1、第 14 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.14 No.1Feb.2023航空工程进展ADVANCES IN AERONAUTICAL SCIENCE AND ENGINEERING基于时空数据模型的障碍物数据集数据查询与应用研究赖欣，梁昌盛，朱美玲（中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院，广汉 618307）摘要：障碍物数据集是国际民航组织在航空情报管理（AIM）体系下提出的一种基于航空信息交换模型（AIXM）规范的航空情报数据集，该数据集中障碍物的查询将直接影响机场净空评估与飞行程序设计。在分析障碍物数据集的时间与空间属性基础上，利用时空数据模型与航空信息交换模型规范，提出一种基于
2、时间点和空间位置的障碍物数据集查询方法，用于解决障碍物数据集的查询问题；构建障碍物查询与可视化系统，并通过设计随机实验和实例应用对该方法的可行性和可靠性进行验证。结果表明：该障碍物数据集查询方法能够提取出对机场净空与飞行程序设计有影响的障碍物，增强了飞行程序设计人员对机场障碍物分布的情景意识。关键词：航空情报数据集；时空数据模型；航空信息交换模型；数据查询；障碍物可视化中图分类号：V355 文献标识码：ADOI:10.16615/ki.1674-8190.2023.01.20Research on data query and application of obstacle dataset b
3、ased on spatio-temporal data modelLAI Xin，LIANG Changsheng，ZHU Meiling（College of Air Traffic Management，Civil Aviation Flight University of China，Guanghan 618307，China）Abstract：The obstacle dataset is a kind of aeronautical information dataset based on the aeronautical information exchange model（AI
4、XM）specification proposed by International Civil Aviation Organization（ICAO）under the aviation intelligence management（AIM）system.The query of the obstacle dataset can directly affect the airport clearance assessment and flight procedure design.Based on the analysis of the temporal and spatial attri
5、butes of the obstacle dataset，an obstacle dataset query method based on temporal point and spatial location is proposed by using the spatio-temporal data model and AIXM specification to solve the query problem of the obstacle dataset.The obstacle query and visualization system is constructed，and the
6、 random experiments and example applications are designed to verify the feasibility and reliability of the query method.The results show that according to the method，the obstacles that impact on the airport clearance and flight procedure design can be extracted，and the flight procedure designers sit
7、uation awareness of the airport obstacle distribution can be enhanced.Key words：aeronautical information datasets；spatio-temporal data model；AIXM；data query；visualization of obstacles文章编号：1674-8190（2023）01-165-10收稿日期：20220314；修回日期：20220606基金项目：中央高校教育教学改革专项(E2021023);民航局教育科研基金(0252101)中国民用航空飞行学院大学生创新
8、创业训练项目(S202110624188)通信作者：梁昌盛,引用格式：赖欣,梁昌盛,朱美玲.基于时空数据模型的障碍物数据集数据查询与应用研究J.航空工程进展,2023,14(1):165-174.LAI Xin,LIANG Changsheng,ZHU Meiling.Research on data query and application of obstacle dataset based on spatio-temporal data modelJ.Advances in Aeronautical Science and Engineering,2023,14(1):165-174.(
9、in Chinese)第 14 卷航空工程进展0引 言国际民航组织 2008年提出了从航空情报服务向航空情报管理（Aeronautical Information Mangement，简称 AIM）转变的要求，为规范航空情报管理体系下的数据管理与发布，采用航空信息交换模型（Aeronautical Information Exchange Model，简称 AIXM）规范作为航空情报各类数据的底层数据结构1-3。随着航空情报的发展和 AIXM 的不断完善，国际民航组织在 2018 年出版的 航空情报管理（Doc 10066）中详细说明了障碍物数据集是通过点、线或多边形表示障碍物特征，同时必须按
10、照规定的强制属性列表加以说明的数据集4。国外已有很多针对 AIXM 格式的障碍物数据集管理的系统 软 件，如 Esri 公 司 开 发 的 ArcGIS Aviation、HEXAGON 公 司 开 发 的 Luciad AIXM5 Viewer、和 Eurocontrol开发的 Jumpstart等5。国内现阶段正在大力推进航空情报管理发展，徐杏玲等6对AIXM5.1 编码关键点进行了详细的分析；胡敬玉7对 AIXM 的编码规则进行了详细的总结，并进行了 AIXM 空域类数据可视化研究。上述研究主要集中在 AIXM 文件的编码规则，未涉及 AIXM文件的查询方法，同时对 AIXM 格式的障碍
11、物数据集的研究和应用较少。AIXM 格式的障碍物数据文件是时空数据集，目前国内外关于时空数据检索的研究很多，H.C.Viet-Ngu等8提出基于 Hadoop框架的并行 R树构建方案，提高了对大数据的检索；A.Azqueta-Alzuaz等9提出一种并行加载海量数据的方案，提高了 HBase 的数据加载效率；宋明明10提出一种改进 R 树的索引结构 SR-R 树，提高了对路径的检索效率；何帆11提出 Invert-GeoCubR 树分布式索引框架，实现了海量船舶自动识别系统数据的快速检索；赵英豪等12设计了一种面向海量时空数据的多维检索策略，大幅提升了出租车轨迹数据的检索效率；胡林舒13提出
12、GeoFlow-FEAF 地图瓦片高效生成算法，以实际道路运行状况为实例验证了算法的高效性。上述研究主要解决了提高连续渐变的时空数据检索速度问题，而在实际航空运行中航空实体变化分为永久变化和临时变化，临时变化是叠加在永久状态上的14-15，因此 AIXM 所描述的航空实体数据变化并不是连续渐变的。在查询 AIXM 数据时不能仅考虑连续的时间与空间，还需要将基态时间片和临时时间片叠加16，才能得到当前航空实体的状态。为解决 AIXM 障碍物数据的查询问题和实现AIXM 障碍物数据集在飞行程序设计阶段的应用，本文通过分析航空信息交换模型规范、障碍物数据集的时间和空间属性以及时空数据模型，提出一种基
13、于时间点和空间位置的 AIXM 障碍物数据集数据查询方法，并通过实例验证该方法的可行性与可靠性。1相关概念与技术1.1航空信息交换模型航空信息交换模型用数字化形式描述航空情报信息，改变了以往通过纸质传递信息的方式，可以提高空中交通的安全性和准确性。AIP、NOTAM、障碍物等数据都有相应的 AIXM 编码规范，因此 AIXM 可以为航空数据的广泛应用提供数据层的支持。目前在全球普遍采用的 AIXM5.1 提供了一套基于 GML 规范的 XML Schema 框架17。在 AIXM5.1 中不同类型的航空实体对应不同的航空信息概念模型，该模型以 UML 形式呈现。AIXM 文件框架的 UML 图
14、如图 1所示，可以看出：AIXM由AIXMBasicMessage、AIXMFeature、AIXMTimeSlice、AIXMFeaturePropertyGroup 组成，其中 AIXM 基础信息（AIXMBasicMessage）的子节点为 AIXM 实体（AIXMFeature），每个实体有至少一个时间片（AIXMTimeSlice），时间片中包含 实 体 的 属 性（AIXMFeaturePropertyGroup），在AIXM 中规定了各个实体中必须编辑的基本属性，若属性无法表达时，可以通过编辑 extension 进行扩 张，若 包 含 复 杂 属 性，可 以 通 过 AIXM
15、对 象（AIXMObject）表达。166第 1 期赖欣等：基于时空数据模型的障碍物数据集数据查询与应用研究1.2时空数据模型由 AIXM 文件框架分析可知，AIXM 实体是GML 规范的衍生，航空实体中最重要的属性即为时间与空间属性。目前针对不同的时间与空间属性，提出了多种时空数据模型。与航空实体四类时间属性具有一致性的模型包括：模型 1：序列快照模型，如图 2（a）所示，通过对连续的时间进行离散化，存储每个时间片段下完整的空间信息及属性信息作为该片段的快照，然后根据用户指定查询的时间对应片段的快照进行输出18。模型 2：基态修正模型，如图 2（b）所示，将某个时间点的空间信息保存为基态文件
16、，其他时刻仅保存相对于基态的变化量，不存储每个时间的全部信息，便于历史溯源19。模型 3：基于事件的时空数据模型，将某一区域内的每一次状态变化视为一个事件，并将其表示在时间轴上19-20。模型 4：面向对象的时空数据模型，是一种能够描述时空对象的空间和时间语义及对象间关系的方法21-23。模型 5：基于事件对象的时空数据模型，是模型 3、模型 4的改进模型，采用面向对象的方法组织时空数据，将事件归纳编码标记在各基本单元上，以 实 现 事 件 驱 动 数 据 的 更 新。可 以 表 示 为 MOID，S(t)，T(Ts，Te)，A(t)，B，其中，MOID为对象的唯一标识码，通过该标识码与相关信息进行关联，S 为对象的空间信息，T 为对象的时态信息，A 为对象的属性信息，B 为行为特征，t 为事件时间，Ts为对象生成时间，Te为对象消亡时间22。1.3时空模型的检索方法相关定义AIXM 本质是 XML 文件，数据结构属于树结构，在基于树结构的空间检索技术中，最具代表性的方法是 R树空间索引技术。其相关定义为：最小包 围 矩 形（Minimum Bounding Rectangle，简 称