米...广州白云机场ZGGG/CAN广州市花都区东经E113°18′14.41″北纬N23°23′34.35″4E3长度4000米宽60米...5.2.3救援机型信息数据库中存储着来自于互联网中搜寻的应用较为广泛的救援机型，建立起救援机型信息表后，系统可以根据实际需求，匹配最适合执行救援任务的机型。表5-3救援机型信息表型号主要功能机长机高机宽最大承重座位数最大速率航程AC311直升机护林灭火10.46m3.21m11.93m1274kg6241km/h620km/h贝尔206直升机运货、救援9.5m2.91m10.61m1814kg5225km/h624km/hKa-32A11BC直升机工程吊装11.3m3.5m15.9m3700kg13-14230km/h650km/h5.3时空一体化的实现为了最大化实现资源的利用程度，以及防止救援行动的重复与遗漏，需要考虑时效性。因此，时空复合操作已成为GIS的重要组成部分。通过建立时空数据库系统来实现这个功能。时空数据库系统的表现内容主要分以下两方面：时态数据的更新：空间时态数据的更新研究的是当数据更新后，数据库中数据模型变换及拓扑重建等问题。在实际救援中，各单位都可以了解都互相的最新救援进度，而当救援任务已经完成时，系统会重新规划下一步救援任务，由指挥中心进行下一步任务发布。时态数据的查询：通过对不同数据的跟踪分析，完成对多维信息的分析和模拟。无论是指挥中心，还是每一个救援单位，都可以通过系统了解到整个救援格局。

6总结与展望本文分析了我国现有的通用航空应急救援体系，指出其中的不足之处，基于GIS设计一个用于通航应急救援的系统，从灾害报警、信息查询、联络沟通、发布信息、模拟救援、实施救援全过程，都可以利用本系统实现。主要完成了以下工作：在GIS的空间数据库的基础上，通过网络数据，建立通用航空应急救援数据库，包含救援单位的位置信息、机场的资质、飞机的性能参数等。通过多处客户端的登录，实现各救援单位信息共享，可以及时了解到最新救援进展，提高救援效率。通过三维建模，模拟救援全过程，提供最佳救援方案，其中的地形，起飞降落及天气状况均来自真实数据，同时会给出各种救援方案的风险性评估，在提高了救援水平的同时，最大程度的保障了救援人员的安全。利用通用航空参与应急救援，不仅能促进通航业的发展，也有利于通用航空应急救援体系的完善。随着体系的完善，可以推广到各种自然灾害与人为事故的救援中，提高救援效率，提高救援行动的安全性，有效减少人员伤亡与财政损失。由于数据来源不够，软件功能不完善，个人研究能力有限等因素，文中所阐述的部分成果不够完善，但本文作为理论研究，所有方法均可行有效。文中也提到有很多种误差来源，在实际运用中必须考虑到误差带来的影响，今后可以通过实测大量数据来减小误差。由于系统涉及到众多的理论、方法和技术，还需要在实际工作中不断积累和完善，在以下方面，还需要进一步开发和研究：地理信息系统的三维建模本身就较为复杂，当同时考虑天气状况、救援单位的位置、最适合执行救援任务的机型等多种因素时，数据搜索复杂，时间消耗较大，而救援