中国指挥与控制学会会刊 
目前战场态势可视化系统主要分为二维战场和二三维联动战场可视化系统,其中三维GIS平台的态势显示系统[1]提高了态势三维动态仿真与数据的管理的能力。三维战场建模和仿真系统[2]着眼于局部态势的准确描述,缺少全局描述。空天地一体化态势系统[3]构建了空天地整个态势场景的跨尺度无缝切换和各类态势数据的精细化表达,但对场景建模描述不够。二三维联动战场可视化系统[4]通过二维、三维可视化军标实现态势表达,但缺少三维可视化的实际应用。
战场态势可视化应用的开发,需耗费大量的人力,同时要求具备图形学、地理信息、军事学、虚拟现实等专业知识。随着实战化训练的理念不断深入,建立起一套涵盖战场自然环境态势仿真、军事目标活动态势仿真以及态势数据管理等功能的综合战场态势系统迫在眉睫。结合部队使用经验,本文将首先根据模块化设计思想,分类搭建系统,针对目前战场三维模型设计快速方便的可视化应用环境搭建方法,不仅可快速生成相应的可视化场景,而且可以进一步提高开发效率,完成战场态势的深度应用。基于实战的部队训练中使用,真实三维场景环境下的态势数据展示和分析,有利于参与人员更好地进行信息分析和决策判断。
1 综合战场态势系统设计
综合战场态势系统的运行可以按三方面来描述,如图1 框图,在战前可以认识战场环境,分析待打击目标情况,以便建立基本作战方案。在打击时可以迅速将战场情况汇报,及时将战时双方兵力部署和攻击方向绘制在可视化系统上,方便指挥员及时了解战场信息,修正火力筹划方案,作出合理战况判断。在战后根据整个打击过程中带有时间轴的数据,将整个战况做一个回放,以便认识打击规律及总结打击方案。为实现以上功能,系统将通过以下三层次来建立:
•数据支撑层
数据支撑层包括GIS引擎、工作流引擎、集成GIS功能可视化分析展示工具三大部分。GIS引擎是整个系统可视化、数据加载的核心。工作流引擎是工作原理,主要分为三个层次:信息融合与挖掘、信息显示、信息储存与分发。指挥员通过工作流引擎方便、准确、快捷地理解战场态势,挖掘指挥决策所需要的态势服务信息,及时信息共享。集成GIS功能可视化分析展示工具是利用GIS平台测量标值、距离、地形、方位角、通视、面积等地理信息;标绘攻击路线、打击方案;分析兵力区域、打击范围。
•态势系统数据库
态势系统数据库是数据支撑层及分析、指挥决策层的重要数据来源。其主要包含弹药武器数据、DEM(Digital Elevation Model)、DOM(Digital Orthophoto Map)、模型及地形三维数据模型、监控测试系统数据、情报收集系统数据、弹药末端参数测试数据。
•分析、指挥决策系统层
业务指挥决策层主要涵盖毁伤评估、火力筹划、分析量算三大内容。其中毁伤评估(毁伤效果评估)是对于某一预定目标火力打击后所造成的毁伤效果判断,是火力筹划的科学依据。分析量算主要是针对地理信息(标值、距离、地形、方位角、通视、面积等)、空间信息(电磁、雷达等)量算与分析,以便合理部署。
2 实景三维战场态势环境建立
在综合战场态势系统中,实景三维战场态势环境是态势系统数据库的重要的组成,是数据支撑层中GIS平台重要的数据来源,其主要包含三维模型数据采集生产、战场地形管理、海量姿态信息存储、可视化和与推演相关的数学模型。三维模型地形在复杂的作战环境中真实展现战场环境,促使指挥人员全面、准确地了解战场、靶场地形地貌信息,从而制定作战计划。
2.1 实景三维高精度生产技术方案
实现战场态势实景三维建模,满足高地理精度、高精细化建模,这样才能使得各军种在演习或训练过程中,准确反映战区真实地形环境、目标所属真实位置及周围环境情况。在实际采集地形数据时,目前行业内主要实现流程是获取高分辨率序列影像,然后利用飞行过程中记录的POS数据、外业相控点数据、相机检校数据,进行空三计算(平差处理计算),在平差结果达到相应规范规程要求的精度后,完成立体像对,最终完成建模。按照三维地理模型生产规范中的模型评判标准[6],以上方法处理的模型最高只能达到Ⅱ级标准,无法满足战场态势环境搭建中模型要求[7]。为达到Ⅰ级甚至更高,结合地形生产经验。改进相控点布设方法。目前相控点布设方法一般采用GPS设备进行实时动态差分法(Real-time Kinematic)测量, GPS RTK测量系统包括三个部分:GPS信号接收部分(即GPS传感器)、数据传输部分(即数据链)和数据处理部分(即GPS控制器及其自带的数据处理软件)。一般采用1+N的形式,即一个基准站带多个移动站进行实时差分。
外业控制点的选择与布设对最终三维模型地形的成果有很大的影响。因此,在进行相控点选择时,应遵从控制点的布设原则、选择合适的场内控制点布设方案。相控点的布点方法有:全野外布点、航线网布点和区域网布点。无人机倾斜摄影相控点布置方式主要采用区域网布点,遵循空中三角测量精度准则[8]。
2.2 实景三维模型地形数据采集、生产及加载
实景三维数据采集主要是采用固定翼无人机进行倾斜摄影图像,基于序列图像的三维重建技术实现靶场、战场三维场景重建。利用无人机航拍图像具有尺度大、视角广的特点,对靶场区地形进行长距离的全景摄影,从五个角度分别得到靶场高分辨率序列图像,然后对序列图像合成完成三维建模重建,原理如图2 。
目前,在精细化倾斜摄影数据采集中,使用的航摄仪大多像四维远见公司生产的SWDC-5型倾斜摄影相机[9],这种相机内部由5个测量相机组成,且带有像点位移补偿装置;但是重量高达100kg,需要“运五”这样的小型载人固定翼搭载。在小面积倾斜摄影数据采集中,大多使用非测量相机拼装的多镜头相机,以索尼QX系列相机较为常见,如本文所使用的广州红鹏科技有限公司生产的AP5600相机,内部装有5个索尼QX1相机,该相机的优点是重量轻,缺点是画幅小,像素低。适合小面积、大比例尺倾斜摄影数据采集。综合考虑,本文将采用AP5600小型倾斜摄影相机。在采集完成后,在进行精细化靶标建模时,要按照三维模型建设与检查流程进行检查,如图3 所示。
针对综合战场态势系统规划仿真具体需求,本文选择Skyline系统为二次开发软件平台,此平台由TerraBuilder、TerraExplorer Pro和TerraGatesare三个相互独立的子系统构成,具有快速联系地理信息、准确分发各类战场信息数据(目标位置、兵力部署、弹药姿态、雷达视域等),是独立于硬件之外、跨平台、多功能的一套软件系统等优势。
2.3 高精度三维模型地形典型应用分析
随着虚拟仿真和三维重建技术的发展,高地理精度、分辨率精度(“两高”)三维模型地形(如图4 )在不同领域中得到广泛应用,形成各具特色的数字化平台。而在综合战场态势系统应用中,“两高”三维模型地形是对真实场景的客观还原,对于坐标系统与三维尺度具有较高的准确性。因此,针对该模型特点,结合部队需求,在战场态势中具有哪些拓展功能,本文将以分析。
1)结合高分辨率卫星地图,建立复杂电磁态势、作战辅助信息系统,全数据驱动卫星空间飞行状态、运行轨迹、载荷工作状态及工作模式。可视化呈现和分析各类传感器、雷达信号、通信链路。
2)利用弹药的动态毁伤性能评估提供直观的仿真计算数据支撑,通过“两高”模型面片简化、纹理处理、网格变形量分析,从而分析末端弹道参数的影响因素,得到准确、可复用的毁伤参数,提高弹药毁伤效果。
3)利用三维模型地形“两高”特点,结合毁伤评估基础数据库与非线性动力学有限元仿真,建立弹药/战斗部威力、目标易损性、弹药/战斗部毁伤效能等系统,为武器装备论证、研制和使用等提供毁伤效能评估可视化效果好、分析数据直观的基础工具平台。
3 模型地形试验数据及精度分析
本文选用实验区域如图5 ,采集目标区域共计3.2 km2,航测照片其中包括、前、后、左、右5个方向共采集3148张,研究区域的航摄技术参数如表1 所示。
本次共生产地形3.5 km。2,共抽样25个点位进行模型实际精度测量。根据数字航空摄影测量空中三角测量规范(GB/T23236-2009),分别针对高程精度、平面精度、模型靶标长度精度进行测量。具体测量数据及误差如下:
在高程误差测量如表2 中,在研究区域共选取10采样点,得出研究区域模型的高程精度统计结果为:高程坐标中误差为0.3679 m,最大误差为 0.9744 m。
表2 高程误差测量数据 |
| 采样 点号 | 外业实测 高程 | 模型量测 高程 | 高程差值Δ |
|---|---|---|---|
| 1 | 333.0184 | 332.93 | 0.0884 |
| 2 | 332.6384 | 332.07 | 0.5684 |
| 3 | 332.9834 | 332.94 | 0.0434 |
| 4 | 333.0244 | 332.05 | 0.9744 |
| 5 | 333.2894 | 333.08 | 0.2094 |
| 6 | 333.7564 | 333.83 | -0.0736 |
| 7 | 333.3084 | 333.39 | -0.0816 |
| 8 | 333.7724 | 333.75 | 0.0224 |
| 9 | 336.2204 | 336.27 | -0.0496 |
| 10 | 333.7034 | 333.59 | 0.1134 |
在长度误差中测量中如表3 ,通过外业测量的建筑物顶端和底端的高程坐标值计算建筑物的高度作为真值,与在三维系统中量取的模型高度数据进行比较,然后对模型高度精度进行分析,通过研究区域共选取5个抽样点,得到模型长度误差如下:高度中误差为0.1056 m,最大误差为 0.15 m。
表3 长度误差测量数据 |
| 采样点号 | 外业实测 | 模型量取 | 高度差值Δ |
|---|---|---|---|
| 11 | 1.40 | 1.39 | 0.01 |
| 12 | 2.32 | 2.18 | 0.14 |
| 13 | 2.11 | 2.05 | 0.06 |
| 14 | 2.20 | 2.05 | 0.15 |
| 15 | 0.88 | 0.78 | 0.10 |
在平面误差中测量中如表4 ,在研究区域共选取10个采样点,得出研究区域模型平面误差如下:经度中误差为0.0447 m,经度最大误差为0.1007 m;纬度中误差为0.0462 m,纬度最大误差为0.0777 m;平面坐标中误差为0.0909 m,最大误差为0.114981477 m,由表6 可以看出,模型数据的平面坐标差值在0.03-0.05 m之间居多。
表4 平面误差测量数据 |
| 采样点号 | 外业实测经纬度 | 模型测量经纬度 | 经度距差/m | 纬度距离差/m | 平面坐标差/m |
|---|---|---|---|---|---|
| 16 | 108.9798303E 34.3807732N | 108.9798307E 34.3807736N | 0.0366 | 0.0444 | 0.057540594 |
| 17 | 108.9780809E 34.3805768N | 108.9780813E 34.3805772N | 0.0366 | 0.0444 | 0.057540594 |
| 18 | 108.9798993E 34.3797808N | 108.9798993E 34.3797811N | 0.0000 | 0.0333 | 0.033300000 |
| 19 | 108.9834962E 34.3845639N | 108.9834973E 34.3845644N | 0.1007 | 0.0555 | 0.114981477 |
| 20 | 108.9820447E 34.3845639N | 108.9820441E 34.3842021N | 0.0549 | 0.0777 | 0.095138320 |
| 21 | 108.9834070E 34.3828185N | 108.9834070E 34.3828188N | 0.0000 | 0.0333 | 0.033300000 |
| 22 | 108.9816881E 34.3791066N | 108.9816879E 34.3791072N | 0.0183 | 0.0666 | 0.069068444 |
| 23 | 108.9813069E 34.3829009N | 108.9813068E 34.3829009N | 0.0092 | 0.0000 | 0.009200000 |
| 24 | 108.9824205E 34.3797098N | 108.9824202E 34.3797101N | 0.0275 | 0.0333 | 0.043187267 |
| 25 | 108.9843304E 34.3812855N | 108.9843310E 34.3812857N | 0.0549 | 0.0222 | 0.059218663 |
根据国家三维模型评定要求CH/Z9016-2012,本次试验区域平地高程、平面精度、长度精度中误差指标生产数据都为一级。试验证明此方案可操作性强、数据生产精度高,适用于战场态势感知环境搭建。
4 综合战场态势系统实例
根据综合战场态势设计思路,结合部队使用经验,本系统按7个子功能模块进行设计,构建如图6 。
系统利用三维视图结合虚拟现实技术进行更加逼真的态势显示,如图7 。该系统具有以下特点:全球高程显示,超精细细节,超大范围地形展示,视角范围可从全球视角无级放大至微观细节观察视角,实现了全空间范围的环境态势显示,以最佳方式实现了战场环境可视化和战场态势可视化。指挥员在进行作战训练过程、实弹演习时,利用综合战场态势系统,如图8 某靶场进行战场态势感知,充分获取该靶场地形、地貌、天气,靶场靶标分布,对高效制定打击计划有着重要作用。
5 结束语
本文从战场态势系统研制的发展方向及部队使用需求出发,按分层思维建立,详细介绍了实景三维战场态势环境搭建设计及实现方法,根据面向实战的训练指导思想构建战场态势总体框架和实现原理,构建了实景三维态势环境建模过程,并对态势环境按照国家测绘标准进行精度分析。最后针对实例中的战场态势感知功能,验证表明,该战场态势环境搭建方法三维可视化效果强,稳定性好、操作方便,易于进行部队深度应用,是战场态势环境搭建科学合理的方法。