CN110633282A - 一种空域资源多级三维网格化方法及工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空域资源多级三维网格化方法及工具，该方法为：划定目标区域后，基于经纬度和高度对空域进行三维网格化，包括生成最低级别网格和生成更高级别网格两个步骤，其中生成最低级别网格为获取网格范围、计算最小经纬度网格点、基于最小高度的网格转换、构建基础经纬度网格、沿高度方向向拓展生成三维网格；生成更高级别网格为：根据最低级别网格生成多个更高的级别网格，且相邻的两个级别网格中，高级别的网格包含a³个低级别的网格，a≥2。本发明基于包含关系生成网格，对分割坐标只进行一次计算，在同等计算复杂度下满足不同级网格构建需求。在多级网格数据框架下，能满足不同类型航空器空域资源使用的精度需求。

Description

一种空域资源多级三维网格化方法及工具

技术领域

本发明涉及航空技术领域，尤其涉及一种空域资源多级三维网格化方法及工具。

背景技术

近年来，民用无人机领域高速发展，在2016年底我国无人机数量就已过百万，无人机在航拍、植保、电力巡检、灾害救援等领域广泛应用的同时，也应为其使用的随意性对民航运输航空造成了严重影响。据FAA(美国联邦航空管理局)统计，每年无人机影响飞行的事件超过1000例，是并呈逐年上升趋势。随着民用运输航空、通用航空和无人机领域的不断发展，对空域资源使用的灵活性要求越来越高，如何有效的对有限空域资源进行精细规划和管理，对提高空域使用效率，促进民用运输航空、通用航空和无人机领域的发展具有重要意义。

目前，民航对空域的使用主要是划分固定的航路航线、固定训练空域、临时航线、临时空域等，通过坐标和区域描述空域，对通用航空空域灵活使用的保障能力有限，对无人机空域使用灵活性保障和管理能力较差，难以满足通航和无人机对空域精细化使用及监管需要。

专利《基于相邻网格的飞行冲突快速检测方法》进行了目标空域平面网格化和基于平面网格的冲突检测，没有考虑基于高度层面的网格化；专利《一种基于三维空域网格的低空救援航空器航迹规划方法》提出了三维网格化，但主要目的是基于网格进行了路径规划，空域资源的网格化未形成系统方法及工具；专利《一种多维度的网格空域应用方法及系统》提出了基于网格化管理、存储、交换模型，前提是所有空域已完成网格化，未考虑不同应用场景或不同航空用空需要的网格化精度不同；专利《一种双层网格化空域资源动态状态管理方法及系统》提出了基于距离的二维空域网格化，因地球的椭球误差，只适用于较小范围，且未考虑高度方向的划分。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种空域资源多级三维网格化方法及工具，该方法为：

划定目标区域后，基于经纬度和高度对空域进行三维网格化，包括生成最低级别网格和生成更高级别网格两个步骤；

所述生成最低级别网格步骤包括以下子步骤：

S11.获取网格范围：确定目标区域的最小经度、最大经度、最小纬度、最大纬度、最小高度和最大高度；

S12.计算最小经纬度网格点：从最小经度开始按照最小经度步长生成到达最大经度的所有经度分割值，从最小纬度开始按照最小纬度步长生成到达最大纬度的所有纬度分割值；

S13.基于最小高度的网格转换：从最小高度开始按照最小高度步长编号，直到最大高度，生成高度编号序列；

S14.构建基础经纬度网格：计算最小经纬度网格点对应的经纬度线，所有的经纬度线相互交叉将目标区域分为经纬度网格；

S15.沿高度方向向拓展生成三维网格：改变每个经纬度线交叉点的高度值，得到每个高度层级上的网格；

所述生成更高级别网格步骤为：

根据最低级别网格生成多个更高的级别网格，且相邻的两个级别网格中，高级别的网格包含a³个低级别的网格；若以最低级别网格为第0级网格，则第k级网格的经纬度网格点和高度分别按照最低级别网格的最小经纬度网格点和最小高度的a^k倍顺序取点，生成经纬度网格并拓展为三维网格；其中a≥2，k≥1。

进一步的，若经度方向有X个分割，纬度方向上有Y个分割，高度方向上有Z个分割，则最多可构建的网格级别L满足：

进一步的，低级别网格向高级别网格映射的方法为：

令低级别网格的级别为i级，低级别网格对应的经度、纬度和高度方向的位置编码数值分别为x_i、y_i、z_i；令高级别网格的级别为j级，高级别网格对应的经度、纬度和高度方向的位置编码数值分别为x_j、y_j、z_j，则根据：

可得到低级别网格对应的高级别网格的经度、纬度和高度方向的位置编码数值，从而得到对应的高级别网格。

进一步的，高级别网格向低级别网格映射的方法为：

令低级别网格的级别为i级，低级别网格对应的经度、纬度和高度方向的位置编码数值分别为x_i、y_i、z_i；令高级别网格的级别为j级，高级别网格对应的经度、纬度和高度方向的位置编码数值分别为x_j、y_j、z_j，则根据：

可得到高级别网格对应的低级别网格坐标集合为：

{(x,y,z)|x_imin≤x≤x_imax,y_imin≤y≤y_imax，z_imin≤z≤z_imax}

再根据低级别网格坐标集合可得到对应的低级别网格。

进一步的，对空域进行三维网格化后，将网格化数据存储在数据库中，借助数据库对网格数据查询效率进行优化，为提高访问并发能力，将不同级别网格的数据放在不同的数据表中。为防止单表数据量过大影响数据库性能，对较低级别网格的数据表进行拆分。

进一步的，所述数据表存储的信息包括网格编码名称、网格所属级别、网格映射在地面的四角经纬度、网格所属高度范围、网格经度方向坐标、网格纬度方向坐标和网格高度方向坐标。其中，网格编码名称用于查找网格，网格映射在地面的四角经纬度用于确定网格的实际位置和显示网格，网格经度、维度和高度方向的坐标用于进行级间映射以及计算相邻网格。为保持处理和显示的一致性，网格映射在地面的四角经纬度按照顺时针方向依次存储。

进一步的，还包括网格空域显示：先确定网格级别，再从数据库对应的数据表中得到网格数据，加载网格数据到内存，生成网格对应的显示图元，将显示图元添加到显示图层进行显示。

进一步的，生成网格对应的显示图元后，以key-value方式保存网格与显示图元的映射关系存储，其中key值选择网格编码名称。

进一步的，取消网格空域显示时，根据网格编码名称找到网格对应的显示图元，并将显示图元移除显示图层；取消显示分为临时取消和永久取消，临时取消显示会保留显示图元数据，再次显示时直接将显示图元添加到显示图层即可，永久取消则会清除显示图元数据，再次显示时需重新生成显示图元。

本发明提出的一种空域资源多级三维网格化工具包括：

网格化计算单元，用于实现多级三维网格化的坐标点计算和网格生成，实现网格编码及级间映射计算，提供目标区域网格生成、向上和向下的级间映射接口；

网格数据库，用于建立数据存储表，存储各级网格数据，提供网格数据查询支持；

网格数据管理单元，用于定义网格数据结构，建立和维护网格数据库连接，将网格数据存入网格数据库，实现网格数据库查询预处理，缓存和管理已加载到内存的网格数据，提供网格数据查询、映射网格查询、相邻网格查询接口；

网格显示单元，用于定义网格显示图元和图层，实现网格图元的绘制和显示，提供图层图元增减、图元属性设置等接口；

网格显示管理单元，用于实现基于网格数据的图元生成，维护网格数据与图元的对应关系，管理生成的所有图元，提供网格显示控制和设置接口。

本发明的有益效果在于：

1)本发明基于包含关系生成网格，对分割坐标只进行一次计算，在同等计算复杂度下满足不同级网格构建需求；

2)在多级网格数据框架下，能满足不同类型航空器空域资源使用的精度需求，通过为不同需求分配不同级别的网格，可有效避免空域资源的浪费；

3)将网格数据分表存储在数据库中，通过数据库优化查询性能，同时内存中只加载当前要使用的网格数据，降低对内存资源的需求；

4)不同级别网格间的固定映射关系，可以满足使用不同网格级别空域的航空器在同一空域资源框架下进行空域使用关系分析；

5)采用多级网格，在较大范围、较多航空器数量、较多航空器类型的情况下，可将与空域有关的计算基于网格框架进行分布式处理，适应于大数据处理框架。

附图说明

图1三维网格化计算过程；

图2三维网格化过程示意图；

图3多级三维网格层级间包含关系图；

图4各级网格编码命名规则示意图；

图5网格数据库数据存储结构示意图；

图6网格存储数据表的信息组成示意图；

图7网格空域显示过程；

图8网格与图元的映射关系图；

图9取消网格空域显示过程；

图10空域网格化工具组成。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供了一种空域资源多级三维网格化方法及工具，具体如下。

1、多级三维网格化

在划定目标区域后，基于经纬度和高度对空域进行三维网格化，顺序为由西到东、由南到北、由地面到空中。采用经纬度最小步长及最小高度步长对区域进行网格化，以满足计算一次网格点，生成多级三维网格的要求。

三维网格化计算过程包括获取网格范围、计算最小经纬度网格点、基于最小高度的网格转换、构建基础经纬度网格、沿高度方向向拓展生成三维网格，如图1所示。获取网格范围即确定目标区域的最小经度、最大经度、最小纬度、最大纬度、最小高度和最大高度；计算最小经纬度网格点即从最小经度开始按照最小经度步长生成到达最大经度的所有经度分割值，从最小纬度开始按照最小纬度步长生成到达最大纬度的所有纬度分割值；基于最小高度的网格转换就是从最小高度，按最小高度步长编号，直到最大高度，生成高度编号序列；构建基础经纬度网络即将经纬度网格点对应的经纬度线计算出来，所有的经纬度线相互交叉将目标区域分为经纬度网格；沿高度方向向拓展生成三维网格就是改变每个经纬度线交叉点的高度值，以得到每个高度层级上的网格；计算过程中网格的变化过程如图2所示。

最小步长条件下生成的为最低级别网格，编号为A级。在完成最小步长条件下的计算后，可依次生成其他级别的网格，为便于计算和映射，相邻层级网格中一个高级别网格包含8个低级别网格，如图3所示。如此，编号B级的网格只需在A级网格计算的网格点和高度点中按照2倍值取点。递推可知，以最低级别网格为第0级，则生成第k级网格只需在最低级别网格计算的网格点和高度点中按照2^k倍值顺序取点，生成经纬度网格并拓展为三维网格即可。此映射规则下，若经度方向有X个分割、纬度方向上有Y个分割，高度方向上有Z个分割，则最多可构建的网格级别L满足：

每个级别的网格编码时，纬度方向采用数字编号，经度方向采用字母编号，高度方向采用数字编号，单个网格命名规则正则表达式为“[0-9]+[A-Z]+[0-9]+”，如图4所示。不同级别的网格以字母区分，A为0级，并将级别添加在名规则前，构成最终命名“[A-Z][0-9]+[A-Z]+[0-9]+”。

2、级间网格映射

低级别网格向高级别网格映射，即确定低级别网格包含在哪个高级别网格。令低级别网格为i级，网格对应的经度、纬度、高度方向的位置编码数值分别为x_i、y_i、z_i；令高级别网格为j级，网格对应的经度、纬度、高度方向的位置编码数值分别为x_j、y_j、z_j，则由：

得到编码数值后可根据编码规则构建高级别网格的唯一编码命名，从而得到对应的高级别网格。

高级别网格向低级别网格映射，即确定高级别网格包含哪些低级别网格。令低级别网格为i级，网格对应的经度、纬度、高度方向的位置编码数值分别为x_i、y_i、z_i；令高级别网格为j级，网格对应的经度、纬度、高度方向的位置编码数值分别为x_j、y_j、z_j，则由：

可以得到对应的低级别网格坐标集合为：

{(x,y,z)|x_imin≤x≤x_imax,y_imin≤y≤y_imax，z_imin≤z≤z_imax}

根据坐标集合可构建集合所有网格的唯一编码命名，从而得到所有对应的低级别网格。

3、网格数据存储

由于多级网格化后产生的数据较大，全部缓存在内存中对内存资源的要求较高，同时影响查询和相关应用性能，且不利于对网格化计算结果的共享应用。在技术上将网格化数据存储在数据库中，借助数据库对网格数据查询效率进行优化。为提高访问并发能力，将不同级别的数据放在不同的数据库表中。为防止单表数据量过大影响数据库性能，对较低级别的网格数据表进行拆分。总体存储结构如图5所示。

每一个网格数据存储的信息包括网格编码命名、网格所属级别、网格映射在地面的四角经纬度、网格所属高度范围、网格经度方向坐标、网格纬度方向坐标、网格高度方向坐标，如图6所示。网格编码命名用于查找网格，网格映射在地面的四角经纬度用于确定网格的实际位置和显示网格，网格经度、维度和高度方向的坐标用于进行级间映射以及计算相邻网格。为保持处理和显示的一致性，网格映射在地面的四角经纬度按照顺时针方向依次存储。

4、网格空域显示

网格空域显示就是将编码对应的空域在界面显示平台上绘制出来。显示过程包括确定层级、从数据库对应表中得到数据、加载网格数据到内存、生成网格对应的显示图元、将图元添加到显示图层进行显示，如图7所示。

生成图元后，以key-value方式保存网格与图元的映射关系存储，如图8所示。key值选择网格空域的编码。

取消网格空域显示时，根据网格空域编码找到网格对应的图元，并将图元移除显示图层，如图9所示。取消显示分为临时取消和永久取消：临时取消显示会保留图元数据，再次显示时直接将图元添加到显示图层即可；永久取消会清除图元数据，再次显示时需重新生成显示图元。

5、空域网格化工具

空域网格化工具由网格化计算单元、网格数据管理单元、网格显示管理单元、网格显示单元、网格数据库五部分组成，如图10所示。

网格化计算单元，用于实现多级三维网格化的坐标点计算和网格生成，实现网格编码及级间映射计算，提供目标区域网格生成、向上和向下的级间映射等功能接口。

网格数据管理单元，用于定义网格数据结构，建立和维护网格数据库连接，将网格数据存入数据库，实现数据库查询预处理，缓存和管理已加载到内存的网格数据，提供网格数据查询、映射网格查询、相邻网格查询等接口。

网格显示管理单元，用于实现基于网格数据的图元生成，维护网格数据与图元的对应关系，管理生成的所有图元，提供网格显示控制和设置接口。

网格显示定义单元，用于网格显示图元和图层，实现网格图元的绘制和显示，提供图层图元增减、图元属性设置等接口。

网格数据库，用于建立数据存储表，存储各级网格数据，提供网格数据查询支持。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上：

实施例1中为便于计算，级间网格包含关系采用了2为基数，即相邻级别间每个高级别网格包含2³＝8个低级别网格；在整体思路不变的情况下，可选用其他值作为基数进行不同级别的网格划分，如选择3为基数则相邻级别间每个高级别网格包含3³＝27个低级别网格。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上：

实施例1在网格化计算中，为保证通用性，在经纬度方向上选择了以经纬度值进行划分；在整体思路不变的情况下，经纬度方向也可基于距离进行划分，范围相对较小时引起的计算误差也在可接受范围内。

实施例4

本实施例在实施例1的基础上：

实施例1在数据存储中选择了数据库分表存储与内存缓存相结合的方式实现；在整体思路不变的情况下，可换成格式化数据文件存储与内存缓存相结合的方式进行实现，网格数量规模较低情况下性能也能满足要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种空域资源多级三维网格化方法，其特征在于，划定目标区域后，基于经纬度和高度对空域进行三维网格化，包括生成最低级别网格和生成更高级别网格两个步骤；

所述生成最低级别网格步骤包括以下子步骤：

S11.获取网格范围：确定目标区域的最小经度、最大经度、最小纬度、最大纬度、最小高度和最大高度；

S12.计算最小经纬度网格点：从最小经度开始按照最小经度步长生成到达最大经度的所有经度分割值，从最小纬度开始按照最小纬度步长生成到达最大纬度的所有纬度分割值；

S13.基于最小高度的网格转换：从最小高度开始按照最小高度步长编号，直到最大高度，生成高度编号序列；

S14.构建基础经纬度网格：计算最小经纬度网格点对应的经纬度线，所有的经纬度线相互交叉将目标区域分为经纬度网格；

S15.沿高度方向向拓展生成三维网格：改变每个经纬度线交叉点的高度值，得到每个高度层级上的网格；

所述生成更高级别网格步骤为：

根据最低级别网格生成多个更高的级别网格，且相邻的两个级别网格中，高级别的网格包含a³个低级别的网格；若以最低级别网格为第0级网格，则第k级网格的经纬度网格点和高度分别按照最低级别网格的最小经纬度网格点和最小高度的a^k倍顺序取点，生成经纬度网格并拓展为三维网格；其中a≥2，k≥1。

2.根据权利要求1所述的一种空域资源多级三维网格化方法，其特征在于，若经度方向有X个分割，纬度方向上有Y个分割，高度方向上有Z个分割，则最多可构建的网格级别L满足：

3.根据权利要求1所述的一种空域资源多级三维网格化方法，其特征在于，低级别网格向高级别网格映射的方法为：

令低级别网格的级别为i级，低级别网格对应的经度、纬度和高度方向的位置编码数值分别为x_i、y_i、z_i；令高级别网格的级别为j级，高级别网格对应的经度、纬度和高度方向的位置编码数值分别为x_j、y_j、z_j，则根据：

可得到低级别网格对应的高级别网格的经度、纬度和高度方向的位置编码数值，从而得到对应的高级别网格。

4.根据权利要求1所述的一种空域资源多级三维网格化方法，其特征在于，高级别网格向低级别网格映射的方法为：

令低级别网格的级别为i级，低级别网格对应的经度、纬度和高度方向的位置编码数值分别为x_i、y_i、z_i；令高级别网格的级别为j级，高级别网格对应的经度、纬度和高度方向的位置编码数值分别为x_j、y_j、z_j，则根据：

可得到高级别网格对应的低级别网格坐标集合为：

{(x，y，z)|x_imin≤x≤x_imax，y_imin≤y≤y_imax，z_imin≤z≤z_imax}

再根据低级别网格坐标集合可得到对应的低级别网格。

5.根据权利要求1所述的一种空域资源多级三维网格化方法，其特征在于，对空域进行三维网格化后，将网格化数据存储在数据库中，且将不同级别网格的数据放在不同的数据表中，并对较低级别网格的数据表进行拆分。

6.根据权利要求5所述的一种空域资源多级三维网格化方法，其特征在于，所述数据表存储的信息包括网格编码名称、网格所属级别、网格映射在地面的四角经纬度、网格所属高度范围、网格经度方向坐标、网格纬度方向坐标和网格高度方向坐标；其中，网格映射在地面的四角经纬度按照顺时针方向依次存储。

7.根据权利要求6所述的一种空域资源多级三维网格化方法，其特征在于，还包括网格空域显示：先确定网格级别，再从数据库对应的数据表中得到网格数据，加载网格数据到内存，生成网格对应的显示图元，将显示图元添加到显示图层进行显示。

8.根据权利要求7所述的一种空域资源多级三维网格化方法，其特征在于，生成网格对应的显示图元后，以key-value方式保存网格与显示图元的映射关系存储，其中key值选择网格编码名称。

9.根据权利要求7所述的一种空域资源多级三维网格化方法，其特征在于，取消网格空域显示时，根据网格编码名称找到网格对应的显示图元，并将显示图元移除显示图层；取消显示分为临时取消和永久取消，临时取消显示会保留显示图元数据，再次显示时直接将显示图元添加到显示图层即可，永久取消则会清除显示图元数据，再次显示时需重新生成显示图元。

10.一种空域资源多级三维网格化工具，其特征在于，包括：

网格化计算单元，用于实现多级三维网格化的坐标点计算和网格生成，实现网格编码及级间映射计算，提供目标区域网格生成、向上和向下的级间映射接口；

网格数据库，用于建立数据存储表，存储各级网格数据，提供网格数据查询支持；

网格数据管理单元，用于定义网格数据结构，建立和维护网格数据库连接，将网格数据存入网格数据库，实现网格数据库查询预处理，缓存和管理已加载到内存的网格数据，提供网格数据查询、映射网格查询、相邻网格查询接口；

网格显示单元，用于定义网格显示图元和图层，实现网格图元的绘制和显示，提供图层图元增减、图元属性设置等接口；

网格显示管理单元，用于实现基于网格数据的图元生成，维护网格数据与图元的对应关系，管理生成的所有图元，提供网格显示控制和设置接口。

Images