一種基于高程數(shù)據(jù)的全球地形高度檢測方法

吳 瓊，孫韶杰，于 瀾，蘇 迪

(1.空軍研究院特種勤務研究所，北京 100195；2.空軍石家莊飛行學院 飛行模擬訓練中心，北京 100195)

0 引言

在飛行模擬器訓練領域，無論是模擬器飛行控制系統(tǒng)、航路規(guī)劃系統(tǒng)，還是三維態(tài)勢顯示系統(tǒng)，都需要實時獲得實體(飛機、武器、碰撞等)當前位置的地形高度，從而計算出實體相對地面的高度(簡稱無線電高度[1-3])。在飛行模擬器訓練[4-6]中，視景系統(tǒng)需要實時返回無線電高度給飛行控制系統(tǒng)，用于判斷飛機的碰撞狀態(tài)等，同時在飛行電子儀表中顯示該高度。彈丸航路點規(guī)劃時需要知道航路點沿路的制高點，從而設定彈丸的發(fā)射高度。在三維態(tài)勢顯示系統(tǒng)中，地形高度有如下作用：(1)用于放置雷達陣地、地導陣地，由于導演部在下達作戰(zhàn)任務時只給出陣地的放置經(jīng)緯度，不明確給出高度，因此態(tài)勢系統(tǒng)中需要通過陣地的經(jīng)緯度來得到當前位置的地形高度，然后將陣地準確地放置在地面上；(2)在顯示碰撞效果時，如果是對地攻擊或撞地，需要根據(jù)給出的碰撞點的經(jīng)緯度獲取該點的地形高度，如果爆炸點位于地面附近，則在地面疊加爆炸凹陷特效。因此，實時、高效、準確地獲取實體當前位置的地形高度十分重要。

飛行實體的地形高度獲取方法通常有兩種，一種是由虛擬三維場景圖形工作站實時對地作碰撞檢測得到地形高度，該方法耗費主視景渲染時間，如Mantis、Equipe圖形工作站，偶爾會出現(xiàn)返回無效值；另一種是基于衛(wèi)星影像的高程數(shù)據(jù)來得到地形高度?；诟叱虜?shù)據(jù)的地形高度檢測方法相對于圖形工作站返回地形高度，其優(yōu)點是不耗費主視景渲染進程時間，且不會造成視景卡滯；缺點是目前基于高程數(shù)據(jù)的地形高度檢測方法都是使用局部范圍的高程數(shù)據(jù)，但應對大范圍、長時間的飛行需求，單個高程文件的數(shù)據(jù)量會比較大，加載時間長，所以有的跨區(qū)域飛行還需要更換高程文件，而且每一套飛行系統(tǒng)需要重新提供該區(qū)域的高程數(shù)據(jù)，該高程數(shù)據(jù)僅包括主機場和備降機場在內(nèi)的飛行范圍。因此地形高度獲取技術迫切需要改進。

基于此，本文旨在研究基于全球的高程數(shù)據(jù)，在確保實時性和準確性的前提下，提出一種全球范圍內(nèi)的地形高度檢測方法。

1 全球地形高度檢測算法

本文提出的基于高程數(shù)據(jù)的全球地形高度檢測算法和全球衛(wèi)星影像的高程數(shù)據(jù)可裝載在一臺服務器計算機中，用于實時接收客戶端待查詢的經(jīng)緯度，然后將查詢結果分發(fā)到各個客戶端，如圖1所示。其中客戶端可包括三維態(tài)勢系統(tǒng)[7-12]、飛行控制系統(tǒng)[13-14]、碰撞檢測系統(tǒng)[15-16]、導調系統(tǒng)[17-19]、航路規(guī)劃系統(tǒng)[20-23]，以及所有其他需要獲取給定經(jīng)緯度位置的地形高度、相對地面高度的系統(tǒng)。

圖1 全球地形高度檢測的應用

全球地形高度檢測算法總體流程分為兩步，下面將分別從全球高程數(shù)據(jù)準備、地形高度檢測算法兩方面進行詳細闡述，如圖2所示。

圖2 全球地形高度檢測總體流程

1.1 全球高程數(shù)據(jù)準備

全球的衛(wèi)星影像高程數(shù)據(jù)如果存儲在一個文件中，則文件的打開速度會非常慢，因此從衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)中輸出高程數(shù)據(jù)時，需要按度進行區(qū)域劃分和規(guī)范化命名。

本文采用的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為世界范圍內(nèi)90 m分辨率的圖像，文件格式為tif。輸出的高程數(shù)據(jù)文件受采樣間距和分塊大小兩個因素所制約，采樣間距設置為400 m，200 m，90 m，分塊大小有10°×10°，5°×5°，2°×2°，1°×1°。

全球經(jīng)度范圍定義為[-180，180]，緯度范圍定義為[-90，90]，假設經(jīng)緯度塊的大小設置為m×n，則：

其中，Numlon是經(jīng)度塊的總塊數(shù)，Numlat為緯度塊的總塊數(shù)。

高程文件需要進行規(guī)范化的命名，這樣通過文件名稱就可以快速地計算出該文件的經(jīng)緯度范圍，反之給定任意一個經(jīng)緯度也可以快速得到所屬文件名稱。本文規(guī)定高程文件命名格式為World_xxx_yyy，其中xxx為三位表示的經(jīng)度塊編號，取值范圍為[0，Numlon-1]，yyy為三位表示的緯度塊編號，取值范圍為[0，Numlat-1]。給定某一高程文件名稱為World_A_B，有：

則該文件的經(jīng)度范圍為[LonLL，LonRR)，緯度范圍為[LatLL，LatRR)。 反之亦然，假設給定某一經(jīng)緯度為Longiven，Latgiven，有：

其中，floor()為向下取整操作，ceil()為向上取整操作，則該經(jīng)緯度的高程數(shù)據(jù)屬于文件World_C_D。

1.2 地形高度檢測算法

快速、準確地檢測給定位置的地形高度是檢測算法的核心。

如圖3所示，地形高度檢測算法步驟如下：

圖3 地形高度檢測算法流程圖

(1)輸入待查詢的經(jīng)緯度。

(2)計算查詢經(jīng)緯度的高程所在文件：已知高程文件的分塊大小，根據(jù)式(1)、(2)、(7)、(8)計算得到文件名稱，如果文件不存在，則查詢失敗，直接返回。

(3)遍歷高程數(shù)據(jù)存儲數(shù)組demCache，判斷該高程文件是否需要重新讀?。喝绻募郧按蜷_過，讀取過數(shù)據(jù)，則直接進入步驟(4)；如果文件沒有打開過，則重新打開，并且將新數(shù)據(jù)存入demCache，demCache設置存儲上限，超出閾值則清空一半過期數(shù)據(jù)。使用demCache的目的是避免高程文件的重復打開，有效提高檢測效率。

(4)基于數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)數(shù)據(jù)查詢高度，輸出檢測結果：如果檢測到，則返回檢測點的地形高度；如果沒有檢測到，則返回無效值-9999。

基于DEM數(shù)據(jù)文件查詢和計算地形高度的基本思想如圖4所示，物體的海拔高度不同于地形高度，海拔高度是指某個位置高出海平面的垂直距離，而地形高度是指某個位置地面的高度[24]。仿真應用中武器和飛機目標都存在撞地的問題，本文按目標的平面坐標查詢對應的地形高度，與目標實際當前高度進行比較，作為目標是否撞地的判斷。

圖4 地形高度檢測的基本思想

將全球高程數(shù)據(jù)當作一個大矩形E，由查詢經(jīng)緯度 點P0(Longiven，Latgiven，10 000)、點P1(Longiven，Latgiven，0)的連線與矩形E求相交點Inter_p，具體描述如下：

(1)根據(jù)某個高程文件的頭部可得到如下基本信息：行數(shù)nrows，列數(shù)ncols，最西經(jīng)度xllcorner，最南緯度yllcorner，采樣率cellsize(單位弧度)。

(2)定位待查詢經(jīng)緯度所在矩形F的范圍：

(3)分別計算點P0到F的距離矢量d0，點P1到F的距離矢量d1，只有d0×d1≤0，才會存在交點Inter_p，即表明P0在地面上，P1在地面以下，P0、P1的連線與地形有交點。

(4)計算點P0到F面的相交點Inter_p，如果交點在矩形面內(nèi)，則采用該交點值的高度作為待查詢經(jīng)緯度的地形高度檢測結果；如果交點不在矩形面內(nèi)，則說明交點處所需要讀取的高程數(shù)據(jù)不在打開的高程文件范圍內(nèi)，需要遍歷讀取其他高程文件再重新計算。

2 實驗結果及比較

采樣間距、分塊大小決定高程文件的讀取速度，進而決定檢測算法的執(zhí)行效率。本文針對不同采樣間距、不同分塊大小情況，對高程文件的第一次讀取數(shù)據(jù)、檢測平均所耗時間進行了比較分析，如表1第3列所示。從表中可以看出，采樣間距越大、分塊越小，檢測算法的執(zhí)行效率越高。在文件已打開狀態(tài)下，算法的檢測耗時如表1第4列所示，從表中可以看出所耗時間相差不大，并且檢測速度很快，這充分說明采用存儲數(shù)組來保存若干高程數(shù)據(jù)的必要性，它能避免文件的重復讀取，有效提高檢測算法的執(zhí)行效果。相比三維場景圖形工作站實時獲取地形高度方法，本算法由于不受主視景渲染時間影響，檢測效率更加高效。

表1 檢測算法的耗時對比表

綜合考慮檢測耗時和文件數(shù)量兩個因素，本文采用200 m的采樣間距，2°×2°的分塊大小作為檢測算法的高程數(shù)據(jù)參數(shù)設置，該設置能夠較好地滿足實時性要求。

檢測時間是評價檢測算法實時性能的一個重要指標，同樣檢測地形高度的準確性是評價檢測算法的另一個重要指標。表2列出了200 m的采樣間距，2°×2°的分塊大小條件下，檢測算法一系列的實驗結果，其中第2列是在衛(wèi)星影像中該經(jīng)緯度的地形高度值，第3列是本文提出的檢測算法計算出的地形高度值。從表2中可以看出，在采樣間距的整數(shù)倍地理位置處的高程數(shù)據(jù)是完全和衛(wèi)星影像中一致的，在其他地理位置處檢測算法得出的高度值是插值的結果，最大誤差率為0.34%，最小誤差率為0。

表2 檢測算法得出的地形高度值

3 結論

本文基于衛(wèi)星影像高程數(shù)據(jù)，提出了一個全球地形高度檢測方法，相比小范圍檢測，該方法具有三大特點：(1)高程數(shù)據(jù)不是存儲在一個文件中，而是按度劃分按需取用；(2)高程數(shù)據(jù)的讀取速度快，滿足體系對抗模擬訓練實時獲取地形高度要求；(3)地形高度的查詢結果誤差率低。下一步將把提出的地形高度檢測方法應用到體系對抗模擬訓練中，并且進一步完善。