陽燁涵，解文彬

（中國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、任意時間推進(jìn)、氣象模擬、模型與實(shí)體真實(shí)比例建?？s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技術(shù)問題帶來的現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場與模擬作戰(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。②作戰(zhàn)仿真行動的3D模型制作逼真程度，以及對模型的渲染，營房大地的貼畫。③對運(yùn)動物體的排列，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)搭建出一個對真實(shí)世界進(jìn)行模擬的三維場景。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，構(gòu)建出支持Skyline的mpt格式的場景文件，同時使用軟件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)動態(tài)創(chuàng)建、位置移動以及屬性改變以及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、動態(tài)物體、瀏覽路徑、業(yè)務(wù)矢量等構(gòu)建三維場景。同時通過TerraExplorer家族產(chǎn)品，用戶能夠進(jìn)行空間分析、對象編輯、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)的三維動畫、渲染和模型?；?ds max平臺創(chuàng)建了以.3DS格式的武器裝備模型，房屋模型，戰(zhàn)術(shù)行動模型如圖所示。再導(dǎo)入由Skyline創(chuàng)建的三維場景中，使用TerraBuilder進(jìn)行地勢的修改和重組，并添加了陰影效果使環(huán)境更加真實(shí)。TerraExplorer創(chuàng)建營房與場地環(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)行動可視化，這些數(shù)據(jù)詳細(xì)描述了作戰(zhàn)行動仿真的過程［1］。

圖2 在3ds Max中構(gòu)建與渲染的3D模型

2 場景加載

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影測量系統(tǒng)。此系統(tǒng)是基于Windows NT的全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，利用數(shù)字影像或數(shù)字化影像完成攝影測量作業(yè)。由計算機(jī)視覺（其核心是影像匹配與影像識別）代替人眼的立體量測與識別，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)射并撤收的行動仿真為例，以下圖片包含了一個軍隊(duì)作戰(zhàn)行動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)動速度為30 km/h，加速度為20km/h，轉(zhuǎn)彎速度為90 km/h。同時，現(xiàn)代戰(zhàn)爭戰(zhàn)場環(huán)境瞬息萬變，圖10模擬了真實(shí)戰(zhàn)場作戰(zhàn)時爆炸的情況下軍隊(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)場行動，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)備行動的過程，模擬場景真實(shí)的展現(xiàn)了作戰(zhàn)分隊(duì)的編制以及營區(qū)的真實(shí)場景。

圖6 軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元正在營區(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，我們設(shè)定的路線為環(huán)繞發(fā)射場轉(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)爭中作戰(zhàn)分隊(duì)單元轉(zhuǎn)移時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)射場地，其余營區(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），按照原計劃原路撤收的過程，營區(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)單元改變原計劃機(jī)動至另一條路隱蔽觀察敵情，值班人員迅速在發(fā)射臺向上級匯報緊急情況請求指示，指揮人員下達(dá)戰(zhàn)備等級轉(zhuǎn)換任務(wù)，營區(qū)內(nèi)所有人員轉(zhuǎn)入一級戰(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)。該情況同時適用于分隊(duì)轉(zhuǎn)移時。

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

圖11 為作戰(zhàn)分隊(duì)單元撤收時遭遇惡劣天氣的影響，此圖模擬了西北風(fēng)8級時暴雪的場景，由于大部分車輛以及裝備在溫度急劇降低時會出現(xiàn)性能故障或損壞，且積雪會導(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，將作戰(zhàn)分隊(duì)行動單元轉(zhuǎn)移至指定隱蔽地點(diǎn)并出動第二分隊(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適用于作戰(zhàn)分隊(duì)單元轉(zhuǎn)移時。

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

圖12 為東北風(fēng)9級暴雨情況下的軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元撤收過程，積雨會導(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)，會直接影響車輛駕駛的安全甚至營區(qū)安全，突發(fā)此類情況應(yīng)迅速觀察周圍情況是否危險，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適用于戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)轉(zhuǎn)移時。

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

4 結(jié)語

本文針對作戰(zhàn)行動仿真數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，使用3ds Max和VirtuoZo 2014構(gòu)建的MPT高精度場景文件，在基于skyline的平臺基礎(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)行動全過程仿真，解決了信息仿真展示中遇到的問題?？梢詫ψ鲬?zhàn)分隊(duì)單元轉(zhuǎn)移與撤收的進(jìn)行成千上萬次精準(zhǔn)推算，甚至對于部隊(duì)的精準(zhǔn)打擊時間，和聯(lián)合作戰(zhàn)行動起到重要的作用，對作戰(zhàn)行動規(guī)劃、戰(zhàn)斗部署計劃、突發(fā)情況和自然災(zāi)害的處置以及偽裝效果評價等均有著重要意義。