1 概述

飞行器可视导航是一种将综合视觉、飞行和空管技术有机结合的新型导航方法，需要综合考虑复杂地形、气象和电磁环境，融合实时的飞行器导航传感器数据、多谱段环境传感器数据和地形地物等信息，实现终端区环境信息精准的统一表示。影响可视导航的环境要素包括地形、建筑物、植被等地面要素以及气温场、气压场、湿度场、风场、云、雷暴、气团等大气环境要素和电磁场，这些环境要素具有不同的物理性质，其空间尺度和时间变化尺度跨度大并且相互影响。要规避各种危险，必须要透彻感知飞行器周围环境。因此机场终端区环境高效高精度的动态三维表示成为飞行器可视导航的重要前提。

在GIS领域，气象和电磁场等多维时空现象主要当做场景特效，重可视化效果而轻高精度的分析应用。在气象和电磁环境各专业领域内，以大气运动^{[1, 2]}、天气现象^{[3, 4, 5, 6, 7, 8]}以及自然景观^{[9, 10]}等为研究对象，主要研究宏观和微观的大气运动模拟及其可视化。

在电磁波、信号仿真等领域，以局部有限边界的电磁场为主要对象，研究电磁环境的拟合、仿真、数值计算和可视化等。在电磁环境三维网格消隐、实体显示、三维场等值着色等表现方面研究较多^{[11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19]}。但仅有少数对电磁传播有明显影响的环境要素被建模和表达，缺乏对机场终端区这一特殊区域电磁场的大范围集成表示研究。

在飞行器安全进近环境可视导航领域^{[20, 21]}，也还缺乏对机场终端区空地环境数字化表达的系统研究。国际上，美国NASA从20世纪70年代就开始发展SVS，工业界例如Rockwell-Collins公司已经推出了一些投入使用的商业产品。但是，目前的研究成果仍然是以地形模拟叠加抽象符号为主，还没有气象、电磁环境要素的一体化表示成果^[22]。

综上所述，现有研究分散在不同的学科领域、孤立地开展，还缺乏对机场终端区环境统一表示的系统研究。而空地环境信息分散应用使得导航决策等需要的信息繁杂、尤其是位置信息和情景意识很弱、决策时间很长，因此急需关于复杂大气和电磁等多维连续分布现象及其与地形地貌集成的系统研究。 2 复杂空地环境动态三维表示的概念模型

针对飞行导航决策对复杂空地环境数据高效组织管理和高性能多维可视化分析的需求，首先要建立机场终端区复杂环境要素的几何模型、物理模型和过程模型的集成表示，将多源异构信息有机融合到统一的时空框架内，并提供高效精准的时空分析，其概念模型如图 1所示。

图 1 机场终端区复杂空地环境统一表示的概念模型 Fig. 1 Conceptual model of unified airport environment

图选项

复杂空地环境的动态三维表示模型是在统一的时空框架下，一种可计算、可推理和可全息感知的机场终端区复杂空地环境信息模型。从图 1中可见，复杂空地环境动态三维表示模型包含四个方面的内容：空地一体化的时空数据模型；多源异构信息融合；复杂时空现象耦合；复杂空地环境信息可视化表达，相互关系如图 2所示。

图 2 研究内容及其关系 Fig. 2 Research contents and relationship

图选项

机场终端区空地环境要素包括地形地物、气象环境、电磁环境和危险目标。针对这些环境要素种类众多、分布范围广且动态变化的特点，一体化的时空数据模型包括这些对象的几何模型、物理模型以及反映其演变规律的过程模型。与传统三维GIS数据模型相比，需要发展矢量与标量结合、表面与实体结合、动态与静态结合、离散与连续结合的一体化数据模型和数据结构。 2.2 多源异构信息融合

机场终端区复杂地空环境下的多平台多传感器数据在表示方法、时空基准、精度、时空尺度等方面存在差异，导致多源信息的有机融合与无缝集成成为关键问题之一。多源异构信息融合包含两个方面的含义：语法上，多源信息统一的时空基准、尺度转换、配准，以及误差传播规律等；语义上，多源数据专题语义分类众多，不同语义细节层次尺度不一，各种动态现象时空过程语义及其关系语义复杂，对多分辨率语义、过程语义、关系语义的统一描述。 2.3 复杂时空现象耦合

本文的时空现象耦合是指机场终端区的气象、电磁、地形地物等要素之间相互影响的状态和过程，主要指要素间的相互影响使其中一种要素的强弱、方向、分布等发生了改变，如复杂地形与低空风场的耦合，机场建筑与电磁场的耦合等。 2.4 复杂空地环境信息的可视化表达

机场终端区环境的可视化表达包含3个层次：① 对直观可见、边界明确的环境要素的可视化表达，如机场周边地形、建筑、跑道等；② 对时空连续分布、不可见但对飞行器安全导航有直接或间接影响的环境要素的可视化表达，如气温、风场、电磁场等；③ 对时空分布连续且渐变、具有生命周期过程的环境要素的可视化表达，如积雨云、风切变、沙尘暴等，需要着重表达其生命周期的过程语义。特别是空地环境要素信息量大且动态演变，需要考虑在有限载荷条件下保证关键信息的清晰、可信表达，实现空地一体化、要素综合化、表现直观化的自适应多维动态可视化。 3 复杂空地环境动态三维表示的GIS数据模型

根据机场终端区复杂空地环境统一表示的概念模型，面向飞行器导航需要解决不同专题要素的精准的空间位置、专业的物理模型、连续的时空变化3个层次的统一表达问题。本文建立如图 3所示的动态三维GIS数据模型。

图 3 机场终端区空地环境统一表示的动态三维GIS数据模型 Fig. 3 Dynamic 3D GIS model of airport environment

图选项

几何层界定了空地环境要素的空间界限和精确位置，是多维时空信息集成的基础。空间对象抽象为点、线、面、体4大类，并根据不同要素的分布、形态等特征将这四类对象分为若干子类^[23]。如图 4所示，复杂空地环境中的点、线、面要素与静态三维场景中的点、线、面要素的几何形态和空间分布类似，其特别之处在于大气、电磁等可进入、可剖分的动态场的存在，因此体对象不仅能够描述参数曲面、简单面等面对象所构成的三维实体及其复合体，还要包括不同体素所组成的对象。体素由四面体对象 (C3DTetrahedron)、立方体对象(C3DCube)组成，支持空地环境中形状不规则、边界模糊的场要素的任意剖分和可视化分析。动态对象变化过程的几何描述是确定其动态几何边界(C3DDynamaticBoundary)以及边界内每个点的空间轨迹(C3DDynamaticTrack)。

图 4 复杂空地环境几何数据模型的UML结构 Fig. 4 UML diagram of geometric airport environmental model

图选项

针对复杂空地环境中连续动态变化的大气和电磁环境要素的物理性质不同，可分为标量属性、矢量属性和张量属性，分别对应于标量场、矢量场和张量场^[24]。 3.3 时态层

环境要素的离散时态特征决定于其几何属性和物理属性，其中既包括了离散的、具有明确边界的单个实体，如地形、地物等，也包括了空间连续变化的、边界不明晰的对象，如气温、电磁场等。本文将连续动态变化对象的时态特征归纳为状态和过程。时间的密度特征体现为3种模型：离散模型、紧凑模型和连续模型^[23]，针对复杂空地环境中动态对象连续渐变的特点，本文所研究的时间域属于连续模型，即时间与实数同构，每个实数对应时间上的一个点。状态和过程是时间域中的一对基本概念，一个动态对象在其生命周期里的某个时间切片称为状态，整个生命周期或其中的任意一段称为过程。

定义1：动态对象的生命周期T=[t₀,t_n]，T⊆R是场的时间域，对于任意一个时刻t_i∈T的三元函数F= f(x,y,z,t_i)，称为动态对象在t_i时刻的状态。

定义2：动态对象的生命周期T=[t₀,t_n]，T⊆R是场的时间域，对于任意一个时间域[t_i,t_j]T的四元函数F= f(x,y,z,t)(t∈[t_i,t_j])，称为动态对象在时间域[t_i,t_j]内的过程。

从以上两个定义可以看出动态对象的状态和过程分别是关于空间位置、时间的三元函数和四元函数。由于观测数据和预报数据的时空分辨率的限制，要得到生命周期内任意时刻的状态或任意时间域的过程，则需要通过函数拟合和内插来实现。

空地环境中动态对象采用如图 5所示的存储结构。在该结构中，动态对象由几何对象(GeometryObject)和状态对象(StateObject)聚合而成，状态对象通过过程ID(ProcessID)和所属过程对象(ProcessObject)相关联。几何对象存储动态对象的空间位置和几何形态。状态对象通过顶点索引和几何对象关联，存储物理场的类型、数值、语义等信息，其中CausalStateID、SequentStateID和RelatedStateID分别表示与该状态对象存在因果关系和关联关系的状态对象ID数组。过程对象存储当前状态所属的过程信息和过程语义。这个存储结构中，空间、时间和场语义决定唯一状态对象，一个状态对象就是过程对象中的一个时间切片，过程对象则是相同语义、不同时间的状态对象的集合。图 6为一个生命周期中过程对象的UML模型，过程对象由状态对象聚合而成，并与变化驱动对象(ChangeDriver)和关系准则对象(RelationRule)来表示过程对象的变化特征和耦合特征。

图 5 动态对象存储结构 Fig. 5 Storage structure of dynamic objects

图选项

图 6 过程对象UML模型 Fig. 6 UML diagram of process objects

图选项

复杂空地环境统一表示的概念模型中的语义层包括专题语义、空间语义和时间过程语义。专题语义涵盖了空地环境中地形地物(如机场建筑、地形等)、大气环境(如风场、气压场、积雨云等)、电磁环境(如场强、频率的分布等)和威胁目标(如地面入侵物、飞行器、鸟群等)及其相互关系等方面的语义。空间语义主要包括空间的结构、拓扑、方向和度量等，是描述各专题语义之间或专题语义内部的空间关系和进行空间分析的主要手段。对于大气、电磁等专题语义中的动态环境要素，则将其生命周期的时间过程语义划分为产生、扩展、稳定、削弱、消亡5个阶段，即5个子过程。过程语义与专题语义通过事件关联。事件是引起时空对象状态发生变化的原因，时空对象在其生命周期内的变化正是在事件的驱动下由一个状态变化到另一个状态。时空对象生命周期的过程语义只有通过事件的抽象描述与表达，并且与专题语义相关联，才能够反映出动态环境要素变化过程背后的物理本质及其对飞行器可视导航的影响。 4 试验分析与结论

本文以NetCDF数据为大气环境数据源，以模拟的雷达电磁波和机场中尺度的电磁数据为电磁环境数据源，描述机场动态三维空地环境的可视化模型。试验的设计围绕本文提出的机场终端区空地环境模型的4个层次展开，即几何、物理、时态和语义。

如图 7所示。该试验场景包括4大类几何对象：点对象(电磁场分布)、线对象(参与构建面对象)、面对象(地形、雷达波球面)、体对象(云体)。以试验场景中的积雨云模型中的云量模型和动力学为例，云量的大小、分布是标量场模型，通过对大气环境数据的分析来建立。因为云不仅由水蒸气组成，还有云水、雨水、冰晶、霰、雹等，对应着NetCDF数据中的Qcloud、Qgraup、Qice、Qrain、Qsnow等各项数据，进而得到云量值。云的动态变化是矢量场模型，通过计算流体力学中的Navier-Stokes方程计算得到(如表 1所示)。

图 7 空地环境一体化几何模型 Fig. 7 Geometric model

图选项

根据时态模型生命周期中状态和过程的概念，试验以某机场进近空域2011-04-20T18:00—2011-04-21T12:00这18 h内三维动态云数据为例，时间分辨率为1 h，网格为25×25×40，图 8中显示的是其中3个时刻的三维云动态变化结果。

图 8 动态对象的时态模型 Fig. 8 Temporal model

图选项

如图 8所描述的是积雨云生命周期中的3个状态，这3个状态处于过程语义中的“扩展阶段”和“稳定阶段”。空间语义的表达依赖于空间尺度，以电磁环境为例，在进近的初始阶段，飞行器高度较高，离机场和地面较远，电磁环境不如低空复杂，在此大尺度下更加关注宏观的电磁环境(如机载雷达波、地面雷达波)建模及其对飞行器导航、通信的影响(图 9(a))。而在进近着陆阶段，离机场、地面的距离更近，各种介质散射体更加复杂多样，在此小尺度下则更加关注机场终端区的电磁场的分布和传播，图 9(b)中电磁场信息表现为离散格网点上的3个量：频率、场强的大小和场强的方向，分别用箭头的灰度、长度和方向来表示。

图 9 不同尺度下的语义模型 Fig. 9 Multiscale semantics model

图选项

复杂空地环境模型的可计算与可推理特点体现在为飞行路径的自主优化决策服务。如图 10所示，通过实时集成飞行器雷达探测到航路前方的积雨云信息(图 10(a))，根据云的动力学模型和热力学模型模拟计算出它的移动路径、扩散范围和云体内部环境参数，并结合航路信息对三维云体进行多维剖分，可计算出飞行器航路上经过的三维云体的体素(图 10(b))，根据图 5动态对象的数据结构，每个体素对应于一个动态对象存储结构表(表 2)。通过对表中的存储信息进行综合分析计算，进而判断飞行器在云中飞行是否会遇到积冰等威胁，以便及时调整航线，保障飞行安全。

图 10 基于专题语义分析的导航决策 Fig. 10 Navigation analysis

图选项

复杂空地环境统一表示模型作为机场终端区物理环境在计算机中的一种数值映射，是飞行器可视导航的基础，本文将地形地物、电磁、气象环境集成到统一的时空框架下，建立面向飞行器导航的复杂空地环境动态三维表示模型，准确刻画了空地环境要素的时空变化及其相互影响，进一步研究将基于此模型，发展高效的数据组织管理与可视化分析方法，支持多源多尺度景象鲁棒匹配与可信导航视场下的进近优化。