CN113409408B - 一种基于多叉树的空域多层级栅格表征和冲突检测方法 - Google Patents

一种基于多叉树的空域多层级栅格表征和冲突检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多叉树的空域多层级栅格表征和冲突检测方法。该方法首先将经度[70°E,140°E]、纬度[0°N,70°N]、高度[0,100km]范围内的空域栅格化，并对栅格进行统一嵌套编码数字化表达；建立空域多层级栅格表征方法，并将表征栅格自大到小构建空域表征栅格多叉树，将传统几何空域进行栅格表征；建立基于栅格的空域冲突检测方法，将空域栅格表征多叉树进行自上而下遍历两两对比，获取冲突空域栅格编码，确定空域冲突区域，大大提高冲突检测效率。

Description

一种基于多叉树的空域多层级栅格表征和冲突检测方法
技术领域
本发明属于空域离散栅格表征与冲突检测技术领域，特别涉及一种基于多叉树的空域多层级栅格表征和冲突检测方法。
背景技术
空域冲突检测技术是实现我国空域安全运行、用空计划有序进行的重要前提，随着经济快速增长，国际形势日趋紧张，我国军民航用空计划愈加频繁，军民航冲突和军种间冲突矛盾不断升级，如何快速准确地判别空域使用计划的冲突空域是保障空域稳定安全运行的前提，也是未来空域协同管控的关键问题。
对于空域离散栅格表征和冲突检测技术，近些年已经出现相关的研究，出现一些相关的模型和算法，都是对空域进行栅格剖分编码表征，再将传统空域映射到栅格中进行空域表征，如果栅格中出现两个映射空域，并且这两个空域在时间上有重叠，即判定该栅格是冲突栅格。这种方法在面对大两空域冲突检测时，可以快速给出空域的冲突范围，但是存在空域映射成网格的时间较长，并且难以对空域进行不同精度的灵活对比等问题。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于多叉树的空域多层级栅格表征和冲突检测方法。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于多叉树的空域多层级栅格表征和冲突检测方法，包括如下步骤：
步骤1：建立空域离散栅格模型，对空域离散栅格模型进行编码形成空域栅格模型三维编码；
步骤2：根据军民航用空计划生成传统几何空域，将传统几何空域进行基于多叉树的空域栅格表征；
步骤3：对军民航用空计划生成的传统几何空域进行冲突检测，获得冲突栅格。
在一种实现方式中，步骤1中所述建立空域栅格模型包括：
步骤1-1：将地球表面空间的经度[70°E,140°E]、纬度[0°N,70°N])，进行正轴圆柱等距投影，将地球球面投影为长宽比例为1：1，经纬间隔相等的正方形平面，并对经纬投影平面按照8*8六十四等分进行逐层剖分，形成各个层级相互包容没有缝隙的经纬投影平面栅格模型，最高剖分10个层级；
步骤1-2：将高度[0,100km]进行8等分逐层剖分，经纬平面进行第一层级剖分时，高度方向不剖分，即第一层级高度不剖分；经纬平面进行第二层级剖分时，高度方向进行8等分剖分形成第二层级高度，以此类推进行高度方向逐层剖分形成高度栅格模型，最高剖分9个层级；高度栅格模型与经纬投影平面栅格模型相结合共同形成空域离散栅格模型。
在一种实现方式中，步骤1中所述对空域离散栅格模型进行编码形成空域栅格模型三维编码包括：
经纬投影平面栅格编码采用双位八进制编码从左到右从下到上进行编码，按层级由低到高即栅格尺寸由大到小进行嵌套编码，获得第一层级经纬编码至第十层级经纬编码；高度栅格编码按照高度由低到高对高度栅格进行编码，第一层级高度不编码，高度栅格也采用八进制编码从下到上进行编码，获得第二层级高度编码至第十层级高度编码；将经纬投影平面栅格编码和高度栅格编码按照对应的层级相结合形成空域栅格模型三维编码。
在一种实现方式中，步骤2中所述传统几何空域包括多边形空域、半球形空域、圆柱体空域、圆锥体空域和扇形体空域，根据军民航用空计划中的经纬高信息能够生成相应的传统几何空域。
在一种实现方式中，步骤2中所述将传统几何空域进行基于多叉树的空域多层级栅格表征包括：
步骤2-1：根据传统几何空域下底面任一点的经纬高计算与之存在交集的空域离散栅格模型的第一层级栅格，并将该栅格在经纬方向进行扩展，获得所有与所述传统几何空域下底面存在交集的第一层级栅格，记录下所有与所述传统几何空域存在交集的第一层级经纬编码，并以空域ID为根节点，存在交集的第一层级经纬编码为叶子结点构建空域栅格表征多叉树；
步骤2-2：将步骤2-1中得到的第一层级栅格进行下一层级分解，获取第二层级与所述传统几何空域底部存在交集的栅格，记录下这些栅格的第二层级经纬编码，并将这些栅格在高度方向进行扩展，并记录下每个第二层级经纬编码在高度方向与所述传统几何空域存在交集的栅格的第二层级高度编码，依此层层分解，直至目标层级，所述目标层级指空域离散栅格模型中经纬投影平面栅格分解至第十层级，高度栅格分解至第十层级；将由低到高层级的经纬编码和高度编码组成叶子结点插入到空域栅格表征多叉树对应的节点下，构成传统几何空域的栅格表征多叉树。
在一种实现方式中，步骤3包括：
步骤3-1：对两个军民航用空计划生成的传统几何空域进行时间上的排斥检测，如果时间上无重叠，则两空域无冲突；
步骤3-2：对两个传统几何空域进行空间的排斥检测，即将两空域的经纬高边界进行对比，如果经纬高三个维度有一个维度没有重叠区，则两个空域没有冲突区域；
步骤3-3：对比两个传统几何空域的栅格表征多叉树，首先对两空域的第一层级经纬编码求交集，并在两空域栅格表征多叉树中获取第一层级交集栅格的下一层级经纬编码，并继续求交集，依此直至获取多叉树叶子节点的最高层级交集经纬编码；并在栅格表征多叉树中获取最高层级交集经纬编码对应的高度编码，并对高度编码求交集，由最高层级交集经纬编码和最高层级高度编码共同确定的栅格编码即为两空域的冲突栅格。
步骤3-3中，首先对两空域的第一层级经纬编码求交集，并在两空域栅格表征多叉树中获取第一层级交集栅格的下一层级经纬编码，并继续求交集，依此直至获取多叉树叶子节点的最高层级交集经纬编码，此处也可以根据需要灵活选择多叉树叶子节点的的表征层级即多叉树的对比深度，选择的层级越高，精度越高，从而实现对空域进行不同精度的灵活冲突检测。
有益效果：
将空域从经、纬、高三个方向采用八进制剖分方式划分为不同尺寸各个尺寸层级相互包容的无缝隙栅格模型，并对每个尺寸层级的每个栅格进行唯一嵌套编码，使栅格编码与栅格空域实体构成一一对应关系，形成一种新的基于栅格的空域离散化表征方式，该空域剖分方式栅格层级更少，形成的空域栅格表征多叉树深度小，能够更快的对多叉树进行遍历对比寻找冲突栅格。
空域栅格表征，根据空域使用计划生成传统几何空域，从最低层级即最大尺寸网格开始计算和几何空域存在交集的栅格，并将存在交集的栅格向下剖分并计算与几何空域相交与否，并记录当前层级所有与空域存在交集的网格，直至分解到目标层级；并采用多叉树结构根据网格尺寸由大到小记录与几何空域存在交集的栅格编码，将传统几何空域进行栅格化表征，该表征方式可实现对空域的多层级栅格表征，不同层级的表征网格对应表征多叉树中不同深度的网格，实现对空域不同精度的灵活表征。
空域冲突检测，首先对两空域进行时间和空间的排斥检测，然后将步骤2得到的空域栅格表征多叉树进行两两对比，即自上而下对多叉树进行遍历对比，将存在相同或包含叶子节点的栅格作为两个几何空域的冲突栅格，该检测方式大大降低冲突检测时间，并且能够根据需要灵活选择冲突区域的表征层级即多叉树的对比深度，实现对空域进行不同精度的灵活冲突检测。
本申请基于栅格模型对各类型的空域进行多叉树栅格表征，然后基于栅格能够快速高效地检测大量空域使用计划的冲突范围和冲突时间，与现有技术相比，解决了空域离散映射表征困难问题，实现了对空域的多层级灵活表征，不同层级表征网格直接对应表征多叉树中不同深度的节点；并且能够实现对冲突空域不同精度的快速冲突检测，针对不同的空域，可灵活选择表征多叉树的对比深度，实现不同精度的冲突检测。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/ 或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本申请实施例基于栅格的几何空域表征的流程图。
图2是本申请实施例空域栅格模型经纬剖分图。
图3是本申请实施例空域栅格模型高度剖分图。
图4是本申请实施例空域栅格编码示意图。
图5是本申请实施例空域栅格多叉树表征结构图。
图6是本申请实施例基于栅格模型的空域冲突检测的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。
一种基于多叉树的空域多层级栅格表征和冲突检测方法，包括如下步骤：
步骤1：建立空域离散栅格模型，对空域离散栅格模型进行编码形成空域栅格模型三维编码；
步骤2：根据军民航用空计划生成传统几何空域，将传统几何空域进行基于多叉树的空域栅格表征；
步骤3：对军民航用空计划生成的传统几何空域进行冲突检测，获得冲突栅格。
结合图1，步骤1包括如下：
第一步，对经度[70°E,140°E]、纬度[0°N,70°N]、高度[0,100km]空域进行栅格化建模，将连续空域剖分成10层平面栅格和9层高度栅格，如图2和图3所示，平面剖分通过正轴圆柱等距投影方法将地球表面空间投影到一个正方形平面，再将该平面逐级进行8*8六十四等分如图2所示，高度层按照八等分进行剖分，第一层级高度不剖分如图3所示。将平面剖分和高度剖分相组合，形成三维栅格模型构架。
第二步，对空域栅格模型进行数字编码。
基于空域栅格剖分方法建立的三维栅格模型构架，对所有栅格进行编码，编码分为经纬编码和高度编码两部分，经纬编码采用“之”形八进制双位编码，从左到右从下到上从“00”到“77”依次进行编码；高度编码采用线性八进制编码，从下到上从“0”到“7”依次进行编码，第一层级高度不剖分。对高层级栅格进行嵌套编码，将经纬编码和高度编码相结合形成空域栅格系统三维编码，图4是第一层级栅格经纬编码和第二层级经纬、高度编码，对编码为07_的第一层级栅格进行剖分编码如图4所示。
步骤2中所述传统几何空域包括多边形空域、半球形空域、圆柱体空域、圆锥体空域和扇形体空域，根据军民航用空计划中的经纬高信息能够生成相应的传统几何空域。步骤2包括：
根据传统几何空域下底面任一点的经纬高计算与之存在交集的空域离散栅格模型的第一层级栅格，并将该栅格在经纬方向进行扩展，获得所有与所述传统几何空域下底面存在交集的第一层级栅格，记录下所有与所述传统几何空域存在交集的第一层级经纬编码，并以空域ID为根节点，存在交集的第一层级经纬编码为叶子结点构建空域栅格表征多叉树；
将得到的第一层级栅格进行下一层级分解，获取第二层级与所述传统几何空域底部存在交集的栅格，记录下这些栅格的第二层级经纬编码，并将这些栅格在高度方向进行扩展，并记录下每个第二层级经纬编码在高度方向与所述传统几何空域存在交集的栅格的第二层级高度编码，依此层层分解，直至目标层级，所述目标层级指空域离散栅格模型中经纬投影平面栅格分解至第十层级，高度栅格分解至第十层级；将由低到高层级的经纬编码和高度编码组成叶子结点插入到空域栅格表征多叉树对应的节点下，构成传统几何空域的栅格表征多叉树，如图5所示。
结合图6，步骤3包括：
第一步：对两个军民航用空计划生成的传统几何空域进行时间排斥检测，如果时间上无重叠，则两空域无冲突；
第二步：对两个军民航用空计划生成的传统几何空域进行空间的排斥检测，即对将两空域的经纬高边界进行对比，如果经纬高三个维度有一个维度没有重叠区，则两个空域没有冲突区域；
第三步：对比两个传统几何空域的栅格表征多叉树，首先对两空域的第一层级经纬编码求交集，并在两空域栅格表征多叉树中获取第一层级交集栅格的下一层级经纬编码，并继续求交集，依此直至获取多叉树叶子节点的最高层级交集经纬编码；并在栅格表征多叉树中获取最高层级交集经纬编码对应的高度编码，并对高度编码求交集，由最高层级交集经纬编码和最高层级高度编码共同确定的栅格编码即为两空域的冲突栅格。
第三步中，首先对两空域的第一层级经纬编码求交集，并在两空域栅格表征多叉树中获取第一层级交集栅格的下一层级经纬编码，并继续求交集，依此直至获取多叉树叶子节点的最高层级交集经纬编码，此处也可以根据需要灵活选择多叉树叶子节点的的表征层级即多叉树的对比深度，选择的层级越高，精度越高，从而实现对空域进行不同精度的灵活冲突检测。
本发明提供了一种基于多叉树的空域多层级栅格表征和冲突检测方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种基于多叉树的空域多层级栅格表征和冲突检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：建立空域离散栅格模型，对空域离散栅格模型进行编码形成空域栅格模型三维编码；
步骤2：根据军民航用空计划生成传统几何空域，将传统几何空域进行基于多叉树的空域栅格表征；
步骤3：对军民航用空计划生成的传统几何空域进行冲突检测，获得冲突栅格；
步骤2中所述将传统几何空域进行基于多叉树的空域多层级栅格表征包括：
步骤2-1：根据传统几何空域下底面任一点的经纬高计算与之存在交集的空域离散栅格模型的第一层级栅格，并将该栅格在经纬方向进行扩展，获得所有与所述传统几何空域下底面存在交集的第一层级栅格，记录下所有与所述传统几何空域存在交集的第一层级经纬编码，并以空域ID为根节点，存在交集的第一层级经纬编码为叶子结点构建空域栅格表征多叉树；
步骤2-2：将步骤2-1中得到的第一层级栅格进行下一层级分解，获得第二层级与所述传统几何空域底部存在交集的栅格，记录下这些栅格的第二层级经纬编码，并将这些栅格在高度方向进行扩展，并记录下每个第二层级经纬编码在高度方向与所述传统几何空域存在交集的栅格的第二层级高度编码，依此层层分解，直至目标层级，所述目标层级指空域离散栅格模型中经纬投影平面栅格分解至第十层级，高度栅格分解至第十层级；将由低到高层级的经纬编码和高度编码组成叶子结点插入到空域栅格表征多叉树对应的节点下，构成传统几何空域的栅格表征多叉树。
2.根据权利要求1所述的一种基于多叉树的空域多层级栅格表征和冲突检测方法，其特征在于，步骤1中所述建立空域离散栅格模型包括：
步骤1-1：将地球表面空间的经度[70°E,140°E]、纬度[0°N,70°N]，进行正轴圆柱等距投影，将地球球面投影为长宽比例为1：1，经纬间隔相等的正方形平面，并对经纬投影平面按照8*8六十四等分进行逐层剖分，形成各个层级相互包容没有缝隙的经纬投影平面栅格模型，最高剖分10个层级；
步骤1-2：将高度[0,100km]进行8等分逐层剖分，经纬平面进行第一层级剖分时，高度方向不剖分，即第一层级高度不剖分；经纬平面进行第二层级剖分时，高度方向进行8等分剖分形成第二层级高度，以此类推进行高度方向逐层剖分形成高度栅格模型，最高剖分9个层级；高度栅格模型与经纬投影平面栅格模型相结合共同形成空域离散栅格模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于多叉树的空域多层级栅格表征和冲突检测方法，其特征在于，步骤1中所述对空域离散栅格模型进行编码形成空域栅格模型三维编码包括：
经纬投影平面栅格编码采用双位八进制编码从左到右从下到上进行编码，按层级由低到高即栅格尺寸由大到小进行嵌套编码，获得第一层级经纬编码至第十层级经纬编码；高度栅格编码按照高度由低到高对高度栅格进行编码，第一层级高度不编码，高度栅格也采用八进制编码从下到上进行编码，获得第二层级高度编码至第十层级高度编码；将经纬投影平面栅格编码和高度栅格编码按照对应的层级相结合形成空域栅格模型三维编码。
4.根据权利要求1所述的一种基于多叉树的空域多层级栅格表征和冲突检测方法，其特征在于，步骤2中所述传统几何空域包括多边形空域、半球形空域、圆柱体空域、圆锥体空域和扇形体空域，根据军民航用空计划中的经纬高信息能够生成相应的传统几何空域。
5.根据权利要求1所述的一种基于多叉树的空域多层级栅格表征和冲突检测方法，其特征在于，步骤3包括：
步骤3-1：对两个军民航用空计划生成的传统几何空域进行时间上的排斥检测，如果时间上无重叠，则两空域无冲突；
步骤3-2：对两个传统几何空域进行空间的排斥检测，即将两空域的经纬高边界进行对比，如果经纬高三个维度有一个维度没有重叠区，则两个空域没有冲突区域；
步骤3-3：对比两个传统几何空域的栅格表征多叉树，首先对两空域的第一层级经纬编码求交集，并在两空域栅格表征多叉树中获得第一层级交集栅格的下一层级经纬编码，并继续求交集，依此直至获得多叉树叶子节点的最高层级交集经纬编码；并在栅格表征多叉树中获得最高层级交集经纬编码对应的高度编码，并对高度编码求交集，由最高层级交集经纬编码和最高层级高度编码共同确定的栅格编码即为两空域的冲突栅格。
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