基于poi的城市空中交通飞行载具起降点选址方法
技术领域
本发明属于城市空中交通
技术领域
，具体涉及一种基于POI的城市空中交通飞行载具起降点选址方法。背景技术
航空技术的迅速发展现在能够创造快速、轻便、噪音小、更环保的个人飞行器。故而城市空中交通(Urban Air Mobility,UAM)应运而生，这是一种新兴的运输模式，它利用城市空中交通飞行载具网络作为任务的中心环节，在大都市区域内促进多式联运、点对点运输。城市空中运输可以为消费者和城市提供许多好处，包括多样化的交通选择，扩大经济盆地的交通覆盖面，增加城市交通网络的弹性。
城市空中交通飞行载具，为一种小型的全电动或混合电动垂直起降飞行器电动垂直起飞和着陆飞行器是近年随着城市交通发展而产生的新颖飞行器，通常采用非常规设计，将空气动力学和电动推进技术更紧密地结合在一起，既可作为城市公共交通工具，也可作为私人飞行器。当前发展的电动垂直起飞和着陆飞行器多是用于城市空中交通运输。其主要原因是由于电推进系统与内燃机推进系统相比，电网的能源成本只有航空燃料成本的30％，而且电推进系统的效率是内燃机的2～4倍。
为了在一个城市内实现按需垂直起降，必须根据当地需求的模式定制基础设施和运营需求。在任何给定的大都市地区，需要开发的基础设施的范围不仅取决于需求和高效运营的模式，还取决于当前的基础设施以及该基础设施是否需要重新规划用途。在许多情况下，现有基础设施的适宜性和相关基础设施的规模都可能不足。在此条件下，建立合适的城市空中交通飞行载具起降点和规划好使得效率最高的飞行航路就变得至关重要。
因此对城市空中交通起降点进行选择，将成为开发UAM系统的一个重要措施，具有极其重要的理论意义和实践价值，为后续UAM航路规划及其管理提供技术支撑。
现有技术主要是从局部的角度展开直升机平台选址，同时兼顾紧急救援以及个人出行需求，并从安全角度和飞行角度等微观角度展开对直升机的选址。即传统的选址方法需要借助有经验的专家先进行场地勘测，然后依据经验和直觉进行选址分析。这种选址方法的缺点在于花费时间较长，需要专业人员参与，而且很难准确、全面考虑复杂的选址要素及其相互影响从而确定选址方案。现有技术只是作为紧急使用以及个人需求，并没有大规模覆盖开来，故而当前设施具有相当的不均匀性，故而无法有效的覆盖城市，且无法这种依赖现有设施的模式，也会同其他设施产生一定的交叉干扰，无法实现飞行效率的最大化。且利用现有设施也会限制限制其使用价值的发挥，无法真正将空中交通这种模式广泛推广。
发明内容
针对上述技术问题，发明通过POI数据建立一个基础数据库，进而分析潜在的城市基础设施的分布情况、人口状况等特征。再对给定城市区域进行区域功能划分，形成城市块状。并结合进行人口、经济因素针对选址资质进行一个初选。在此基础上，在具有选址资质的栅格区域中，基于合适条件找出适合所有备选起降点建造点，通过充分考虑起降点自身要求、飞行载具自身特性以及备选起降点周边环境，得出最优起降点选址，再结合起降点之的特征进行验证，确认其选址点的适用性。
POI(Point of Interest)：指一些与人们生活密切相关的地标建筑和地理实体的点数据，如学校、医院、商场、公园以及政府机构等。POI数据描述了这些地理实体的空间位置和属性信息，它的数据样本量大、涵盖信息丰富，能在一定程度上反映出城市的各类活动。可以利用POI数据与城市空间布局密切相关的特性，能够对城市各类公共服务设施进行信息统计、地理定位和表达，为使用者提供极大方便的同时，帮助使用者更为直观地感受各类地理实体的分布，从而能更好地理解城市结构。
具体的技术方案为：
基于POI的城市空中交通飞行载具起降点选址方法，包括以下步骤：
步骤1，建立该区域的POI信息库。信息库是明确分析所需要的数据，确定要素的属性类型，确定分区区域的边界线，确定要素点的坐标点等。
步骤2，基于POI数据进行城市区域功能划分；在功能区识别中，通常将城市划分为单一功能区和混合功能区，并以各点类型数据点的密度超过50％为依据来判断，并可以通过ArcGIS核密度方法实现POI的可视化。
将POI分成了居住用地、商业服务业设施用地、绿地与广场用地、工业用地、公共管理与公共服务设施用地和道路与交通设施用地六大类：
在每一个功能区单元，构建类型比例函数来识别功能单元，如下：
i表示POI类型；
Ei表示第i中类型POI的频数密度占该类型POI总数的频数；
ni表示地块单元内第i种类型POI数量；
Ni表示第i种POI总数；
Ti表示第i种类型POI比例占单元内所有的POI类型频数的比重。
根据公式计算出每一个单元的频数密度及类型比例，研究确定类型比例值为50％作为判断单元功能性质的标准。可以确定
Ti≥50％，某种单一功能区；
Ti≤50％，混合功能区，且混合类型取决于前三种主要的POI类型；
Ei＝0，为空值。
在原有区块上，根据均等原则再将其划分成面积差不多的等区块。在此基础上，形成栅格网络，每个网格作为一个研究区域，并结合区域人口数量和人均收入进行选址资质的初级筛选。
若满足所在地的人口密度τ大于人口密度a、所在地的人均收入θ大于人均收入b，则该备选区可以设置飞行载具起降点。设置起降点的区域应该是商业区、居住区和混合区。
步骤3，基于适宜性针对备选区域的所有备选点进行筛选，这里主要从比较分析法来进行，主要集中在居住、商业用地、公共设施、交通设施类等需要综合考虑：
在备选区域中寻找可利用的土地作为备选起降点的过程中需要满足
(1)有闲置或者可以利用的平面，其面积大于建设起降点所需面积；
(2)符合城市用地类型；
(3)超过备选点平面的建筑高度h不能超过限定值，设阈值等级为ε，则h≥ε；
(4)起降点建设地任何方向的总坡度不得超过3％，任何地方的局部坡度不得超过5％；
(5)没有障碍物以及没有对飞行器起飞或着陆可能产生不利影响的不平整现象；
(6)从飞行载具产生的噪声的角度上说，其选址远离其他公共设施，如学校、医院等。
(7)从安全角度来讲，其选址需要远离易爆设施，如油站等。
对所选网络栅格区域的所有备选点进行筛选，对其影响因素量化为，下列所有的等级根据实际情况设置等级为1，2,3,4...10，需考虑以下条件：
(1)靠近其他运输交通方式车站，设等级为E2＝α；
(2)用地较为充足且成本相对较低，设用地成本等级为E3＝β；
(3)结合飞行安全和能耗，周边建筑密度，设等级为E3＝δ；
(4)对飞行产生影响的环境综合因素，如风速、地质环境等，设等级为E4＝λ；
(5)飞行器噪声程度，设等级为E5＝μ。
(6)当地工作密度，设等级为
设某栅格网络区域某备选点的权重系数和：
故该区域的选址点为：
K＝min{Ki} i＝1,2…n (1-4)
则备选点i为备选区中需要建立起降点的场所，以此类推，直至找出研究区域所有的起降点可选集。
步骤4，结合可选集个数n，综合进行校验，需满足：相邻起降点距离不能过近，应尽量分散，两个起降点之间的距离应该超过单个起降点的辐射范围的两倍。
S＝distance(ai,aj)≥2r i,j＝(1，2,3...n,i≠j) (1-5)
S表示亮点的距离；a表示某个最优点；r表示单个起降点的辐射范围。
步骤5，获得最优选址点。
本发明提供的技术方案具有的技术效果：
1.有体系的说明了空中城市交通的选址流程，使得在选址过程中显得更加全面化。
2.这种技术充分考虑了现有城市的轮廓以及现有交通体系。
3.可以呈现研究区域的最优选址点点集。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2a是实施例的城市功能划分之前；
图2b是实施例的城市功能划分之后；
图3为实施例起降点的条件阈值设定方法。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
如图1所述，城市空中交通飞行载具起降点选址的实现如下：
步骤1，建立POI数据库，明确本专利研究所需要得数据，并进一步确定POI的基础属性，同时进行归类识别。
步骤2，统计每个栅格小区的POI总数和每个小区的POI数量，可以得到研究区域的POI 的总体分布情况，然后根据栅格小区内各种POI的数量以及比例，再依据公式(1-1)和公式(1-2)将栅格小区划分为单一功能区或者混合区。其中单一功能区可以将其分为六类，依次为居住用地、商业服务业设施用地、绿地与广场用地、工业用地、公共管理与公共服务设施，如表1。
表1城市功能划分表
功能类型
案例
居住用地
住宅区、社区中心等
公共设施类
学校、消防、公安、政府机关等
交通设施类
地铁站、公交站、收费站、服务区等
工业用地类
工厂、公司、产业园等
绿地广场类
城市广场、公园、动物园等
商业服务设施
餐厅、超市、酒店、商务公司等
城市用地类型划分前后示意图2a和图2b所示。
结合这种新型交通的模式的特点，对某栅格区域的人口和人均收入的数据进行收集，并结合二者进行选址资质的的初级筛选。之所以选择这两个因素，是考虑到到庞大人口是这种新型交通方式的保证，并且也是日后能够长久运营的基本前提。同时，影响出行需求的一个重要客观因素就是足够的可随意支配的收入，它决定了能否外出出行以及外出出行时的消费能力。结合着二者的情况来看，设置城市空中交通的区域主要集中在商业区和居住区、混合区。
如图3所示，若满足τ≥a，θ≥b，则该备选区可以设置飞行载具起降点。设置起降点的区域应该是商业区、居住区和混合区。
由流程图可以，若满足τ≥a，θ≥b(可根据情况设置，例如a和b可设置为中位数)，则该备选区可以设置飞行载具起降点。因而设置起降点的区域主要集中商业区、居住区、公共设施、交通设施类等区域。
步骤3，基于选址点需要满足的条件，有针对性的对所有备选区域进行二次初步筛选，其需要集中满足在备选区域中寻找可利用的土地作为备选起降点的过程中的条件。需要满足的条件如下：
(1)有闲置或者可以利用的平面，其面积大于建设起降点所需面积；
(2)符合城市用地类型；
(3)超过备选点平面的建筑高度h不能超过限定值，设阈值等级为ε，则h≥ε；
(4)起降点建设地任何方向的总坡度不得超过3％，任何地方的局部坡度不得超过5％；
(5)没有障碍物以及没有对飞行器起飞或着陆可能产生不利影响的不平整现象；
(6)从飞行载具产生的噪声的角度上说，其选址远离其他公共设施，如学校、医院等。
(7)从安全角度来讲，其选址需要远离易爆设施，如油站等。
二次筛选需要进行实地考察，同时需要对数据进行精确采集。在进行二次初始筛选之后，不符合约束条件的将被移出备选点集合。
其次，对所选网络栅格区域的所有备选点进行筛选，对其影响因素量化为，下列所有的等级根据实际情况设置等级为1，2,3,4...10(设置等级可以参照所有样本数据集的顺序排列进而获得等级)，需考虑以下条件：
(1)靠近其他运输交通方式车站，设等级为E2＝α；
(2)用地较为充足且成本相对较低，设用地成本等级为E3＝β；
(3)结合飞行安全和能耗，周边建筑密度，设等级为E3＝δ；
(4)对飞行产生影响的环境综合因素，如风速、地质环境等，设等级为E4＝λ；
(5)飞行器噪声程度，设等级为E5＝μ。
(6)当地工作密度，设等级为
设某栅格网络区域某备选点的权重系数和：
根据各个栅格区域的条件等级总和并结合研究区域的起降点选址数量C，选择条件等级和最小的C个点作为选址备选点。
K＝min{Ki} i＝1,2…n (1-4)
则备选点i为备选区中需要建立起降点的场所，直至找到C个备选点，则C个备选点构成可选集合，而这些点本身是符合选址要求的。
步骤4，参照地面公共交通车站的选址模式，车站选址需要考虑其本身的辐射范围，故而再对起降点可选集进行验证时需要充分考虑其任意两个起降点的距离，可由公式(1-5)进行验证，若不符合两起降点之间的辐射范围约束，则需要对其进行调整，直至整个可选集合点都符合要求。
S＝distance(ai,aj)≥2r i,j＝(1，2,3...n,i≠j) (1-5)
S表示亮点的距离；a表示某个最优点；r表示单个起降点的辐射范围。
步骤5，经前四个步骤获得的验证后的可选集合将作为研究区域的起降点选址方案，基本目标实现。
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