基于GIS的機(jī)場噪聲預(yù)測技術(shù)研究

薛 濤，尚雪莉，劉中一

(1.寧波市測繪設(shè)計(jì)研究院，浙江寧波3150421;2.核工業(yè)航測遙感中心，河北石家莊050002;3.中國民航機(jī)場建設(shè)總公司，北京100029)

基于GIS的機(jī)場噪聲預(yù)測技術(shù)研究

薛 濤1，尚雪莉2，劉中一3

(1.寧波市測繪設(shè)計(jì)研究院，浙江寧波3150421;2.核工業(yè)航測遙感中心，河北石家莊050002;3.中國民航機(jī)場建設(shè)總公司，北京100029)

針對現(xiàn)代機(jī)場噪聲預(yù)測評價的需求，參考國內(nèi)外關(guān)于機(jī)場噪聲預(yù)測、評價、監(jiān)測、分析等各個方面的法律法規(guī)、技術(shù)參考與研究實(shí)踐成果，對機(jī)場噪聲預(yù)測模型的精確性及其易于實(shí)現(xiàn)性進(jìn)行深入分析。在提出理論模型的基礎(chǔ)上，遵循模型驅(qū)動架構(gòu)(MDA)理論的3個建模過程和7個具體流程進(jìn)行需求分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用MFC與MapX組件實(shí)現(xiàn)了輕量級的基于GIS的機(jī)場噪聲預(yù)測系統(tǒng)。

GIS;機(jī)場規(guī)劃;機(jī)場噪聲;噪聲等值線;預(yù)測

一、引 言

隨著我國航空事業(yè)的發(fā)展和人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，控制機(jī)場噪聲、減少機(jī)場噪聲影響的課題顯得越發(fā)重要和緊迫。而為了從根本上減輕機(jī)場噪聲帶來的危害，擺脫“先污染后治理”的被動局面，機(jī)場噪聲預(yù)測評估已經(jīng)成為決策者、規(guī)劃設(shè)計(jì)者進(jìn)行決策和規(guī)劃的重要依據(jù)和手段，也是未來發(fā)展的趨勢。本文研究噪聲預(yù)測模型，并在此基礎(chǔ)上建立一個基于GIS平臺的噪聲預(yù)測系統(tǒng)。

二、機(jī)場噪聲預(yù)測計(jì)算模型的建立

一般來說，各種機(jī)場噪聲預(yù)測模型的計(jì)算結(jié)果都是通過在機(jī)場地圖的跑道周圍做等值線，以及計(jì)算跑道周圍某些敏感點(diǎn)的噪聲級表現(xiàn)的。等值線圖用來反映機(jī)場周圍受飛機(jī)噪聲影響的程度和大小［1］，這些影響由一個具體的噪聲指標(biāo)表示，等值線就是這個噪聲指標(biāo)值相等的一條線。繪制機(jī)場周圍的等值線圖是控制機(jī)場噪聲的基礎(chǔ)，也是機(jī)場噪聲預(yù)測結(jié)果的直觀體現(xiàn)。圖1是生成噪聲等值線的一般流程。下面以單跑道為例，說明噪聲等值線的計(jì)算方法。

圖1 計(jì)算機(jī)場噪聲等值線的流程圖

1.單跑道預(yù)測點(diǎn)陣生成

計(jì)算噪聲等值線至少需計(jì)算2000～6000個觀測點(diǎn)的噪聲數(shù)據(jù)，然后將噪聲級相同的點(diǎn)通過曲線擬合后得到噪聲等值線。觀測點(diǎn)的數(shù)目越多，等值線的精度越高。由此，最后生成的等值線精度高低，與預(yù)測點(diǎn)陣的生成恰當(dāng)與否有著重要的關(guān)系，需要根據(jù)機(jī)場噪聲的特點(diǎn)對以往機(jī)場噪聲預(yù)測、測量結(jié)果進(jìn)行分析。對于單跑道的噪聲預(yù)測分析而言，其預(yù)測點(diǎn)陣分布在一個以跑道方向、位置和長度決定的矩形M中，M的中心即為跑道的中線中點(diǎn)，矩形M的示意圖如圖2所示。

圖2 生成預(yù)測點(diǎn)陣邊緣矩形M的示意圖

依照以往的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果分析，如果要將噪聲值n＞70 dB的等值線完整描繪，需要取 Sh為8000～12 000 m，Sv取1500～2500 m為宜。

在確定了矩形M之后，以往確定預(yù)測點(diǎn)的做法是等距平均法，如圖3所示。

圖3 等距平均法生成預(yù)測點(diǎn)陣方法的示意圖

pSh和pSv的取值決定了描繪等值線時插值法的精度。pSh和pSv越小，預(yù)測點(diǎn)的數(shù)量就越多，插值法獲得的等值點(diǎn)坐標(biāo)精度就越高，計(jì)算量也就越大。一般實(shí)踐中取 pSh在20～400 m之間，pSh在10～200 m之間。

整個預(yù)測點(diǎn)陣的數(shù)量Cm有以下公式

式中，Lroad為當(dāng)前跑道長度。

實(shí)踐證明，隨著需要描畫等值線的噪聲值n減小，Sh與Sv將急速增大。而為了得到精確的等值點(diǎn)插值坐標(biāo)，pSh和pSv取的很小。這樣得到的Cm會很大，而Cm中每一個點(diǎn)都需要計(jì)算持續(xù)積累時間有效感覺噪聲級，導(dǎo)致整個預(yù)測過程的計(jì)算量十分龐大。

在實(shí)際工作中，對于預(yù)測結(jié)果中離機(jī)場跑道較近、噪聲值較高(如n可能＞70 dB)區(qū)域的精度要求和關(guān)注程度要大于離跑道較遠(yuǎn)、噪聲值比較低(如n可能≤70 dB)區(qū)域。基于此狀況，提出一種新的預(yù)測點(diǎn)陣生成方法，旨在解決在高精度、大范圍的預(yù)測過程中由于Cm巨大而導(dǎo)致計(jì)算量過于龐大的問題。

這種生成方法的思想是:由于機(jī)場噪聲有一定的規(guī)律可循，遵從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在離跑道遠(yuǎn)、預(yù)計(jì)預(yù)測噪聲值較低的區(qū)域，建立稀疏的預(yù)測點(diǎn)陣;而在離跑道近、預(yù)計(jì)預(yù)測噪聲較高的區(qū)域，建立密集的預(yù)測點(diǎn)陣。具體方法如圖4所示。

圖4 不同密集度生成預(yù)測點(diǎn)陣方法的示意圖

可以設(shè)定不同的pShmax、pShmin、pSvmax、pSvmin，令所有pSh值都在［pShmin，pShmax］中，所有的 pSv值都在［pSvmax，pSvmax］，并以此作為動態(tài)調(diào)整控制點(diǎn)陣疏密程度的手段。這樣，點(diǎn)陣的疏密與其重要程度、離預(yù)計(jì)高預(yù)測噪聲值區(qū)域的距離相關(guān)，兼顧了精度、范圍和計(jì)算量3個方面。

2.單事件噪聲預(yù)測計(jì)算

單次噪聲計(jì)算的目標(biāo)是獲得單架飛機(jī)一次飛行給預(yù)測點(diǎn)陣中某點(diǎn)Pij帶來的影響——有效感覺噪聲級LEPN。LEPN的計(jì)算受到諸多因素的影響，這些因素包括［2］:航空器型號、發(fā)動機(jī)型號、發(fā)動機(jī)推力、航空器飛行中(起飛或著陸)各階段速度、地面位置點(diǎn)到航空器航跡的最短距離，以及當(dāng)?shù)氐牡匦魏蜌夂驅(qū)β曇羲p的影響等。所以，LEPN的計(jì)算就是根據(jù)地面噪聲計(jì)算位置點(diǎn)到航空器飛行線路的最短距離，對該航空器既有基本聲學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算得到該位置點(diǎn)的噪聲級，并在此基礎(chǔ)上疊加以上各影響因素的修正值。

［2］和［3］給出了計(jì)算聲音暴露級(SEL)的模型，國內(nèi)也有學(xué)者提出了用于機(jī)場航空噪聲評價指標(biāo)的計(jì)算公式［4］，綜合以上資料，得出單架次飛行事件有效感覺噪聲級LEPN的一般計(jì)算模型

LEPN=LEPN(P，d)+Δv－Λ(β，L)+ΔL+Δφ+Δl(φ)式中，LEPN(P，d)為理想狀態(tài)下的單架飛機(jī)單次飛行有效感覺噪聲值;Δv為速度修正因子;Λ(β，l)為側(cè)向衰減修正因子;ΔL為起飛滑跑方向修正因子;Δφ為持續(xù)時間修正因子;Δl(φ)為發(fā)動機(jī)安裝修正因子。

3.積累事件噪聲預(yù)測計(jì)算

多次飛行事件對某預(yù)測點(diǎn)P造成的影響采用計(jì)權(quán)等效連續(xù)感覺噪聲級LWECPN來計(jì)量，這也是我國現(xiàn)行的機(jī)場噪聲值評價量。

式中，N為某機(jī)型飛機(jī)飛行事件發(fā)生的次數(shù)，N=N1+N2+N3;LEPNi為某機(jī)型飛機(jī)單次飛行次數(shù)產(chǎn)生的經(jīng)過修正的有效感覺噪聲級。

4.基于預(yù)測點(diǎn)陣的等值線描繪

根據(jù)文中的方法計(jì)算出預(yù)測點(diǎn)陣中所有點(diǎn)LWECPN的值后，對于某個給定的標(biāo)準(zhǔn)值LWECPN(std)，就可以確定分布在點(diǎn)陣“網(wǎng)格”上的所有 LWECPN為LWECPN(std)的坐標(biāo)，進(jìn)而描繪值為LWECPN(std)的等值線。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)利用MFC的MVC控制，將整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為用戶層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層3部分。這種架構(gòu)強(qiáng)制性地使系統(tǒng)的輸入、處理和輸出分開，具有低耦合、高復(fù)用、可適應(yīng)、可維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。

在用戶層中，系統(tǒng)利用MFC的消息響應(yīng)機(jī)制接受用戶輸入，送入業(yè)務(wù)層進(jìn)行處理。業(yè)務(wù)層經(jīng)過一系列計(jì)算，得到最后的結(jié)果，再由用戶層中的視圖類反映給用戶，完成人機(jī)交互。

整個業(yè)務(wù)層是根據(jù)業(yè)務(wù)流程對用戶的輸入以及底層數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算的過程，也是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。業(yè)務(wù)層一共分為4個模塊，分別是GIS模塊、I/O處理模塊、核心計(jì)算模塊和外圍計(jì)算模塊。上述4個模塊的主要功能如下:

1)GIS模塊負(fù)責(zé)與GIS有關(guān)的各種基本操作，以及對地理信息數(shù)據(jù)的處理和分析。

2)I/O處理模塊主要用來接收來自用戶層的參數(shù)信息與來自數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)信息，并負(fù)責(zé)將最終的計(jì)算結(jié)果傳遞給數(shù)據(jù)層進(jìn)行持久化。

3)核心計(jì)算模塊主要實(shí)現(xiàn)預(yù)測模型中的多跑道多事件的噪聲預(yù)測核心算法。

4)外圍計(jì)算模塊主要負(fù)責(zé)機(jī)型噪聲曲線擬合、預(yù)測點(diǎn)陣生成、根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定等值點(diǎn)以及根據(jù)等值點(diǎn)確定等值線等工作。

對于數(shù)據(jù)層來說，主要的功能是獲取地圖、飛機(jī)性能參數(shù)及其他數(shù)據(jù)，以供給業(yè)務(wù)層進(jìn)行處理，并將處理的結(jié)果持久化到地圖數(shù)據(jù)中。

2.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)用MFC+MapX組件搭建，MFC提供了很好的模型視圖控制器(model view controller，MVC)控制，而MapX則提供了友好便捷的地圖管理接口。依賴于PIM建模過程生成的文件，將MFC與MapX的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，運(yùn)用模式設(shè)計(jì)提供的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法來構(gòu)建ANPS系統(tǒng)。

3.系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)是面向機(jī)場規(guī)劃設(shè)計(jì)人員建立的、輕量級的機(jī)場航空噪聲預(yù)測軟件。本系統(tǒng)旨在減輕用戶在機(jī)場跑道周邊區(qū)域進(jìn)行土地相容性研究時的工作量，輔助用戶便捷地使用CAD生成的前期規(guī)劃圖進(jìn)行機(jī)場航空噪聲預(yù)測與評估。系統(tǒng)的主要功能包括:

1)讀取、顯示機(jī)場規(guī)劃地圖，對地圖進(jìn)行放大、縮小、選定、平移、設(shè)置標(biāo)簽、設(shè)置標(biāo)注、圖層管理等基本操作。

2)通過輸入的限定條件，自動查找與定位地圖中的跑道圖元。

3)根據(jù)輸入的樣本噪聲值組，進(jìn)行某種機(jī)型的飛機(jī)噪聲參數(shù)曲線擬合。

4)根據(jù)輸入的參數(shù)，進(jìn)行噪聲預(yù)測計(jì)算。

5)根據(jù)計(jì)算結(jié)果畫出等值線，并生成主題地圖，結(jié)果可存儲為圖層。

6)計(jì)算指定敏感點(diǎn)的預(yù)測噪聲值。

7)對跑道的位置和方向進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

8)飛機(jī)機(jī)型參數(shù)使用XML存儲。

四、結(jié)束語

筆者參考了國內(nèi)外大量法律法規(guī)、技術(shù)參考與研究實(shí)踐成果，對機(jī)場噪聲預(yù)測模型的原理、計(jì)算過程、精確性與易于實(shí)現(xiàn)性進(jìn)行了深入研究分析，并在其他學(xué)者的研究基礎(chǔ)之上建立了機(jī)場噪聲預(yù)測模型，其中在單/多跑道預(yù)測點(diǎn)陣的生成、飛機(jī)噪聲曲線模擬、修正因子計(jì)算、等值點(diǎn)坐標(biāo)確定、等值線追蹤等具體方面的理論研究中提出了改良與創(chuàng)新。在此模型基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際工作中遇到的具體問題，很好地考慮了規(guī)劃人員的實(shí)際需求，充分發(fā)揮GIS平臺的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了一個基于GIS的機(jī)場噪聲預(yù)測系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn):

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On Airport Noise Prediction Technique Based on GIS

XUE Tao，SHANG Xueli，LIU Zhongyi

0494-0911(2012)06-0071-03

P208

B

2012-05-04

薛 濤(1972—)，男，寧夏吳忠人，碩士，高級工程師，主要從事GIS軟件開發(fā)工作。