朱博文

城市地形的多樣性易使作戰(zhàn)中的態(tài)勢感知和威脅辨識變得異常復(fù)雜，需要作戰(zhàn)人員進行更加細(xì)致的戰(zhàn)場空間情報準(zhǔn)備工作；與此同時，城市地形特有的人文屬性以及現(xiàn)今交戰(zhàn)規(guī)則的嚴(yán)格規(guī)范，均要求盡可能控制本方火力和降低附帶損傷的風(fēng)險，這就需要掌握大量精致數(shù)據(jù)和找到新型解決方法。新的解決方法不同于傳統(tǒng)的地理空間信息生成過程，它可利用2D/3D數(shù)據(jù)處理技術(shù)對復(fù)雜的城市地形進行測繪。

城市戰(zhàn)場空間情報信息需求

城市地形會對軍事作戰(zhàn)行動構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，回顧斯大林格勒戰(zhàn)役，以及在貝魯特、摩加迪沙、格羅茲尼、寧和費盧杰進行的戰(zhàn)斗，交戰(zhàn)雙方均付出了巨大代價，這揭示了共同的道理——充分掌握錯綜復(fù)雜、分隔阻塞的城市地形，對確保在城區(qū)進行的作戰(zhàn)行動成功至關(guān)重要。城市地圖測繪是人文地理的分支之一，但要想達到接近人類理想尺度的大比例尺仍有困難（理想狀況應(yīng)為1：10000至1：50000），大多數(shù)軍用地圖的比例尺分為戰(zhàn)略級、戰(zhàn)役級和戰(zhàn)術(shù)級。需要測量的不僅有城市人口和聚居地，還包括交通基礎(chǔ)設(shè)施、高樓大廈等建筑，以及日趨復(fù)雜的公共設(shè)施網(wǎng)絡(luò)——水源、污水處理設(shè)施、供電設(shè)施和電話線，還有基于地面電纜或無線電中繼站的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。

這些信息的儲存有據(jù)可查，其格式常常更新，構(gòu)成了城市設(shè)計、地址編撰和設(shè)施布局的基礎(chǔ)。不過，這些數(shù)據(jù)來源多樣而零散，從考古調(diào)查報告到電力分配圖，有時還包括紙質(zhì)城市地圖。但與地面測量以及海圖和航空圖繪制相比，這些數(shù)字化信息在城市地圖繪制信息中所占比例非常小，城市信息的標(biāo)準(zhǔn)化和一體化建設(shè)仍處于萌芽階段。在歷次災(zāi)難救援行動中，這些都令人遺憾，如近年來在新奧爾良、曼谷等地發(fā)生的危機。每到此時，救援者總會想方設(shè)法從各個渠道搜集數(shù)據(jù)。在城區(qū)進行的作戰(zhàn)行動中，無論這些城市是有序規(guī)劃還是無序發(fā)展，上述數(shù)據(jù)都極為缺乏。

正因為如此，地理信息系統(tǒng)（GIS）的大多數(shù)供應(yīng)商建議使用專用工具進行城市地圖繪測，包括光柵編輯和數(shù)字化建模，或是用于增加附加信息的矢量編輯。早期的模塊主要針對城市規(guī)劃應(yīng)用；新型模塊則可應(yīng)用先進技術(shù)，為導(dǎo)航、平面及立體規(guī)劃或公共設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的合理化布局提供精密信息。在此過程中，傳統(tǒng)的2D演示技術(shù)正逐漸讓位于更具創(chuàng)新性的3D技術(shù)，從而能夠展示出具有更高分辨率、融合更多傳感器的圖像、模型和仿真系統(tǒng)，以及多層語義信息——從簡單的郵政數(shù)據(jù)到聚居區(qū)、商業(yè)和居民生活等方面的定性特征。

盡管城市地理信息量日漸豐富，但城市作戰(zhàn)戰(zhàn)場空間的情報準(zhǔn)備工作卻幾乎無法從中受益。鑒于作戰(zhàn)或災(zāi)難救援行動常在貧窮國家、動蕩國家進行，幾乎無法獲得當(dāng)?shù)匦姓?dāng)局的合作，這使得現(xiàn)代化作戰(zhàn)力量不得不將大量精力用于在極度受限的環(huán)境中進行地圖測繪，這種測繪過程曠日持久，與作戰(zhàn)行動的快速性極不相稱，因此越來越讓位于更趨自動化的城市地理信息測繪手段，需要應(yīng)用載荷微型化技術(shù)、多傳感處理技術(shù)和大數(shù)據(jù)開發(fā)技術(shù)。

當(dāng)前的技術(shù)手段

城區(qū)地形概貌主要通過遙感技術(shù)進行測繪。在和平時期，航空成像在地面高分辨率與廣域覆蓋方面達到了最佳平衡，并可通過地面測量得到進一步修正。在行動受限地區(qū)，衛(wèi)星通過多次測量，能對城市地區(qū)進行精確拍攝，使用合成孔徑雷達和全色成像技術(shù)，生成中精度和高精度高程數(shù)據(jù)。城市影像的地圖格式是城市地圖基礎(chǔ)層的基礎(chǔ)；隨后，GIS對地圖進行編輯，標(biāo)注街道名稱、區(qū)域劃分、重要建筑、公共設(shè)施和障礙物；其他模塊則提供城市地形說明，特別是計算機輔助3D技術(shù)將計算和顯示建筑物的形狀。例如，美國Exri公司的Exri City Engine軟件作為三維城市建模的首選軟件，完美支持ArcGIS，具備計算機輔助成像功能，包括將激光雷達數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點云數(shù)據(jù)，從而生成數(shù)百萬個精確的三維地理坐標(biāo)。

城市地理分析軟件綜合運用各種地理特征提取與測量工具，進行地形分析。商用GIS桌面項目就能提供這種軟件，如薩爾諾夫公司的Maplt軟件，經(jīng)認(rèn)證更適用于防務(wù)安全領(lǐng)域。這種軟件結(jié)合圖像與激光雷達點云數(shù)據(jù)，可生成高分辨率數(shù)字高程模型；產(chǎn)生的內(nèi)嵌圖形和3D站點模型可用于城市地區(qū)的情報監(jiān)視偵察行動以及目標(biāo)定位和毀損評估。此外，英國BAE數(shù)字?jǐn)z影測量軟件增加了新一代自動地形提取功能，使用專門的算法從圖像中建立精確數(shù)字高程模型。

3D城市模型的應(yīng)用

高保真3D城市模型的制作已成為一種常態(tài)。這種源于城市規(guī)劃需求的專業(yè)性行業(yè)，如今正致力于防務(wù)安全領(lǐng)域的地理空間類產(chǎn)品研發(fā)。美國PLW模型制造公司研發(fā)制作的3D模型內(nèi)容詳盡，涉及世界21個國家的450多個地方，包括體育場、機場、冶煉廠等設(shè)施乃至整座城市，以及海地太子港和日本石卷等受災(zāi)地區(qū)在受災(zāi)前后的地理對比模型。

法國的虛擬城市公司制作的3D模型規(guī)模相對有限，其原型包括阿布扎比等城市以及克里姆林宮等重要場所。根據(jù)相關(guān)合同，這些產(chǎn)品為用戶專有。不過，其使用的工具和技術(shù)為GIS所兼容，可滿足為保障關(guān)鍵性任務(wù)進行的城市地形分析要求。城市模型的地理坐標(biāo)3D數(shù)據(jù)還可為戰(zhàn)術(shù)通信和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)航的相關(guān)工作提供支持。此外，高度專業(yè)化的軟件模塊能夠計算出無線電波或者全球定位系統(tǒng)信號在建筑物之間的回波與強度。在軍事和安全行動中，城市模型的這種功能常常被忽視。過去，頻譜規(guī)劃不足曾經(jīng)引發(fā)嚴(yán)重后果。例如，俄軍1994年在格羅茲尼進行的首次作戰(zhàn)行動中，“城市峽谷”形成的偽裝和多聲路對戰(zhàn)術(shù)電臺的通信造成了災(zāi)難性影響。盧西亞德公司考慮到這一情況，在設(shè)計中確保斷開的移動設(shè)備能夠利用大型城市數(shù)據(jù)集。同時，在高樓林立的城市，全球定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)常常受到玻璃外墻和金屬結(jié)構(gòu)的影響，這就需要采取革新措施，以提供高精度的定位信息。

澳大利亞洛卡塔公司的定位技術(shù)適用于全球定位系統(tǒng)信號較差的環(huán)境，在美國空軍的白沙導(dǎo)彈靶場，該公司設(shè)計的洛卡塔網(wǎng)絡(luò)使用陸基地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)收發(fā)器，使空中作戰(zhàn)可在無法接收到全球定位系統(tǒng)信號的條件下繼續(xù)進行。美國空軍746試驗中隊有望從該項目中獲得戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)航的重要經(jīng)驗。在烏克蘭危機中，俄羅斯和美國的衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng)均遭遇保障不力的情況，從而清楚地表明定位、導(dǎo)航與授時信號可能會成為未來作戰(zhàn)行動的關(guān)鍵節(jié)點。這就要求美軍對地面導(dǎo)航予以更多的關(guān)注，特別是在導(dǎo)航定位衛(wèi)星被摧毀或壓制情況下。

新型機載傳感器的作用

在生成有效的地理空間信息方面，傳統(tǒng)設(shè)備很難適用于當(dāng)前戰(zhàn)場的資源配置和作戰(zhàn)節(jié)奏。從而催生出臨時性的應(yīng)急措施，為部隊提供戰(zhàn)場地理空間信息支持。不過，這種應(yīng)急措施同樣無法滿足部隊持續(xù)實施監(jiān)視行動和實時獲取地理信息的需求。

隨著美軍在阿富汗和伊拉克戰(zhàn)場首次部署長航時無人機，相關(guān)的解決方法也應(yīng)運而生。通過原子公司的MQ-1“捕食者”無人機及其攜載的傳感器載荷能夠向地面站以及L-3“漫游者”等便攜式終端發(fā)送全動態(tài)視頻數(shù)據(jù)；與此同時，美軍開始為改進型商務(wù)飛機裝備激光雷達等高分辨率成像載荷。這是在美國陸軍地理空間中心的“七葉樹”項目下進行的，該項目自2004年以來已經(jīng)恢復(fù)了戰(zhàn)場制圖能力。

“七葉樹”項目率先在非交戰(zhàn)環(huán)境中進行高分辨率3D圖像的收集，并將分辨率0.1米的彩色圖像和柱距1米的激光雷達圖像定為非保密材料，可由盟國共享。由此生成的高分辨率3D圖像，能立即為特種作戰(zhàn)部隊掌握，并用于在城市地區(qū)的行動規(guī)劃和實施小規(guī)模直接行動。障礙物、掩蔽物、隱蔽點、武器部署位置、進出路線等，均成為作戰(zhàn)部隊實時掌握的有關(guān)城市目標(biāo)地理空間信息的重要內(nèi)容。這種高分辨率彩色圖像和精確高程數(shù)據(jù)有助于實現(xiàn)對“城市峽谷”的深度理解，現(xiàn)已成為阿富汗和伊拉克戰(zhàn)場的非常規(guī)情報監(jiān)視偵察和反暴亂作戰(zhàn)行動的重要保障?！捌呷~樹”項目以及相關(guān)的激光雷達開發(fā)組件與地形建模軟件，很快就被美國及其盟國用于軍事情報、特種作戰(zhàn)和地形/地理空間行動。有應(yīng)用圖像軟件創(chuàng)建的3D基礎(chǔ)層級，能夠支持狙擊/反狙擊行動后清理路邊炸彈行動。經(jīng)過十多年的實踐，“七葉樹”項目已經(jīng)能夠繪制阿富汗和伊拉克人口聚集區(qū)和交通線地圖。2014年初，隨著美軍開始從伊拉克撤軍，整個“七葉樹”數(shù)據(jù)群被轉(zhuǎn)交給伊新政府，并于當(dāng)年年中在伊北部地區(qū)打擊“伊斯蘭國”極端武裝的行動中發(fā)揮了重要作用。

傳統(tǒng)無人機傳感器發(fā)送的全動態(tài)視頻數(shù)據(jù)要么呈低分辨率寬視場，要么呈高分辨率窄視場，從而形成了“透視飲料吸管”效應(yīng)，無法適應(yīng)大規(guī)模的復(fù)雜城市地區(qū)作戰(zhàn)行動，因為用戶很快就會離開當(dāng)前環(huán)境。塞拉·內(nèi)華達公司設(shè)計的“戈爾貢凝視”系統(tǒng)——最新型廣域長航時監(jiān)視系統(tǒng)能夠解決這一問題。該系統(tǒng)的首批“增量1”型配備在美國通用原子公司生產(chǎn)的MQ-9“死神”無人機上。這種由Exelis公司研發(fā)的吊艙傳感器系統(tǒng)，將9臺攝像機結(jié)合使用。該系統(tǒng)與2011年3月在阿富汗戰(zhàn)場投入使用。此前，該系統(tǒng)在佛羅里達州埃格林空軍基地進行的初始測試中表現(xiàn)不佳，之后采取了應(yīng)急性改進措施。

“戈爾貢”的可見光與紅外傳感器系統(tǒng)監(jiān)測的16平方千米區(qū)域能夠同時拆分為多個小塊監(jiān)測區(qū)，向地面的10個用戶提供信息。這些用戶裝備了便攜式地面終端，與“戈爾貢”系統(tǒng)地面站網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)接。無人機吊艙內(nèi)的先進機載壓縮與儲存系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)機載處理器的局限性以及空地通信的瓶頸?！案隊栘暋毕到y(tǒng)“增量1”型自從應(yīng)用于阿富汗戰(zhàn)場以來，工作時間已接近12000飛行小時；此后的“增量2”型于2014年7月通過了空軍的初始作戰(zhàn)能力測試，其覆蓋面積擴大了4倍，分辨率提高了2倍?；诿绹鴩啦扛呒壯芯坑媱澗峙cBAF公司聯(lián)合研發(fā)的“百眼巨人”技術(shù)制造的光電傳感器，與當(dāng)今世界上體積最大的紅外傳感器陣列相結(jié)合，能使單架無人機在數(shù)小時內(nèi)監(jiān)視100平方千米的地域。最終生成的場景融合了368幅圖像，能以每秒12幅圖像的速度形成18億像素的合成視頻圖像。成像能力的增強，使用戶能夠在更大的區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)更小的目標(biāo)?！捌呷~樹”和“戈爾貢”項目具有力量倍增器的作用，使單架飛機能夠進行大面積城市區(qū)域的近實時探測和制圖。

先進的開發(fā)工具

高分辨率3D數(shù)據(jù)實用性和精確性的提高，使得三維制圖技術(shù)能夠延伸至戰(zhàn)術(shù)層次，從而使用戶更深刻地理解復(fù)雜城市環(huán)境。這些技術(shù)需要有新的可視化處理方式，以實現(xiàn)更好的態(tài)勢感知。用圖像覆蓋高層數(shù)據(jù)，常常是在2D技術(shù)中體現(xiàn)3D特征的方式，目前正在接近城市地理中地形與人文特征相結(jié)合的深度。在這種新型應(yīng)用方式中，3D數(shù)據(jù)將更具動態(tài)性和仿真性，能更好地進行物理信息與語義信息的融合，在實現(xiàn)城市環(huán)境可視化方面是一項引人矚目的優(yōu)勢。這些應(yīng)用方式能夠促進各種各樣的3D技術(shù)發(fā)展，將地圖轉(zhuǎn)變?yōu)槿D像。

美國陸軍戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)場可視化項目使用德克薩斯州斑馬成像公司研發(fā)的技術(shù)，主要生成全息化地圖。這種城市地形表示方式彌補了地理空間行業(yè)與作戰(zhàn)用戶之間的“跨行業(yè)鴻溝”。使得未經(jīng)專門訓(xùn)練的人員也能理解復(fù)雜的地理環(huán)境。斑馬成像公司的全息化地圖能夠進行打印，閱讀者無需佩戴眼鏡觀測3D圖像，并能將這種為用戶定制的全息化地圖帶上戰(zhàn)場。下一步計劃將實時數(shù)據(jù)輸入到全息地圖之中，從而能夠觀測實時的2D/3D圖像。

泰利斯公司2014年的創(chuàng)新項目計劃中也在研發(fā)另一種新技術(shù)，以綜合運用高分辨率3D技術(shù)與其他信息層（例如指揮控制類戰(zhàn)術(shù)形勢，空間容積或是傳感器監(jiān)測范圍）。當(dāng)年3月在巴黎舉行的科技日活動中，該公司的“作戰(zhàn)空間遠景”項目展示了這項技術(shù)，這是一種先進概念技術(shù)演示，主要針對阿富汗戰(zhàn)場的空地一體化作戰(zhàn)?！白鲬?zhàn)空間遠景”項目將泰利斯公司的綜合C4I技術(shù)與商用軟件相結(jié)合，展示出具有浸入式和互動式特點的敵我雙方地形信息、戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢和語義信息，并可延伸至單兵層級。諾斯羅普·格魯曼公司的信息技術(shù)部也正在研究將類似技術(shù)手段應(yīng)用到更低層級，并在定位視頻流與地理空間信息的相結(jié)合方面獲得了專利。

鑒于上述在技戰(zhàn)術(shù)方面取得的最新突破，城市地形展示方式正在邁向更新更高的層次，使得非地理空間專業(yè)人士僅需花費少量時間和精力，便可獲得構(gòu)建傳統(tǒng)城市地圖所需的態(tài)勢感知。城市地理特征與戰(zhàn)術(shù)地理特征正在進行融合，以展現(xiàn)出主題清晰、層次分明的戰(zhàn)場態(tài)勢，從而最大程度地滿足任務(wù)需求。這將進一步推動源自民用和軍用渠道的豐富城市信息進行整合。