CN115329220A - 低空空域地球剖分网格数据组织、查询方法及装置 - Google Patents

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CN115329220A CN202210950779.8A CN202210950779A CN115329220A CN 115329220 A CN115329220 A CN 115329220A CN 202210950779 A CN202210950779 A CN 202210950779A CN 115329220 A CN115329220 A CN 115329220A
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Abstract

本发明公开了低空空域地球剖分网格数据组织、查询方法及装置，针对低空空域的静态空间几何对象、无人飞行器、动态空间几何对象进行网格编码表达，实现低空空域不同时空范围的数据的组织、查询与展示。包括如下步骤：针对低空空域构建时空网格模型，时空网格模型包括空间网格编码、时间剖分编码以及网格数据关联关系表。获取低空空域数据。在构建的时空网格模型的基础上，针对低空空域中各种空间几何对象进行表达，生成各空间几何对象对应的网格编码集合，并进行存储。根据空间几何对象的编码集合，利用低空空域时空网格数据库，进行数据查询；将查询得到的空间几何对象数据进行输出，并在时空网格图上进行展示。

Description

低空空域地球剖分网格数据组织、查询方法及装置
技术领域
本发明涉及地球空间信息组织技术领域，具体涉及低空空域地球剖分网格数据组织、查询方法及装置。
背景技术
低空空域通常指空中1000米之下部分，包括近地面建筑和设施，是国家重要的航空战略资源，各个国家都应该重视和制定相关的政策进行管理。，传统的空域标识在空间组织、多飞行器标识、动态展示等方面不适用于低空空域标识，无法满足现有需求，需要研究新型的低空空域标识模式以保证可持续的发展和服务前景，对低空空域的通用航空的相关的活动进行高效的管理。
低空中存在多种数据叠加，如航线、建筑物、动态飞行物数据等。当前的空域信息表达方法难以应对复杂、动态的空域环境。不同的信息会用不一样的方式进行表达，且各种方式之间难以互通。因此需要一种空域表达方法，一体化组织空域中各种空间几何对象数据。
目前的基础空间信息表达技术包括：第一，矢量图模型，矢量数据是用坐标来表示各种空间几何对象，可以对点线面进行有效的表达，经过处理也可以表达空间的实体，并且与栅格相比，表达空间可以是连续的。而矢量数据在处理不同种类的数据时，数据结构较为复杂，无人飞行器的邻域和碰撞检测，计算复杂度高。第二，几何图模型，主要是指以图形形状来对现实的环境进行表达，可以很容易的表达空域中的各种空间几何对象，但当面对空域中大量的障碍物航线数据时，构建的复杂度较大，难以对低空空域进行有效的表达。第三，栅格图模型，是指采用均等大小的网格，将空间进行划分，得到一个一个大小相等的网格，然后采用一定的顺序对其进行标识，最终可以实现空间的表达与相关数据的标识。栅格数据虽然解决了矢量数据邻域以及碰撞检测计算复杂度高的问题，但面对大量数据时，难以选择恰当尺度，且栅格一般是局部图，无法做到全球统一。第四，拓扑图模型，拓扑地图是地图学中一种保持点与线相对位置关系正确而不一定保持图形形状、面积、距离、方向正确的抽象地图。在面对大量的数据时，拓扑地图的生成很难依靠单一的算法创建，往往需要人工来介入，耗费大量的人力物力。
目前低空空域表达的问题在于，在已有基于全球空间的网格索引与多级剖分三维网格模型的基础上，没有针对低空空域的静态空间几何对象、动态空间几何对象、无人飞行器进行统一表达的方法，需要建立富有针对性、更为精准地时空表达方法和时空数据查询方法。目前空域表达方法环境与无人飞行器本身割裂，无法采用统一的方法进行表达，需要采用不同的表达方法进行组合。
如何对低空空域中动态数据进行合理的表达、组织以及查询，是目前亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了低空空域地球剖分网格数据组织、查询方法及装置，通过构建低空空域的时空网格模型，同时考虑到空域环境和无人飞行器，针对低空空域的静态空间几何对象、无人飞行器、动态空间几何对象进行网格编码表达，实现低空空域不同时空范围的数据的组织、查询与展示。
为达到上述目的，本发明的技术方案低空空域地球剖分网格数据组织方法，包括如下步骤：
步骤1：针对低空空域构建时空网格模型，时空网格模型包括空间网格编码、时间剖分编码以及网格数据关联关系表。
步骤2：获取低空空域数据。
步骤3：在构建的时空网格模型的基础上，针对低空空域中各种空间几何对象进行表达，生成各空间几何对象对应的网格编码集合，并进行存储。
进一步地，步骤1中，空间网格编码采用3D网格剖分编码模型对低空空域进行剖分，获得空间网格及编码。空间网格编码用于表征剖分网格体的三维空间位置信息和剖分层级。
时间剖分编码为多尺度时间编码；
网格数据关联关系表为将低空空域中不同来源的数据进行关联，通过将各网格的时空编码作为索引，整合得到网格的通行信息。
进一步地，网格数据关联关系表中，将同一空间网格对应的不同来源的数据进行组织关联，通过相关规则判断当前时空网格是否可通行，然后以时空网格编码为主键，将相关的数据进行组织关联。
进一步地，低空空域数据包括地形GIS信息，BIM建筑信息，各种传感器气象，网络信息信息以及来自飞机航线数据。
进一步地，空间几何对象包括静态空间几何对象、无人飞行器、动态空间几何对象。
进一步地，针对低空空域中各种空间几何对象进行表达，其中空间几何对象为静态空间几何对象，生成各种空间几何对象对应的网格编码集合，获取空间几何对象的低空空域数据，采用如下步骤进行表达：
Step1:将空间几何对象的低空空域数据转换为经纬高的形式。
Step2：根据空间几何对象的坐标信息与精度要求，将空间几何对象用满足精度要求层级的网格Lhighest进行网格化剖分得到编码集合C，当前最大层级 Lnow＝Lhighest。
编码集合C的生成原则是：采用时空网格对低空空域中相关空间几何对象进行表达时，应确保时空网格的编码集合能够完全的包含低空空域中相关空间几何对象所处的空间范围和时间范围。
Step3：判断当前集合C中是否有可聚合的网格，如果有，将C中同一层级的可聚合的网格进行网格聚合为Lnow-1层级的网格，当前最大层级为Lnow-1。
Step4：重复执行Step2～Step3，直到C中没有可聚合的网格，得到低空空域静态空间几何对象表达的网格编码集合Cstatic。
进一步地，网格聚合的方法如下：
S1:输入编码集合C。
S2:读取集合C中的首个剖分编码作为当前处理编码，并进行S3。
S3:计算当前处理编码的父编码。
父编码计算方法为舍弃当前层级相应的位数生成新的编码。
如果编码集合C中出现了当前处理编码的父编码所包含的所有子编码，则进行S4；否则跳至S5。
S4:插入聚合后的父编码，并删去该父编码对应的子编码，跳至S5。
S5:如果还有未判断的编码，则继续读取下一个剖分编码作为当前处理编码，返回S3；如果所有编码都已经完成判断，则跳至S6。
S6:如果本轮算法曾经执行过S4，则到S2再执行一轮；否则直接跳至S7；
S7:输出所得的剖分编码集合。
进一步地，针对低空空域中各种空间几何对象进行表达，生成各种空间几何对象对应的网格编码集合，其中空间几何对象为无人飞行器时，采用如下步骤进行表达：
SS1：选择合理层级的网格，将无人飞行器当做静态空间几何对象，对当前时刻无人飞行器所在位置进行编码，得到无人飞行器的位置编码集合Cstatic。
SS2：根据无人飞行器的飞行速度，飞行方向，SS1中选择的层级，计算出缓冲区域集合Cbuffer。
其中，Cbuffer计算方法为Cbuffer＝Cnear∪Cfront，Cnear为无人飞行器的邻域网格，Cfront为
Figure BDA0003789033150000051
个网格组成的集合，α为系数，v为速度，t取1s，d为无人飞行器前进方向网格长度。
SS3：对Cstatic、Cbuffer中可聚合的编码进行聚合。
重复SS3，直到Cstatic、Cbuffer中没有可聚合的编码；最终得到无人飞行器网格编码集合CUAV，无人飞行器缓冲区域网格编码集合CUAV-buffer。
进一步地，针对低空空域中各种空间几何对象进行表达，生成各种空间几何对象对应的网格编码集合，其中空间几何对象为动态空间几何对象时，采用如下步骤进行表达：
SSS1：根据低空空域静态空间几何对象的表达规则得到该动态空间几何对象的静态编码合Cstatic。
SSS2：对动态障碍物的时间用最小层级的时间网格表达，来获取时间集合 T。
SSS3：对T中可聚合的时间编码进行聚合。
重复SSS3，直到T中没有可聚合的编码，将T中的空间几何对象作为Cstatic中的空间几何对象的属性，得到最终的动态空间几何对象的网格编码集合 Cdynamic。
进一步地，针对低空空域数据，采用上述组织方法构建各空间几何对象对应的网格编码集合。
根据空间几何对象的编码集合，利用低空空域时空网格数据库，进行数据查询；
将查询得到的空间几何对象数据进行输出，并在时空网格图上进行展示。
本发明的另外一个实施例还提供了低空空域地球剖分网格数据组织装置，包括时空网格模型构建模块、低空空域数据获取模块以及组织存储模块；
时空网格模型构建模块，用于针对低空空域构建时空网格模型，时空网格模型包括空间网格编码、时间剖分编码以及网格数据关联关系表。
低空空域数据获取模块，用于获取低空空域数据。
组织存储模块，用于在构建的时空网格模型的基础上，针对低空空域中各种空间几何对象进行表达，生成各空间几何对象对应的网格编码集合，并进行存储。
本发明的另外一个实施例还提供了低空空域地球剖分网格数据查询装置，其特征在于，包括时空网格模型构建模块、低空空域数据获取模块、组织存储模块、数据查询及展示模块；
时空网格模型构建模块，用于针对低空空域构建时空网格模型，时空网格模型包括空间网格编码、时间剖分编码以及网格数据关联关系表；
低空空域数据获取模块，用于获取低空空域数据；
组织存储模块，用于在构建的时空网格模型的基础上，针对低空空域中各种空间几何对象进行表达，生成各空间几何对象对应的网格编码集合，并进行存储；
数据查询及展示模块，用于根据空间几何对象的编码集合，利用低空空域时空网格数据库，进行数据查询，将查询得到的空间几何对象数据进行输出，并在时空网格图上进行展示。
本发明的另外一个实施例还提供了低空空域地球剖分网格数据组织设备，包括存储器、处理器及及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行程序时实现上述低空空域地球剖分网格数据的组织方法。
本发明的另外一个实施例还提供了低空空域地球剖分网格数据的查询设备，包括存储器、处理器及及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行程序时实现上述低空空域地球剖分网格数据的查询方法。
有益效果：
1、本发明提供的低空空域地球剖分网格数据组织方法，在已有基于全球空间的网格索引与多级剖分三维网格模型的基础上，将多源的低空空域地球剖分网格数据用统一的时空网格进行表达，可有效支撑低空空域的各类应用场景，针对低空空域的静态空间几何对象、无人飞行器、动态空间几何对象进行网格编码表达，实现低空空域不同时空范围的数据的组织。
2、本发明提供的低空空域地球剖分网格数据组织方法，针对低空空域的静态空间几何对象、动态空间几何对象、无人飞行器进行统一表达，形成了富有针对性、更为精准地低空空域的时空表达方法和时空数据组织方法。
3、本发明提供的低空空域地球剖分网格数据组织方法，空间几何对象为无人飞行器时，低空空域无人飞行器表达需要无人飞行器相应的三维位置编码和缓冲区域所在网格编码组成的集合。
4、本发明提供的低空空域地球剖分网格数据组织方法，由于高层级的网格是由低层级的网格剖分而来，所以一定数量的高层级网格可以聚合成上一层级，减少网格编码的数量。因此，在对低空空域进行表达时，需要对网格编码中可聚合的部分进行聚合，最终得到不同层级编码的集合。在精确表达的基础上，网格编码更加精简。同时数据的多次聚合使数据量大幅下降，可以节省硬盘空间，提升数据查询效率。
5、本发明提供的低空空域地球剖分网格数据组织方法，针对低空空域的应用场景而形成的网格数据关联信息，例如信息中包括：是否可以通行、信号强弱等，有利于数据的快速查询和灵活应用。
6、本发明提供的低空空域地球剖分网格数据查询方法，在已有基于全球空间的网格索引与多级剖分三维网格模型的基础上，将多源的低空空域地球剖分网格数据用统一的时空网格进行表达，可有效支撑低空空域的各类应用场景，针对低空空域的静态空间几何对象、无人飞行器、动态空间几何对象进行网格编码表达，实现低空空域不同时空范围的数据的查询与展示。
7、本发明提供的低空空域地球剖分网格数据查询方法，由于高层级的网格是由低层级的网格剖分而来，所以一定数量的高层级网格可以聚合成上一层级，减少网格编码的数量。因此，在对低空空域进行表达时，需要对网格编码中可聚合的部分进行聚合，最终得到不同层级编码的集合。在精确表达的基础上，网格编码更加精简。同时数据的多次聚合使数据量大幅下降，可以节省硬盘空间，提升数据查询效率。
8、本发明提供的低空空域地球剖分网格数据查询方法，针对低空空域的静态空间几何对象、动态空间几何对象、无人飞行器进行统一表达，形成了富有针对性、更为精准地低空空域的时空表达方法和时空数据查询方法。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
图1为各层级编码长度示意图；
图2为时间编码示意图；
图3为对圆柱形静态空间几何对象建模结果示例图；
图4为基于时空网格模型无人飞行器建模示意图；
图5为基于时空网格模型无人飞行器及缓冲区建模示意图
图6空域网格的邻域示意图；
图7为低空空域地球剖分网格数据组织方法流程图；
图8为低空空域地球剖分网格数据查询方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例1：
本发明实施例提供了一种低空空域地球剖分网格数据组织方法，其流程如图7所示，包括步骤1～步骤3：
步骤1：针对低空空域构建时空网格模型，时空网格模型包括空间网格编码、时间剖分编码以及网格数据关联关系表；
空域网格是以三维地球空间立体剖分网格GeoSOT-3D为基础，针对低空空域的无人飞行器应用发展出来的立体剖分网格体系。它是GeoSOT-3D网格在低空空域环境应用中的子集，一般高度范围为地表至离地高度20千米，低空空域一般为地表至离地高度1000米。低空空域时空网格模型的构建主要包括空间剖分编码设计、时间剖分编码设计、网格数据关联。
空间编码以3D网格剖分编码模型为基础，采用3D网格剖分编码模型对所述低空空域进行剖分，获得空间网格及编码；所述空间网格编码用于表征剖分网格体的三维空间位置信息和剖分层级。本发明给出一个具体实施例：结合无人飞行器实际应用需求，将高度维限制在地表到地上8192m的范围内，高度为三维点的大地高。对该空域进行10级分割，并按照一定编码规则进行编码，最终得到最高10级，最长26位的编码，最小网格尺寸约为0.25m×0.25m×0.25m，时空网格各层级编码长度如图1所示。由于民用无人飞行器飞行高度大部分在 2000米以下，且世界最高的高原青藏高原在5000米左右，结合无人飞行器飞行与网格划分实际，所以将时空网格模型的高度定在8192米，一般应用采用 1000米以下。
时间编码以多尺度时间编码理论为基础，结合无人飞行器飞行时长实际需求，日为最大尺度，秒为最小尺度，并在最前用0表示前一日的时间，1表示后一日的时间，将时间维限制在当日前后48小时内，对该范围进行划分，得到最长18位的编码，时间编码示意图如图2所示。
网格数据关联是将低空空域中不同来源的数据进行关联，通过将各网格编码作为索引，整合得到网格的通行信息。从而对低空中的相关数据信息进行表示，以实现数据展示和针对不同业务的应用。
具体过程为：将网格编码作为key，标记相关属性。首先按照上述方法，得到了任务空域的时空网格编码，即网格的空间编码+时间编码，然后结合不同来源的数据，如来自地形的GIS信息，BIM的建筑信息，各种传感器的气象，网络信息，来自飞机的航线数据等进行数据组织关联，通过相关规则判断当前时空网格是否可通行，然后以时空网格编码为主键，将相关的信息进行组织关联。举例如下表所示。
表1数据组织关联表
Figure BDA0003789033150000101
步骤2：获取低空空域数据。
步骤3：在构建的时空网格模型的基础上，针对低空空域中各种空间几何对象进行表达，生成各空间几何对象对应的网格编码集合，并进行存储。
在构建的时空网格模型的基础上，针对低空空域中各种空间几何对象进行表达，生成各种空间几何对象对应的网格编码集合，并进行存储。空间几何对象主要包括：静态空间几何对象、无人飞行器、动态空间几何对象。
低空空域中静态空间几何对象主要包括山脉，丘陵，盆地等地形空间几何对象，建筑，桥梁等具有一定形状的人工建筑，路灯，绿化带，树木等一些在地表的小型物体。这些空间几何对象的位置，高度，形状在一定时间内不会随着时间的变化而变化，因此可以用一个或者一组时空网格来表达。对于低空空域中的静态空间几何对象，根据精度要求，选择合适的网格层级，对低空空域中空间几何对象进行表达。该网格或该组网格可以完全覆盖该空间几何对象的范围，且该组网格中所有的网格互不相交。
基于时空网格编码和网格数据的关联关系，将低空空域的多源数据进行存储。
因上述的关联方式有几个特点：(1)结构不固定，一个时空网格编码可以关联多种属性，不同数量的数据；(2)相关信息的每个属性都存在不一样的结构，结构较繁杂，方式复杂；(3)数量量大，空域中包含的空间几何对象很多，进行时空网格化表达和属性记录后，数据较多。因此关系型数据库不适于低空时空图模型的储存与应用，为了对低空空域时空网格模型进行存储，有效的满足上述要求，采用MongoDB数据库进行数据存储，生成时空网格数据库。
具体举例说明，在储存的时候，以某一位置网格的时空编码作为key，将该位置地形GIS信息，BIM建筑信息，各种传感器气象，网络信息信息，来自飞机航线数据等，通过计算得出该时空网格编码的可通行性，然后以属性的方式记录下来，对其他的需要的信息，作为其他属性信息进行记录。文档结构具体如下：
{
"AirSpaceCode":code,
"LonCode":loncode,
"LatCode":latcode,
"HeightCode":heightcode,
"TCode":timecode,
"Attribute1":[Attribute11,Attribute12,...,Attribute1i],
"Attribute2":[Attribute21,Attribute22,...,Attribute2j],
"Attribute3":[Attribute31,Attribute32,...,Attribute3k],
}
其中AirSpaceCode表示文档对应的低空空域时空网格编码，其余的编码代表网格时空网格编码在经纬高维度的分解编码，TCode表示时间属性。Attr1， Attr2，Attr3代表不同类型的数据，Attribute11,Attribute12,...,Attribute1i， Attribute21,Attribute22,...,Attribute2j，Attribute31,Attribute32,...,Attribute3k则代表不同数据的不同属性的值。
另外，时空网格数据库通过网格和网格编码对已编码数据进行管理，实现数据索引和数据索引更新等功能，为多源异构数据的网格化快速查询检索提供服务，支撑网格基础计算分析等业务应用，解决了目前无法对低空空域中动态数据进行合理表达的问题。
实施例2：
在上述实施例1的步骤3中，在构建的时空网格模型的基础上，针对低空空域中各种空间几何对象进行表达，生成各空间几何对象对应的网格编码集合。
空间几何对象包括静态空间几何对象、无人飞行器、动态空间几何对象。低空空域中静态空间几何对象存在不同的数据格式，需要采用不同的方法进行表达。
针对低空空域中可以经过简单转化获得经纬高的静态空间几何对象，如数字高程模型DEM数据，具体表达方法如下：
Step1:选择相应的方法，将数据转换为经纬高的形式。
针对地面模型、建筑等常用的BIM数据的转换方法为：
Step101：在BIM平台中获取建筑的空间范围，然后计算近似的空间中心点的相关信息。
Step102：在得到空间范围和空间中心点后，利用BIM中提供的坐标转换方法，将建筑坐标转换为经纬高。
针对不规则三角网TIN数据的转换方法为：采用线性插值法或自然邻域法插值，获得每个像元的指定高度值，从而获得经纬高数据。
Step2：根据低空空域障碍物的坐标信息与精度要求，将障碍物用满足精度要求层级的网格Lhighest进行网格化剖分得到编码集合C，当前最大层级 Lnow＝Lhighest。
编码集合C的生成原则是：采用时空网格对低空空域中相关空间几何对象进行表达时，应确保时空网格的编码集合能够完全的包含低空空域中相关空间几何对象所处的空间范围和时间范围。也就是说低空空域中相关的空间几何对象所在的空间的范围和时间方位是采用的时空网格编码的编码集合的子集。一般来说，允许以多余的时空网格对低空空域中相关空间几何对象的时空边界进行表达，但不允许时空网格编码集合缺少低空空域中相关空间几何对象的部分信息。保证能够对低空空域精确表达。
预先进行剖分层级的确定：时空网格是由小到大，对空间和时间进行一次次划分得到的，每次划分都会使时空网格的表达精度提高，随之而来的是时空网格的数量的增加。通过在构建低空空域时空网格模型时，设定不同的剖分层级，剖分到该层级即可。这样既保证了对低空空域的精确表达，又能控制数据的量，有利于无人飞行器的精确高效的应用。
Step3：判断当前集合C中是否有可聚合的网格，如果有，将C中可以聚合为上一层级的网格聚合为Lnow-1层级的网格，当前最大层级Lnow＝Lnow-1。
Step4：重复Step2，直到C中没有可聚合的网格，得到低空空域静态障碍物表达的网格编码集合Cstatic。
其中，网格聚合的方法如下：
S1:输入剖分编码的集合；
S2:读取集合中的首个剖分编码，并进行下一步的步骤；
S3:计算该编码的父编码，父编码计算方法为舍弃当前层级相应的位数生成新的编码，如果该剖分编码集合中出现了其父剖分编码所包含的所有子剖分编码，则进行S4；否则跳至S5；
S4:插入聚合后的父编码，并删去该父编码对应的子编码，跳至S5；
S5:如果还有未判断的编码，则继续读取下一个剖分编码，并进行S3的判断；如果所有编码都已经完成判断，则跳至S6；
S6:如果本轮算法曾经执行过S4，则到S2再执行一轮；否则直接跳至S7；
S7:输出所得的剖分编码集合。
由于高层级的网格是由低层级的网格剖分而来，所以一定数量的高层级网格可以聚合成上一层级，减少网格编码的数量。因此，在对低空空域进行表达时，需要对网格编码中可聚合的部分进行聚合，最终得到不同层级编码的集合。在精确表达的基础上，网格编码更加精简。同时数据的多次聚合使数据量大幅下降，可以节省硬盘空间，提升数据查询效率。
通过上述的两个算法，对空域中静态空间几何对象进行建模，对圆柱形静态空间几何对象建模结果示例如图3所示。
步骤3中，空间几何对象为无人飞行器时，采用如下步骤进行表达：低空空域无人飞行器表达需要无人飞行器相应的三维位置编码和缓冲区域所在网格编码组成的集合。具体过程为：
SS1：选择合理层级的网格，将无人飞行器当做静态空间几何对象，对当前时刻无人飞行器所在位置进行编码，得到无人飞行器的位置编码集合Cstatic。
SS2：根据无人飞行器的飞行速度，飞行方向，Step1中选择的层级，计算出缓冲区域集合Cbuffer。其中，Cbuffer计算方法为Cbuffer＝Cnear∪Cfront，Cnear为无人飞行器二十六邻域网格(也可以为六邻域、十邻域网格)，Cfront为
Figure BDA0003789033150000151
个网格组成的集合，α为系数，v为速度，t取1s，d为无人飞行器前进方向网格长度。
SS3：对Cstatic、Cbuffer中可聚合的编码进行聚合。重复SS3，直到Cstatic、Cbuffer中没有可聚合的编码；最终得到无人飞行器网格编码集合CUAV，无人飞行器缓冲区域网格编码集合CUAV-buffer。
图4为基于时空网格模型无人飞行器建模。图5为基于时空网格模型无人飞行器及缓冲区建模。
根据不同的需要，邻域的定义也不一样，一般包括，当前网格前后左右上下六个方向的六邻域网格，包括上下和平面前后左右对角邻域的十邻域，包括上下左右前后及其对角的二十六邻域，根据其他的需求还可以扩展邻域的定义范围，如图6所示，图6中的(a)为六邻域范围，(b)为十邻域范围，(c)为二十六邻域范围。
低空空域中动态空间几何对象主要包括UAV，热气球等物体。这些空间几何对象的形状在一定时间内不会随着时间的变化而变化，位置、高度会随着时间的变化而变化，因此此类空间几何对象可以用一个或者一组三维空域网格和一个时间编码组合来表达，对于低空空域中的动态空间几何对象，可以用三维空域网格作为基本单元，根据精度要求，选择恰当的网格层级，对其中动态空间几何对象表达。每个时间刻生成一个三维空域网格集合和一个时间编码。具体过程为：
SSS1：根据低空空域静态空间几何对象的表达规则得到该动态空间几何对象的静态编码合Cstatic。
SSS2：对动态障碍物的时间用最小层级的时间网格表达，来获取时间集合 T。
SSS3：对T中可聚合的时间编码进行聚合。重复SSS3，直到T中没有可聚合的编码，将T中的空间几何对象作为Cstatic中的空间几何对象的属性，得到最终的动态空间几何对象的网格编码集合Cdynamic。
实施例3
本发明实施例还提供了一种低空空域地球剖分网格数据查询方法，在上述实施例提供的组织方法的基础上，构建各空间几何对象对应的网格编码集合；其流程如图8所示，在步骤1～步骤3之后还包括步骤4～步骤5。
步骤4：根据静态空间几何对象、无人飞行器、动态空间几何对象的编码集合，利用低空空域时空网格数据库，进行数据查询。
步骤5：将查询得到的空间几何对象数据进行输出，并在时空网格图上进行展示。
针对上述方法，本发明进行了实验，通过对地形和建筑建模的实验结果来看，因为时空网格模型生成后，会进行多次的聚合操作，每次聚合可使数据减少，因此经过多次聚合后，数据量会大幅下降，可以节省硬盘空间，提升数据查询效率。
实施例4
本发明实施例还提供了一种低空空域地球剖分网格数据组织装置，包括时空网格模型构建模块、低空空域数据获取模块以及组织存储模块。
时空网格模型构建模块，用于针对低空空域构建时空网格模型，时空网格模型包括空间网格编码、时间剖分编码以及网格数据关联关系表。
低空空域数据获取模块，用于获取低空空域数据。
组织存储模块，用于在构建的时空网格模型的基础上，针对低空空域中各种空间几何对象进行表达，生成各空间几何对象对应的网格编码集合，并进行存储。
本实施例中各模块的实现方法可以采用如实施例1和2所公开的方法。
实施例5：
本发明实施例还提供了一种低空空域地球剖分网格数据查询装置，包括时空网格模型构建模块、低空空域数据获取模块、组织存储模块、数据查询及展示模块。
时空网格模型构建模块，用于针对低空空域构建时空网格模型，时空网格模型包括空间网格编码、时间剖分编码以及网格数据关联关系表。
低空空域数据获取模块，用于获取低空空域数据。
组织存储模块，用于在构建的时空网格模型的基础上，针对低空空域中各种空间几何对象进行表达，生成各空间几何对象对应的网格编码集合，并进行存储。
数据查询及展示模块，用于根据空间几何对象的编码集合，利用低空空域时空网格数据库，进行数据查询，将查询得到的空间几何对象数据进行输出，并在时空网格图上进行展示。
本实施例中各模块的实现方法可以采用如实施例1和2所公开的方法。
实施例6：
低空空域地球剖分网格数据组织设备，包括存储器、处理器及及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行程序时实现实施例1提供的低空空域地球剖分网格数据的组织方法。
实施例7：
低空空域地球剖分网格数据查询设备，包括存储器、处理器及及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行程序时实现实施例3提供的低空空域地球剖分网格数据的查询方法。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.低空空域地球剖分网格数据组织方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：针对低空空域构建时空网格模型，所述时空网格模型包括空间网格编码、时间剖分编码以及网格数据关联关系表；
步骤2：获取低空空域数据；
步骤3：在构建的时空网格模型的基础上，针对低空空域中各种空间几何对象进行表达，生成各空间几何对象对应的网格编码集合，并进行存储。
2.如权利要求1所述的低空空域地球剖分网格数据组织方法，其特征在于，所述步骤1中，所述空间网格编码采用3D网格剖分编码模型对所述低空空域进行剖分，获得空间网格及编码；所述空间网格编码用于表征剖分网格体的三维空间位置信息和剖分层级；
所述时间剖分编码为多尺度时间编码；
所述网格数据关联关系表为将低空空域中不同来源的数据进行关联，通过将各网格的时空编码作为索引，整合得到网格的通行信息。
3.如权利要求1或2所述的低空空域地球剖分网格数据组织方法，其特征在于，所述网格数据关联关系表中，将同一空间网格对应的不同来源的数据进行组织关联，通过相关规则判断当前时空网格是否可通行，然后以时空网格编码为主键，将相关的数据进行组织关联。
4.如权利要求1所述的低空空域地球剖分网格数据组织方法，其特征在于，所述低空空域数据包括地形GIS信息，BIM建筑信息，各种传感器气象信息，网络信息以及来自飞机航线数据。
5.如权利要求1～4任一所述的低空空域地球剖分网格数据组织方法，其特征在于，所述空间几何对象包括静态空间几何对象、无人飞行器、动态空间几何对象。
6.如权利要求5所述的低空空域地球剖分网格数据组织方法，其特征在于，所述针对低空空域中各种空间几何对象进行表达，其中空间几何对象为静态空间几何对象，生成各种空间几何对象对应的网格编码集合，获取空间几何对象的低空空域数据，采用如下步骤进行表达：
Step1:将所述空间几何对象的低空空域数据转换为经纬高的形式；
Step2：根据空间几何对象的坐标信息与精度要求，将空间几何对象用满足精度要求层级的网格Lhighest进行网格化剖分得到编码集合C，当前最大层级Lnow＝Lhighest；
编码集合C的生成原则是：采用时空网格对低空空域中相关空间几何对象进行表达时，应确保时空网格的编码集合能够完全的包含低空空域中相关空间几何对象所处的空间范围和时间范围；
Step3：判断当前集合C中是否有可聚合的网格，如果有，将C中同一层级的可聚合的网格进行网格聚合为Lnow-1层级的网格，当前最大层级为Lnow-1；
Step4：重复执行Step2～Step3，直到C中没有可聚合的网格，得到低空空域静态空间几何对象表达的网格编码集合Cstatic。
7.如权利要求6所述的低空空域地球剖分网格数据组织方法，其特征在于，所述网格聚合的方法如下：
S1:输入编码集合C；
S2:读取集合C中的首个剖分编码作为当前处理编码，并进行S3；
S3:计算当前处理编码的父编码；
父编码计算方法为舍弃当前层级相应的位数生成新的编码；
如果编码集合C中出现了当前处理编码的父编码所包含的所有子编码，则进行S4；否则跳至S5；
S4:插入聚合后的父编码，并删去该父编码对应的子编码，跳至S5；
S5:如果还有未判断的编码，则继续读取下一个剖分编码作为当前处理编码，返回S3；如果所有编码都已经完成判断，则跳至S6；
S6:如果本轮算法曾经执行过S4，则到S2再执行一轮；否则直接跳至S7；
S7:输出所得的剖分编码集合。
8.如权利要求5所述的低空空域地球剖分网格数据组织方法，其特征在于，所述针对低空空域中各种空间几何对象进行表达，生成各种空间几何对象对应的网格编码集合，其中空间几何对象为无人飞行器时，采用如下步骤进行表达：
SS1：选择合理层级的网格，将无人飞行器当做静态空间几何对象，对当前时刻无人飞行器所在位置进行编码，得到无人飞行器的位置编码集合Cstatic；
SS2：根据无人飞行器的飞行速度，飞行方向，SS1中选择的层级，计算出缓冲区域集合Cbuffer；
其中，Cbuffer计算方法为Cbuffer＝Cnear∪Cfront，Cnear为无人飞行器的邻域网格，Cfront为
Figure FDA0003789033140000031
个网格组成的集合，α为系数，v为速度，t取1s，d为无人飞行器前进方向网格长度；
SS3：对Cstatic、Cbuffer中可聚合的编码进行聚合；
重复SS3，直到Cstatic、Cbuffer中没有可聚合的编码；最终得到无人飞行器网格编码集合CUAV，无人飞行器缓冲区域网格编码集合CUAV-buffer。
9.如权利要求5所述的低空空域地球剖分网格数据组织方法，其特征在于，所述针对低空空域中各种空间几何对象进行表达，生成各种空间几何对象对应的网格编码集合，其中空间几何对象为动态空间几何对象时，采用如下步骤进行表达：
SSS1：根据低空空域静态空间几何对象的表达规则得到该动态空间几何对象的静态编码合Cstatic；
SSS2：对动态障碍物的时间用最小层级的时间网格表达，来获取时间集合T；
SSS3：对T中可聚合的时间编码进行聚合；
重复SSS3，直到T中没有可聚合的编码，将T中的空间几何对象作为Cstatic中的空间几何对象的属性，得到最终的动态空间几何对象的网格编码集合Cdynamic。
10.低空空域地球剖分网格数据查询方法，其特征在于，针对低空空域地球剖分网格数据，采用如权利要求1～9任一所述的方法构建各空间几何对象对应的网格编码集合；
根据空间几何对象的编码集合，利用低空空域时空网格数据库，进行数据查询；
将查询得到的空间几何对象数据进行输出，并在时空网格图上进行展示。
11.低空空域地球剖分网格数据组织装置，其特征在于，包括时空网格模型构建模块、低空空域数据获取模块以及组织存储模块；
所述时空网格模型构建模块，用于针对低空空域构建时空网格模型，所述时空网格模型包括空间网格编码、时间剖分编码以及网格数据关联关系表；
所述低空空域数据获取模块，用于获取低空空域数据；
所述组织存储模块，用于在构建的时空网格模型的基础上，针对低空空域中各种空间几何对象进行表达，生成各空间几何对象对应的网格编码集合，并进行存储。
12.低空空域地球剖分网格数据查询装置，其特征在于，包括时空网格模型构建模块、低空空域数据获取模块、组织存储模块、数据查询及展示模块；
所述时空网格模型构建模块，用于针对低空空域构建时空网格模型，所述时空网格模型包括空间网格编码、时间剖分编码以及网格数据关联关系表；
所述低空空域数据获取模块，用于获取低空空域数据；
所述组织存储模块，用于在构建的时空网格模型的基础上，针对低空空域中各种空间几何对象进行表达，生成各空间几何对象对应的网格编码集合，并进行存储；
所述数据查询及展示模块，用于根据空间几何对象的编码集合，利用低空空域时空网格数据库，进行数据查询，将查询得到的空间几何对象数据进行输出，并在时空网格图上进行展示。
13.低空空域地球剖分网格数据组织设备，包括存储器、处理器及及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至9中任一所述的低空空域时空数据的组织方法。
14.低空空域地球剖分网格数据查询设备，包括存储器、处理器及及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至9中任一所述的低空空域时空数据的查询方法。
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CN116957431A (zh) * 2023-09-20 2023-10-27 航天宏图信息技术股份有限公司 气象水文环境数据组织模型的构建方法、装置及设备

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