Automatic Label Generation for Airport Charts - tuprints

142 Pages·2008·3.58 MB·English

by  Christian Pschierer

Automatic Label Generation
for
Airport Charts
Vom Fachbereich Maschinenbau
an der Technischen Universit¨at Darmstadt
zur
Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigte
Dissertation
vorgelegt von
Dipl.-Phys. Christian Pschierer
aus Ochsenfurt
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. W. Kubbat
Mitberichterstatter: Prof. Dr.-Ing. R. Anderl
Tag der Einreichung: 26.11.2007
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 07.03.2008
D17
Darmstadt 2008
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Acknowledgements
This dissertation was written at the Institute of Flight Systems and Automatic Control
at Darmstadt University of Technology, Germany. Prof. Dr.-Ing. W. Kubbat and Prof.
Dr.-Ing. U. Klingauf headed the institute during my time as scientific assistant. During
this time I also received valuable support and funding from Jeppesen in Neu-Isenburg.
I want to thank Prof. Dr.-Ing. W. Kubbat for making this research topic possible and for
his extensive support during my work on the thesis. I also want to thank Prof. Dr.-Ing. R.
Anderl for being my co-advisor.
IwishtothankallcolleaguesattheInstituteofFlightSystemsandAutomaticControland
at Jeppesen for many constructive discussions and for creating a pleasant and productive
workenvironment.MyspecialthanksgotoJensSchiefeleforpointingmetothechallenging
topic of this thesis and for a constant flow of new ideas, encouragement, and feedback.
I also thank Michael Meuter for the excellent cooperation on our first ’labeling tool’,
and Marc Launer, Simone Nern, and Eva Lihs for sharing their first hand knowledge on
AMDBs.
Finally, I thank my parents for enabling me to complete my university studies and the
great support throughout my live.
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Ubersicht
Die Integration elektronischer Flughafenkarten in moderne Cockpits ist ein wichtiger Bei-
trag zum Situations- und Positionsbewusstsein von Piloten w¨ahrend der Rollfu¨hrung am
Boden. Beschriftungen der Karten sind dabei ein wesentlicher Informationsbestandteil.
Der Vergleich der beschrifteten Karte mit der Beschilderung des Flughafens erm¨oglicht
der Besatzung eine fortw¨ahrende Kontrolle ihrer eigenen Position. Hierdurch sinken die
Wahrscheinlichkeit, einen falschen Rollweg oder eine falsche Start- und Landebahn zu be-
nutzen, sowie das damit verbundene Unfallrisiko. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung
eines automatischen Systems zur Beschriftung digitaler Flughafenanzeigen im Cockpit.
Basierend auf einer eingehenden Analyse der Struktur und des Inhalts der weltweit um-
fangreichstenFlughafendatenbankstehenbeiderKonzeptiondesentwickeltenSystemsdie
hoheQualit¨atundguteLesbarkeitderberechnetenBeschriftungsl¨osungenimMittelpunkt.
Schlu¨sselaspekte hierbei sind die Anzeige der richtigen Informationen zum richtigen Zeit-
punkt, eine eindeutige Zuordenbarkeit von Beschriftung zu beschriftetem Kartenelement
sowie u¨berlappungsfreie Beschriftungen. Bei allen Prozessschritten ist die in der Luftfahrt
notwendige Korrektheit der Ergebnisse zu gew¨ahrleisten.
Das Zielformat sowie Anforderungen an hierfu¨r ben¨otigte Informationen und Zeitpunk-
te der Anzeige werden durch eine Analyse vorhandener Papierkarten definiert. Durch
ein Expertensystem wird die notwendige Datenkonvertierung durchgefu¨hrt. Es wird eine
hierarchische Datenstruktur mit zu verschiedenen Kartenmaßst¨aben passenden Detaillie-
rungsgraden aufgebaut. Auf Grundlage der hierarchischen Datenstrukturen werden Posi-
tionskandidaten fu¨r unterschiedliche Beschriftungstypen definiert. Bei der abschließenden
Platzierung der Beschriftungen wird auf existierende Algorithmen zuru¨ckgegriffen.
Die Resultate des vorgestellten Systems werden an zwei Anwendungen demonstriert. Zum
einen werden Beschriftungsl¨osungen fu¨r eine Echtzeitdarstellung dynamischer, elektroni-
scher Flughafenkarten im Cockpit und zum anderen Beschriftungsl¨osungen fu¨r hochge-
naue, gedruckte Papierkarten generiert.
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Abstract
The integration of electronic airport moving map displays into modern cockpits is a valu-
able contribution to the situational and positional awareness of pilots during taxi maneu-
vers. Labels are a key for the perception of the presented map. Comparing labeled map
elements with airport signage enables the crew to constantly cross check their position.
This reduces the risk of inadvertently entering a wrong taxiway or runway and the risk of
related mishaps. The goal of this work is the development of an automatic map labeling
system for airport moving maps.
The development of the system is based on a thorough analysis of structure and contents
of the most comprehensive aerodrome mapping database world-wide. The design focuses
on a high quality and good legibility of the computed labeling solutions. Key aspects are
the display of the right information at the right point in time, an unambiguous association
of labels to their related map elements, and fully deconflicted labels. The completeness
and correctness of data must be guaranteed in all processing steps in order to fulfill the
strict requirements for aviation use.
The target format as well as required source data and display parameters are defined by
analyses of existing paper charts. An expert system is used to accomplish the necessary
data conversion. A hierarchical data structure is generated with levels-of-detail fitting to
different map scales. Position candidates for different label types are defined based on the
hierarchical data structures. The final label placement utilizes existing algorithms.
The results of the presented system are demonstrated in two applications. On the one
hand, labelingsolutionsforareal-timedisplayofdynamic, electronicairportmovingmaps
aregenerated. Ontheotherside,labelingsolutionsforhigh-precision,printedpapercharts
are computed.
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Contents
List of Figures xix
Abbreviations & Definitions xxi
List of Tables xxi
1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Development Goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 State of the Art 7
2.1 Label Placement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 History of the Labeling Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Definition of the Labeling Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.3 Solving the Labeling Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.4 Quality of Label Placement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.5 Label Placement in Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Geospatial data processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 Data Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 Geospatial Predicates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 Robustness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 Aerodrome Mapping Databases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.1 Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.2 Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.3 Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.4 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.5 RTCA DO-272 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
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x CONTENTS
2.3.6 RTCA DO-291 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.7 ARINC 816 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4 Airport Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.1 Paper Charts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.2 Airport Moving Map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3 Concept and Architecture 39
3.1 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Software and System Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.1 Data Reader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.2 Removal of Artifacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.3 Projection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.4 Grouping of AMDB Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.5 Prioritizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.6 Label Candidate Generation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.7 Label Candidate Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2.8 Label Placement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3 Map Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4 Data Processing 55
4.1 Concepts for Grouping of AMDB Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.1 Logical Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.1.2 Container data structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.1.3 Completeness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.1.4 Software-Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2 Service Roads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3 Default values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.4 Generic identifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.4.1 Runways and Helipads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4.2 Parking Stands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4.3 Vertical Polygonal Structure Containers . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.4.4 Taxiways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.5 Geometric Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.6 Terminal Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.7 Construction of Containers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.7.1 Runway and Helipad Containers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81