一种低空时空的三维环境孪生方法及系统

本发明涉及低空孪生，具体为一种低空时空的三维环境孪生方法及系统。

背景技术：

1、低空应用场景中的三维环境孪生，本质上涉及对任务区域内多源环境数据的采集、组织、存储、融合、更新和调用。相关数据通常包括遥感影像、三维点云、倾斜摄影模型、视觉重建结果、气象观测数据、通信覆盖数据、空域边界数据以及临时障碍物数据等。上述数据在数据格式、空间分辨率、时间粒度、坐标基准、采样频率和更新方式上存在明显差异，需要通过计算机数据处理方式形成可查询、可更新、可推理的三维环境数据表达，以支持后续任务分析、环境检索、状态判断和数据服务调用。

2、现有三维环境孪生方法多侧重于几何模型构建或地图数据叠加，通常将不同来源的环境数据分别存储或按照统一坐标进行简单配准。然而，在低空任务区域中，同一空间位置可能同时存在来自点云、图像、气象、通信和空域数据的多类观测结果，不同观测结果之间还可能存在时间滞后、空间遮挡、分辨率不一致和数据缺失等问题。若仅采用静态三维模型或单一图层叠加方式进行数据组织，难以在计算机内部准确表达同一空间单元在不同时间片下的占用状态、环境属性状态和数据可信状态，容易造成环境孪生数据更新不一致、历史状态难以追溯以及局部数据冲突难以及时识别的问题。此外，现有低空三维环境数据处理方法通常将几何数据、动态障碍数据、气象数据、通信数据和空域限制数据作为相互独立的数据层进行管理，缺少面向低空时空环境的统一数据结构和状态更新机制。由于缺乏体素级时空索引、观测可信度记录和跨时间片一致性校正机制，系统在接收异步更新数据时难以区分真实环境变化、传感器观测误差、数据延迟和局部遮挡所导致的状态差异。现有方法生成的三维环境数据多停留在可视化展示或静态查询层面，未能将多源环境状态转换为统一的可通行状态数据和增量更新数据，导致低空环境孪生结果在后续计算机检索、路径分析、任务仿真和数据分发过程中存在数据结构不统一、更新代价高和实时调用效率低的问题。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明解决的技术问题是：现有的低空三维环境孪生方法存在异步多源观测缺乏统一时空基准，遮挡观测与互斥观测难以形成可追溯可信融合，静态三维场景难以支撑无人机航行约束判断，以及如何生成面向低空飞行过程的可通行状态图和增量更新指令的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种低空时空的三维环境孪生方法，包括获取无人机任务区域的低空多源环境观测数据，构建时空分片体素基准和观测可信场；基于时空分片体素基准和观测可信场，生成低空环境状态张量并进行时序一致校正；根据低空环境状态张量，耦合航行约束生成可通行状态图和增量更新指令。

4、作为本发明所述的低空时空的三维环境孪生方法的一种优选方案，其中：所述获取无人机任务区域的低空多源环境观测数据包括，获取无人机载荷观测数据、地面感知数据、空域约束数据、气象观测数据和通信覆盖数据；以无人机任务区域的边界、任务起止时刻和任务高度范围作为划分依据，形成包含体素标识、空间边界、时间片标识、数据源标识和坐标转换关系的体素记录，并将体素记录存入统一空间坐标系和统一时间基准下的时空索引结构。

5、作为本发明所述的低空时空的三维环境孪生方法的一种优选方案，其中：所述观测可信场包括，对进入同一体素记录和同一时间片标识的低空多源环境观测数据分别读取定位残差、采集时刻、观测视线遮挡标记、传感器工作状态标记和字段完整性标记；依据采集时刻与时间片标识之间的间隔确定时效衰减项，依据定位残差确定空间偏差项，依据观测视线遮挡标记确定可见性扣减项，依据传感器工作状态标记和字段完整性标记确定数据可用项；将时效衰减项、空间偏差项、可见性扣减项和数据可用项组合为源可信字段值；当同一体素记录存在来自不同数据源的互斥观测时，保留各源可信字段值和互斥字段标记，并依据源可信字段值之间的排序关系确定主观测字段值；当同一体素记录不存在当前时间片内的观测时，写入未观测字段值而不以空值替代；可信字段值随体素记录传递至低空环境状态张量。

6、作为本发明所述的低空时空的三维环境孪生方法的一种优选方案，其中：所述生成低空环境状态张量包括，以体素标识作为空间维索引，以时间片标识作为时间维索引，以各环境字段作为状态维索引，将低空多源环境观测数据中的位置、速度、外形边界、风向、风速、能见度、通信覆盖类别和空域边界关系写入对应状态维索引；对来自不同数据源的同名环境字段，按照可信字段值确定写入顺序，并将未写入的候选字段保存在候选观测列表；对空间相邻且时间片相邻的体素记录建立邻接关系，邻接关系包括水平邻接、垂向邻接和时间邻接；对被遮挡体素记录建立遮挡传播标记，遮挡传播标记与观测视线遮挡标记共同限定环境字段是否允许直接覆盖；生成的低空环境状态张量包括体素占用字段、障碍物运动字段、风场字段、能见度字段、通信覆盖字段、空域约束字段、可信字段值、互斥字段标记和时间片标识，保留每一状态维索引的来源数据源、写入时刻和可信字段值。

7、作为本发明所述的低空时空的三维环境孪生方法的一种优选方案，其中：所述时序一致校正包括，从前一时间片标识对应的低空环境状态张量中读取前序状态字段，依据障碍物运动字段、风场字段和时间邻接生成当前时间片标识的预测状态字段；将预测状态字段与当前时间片标识的观测状态字段进行字段级比对，形成状态残差字段；当状态残差字段未超过预设残差阈值时，以当前时间片标识的观测状态字段作为校正后状态字段；当状态残差字段超过预设残差阈值时，读取可信字段值、互斥字段标记、遮挡传播标记和候选观测列表，并按照可信字段值优先、空间邻接连续、时间邻接连续和空域边界不越界的顺序筛选候选状态字段；对于无法满足空间邻接连续和时间邻接连续的候选状态字段，写入待复核状态标记；对于满足空间邻接连续和时间邻接连续的候选状态字段，替换对应观测状态字段并形成校正后状态字段；校正后状态字段覆盖当前时间片标识内的体素占用字段、障碍物运动字段、风场字段、能见度字段、通信覆盖字段和空域约束字段。

8、作为本发明所述的低空时空的三维环境孪生方法的一种优选方案，其中：所述航行约束包括，无人机外廓约束、爬升约束、转弯半径约束、风场承受约束、通信保持约束、空域边界约束以及安全间隔约束；耦合航行约束包括读取低空环境状态张量中的校正后状态字段，将满足体素占用字段、风场字段、通信覆盖字段和空域约束字段的体素记录作为候选节点；依据水平邻接、垂向邻接、时间邻接和无人机外廓约束建立候选节点之间的转移边，并将不满足爬升约束、转弯半径约束、风场承受约束、通信保持约束、空域边界约束或安全间隔约束的转移边删除。

9、作为本发明所述的低空时空的三维环境孪生方法的一种优选方案，其中：所述可通行状态图和增量更新指令包括，可通行节点、受限节点、禁止节点、可通行转移边、受限转移边、更新体素范围、更新字段名称、更新触发原因和版本时刻；生成可通行状态图和增量更新指令包括，对保留的候选节点写入可通行节点标记，对存在待复核状态标记或者互斥字段标记的候选节点写入受限节点标记，对存在空域边界越界、体素占用冲突、通信覆盖不满足约束或者风场承受约束不满足约束的候选节点写入禁止节点标记；对保留的转移边写入可通行转移边标记，对任一端点为受限节点的转移边写入受限转移边标记；将状态残差字段超过预设残差阈值的体素记录、与航迹候选区域相交的体素记录、与无人机当前位置相邻的体素记录共同确定为更新体素范围；依据更新体素范围内发生变化的状态维索引生成更新字段名称；依据源可信字段值变化、状态残差字段变化、航行约束变化和候选节点标记变化生成更新触发原因；按照版本时刻排列更新体素范围、更新字段名称和更新触发原因，形成增量更新指令。

10、作为本发明所述的低空时空的三维环境孪生系统的一种优选方案，其中：包括分片建场模块，张量校正模块，通行更新模块；所述分片建场模块用于获取无人机任务区域的低空多源环境观测数据，构建时空分片体素基准和观测可信场；所述张量校正模块用于基于时空分片体素基准和观测可信场，生成低空环境状态张量并进行时序一致校正；所述通行更新模块用于根据低空环境状态张量，耦合航行约束生成可通行状态图和增量更新指令。

11、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序是实现低空时空的三维环境孪生方法的步骤。

12、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现低空时空的三维环境孪生方法的步骤。

13、本发明的有益效果：本发明提供的低空时空的三维环境孪生方法通过构建时空分片体素基准和观测可信场，实现了低空多源环境观测数据在统一空间坐标系和统一时间基准下的组织，使采集延迟、定位残差、观测遮挡和字段缺失能够以可信字段值和互斥字段标记记录，从而为后续低空环境状态张量生成提供可追溯的数据基础。通过生成低空环境状态张量并进行时序一致校正，实现了体素占用、障碍物运动、风场、能见度、通信覆盖和空域约束之间的同一时空表达，使状态残差字段能够引导候选状态字段筛选，从而减少异步观测、遮挡传播和突变观测对三维环境孪生更新的干扰。通过耦合航行约束生成可通行状态图和增量更新指令，实现了校正后低空环境状态张量到无人机可飞行节点、转移边和局部更新范围的转换，使三维环境孪生结果能够直接支撑低空航迹计算、飞行安全评价和任务区域局部刷新。