CN108596397B - 一种基于水文模型多机航线规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于水文模型多机航线规划方法，其特征在于采用以下步骤：1)选择研究区的DEM数据，应用ArcGIS数据管理实现对DEM重采样；2)提取河网和等高线，并将两者叠加建立几何网络，进行拓扑分析和拓扑错误处理，具体为①利用水文分析提取山谷线构成的河网，②基于ArcGIS三维分析技术生成等高线，③山谷线和等高线叠加生成几何网络，④拓扑分析、拓扑错误处理及几何网络修整；3)局部路径搜索，确立飞机在几何网络中规划范围；4)确立航线规划模型，计算最优路线。本发明是考虑到飞行安全性、航程和飞机性能等的航线选优问题，模型简单，利用成熟的ArcGIS空间分析技术，设计快捷方便，非专业人员也能轻松完成，应用面广泛。

Description

一种基于水文模型多机航线规划方法

技术领域

本发明提供一种基于水文模型多机航线规划方法，属于直升机航线规划技术领域。

背景技术

到目前为止，我国航空救援领域远未满足社会需求，仍亟须仅医疗救援方面到2020年需要年飞行15～20万小时，而低空航空救援则是航空救援的核心技术之一；医学统计显示救援飞机在到达时间从15分钟延迟到25分钟，重伤者的死亡率将从20％提高到67％。因此，在民用领域内快速便捷的航空救援有及其重要的意义。目前低空救援规划方法存在以下几点不足：1)航空救援在军方研究较多，民用相对较少；2)规划环境越复杂，计算量越大，计算时间越长，影响其实用性；3)航线规划中影响飞行的因素众多，天气因素对飞行安全影响较大，现有模型的可扩展较差。

发明内容

本发明的目的是针对上述缺陷，提供一种应用于复杂环境下紧急救援的基于水文模型多机航线规划方法。其技术方案为：

1.一种基于水文模型的多机航线规划方法，其特征包括以下实现步骤：

1)选择研究区的DEM数据，应用ArcGIS的数据管理功能实现对DEM重采样为f₁；

2)提取河网和等高线，并将两者叠加建立几何网络，进行拓扑分析和拓扑错误处理；

由ArcGIS软件生成山谷线和等高线，再由这些线经过叠加、拓扑处理形成相互连通的水文几何网络，该几何网络就是航线规划的基础，基于GIS空间分析建立几何网络包括以下步骤：

①利用水文分析提取山谷线构成的河网：利用水文分析提取河网的步骤包括：洼地填平、水流方向计算、水流积聚计算、提取河网栅格、生成河网矢量；

洼地填平操作时，填洼的高度Z值选择为飞行航线设计的航高H₀，并构建地形威胁模型：飞行航线地形威胁用f₂表示，其数学描述如下：

f₁′为经过地形填洼以后的DEM内航线规划矩阵，H_x，y为f₁内的各高程点，H₀为设计航高；

②基于ArcGIS三维分析技术生成等高线：采用ArcGIS软件3D Analyst工具的栅格表面下的等值线命令，根据威胁分布密度选择等高距为10m、50m或100m；

③河网和等高线叠加生成几何网络：利用空间分析中的矢量叠加功能，由等高线与山谷线生成相互垂直的初始几何网络；

④拓扑分析、拓扑错误处理及几何网络修整：通过ArcGIS软件对初始几何网络进行建立拓扑和拓扑错误改正，其中拓扑规则：不能有悬挂节点、不能有伪节点，并根据几何网络各条边之间的距离限值对几何网络的边和节点进行修正；

3)局部路径搜索，确立飞机在几何网络中规划范围：根据出发点P_S与几何网络节点间的关系，建立局部网络选择模型，确定在几何网络中航迹规划的起始点：

公式(2)中，nt为航线规划飞机数，f_l(i)是第i架飞机进入几何网络选择的路径，其包含几何网络的航线节点P_li的集合P_N为：P_N＝[P_l1，P_l2，…，P_l，n-1，P_vN]，P_vN即为f_l(i)连接几何网络的最优节点；D_sk(j)为飞机选择起始点P_S到第k个节点P_k的距离，N_l(U_k)为第k个节点的邻域U_k内待选节点的总数；

公式(3)中{v}表示几何网络所有节点，P_NC为局部路径搜索的几何网络最短路径的起始节点，

表示空集合。

4)确立航线规划模型，计算最优路线：由步骤3)选择的几何网络内的起始点和已知的目标点，建立规划两点间距离的航线安全性评价模型：

①三维航线长度f₂计算公式为：

公式(4)中n是几何网络内航线的航迹点总数，第i个航迹点的坐标为(x_i，y_i，H_i)，m是飞机的个数；

②构建航线安全性评价模型，见公式(5)，然后采用Djjkstra算法选择安全性最高的最短路径：

其中，F为航线综合威胁影响，m为规划航线个数。

本发明与现有技术相比，其优点在于：

1)应用范围广，既适应专业领域又适应非专业领域。

2)计算量小，且计算简单。

3)数据获取容易，全国30m、90m可免费获取，且精度高。

4)扩展性强，结合GIS软件的空间分析功能，容易引入天气等影响飞行的因素，增强模型的适应性。

具体实施方式

实施例1：应用本发明对5架飞机以及1个目标点的航线规划来说明所发展模型和方法的可行性和有效性。这里采用如下假设：所有飞机型号都相同，在复杂的地形条件下，共同配合参与紧急事故救援。具体步骤为：

1)选择研究区的30m的DEM数据，应用ArcGIS的ArcToolBox-＞DataManagementTools-＞Raster-＞RasterProcessing-＞Resample对DEM进行1km的重采样f₁；

2)提取河网和等高线，并将两者叠加建立几何网络，进行拓扑分析和拓扑错误处理；

①利用水文分析提取山谷线构成的河网：

洼地填平时，填洼的高度(Z值)选择为飞行航线设计的航高1km，并构建地形威胁模型。

ArcGIS采用D8算法计算水流方向，使用ArctoolBox-＞Spatial Analysis Tools-＞Flow Accumulation工具计算流向，并提取河网栅格大于积聚计算后得到栅格的最低河流象素值800的为河网并对河网进行矢量化。

②基于ArcGIS三维分析技术生成等高线：执行命令[3DAnalyst工具]——＞[栅格表面]——＞[等值线]，选择的等高距为50m。

③河网和等高线叠加生成几何网络：

ArcGIS软件的叠加分析对步骤①和②生成的河网和等高线矢量图层选择“ArcToolBox-＞Analysis Tools-＞overlay-＞Intersect”生成初始几何网络。

④拓扑分析、拓扑错误处理及几何网络修整：对拓扑错误中的悬挂节点、线段间距小于500米和节点间距小于1km删除。

3)局部路径搜索，确立飞机在几何网络中规划范围：5架飞机的起点对应为P_s＝{(1km，96km)、(49km，198km)、(242km，34km)、(264km，176km)、(155km，1km)}，选择起始点5km邻域的节点建立局部网络，选择各局部网络起始点到各节点的距离，选择距离较小的节点作为线路规划起点。本实验选择的各起始点都位于几何网络的节点上，即

4)确立航线规划模型，计算最优路线：

目标点为(156km，251km)，阻抗设置为几何网络边对应的路径长度值、限制路径搜索方向为0～180°、交汇点满足方向为0～180°的道路畅通无阻。

①三维航线长度f₂计算公式为：

其中，n是几何网络内航线的航迹点总数。

②综合考虑以上两种因素的航线安全性评价模型的数学描述如下：

其中，F为航线综合威胁影响，采用网络分析的最短路径操作生成择安全性最高的最短路径，其对应的航程安全评价值见表1。

表1多机安全评价值

实验数据证明：

(1)本专利的航线规划，既可以简化计算量，又能充分利用成熟GIS软件的强大的空间分析能力，且具有一定的模型扩展空间。

(2)仅需要编程实现航线优化部分，可以利用已有的程序。

(3)非专业人员也可以完成航线设计，应用范围广泛。

Claims (1)

1.一种基于水文模型的多机航线规划方法，其特征包括以下实现步骤：

1)选择研究区的DEM数据，应用ArcGIS的数据管理功能实现对DEM重采样为f₁；

2)提取河网和等高线，并将两者叠加建立几何网络，进行拓扑分析和拓扑错误处理；

由ArcGIS软件生成山谷线和等高线，再由这些线经过叠加、拓扑处理形成相互连通的水文几何网络，该几何网络就是航线规划的基础，基于GIS空间分析建立几何网络包括以下步骤：

①利用水文分析提取山谷线构成的河网：利用水文分析提取河网的步骤包括：洼地填平、水流方向计算、水流积聚计算、提取河网栅格、生成河网矢量；

洼地填平操作时，填洼的高度Z值选择为飞行航线设计的航高H₀，并构建地形威胁模型：

f′₁为经过地形填洼以后的DEM内航线规划矩阵，H_x，y为f₁内的各高程点，H₀为设计航高；

②基于ArcGIS三维分析技术生成等高线：采用ArcGIS软件3D Analyst工具的栅格表面下的等值线命令，根据威胁分布密度选择等高距为10m、50m或100m；

③河网和等高线叠加生成几何网络：利用空间分析中的矢量叠加功能，由等高线与山谷线生成相互垂直的初始几何网络；

④拓扑分析、拓扑错误处理及几何网络修整：通过ArcGIS软件对初始几何网络进行建立拓扑和拓扑错误改正，其中拓扑规则：不能有悬挂节点、不能有伪节点，并根据几何网络各条边之间的距离限值对几何网络的边和节点进行修正；

3)局部路径搜索，确立飞机在几何网络中规划范围：根据出发点P_S与几何网络节点间的关系，建立局部网络选择模型，确定在几何网络中航迹规划的起始点：

公式(2)中，nt为航线规划飞机数，f_l(i)是第i架飞机进入几何网络选择的路径，其包含几何网络的航线节点P_li的集合P_N为：P_N＝[P_l1，P_l2，…，P_l，n-1，P_vN]，P_vN即为f_l(i)连接几何网络的最优节点；D_sk(j)为飞机选择起始点P_s到第k个节点P_k的距离，N_l(U_k)为第k个节点的邻域U_k内待选节点的总数；

公式(3)中{v}表示几何网络所有节点，P_NC为局部路径搜索的几何网络最短路径的起始节点，

表示空集合；

4)确立航线规划模型，计算最优路线：由步骤3)选择的几何网络内的起始点和已知的目标点，建立规划两点间距离的航线安全性评价模型：

①三维航线长度f₂计算公式为：

公式(4)中n是几何网络内航线的航迹点总数，第i个航迹点的坐标为(x_i，y_i，H_i)；

②构建航线安全性评价模型，见公式(5)，然后采用Dijkstra算法选择安全性最高的最短路径：

其中，F为航线综合威胁影响，m为规划航线个数。