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“数字机场”的关键技术及解决方案要点
来源:中国民航网2017-06-19 13:31:00

一、“数字机场”的基本概念

1998年1月,美国前副总统戈尔在加利福尼亚科学中心发表了题为“数字地球:21世纪认识地球的方式”的报告。其要点就是在三维地球的数字框架上,按照地理坐标集成有关的海量空间数据及相关信息,构建一个数字化的地球,即“数字地球”,为人们认识、改造和保护地球提供一种重要的信息源和新技术手段。从实质上讲,数字地球是遥感、遥测、数据库与地理信息系统、全球定位系统、互联网、仿真与虚拟技术等现代科技的高度综合集成和升华,是当今科技发展的制高点。

“数字地球”这个讲话推出后,在国内也引起了我国领导人与科技界极大的关注。由于“数字地球”计划与我国的“国家信息化”或“国民经济信息化”的战略目标是一致的,因此,我国领导人高瞻远瞩,与时俱进,大力支持和推进实行“数字中国”,并把“数字中国”计划作为中国21世纪国家信息化发展的切入点。在实际推进过程中由国家建设部牵头,先从“数字城市”起步,涉及若干行业如铁路、交通、林业、国土资源等,到目前已经有数十个城市以及铁路、交通、林业、国土资源等行业在进行数字化的工作。

由于机场是一个城市极其重要的有机组成部分,机场及其所在区域相当于一个技术高度密集的小城市。因此,我们认为,机场应该适应城市数字化的大趋势,进行“数字机场”建设,从而实现“数字民航”的宏伟设想。这是我国民航实施可持续发展战略的技术保障,而实现“数字机场”计划也是关系到民航事业持续发展乃至国家和国防的安危的重大战略问题。

我们认为,“数字机场”的内涵实质上是信息化数字化的机场,包括机场绝大部分要素的数字化、网络化、智能化、可视化的全部过程。其外延包括数字区域与数字行业,如数字北京、数字民航等。也就是说,充分利用先进的信息技术手段,以基于地理信息系统(GIS)技术的应用软件为支撑平台,结合遥感(RS)技术、全球定位系统(GPS)技术、虚拟现实(VR)技术在机场工程中的综合应用,涉及机场选址、规划、设计、施工、政府(民航局)监管、运营管理、维护及决策支持等诸多方面,建成一个集机场选址、规划、建设、管理与服务于一体的智能化信息系统,这就是“数字机场”。

和“数字地球”一样,“数字机场”的基础技术有:多种分辨率的遥感技术、快速定位技术、以计算机为核心的WebGIS与OpenGIS技术以及高速计算机通信网络技术等。

二、“数字机场”的支撑技术

“数字机场”的学科交叉与知识融合模式可概括为:3S(GIS/RS/GPS)+NET+VR,其中:GIS为地理信息系统;RS为遥感技术,GPS为全球定位系统;NET为网络;VR为虚拟现实。

和数字城市一样,3S(GPS,RS,GIS)是数字机场建设所需的数据采集、信息更新、知识维护技术。GIS为数字机场规划提供基础平台,负责规划数据的编辑、转换、存储、检索、分析、模拟、表达与输出等功能,GPS为数字机场规划提供快速、准确的空间定位,从而可以方便地进行定位、测量、监控导航等;RS是数字机场规划数据的主要来源,是数据获取和数据更新的主要途径。3S集成为数字机场规划提供了十分方便而且有效的实时、动态、整体对地观测技术系统和空问与目标分析系统、智能辅助决策系统、实时交互式可视化系统、规划效果仿真与影响评估系统等等,使规划者可以集中精力于规划灵感获取与规划创作,而不再受创作实现手段的限制,并使不同的使用者在统一的平台下资源共享并实现不同的用途。VR是通过头盔式三维立体显示器、数据手套、三维鼠标、数据衣(DataSuit)、立体耳机等设备使人能完全沉浸在计算机生成创建的特殊的三维图形环境来对现实环境进行模拟,具有多感知性(视觉、听觉、嗅觉、触觉、运动等)、沉浸感、交互性、自主感等基本特征,是模拟表现与可视化技术最有前途的发展技术之一。

“数字机场”关键技术包括:高分辨率的遥感技术、海量数据的快速存储与处理技术、高速网络技术、WebGIS与OpenGIS的互操作技术、多分辨率多维数据的融合与主体动态表达技术、仿真与虚拟技术以及元数据Metadata技术。

从“数字机场”的应用需求看,应重点考虑以下关键支撑技术:

1.(机场)空间数据共享平台

地理空间信息具有基础性、区域性、共享性、综合性和分布性,已得到广泛的重视和应用。由于缺乏协调和管理,在国内机场各个系统之间往往是独立的,对基础数据进行了重复采集和数字化,系统间缺乏交流和共享,不能适应信息化和网络化的要求,限制了地理信息的广泛应用。

空间数据共享平台由通信网络、空间信息资源、空间信息处理服务和用户操作界面构成,实现各专业部门对基础信息和处理功能的共享,以及各专业部门信息和处理功能间的集成和融合的框架。

空间信息资源包括各种类型的数字地理空间信息和空间参考信息,具体有电子地图、数字遥感图像、三维空间图形和多媒体信息等,另外还有具备空间参考属性的属性信息和各种统计信息。空间信息资源存储在各种级别和规模的分布的数据库、数字资料馆和数据仓库中。

空间信息处理服务器是连接在计算机网络上的计算机,包括超级计算机、大规模并行分布处理计算机、各种工作站和服务器,他们完成对数据库的操作和各种空间信息处理和查询要求,提供各种计算模型和决策支持系统。

用户终端计算机提供对用户友好的操作界面,使用户不仅能通过键盘,还能够通过语音和虚拟现实工具来同数字世界交互,提供对空间信息的查询和访问,为用户提供决策支持,为公众提供信息查询。

实现空间信息数据(含地理数据)共享的必要性和优点有:

①整合分离的数据源是GIS及相关工具的主要特征之一。

②通过空间数据共享可以使更多的人使用和更充分地利用已有的数据,减少重复劳动和费用。

③使大家有可能基于一个公共框架工作,既节约金钱,又产生更大的协作利益。

④GIS系统更容易集成。

⑤GIS应用开发可以把重点放在开发新的应用程序,而非仅仅是支持不同的数据格式。

2.元数据管理

Metadata是“关于数据的数据”或“关于信息的信息”,它在地理信息中用于描述地理数据集的内容、质量、表示方式、空间参照系、管理方式以及数据集的其他特征,它是实现地理空间数据集共享的核心内容之一。

它具有下列几个意义:是用于描述信息资源的高度结构化数据;可以管理和组织信息;可以挖掘信息资源;也可以帮助人们准确地查询所需要的信息,并在从不同的资料或组织获取数据时,可以通过对相同的Metadata元素进行比较和对比,获取自己所需要的信息内容。它是打开对多源数据资料进行获取、智能分析以及运算大门的钥匙。

基于元数据的信息共享的特点对分散在各个场所的重要信息资源可有效地利用及共享。对数据进行综合管理。把数据安全、有效地保管在分布式的服务器群中,解决双重投资的问题。数据保存在目录系统中,数据所有者可以对数据直接管理。支持地图、卫星图像、文档、图表、多媒体及其他所有种类的数据形式。数据利用者通过简易的操作界面、方便地对数据进行搜索、浏览和处理。登录的数据可经由Internet发布。

需要研究机场元数据,并按照上述思路加以管理和应用。

3.空间数据仓库

过去二十多年来,人们使用GIS、CAD、RS等系统构建了数量惊人的数字化空间数据,并为此付出了上百亿美元。如何充分有效地利用这些资源是一个重要的课题。今天,空间数据管理的需求有三种趋势,一是组织内部访问需求的扩大;二是一些组织开始在地图数据中集成自己的核心业务数据并且将空间分析加入到业务流中;三是越来越多的人希望通过互联网来访问已有的地图数据。但是,由于GIS软件提供商多采用文件格式或自己定义的数据格式来保存地图数据,开放式访问地图数据受到了严重的阻碍。

数据仓库(DataWarehousing)指“支持管理决策过程的,面向主题的、集成的、随时间而变化的、持久的数据集合”。它是管理分布式、大量数据的,面向主题的系统,可以跨越不同数据模式的、不同版本,并对数据可进行多种面向决策的处理。它是一个把多个异构的原始数据集合融合在一起以支持结构式即席查询、分析和决策支持的技术系统。以数据仓库的思想来管理空间数据的系统就构成了空间数据仓库,它有机地将数据的空间属性和时间属性紧密结合起来。

4.分布式海量数据存储技术

NFS是networkfilesystem的缩写。这是一种在不同机器之间共享文件系统的方法,本地机器可以像使用本地硬盘一样使用远程文件系统。这个存储系统,以NFS为基础实现分布式节点的存储空间共享,并采用三层存储体系进行影像数据的存储管理。

三、“数字机场”的解决方案

“数字机场”的应用解决方案要从支撑层到行业层、区域层三个层面联系考虑。

技术产品类型解决方案:构成数字机场应用的技术与产品支撑体系。要重点解决的问题是关键技术攻关与新一代(专业)产品研发。

行业领域类型解决方案:面向数字民航。要重点解决的问题是数据建设、业务流程、事务处理、分析模型等标准化、规范化。

区域集成类型解决方案:面向数字区域。要重点解决的问题是战略规划、组织管理、数据建设、维护更新。

“数字民航”,包括“数字机场”在内,是行业与区域两者的综合类型。要在产品与关键技术的支撑下,提出相关解决方案。

目前迫切要做的是:借鉴数字城市或数字铁路等行业的建设经验和教训,研究制订相关的政策、标准和规范。

这个方案的实施,将把建设以人为本、资源节约型和环境友好型绿色机场的战略决策落到实处,使美好梦想成为现实。

四、“数字机场”的框架思考

和“数字城市”一样,“数字机场”的概念框架也应包括政策、基础、系统与应用四个层面,应是一个开放型架构体系。在技术方案方面,应注重以下关键技术:基于元数据与分布式空间数据仓库的信息共享平台,元数据与业务标准体系,3S与MIS(管理信息系统)、OA(办公自动化)、VR等高度集成的技术系统,高度融合而又条块分明专业与区域系统,并应借鉴数字城市和数字铁路、数字林业等建设以及新一代GIS设计理念与数据模型。(中国民航网智库专家 徐军库 机场工程民航科研基地)

参考文献:

1“数字地球”与“数字黄河”关键技术及解决方案要点邬伦《中国水利》2002-2

2、试论数字城市规划的支撑技术体系徐虹,杨力行,方志祥武汉大学学报(工学版)第35卷第5期2002年10月

责任编辑:史影
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