基于Skyline的全過程作戰(zhàn)行動(dòng)可視化仿真

陽(yáng)燁涵，解文彬

（中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué)指揮控制工程學(xué)院，南京210000）

0 引言

全過程作戰(zhàn)三維仿真涉及很多因素：除了地形，模型及附屬設(shè)施之外，觀察角度、任意時(shí)間推進(jìn)、氣象模擬、模型與實(shí)體真實(shí)比例建模縮放、能見度模擬等都是難點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)過程中需要解決以下問題：①作戰(zhàn)區(qū)域的三維地形構(gòu)建，我們采用Skyline TerraBuilder將航片、衛(wèi)星影像與地形數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型以及各種矢量地理數(shù)據(jù)相疊加，再將多種不同分辨率數(shù)據(jù)融合、坐標(biāo)變換和剪裁，構(gòu)建出支持Skyline的mpt格式的場(chǎng)景文件。②作戰(zhàn)模擬環(huán)境和實(shí)體的仿真的可信度和逼真度需求，只有提高模型與環(huán)境的分辨率和真實(shí)度，才能減小模擬仿真時(shí)技術(shù)問題帶來的現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)與模擬作戰(zhàn)環(huán)境的差別。實(shí)現(xiàn)上述功能需求，主要面臨著以下三個(gè)技術(shù)難點(diǎn)問題：①構(gòu)建高分辨率的作戰(zhàn)模擬仿真地形，排除環(huán)境干擾，貼合真實(shí)作戰(zhàn)行動(dòng)。②作戰(zhàn)仿真行動(dòng)的3D模型制作逼真程度，以及對(duì)模型的渲染，營(yíng)房大地的貼畫。③對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的排列，速度加速度的調(diào)整，模型比例的分配。

1 實(shí)現(xiàn)方法

Skyline可以利用二三維數(shù)據(jù)搭建出一個(gè)對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行模擬的三維場(chǎng)景。TerraBuilder地形建立產(chǎn)品從圖像和高程數(shù)據(jù)中創(chuàng)建三維地形數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建出支持Skyline的mpt格式的場(chǎng)景文件，同時(shí)使用軟件VirtuoZo 2014，利用數(shù)字影像或數(shù)字化影像完成攝影測(cè)量作業(yè)，創(chuàng)建出如同真實(shí)照片般的地理精準(zhǔn)的三維地球模型。通過疊加航片、衛(wèi)星影像、數(shù)字高程模型以及各種矢量地理數(shù)據(jù)，迅速方便地創(chuàng)建海量三維地形數(shù)據(jù)集，并提供給TerraExplorer客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)層和其他內(nèi)容的疊加。TerroExplorer Pro用戶可以根據(jù)需求，實(shí)現(xiàn)三維目標(biāo)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建、位置移動(dòng)以及屬性改變以及TerraBuilder產(chǎn)生的地形文件基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)建編輯二三維圖形圖標(biāo)、文字、三維模型、動(dòng)態(tài)物體、瀏覽路徑、業(yè)務(wù)矢量等構(gòu)建三維場(chǎng)景。同時(shí)通過TerraExplorer家族產(chǎn)品，用戶能夠進(jìn)行空間分析、對(duì)象編輯、圖層疊加等操作，還可以通過API進(jìn)行用戶化定制，快速創(chuàng)建用戶所需的三維GIS系統(tǒng)。3ds Max軟件可生成專業(yè)品質(zhì)的三維動(dòng)畫、渲染和模型?；?ds max平臺(tái)創(chuàng)建了以.3DS格式的武器裝備模型，房屋模型，戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)模型如圖所示。再導(dǎo)入由Skyline創(chuàng)建的三維場(chǎng)景中，使用TerraBuilder進(jìn)行地勢(shì)的修改和重組，并添加了陰影效果使環(huán)境更加真實(shí)。TerraExplorer創(chuàng)建營(yíng)房與場(chǎng)地環(huán)境和迷彩大地的貼圖，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜天氣情況下的作戰(zhàn)行動(dòng)可視化，這些數(shù)據(jù)詳細(xì)描述了作戰(zhàn)行動(dòng)仿真的過程［1］。

圖2 在3ds Max中構(gòu)建與渲染的3D模型

2 場(chǎng)景加載

2.1 數(shù)據(jù)搜集

基于互聯(lián)網(wǎng)的圖像和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)精度普遍較低，難以滿足高精度地形模型的構(gòu)建。以谷歌影像為例，在主要城市，分辨率約為0.6 m，但在人口稀少的地區(qū)，分辨率只有30 m左右；谷歌地球的數(shù)字高程模型為SRTM數(shù)據(jù)，分辨率約為90 m。但軍事行動(dòng)仿真需要高精度分辨率的地理模型，為了使仿真環(huán)境與物理模型的分辨率相匹配，圖像的分辨率必須大于0.5 m，數(shù)字高程模型的分辨率必須達(dá)到5 m。因此，使用軟件Virtuo?Zo 2014將航片、衛(wèi)星影像與地形數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型以及各種矢量地理數(shù)據(jù)相疊加，再將多種不同分辨率數(shù)據(jù)融合、坐標(biāo)變換、和剪裁，構(gòu)建出航攝影像支持Skyline的多項(xiàng)加工樹模型（multino?mial processing tree models，MPT）格式的場(chǎng)景文件。將正射影像和數(shù)字高程模型導(dǎo)入渲染引擎，完成高精度地形模型構(gòu)建。

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用軟件VirtuoZo 2014，VirtuoZo NT系統(tǒng)是全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)。此系統(tǒng)是基于Windows NT的全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，利用數(shù)字影像或數(shù)字化影像完成攝影測(cè)量作業(yè)。由計(jì)算機(jī)視覺（其核心是影像匹配與影像識(shí)別）代替人眼的立體量測(cè)與識(shí)別，不再需要傳統(tǒng)的光機(jī)儀器。

圖3 使用VirtuoZo 2014創(chuàng)建的地形文件

圖4 采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

圖5 支持Skyline的高精度地形模擬場(chǎng)景文件

3 作戰(zhàn)仿真過程

以一次作戰(zhàn)分隊(duì)單元集合、轉(zhuǎn)移、發(fā)射并撤收的行動(dòng)仿真為例，以下圖片包含了一個(gè)軍隊(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)單元從集合至撤收的全部過程：圖6為作戰(zhàn)分隊(duì)單元正在營(yíng)區(qū)集合，圖7為軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元正在按照規(guī)定路線轉(zhuǎn)移，圖8為軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元準(zhǔn)備發(fā)射，圖9為軍隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)分隊(duì)單元正在撤收。3D模型運(yùn)動(dòng)速度為30 km/h，加速度為20km/h，轉(zhuǎn)彎速度為90 km/h。同時(shí)，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境瞬息萬(wàn)變，圖10模擬了真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)時(shí)爆炸的情況下軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元的轉(zhuǎn)移；為真實(shí)地呈現(xiàn)出模擬惡劣戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的多變性，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜天氣情況下的真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)行動(dòng)，圖11、圖12為仿真雨雪天氣下的軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元的轉(zhuǎn)移。

圖1 在3ds Max中構(gòu)建的3D模型

圖6 為軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元集合準(zhǔn)備行動(dòng)的過程，模擬場(chǎng)景真實(shí)的展現(xiàn)了作戰(zhàn)分隊(duì)的編制以及營(yíng)區(qū)的真實(shí)場(chǎng)景。

圖6 軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元正在營(yíng)區(qū)集合

圖7 為作戰(zhàn)分隊(duì)單元正在按照規(guī)定路線轉(zhuǎn)移的仿真過程，我們?cè)O(shè)定的路線為環(huán)繞發(fā)射場(chǎng)轉(zhuǎn)移。該仿真過程模擬了現(xiàn)實(shí)的速度與加速度，為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中作戰(zhàn)分隊(duì)單元轉(zhuǎn)移時(shí)間精度的估算有著重要的意義。

圖7 軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元正在按照規(guī)定路線轉(zhuǎn)移

圖8 為軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元準(zhǔn)備發(fā)射，可以看到發(fā)射車輛和裝置已經(jīng)到達(dá)指定地點(diǎn)準(zhǔn)備就緒，面朝發(fā)射場(chǎng)地，其余營(yíng)區(qū)的車輛和發(fā)射裝置以及操作人員在周圍待命。

圖8 作戰(zhàn)分隊(duì)單元準(zhǔn)備發(fā)射

圖9 為軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元轉(zhuǎn)移到指定地點(diǎn)成功發(fā)射后撤收的過程，通過圖可知該圖的描述為所有作戰(zhàn)分隊(duì)單元在沒有特殊情況下（遭遇敵突然火力打擊或惡劣天氣自然災(zāi)害），按照原計(jì)劃原路撤收的過程，營(yíng)區(qū)其他裝備車輛和操作人員沒有接到緊急撤收的任務(wù)前原地待命。

圖9 軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元正在撤收

圖10 為作戰(zhàn)分隊(duì)單元撤收時(shí)遭遇敵火力打擊的緊急情況，轉(zhuǎn)移的作戰(zhàn)分隊(duì)單元改變?cè)?jì)劃?rùn)C(jī)動(dòng)至另一條路隱蔽觀察敵情，值班人員迅速在發(fā)射臺(tái)向上級(jí)匯報(bào)緊急情況請(qǐng)求指示，指揮人員下達(dá)戰(zhàn)備等級(jí)轉(zhuǎn)換任務(wù)，營(yíng)區(qū)內(nèi)所有人員轉(zhuǎn)入一級(jí)戰(zhàn)備狀態(tài)，檢查彈藥數(shù)量和火力剩余情況。其余兵力出動(dòng)掩護(hù)戰(zhàn)斗分隊(duì)安全轉(zhuǎn)移至指定地點(diǎn)。該情況同時(shí)適用于分隊(duì)轉(zhuǎn)移時(shí)。

圖10 模擬戰(zhàn)斗時(shí)爆炸情況下作戰(zhàn)分隊(duì)單元的撤收

圖11 為作戰(zhàn)分隊(duì)單元撤收時(shí)遭遇惡劣天氣的影響，此圖模擬了西北風(fēng)8級(jí)時(shí)暴雪的場(chǎng)景，由于大部分車輛以及裝備在溫度急劇降低時(shí)會(huì)出現(xiàn)性能故障或損壞，且積雪會(huì)導(dǎo)致輪胎打滑和車輛操作不穩(wěn)，且暴雪天氣直接影響了車輛間的短波通信，因此應(yīng)立即觀察周圍情況是否危險(xiǎn)，將作戰(zhàn)分隊(duì)行動(dòng)單元轉(zhuǎn)移至指定隱蔽地點(diǎn)并出動(dòng)第二分隊(duì)首車尾車一起撤收，分別警戒前后，防止自然災(zāi)害導(dǎo)致通信受阻視野模糊而被敵夾擊。該仿真模擬方案同時(shí)適用于作戰(zhàn)分隊(duì)單元轉(zhuǎn)移時(shí)。

圖11 在惡劣天氣下的軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元撤收行動(dòng)（雪）

圖12 為東北風(fēng)9級(jí)暴雨情況下的軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元撤收過程，積雨會(huì)導(dǎo)致車輛性能不穩(wěn)以及輪胎打滑影響撤收進(jìn)程與速度等。暴雨惡劣天氣不同于暴雪，如果防護(hù)不妥當(dāng)，會(huì)直接影響車輛駕駛的安全甚至營(yíng)區(qū)安全，突發(fā)此類情況應(yīng)迅速觀察周圍情況是否危險(xiǎn)，派出人員進(jìn)行現(xiàn)地勘察，將戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)轉(zhuǎn)移至勘察過后的安全隱蔽的高點(diǎn)，防止自然災(zāi)害導(dǎo)致通信受阻、車輛因暴雨而短路損壞。該仿真模擬方案同時(shí)適用于戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)轉(zhuǎn)移時(shí)。

圖12 在惡劣天氣下的軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元撤收行動(dòng)（雨）

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)仿真數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，使用3ds Max和VirtuoZo 2014構(gòu)建的MPT高精度場(chǎng)景文件，在基于skyline的平臺(tái)基礎(chǔ)上，利用提供的二次開發(fā)接口，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜天氣情況下的作戰(zhàn)集合、執(zhí)行發(fā)射任務(wù)、轉(zhuǎn)移、撤收等的研究，對(duì)于突發(fā)情況和自然災(zāi)害處置方案進(jìn)行完整全面的分析研究，實(shí)現(xiàn)了某分隊(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)全過程仿真，解決了信息仿真展示中遇到的問題?？梢詫?duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元轉(zhuǎn)移與撤收的進(jìn)行成千上萬(wàn)次精準(zhǔn)推算，甚至對(duì)于部隊(duì)的精準(zhǔn)打擊時(shí)間，和聯(lián)合作戰(zhàn)行動(dòng)起到重要的作用，對(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)規(guī)劃、戰(zhàn)斗部署計(jì)劃、突發(fā)情況和自然災(zāi)害的處置以及偽裝效果評(píng)價(jià)等均有著重要意義。