基于模板的六角格兵棋地圖可視化設計研究

湯　奮，武志強，張　欣，李坤偉，張寅寶

(信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450052)

?

基于模板的六角格兵棋地圖可視化設計研究

湯奮，武志強，張欣，李坤偉，張寅寶

(信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450052)

摘要：兵棋地圖是兵棋的重要組成部分，是戰(zhàn)場環(huán)境信息的載體，是兵棋推演者認知戰(zhàn)場環(huán)境的工具。在介紹兵棋地圖概念和作用的基礎上，闡明兵棋地圖可視化設計的重要性，總結(jié)目前兵棋地圖可視化設計存在的問題和不足。以提高兵棋地圖可視化設計效率和改進其可視化表達效果為目的，將地圖模板技術運用到兵棋地圖可視化設計中，分析兵棋地圖可視化模板設計的影響因素，構建兵棋地圖可視化模板庫，并對其實現(xiàn)機制進行研究，最后給出應用實例，證明效果良好。

關鍵詞：兵棋；兵棋地圖；地圖模板；可視化設計

兵棋是指運用表示戰(zhàn)場環(huán)境和軍事力量的地圖和棋子，依據(jù)從戰(zhàn)爭和訓練實踐經(jīng)驗中抽象的規(guī)則，運用概念原理，采用回合制，模擬作戰(zhàn)雙方或多方?jīng)Q策對抗活動的工具[1]。兵棋由兵棋地圖、兵棋規(guī)則和棋子3要素組成[2]，它主要研究人員決策與兵棋事件之間的因果關系，以人為中心是兵棋區(qū)別于其他建模與仿真類型的標志[3]。隨著兵棋推演在我軍模擬訓練中重要性的不斷提高，對兵棋地圖的研究也日益深入，但當前的研究側(cè)重于兵棋地圖建模及其應用上，主要集中在對兵棋地圖構建原理、六角格網(wǎng)剖分、地形量化模型及其算法、基于兵棋地圖的路徑規(guī)劃等方面[4-6]；而兵棋地圖作為地圖本身，其主要作用之一就是通過可視化的方式傳遞戰(zhàn)場環(huán)境信息給兵棋推演者，使其快速認知并把握戰(zhàn)場環(huán)境特點，進而形成推演決策。由此可見，如何快速設計出適于認知的兵棋地圖意義重大。此處以兵棋地圖可視化為對象，以提高兵棋地圖可視化設計效率和認知效果為目的，借鑒地圖模板技術，展開相關研究。

1兵棋地圖及其可視化設計的現(xiàn)狀分析

1.1兵棋地圖可視化設計的重要性

兵棋地圖對兵棋推演區(qū)域內(nèi)影響作戰(zhàn)行動和武器裝備戰(zhàn)技性能發(fā)揮的戰(zhàn)場環(huán)境及其要素的表達，它隨著武器裝備的更新?lián)Q代，戰(zhàn)爭形態(tài)和作戰(zhàn)樣式的改變而不斷變化，主要體現(xiàn)在表達內(nèi)容不斷豐富，表達精度日益提高，表達形式漸趨多樣[7]。六角格兵棋地圖是目前最常見、應用最多的兵棋地圖，它以六角格網(wǎng)對戰(zhàn)場區(qū)域進行剖分，每個六角格里都對其所在區(qū)域的環(huán)境要素進行量化處理[8]，以定量描述其對作戰(zhàn)行動和武器裝備的影響。兵棋推演過程中，兵棋地圖作用體現(xiàn)在兩個方面：

1)兵棋地圖以數(shù)據(jù)方式向作戰(zhàn)模型傳輸戰(zhàn)場環(huán)境信息并參與模型計算，從而描述和表達戰(zhàn)場環(huán)境要素對作戰(zhàn)行動和武器裝備的影響規(guī)律；

2)兵棋地圖以可視化的形式供推演人員快速認知戰(zhàn)場環(huán)境及其特點，從而提高推演效率。

圖1描述兵棋地圖與兵棋棋子、兵棋規(guī)則和推演者之間的關系。由圖1可知，兵棋地圖是兵棋推演的環(huán)境依托，它制約著兵棋棋子的行動，會影響兵棋規(guī)則的制定；同時兵棋地圖還是兵棋推演人員認知戰(zhàn)場環(huán)境的主要工具，因此其可視化效果的好壞會影響推演人員對戰(zhàn)場環(huán)境的認知效率，進而影響兵棋的可推性。可見兵棋地圖可視化設計表達是衡量兵棋設計質(zhì)量的重要指標。

圖1　兵棋地圖在兵棋推演中的作用

1.2兵棋地圖可視化設計存在問題

兵棋地圖可視化設計是兵棋地圖設計的重要環(huán)節(jié)，兵棋地圖設計又是兵棋設計重要內(nèi)容之一。兵棋地圖可視化設計是指通過合理的符號與色彩設計、注記設計和圖面設計等，將兵棋地圖數(shù)據(jù)以符合人類認知規(guī)律的方式進行圖形化表達，使兵棋推演人員能夠快速認知戰(zhàn)場環(huán)境，并在此基礎上，通過對兵棋規(guī)則的簡單學習，快速掌握各戰(zhàn)場環(huán)境要素對作戰(zhàn)行動的影響規(guī)律，提高兵棋推演的效率。

表1列舉目前兵棋地圖幾種主要內(nèi)容要素(地貌、植被、水系、道路、居民地等)的可視化設計方法，其中每種要素的可視化方法都依順序給出對應的實例。通過分析可知，目前兵棋地圖可視化還存在以下幾個問題：

1)兵棋地圖可視化設計的方法較多，但這些方法有優(yōu)有劣，缺少從認知角度對這些可視化方法進行比較的實踐研究，從而無法總結(jié)提煉出可供重復利用的設計知識與經(jīng)驗。

表1　兵棋地圖可視化方法的現(xiàn)狀

2)沒有形成標準的兵棋地圖可視化方案，具體到每一款兵棋，其對應的兵棋地圖一般都需重新進行可視化設計，要做很多重復工作，不僅效率低，而且不利于保持推演人員的認知慣性。

2基于模板的兵棋地圖可視化設計

2.1模板概述

模板是建筑工程領域中非常熟悉的概念，后來被擴展應用于很多領域，其實質(zhì)是對領域?qū)＜抑R和經(jīng)驗進行歸納總結(jié)后形成的一種規(guī)范和標準。隨著計算機技術的出現(xiàn)和發(fā)展，模板技術在地圖制圖領域的應用也逐漸廣泛，出現(xiàn)地圖制圖模板，包括專題地圖制圖模板、電子地圖可視化模板、用戶界面模板等[9-11]，其優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)可以簡化復雜的地圖設計過程；2)可以給非專業(yè)制圖用戶提供專業(yè)級的設計指導；3)可以將設計經(jīng)驗和成果存入模板，便于重復使用；4)可以提高地圖設計效率，設計人員不用重復實驗和嘗試，通過模板就可以得到理想設計效果[12]。

2.2兵棋地圖可視化模板設計的影響因素

兵棋地圖可視化模板是指根據(jù)不同推演層級、不同地理區(qū)域、不同的作戰(zhàn)樣式以及其他條件，采用相應的適于人感受效果的符號體系和表現(xiàn)手法，將影響作戰(zhàn)行動和武器裝備性能發(fā)揮的戰(zhàn)場環(huán)境內(nèi)容要素突出地表示出來，使兵棋地圖層次分明、美觀清晰、色彩協(xié)調(diào)的可視化策略。因此，為設計兵棋地圖可視化模板，首先需要明確其影響因素。結(jié)合兵棋地圖可視化設計的相關實踐，兵棋地圖可視化模板設計的影響因素包括主觀因素和客觀因素。

主觀因素是兵棋地圖可視化的重要影響因素，地圖設計者的設計能力和技能水平?jīng)Q定地圖的表達效果。在客觀因素上，則主要受空間因素和時間因素的影響。對兵棋地圖而言，不同的空間，主要體現(xiàn)在兵棋推演地域范圍大小和推演地區(qū)的位置，這兩者決定推演地區(qū)的地形類型及其對應的地形要素，而推演地域范圍主要由推演的層次決定，通常，戰(zhàn)略級推演所跨地域范圍最大，戰(zhàn)術級推演地域范圍最小。

地形類型不同，其可視化方式也不同，例如我國東南地區(qū)的平原地形和西北地區(qū)的沙漠地形，在可視化上應有所不同。不同的時間，只要考慮季節(jié)因素和白晝因素，同一地區(qū)在不同的時間可視化方式也應該有所不同，例如春夏兩季植被茂盛，秋冬兩季植被凋零，對地貌色彩呈現(xiàn)上會有變化；晝夜明暗不同，也應該在可視化上予以區(qū)分。總而言之，就是使推演者通過閱讀兵棋地圖，快速進入兵棋推演的情境之中。

2.3兵棋地圖可視化模板庫構成

依據(jù)推演層次和地形類型，設計和構建如圖2所示的兵棋地圖模板庫。依據(jù)推演層次，將兵棋地圖分為戰(zhàn)略、戰(zhàn)役和戰(zhàn)術兵棋地圖；因服務于不同的推演層次，戰(zhàn)略級兵棋地圖中地貌和地物的概括性更強，綜合程度更高，而戰(zhàn)術兵棋地圖則對地貌地物的表現(xiàn)更具體；而可視化是基于內(nèi)容要素的，即內(nèi)容要素的確定是設計可視化方法的前提，因此將此三者作為兵棋地圖模板體系中的一級模板分庫。一級模板分庫中的每類兵棋地圖，依據(jù)作戰(zhàn)地域的地形類型，又分為平原地區(qū)兵棋地圖、丘陵地區(qū)兵棋地圖、山地地區(qū)兵棋地圖、水網(wǎng)地區(qū)兵棋地圖、島嶼地區(qū)兵棋地圖、海岸地區(qū)兵棋地圖和沙漠地區(qū)兵棋地圖，由此七者構成兵棋地圖模板體系中的二級模板分庫；每一個模板分庫由3個模塊組成，分別是符號與色彩模塊、注記模塊和圖面模塊，它們存儲因推演時間不同而設計的兵棋地圖可視化模板元素。由圖2可知，兵棋地圖可視化模板庫，主要由一級模板分庫、二級模板分庫、模板、模板元素4類要素構成。

圖2　兵棋地圖可視化模板庫

進行六角格兵棋地圖可視化模板設計應充分借鑒地圖符號設計、色彩設計和圖面設計的原則與方法，并總結(jié)和利用現(xiàn)有兵棋地圖可視化設計中的經(jīng)驗和知識，最終使設計的六角格兵棋地圖可視化模板層次分明、美觀清晰、色彩協(xié)調(diào)。

3基于模板的兵棋地圖可視化設計的實現(xiàn)方法

3.1基于模板的兵棋地圖可視化設計的實現(xiàn)機制

目前兵棋地圖可視化設計過程是在完成兵棋地圖基礎設計，即兵棋地圖數(shù)學基礎設計(六角格尺寸選取和地圖投影選取)、兵棋地圖內(nèi)容設計的基礎上，分別進行符號與色彩設計、注記設計和圖面設計等，需要做很多重復工作。而基于模板的兵棋地圖可視化設計，是在明確兵棋推演需求，進而利用地形量化模型及其量化算法完成兵棋地圖要素建模并形成兵棋地圖數(shù)據(jù)后，根據(jù)推演區(qū)域地形類型和推演時間等，通過兵棋地圖設計系統(tǒng)，以人機交互的方式，選取對應的可視化模板，直接完成兵棋地圖的可視化設計，其優(yōu)點是設計效率大大提高，設計效果也令人更滿意。基于模板的兵棋地圖可視化實現(xiàn)機制，是基于兵棋地圖可視化模板庫，在完成各類可視化模板設計，分別記錄各類兵棋地圖模板對應的色彩風格模塊、符號模塊和整飾模塊的具體屬性參數(shù)，并為各類兵棋地圖可視化模板對應屬性參數(shù)進行編碼，以編碼為索引，形成索引文件，通過人機交互界面中的菜單和對話框與索引文件進行綁定，建立對各類兵棋地圖可視化模板的調(diào)用機制。兵棋地圖設計人員只需要分析和明確兵棋地圖可視化設計的相關需求，選擇對應的可視化模板，即可完成兵棋地圖的可視化設計，圖3描述了兵棋地圖可視化的具體實現(xiàn)機制。

圖3　基于模板的兵棋地圖可視化實現(xiàn)機制

3.2要素疊加時的可視化處理方法

在兵棋地圖可視化過程中，相互疊加的要素之間因其符號交叉或重疊而存在圖形沖突，而這種沖突如果未經(jīng)處理，則會導致兩個問題：一是會導致要素語義表達順序上的邏輯性錯誤，例如，當公路和河流相交時，如果將河流置于公路之上，則顯然與現(xiàn)實情況不符；二是會因壓蓋而影響可視化效果。為解決第一個問題，此處提出基于“要素可視化優(yōu)先級”的方法，即明確兵棋地圖中的各類、各級內(nèi)容要素的可視化表達順序，以要素可視化順序的邏輯性來保證要素語義表達順序的邏輯性。如表2所示，按照從上到下、從左至右的順序，各類、各級兵棋地圖內(nèi)容要素的可視化優(yōu)先級為從高到低變化，要素優(yōu)先級越高，其可視化表達順序越靠前。

表2　要素可視化優(yōu)先級列表

對于第二個問題，需要進行具體分析和解決。在兵棋地圖中，點、線、面要素之間的重疊沖突有6種類型，此處針對其中最普遍的線與線的重疊沖突、線與面的重疊沖突提出解決方法。線與線的重疊沖突，主要體現(xiàn)在道路與道路、道路與河流之間的交叉處理；按照要素可視化優(yōu)先級進行處理，可解決道路與道路之間的交叉沖突；而道路與河流的交叉處，即道路通過河流的那一段，在現(xiàn)實中必然存在跨河的橋梁，因此在交叉處沿著道路配置一個橋梁符號，即可解決該問題。對于線面沖突，則主要體現(xiàn)在道路與面狀植被及面狀居民地的沖突，其解決方法是在重疊區(qū)域沿著道路兩邊生成某合適寬度的透明緩沖區(qū)，以消除道路對植被和居民地的壓蓋效果。

4基于模板的兵棋地圖可視化應用實例

采用C++語言，基于MFC 初步實現(xiàn)兵棋地圖可視化設計原型系統(tǒng)的主要功能模塊，它由文件管理模塊、地圖操作模塊、六角格網(wǎng)管理模塊、可視化模板管理模塊、交互式設計模塊組成。文件管理模塊主要負責兵棋地圖數(shù)據(jù)的加載、保存和輸出，地圖操作模塊負責顯示控制，六角格網(wǎng)管理模塊負責六角格屬性數(shù)據(jù)編輯，可視化模板管理模塊具有兵棋地圖可視化模板的添加、刪除、修改等功能，可視化交互設計模塊則負責為地圖可視化設計人員提供交互式的界面，以進行模板的選取和使用。

此處以平原地區(qū)、丘陵地區(qū)和沙漠地區(qū)的兵棋地圖的兵棋地圖可視化設計為例，進行基于模板的兵棋地圖可視化設計應用實例的展示，如圖4所示，三幅圖分別對應著上述3種類型的兵棋地圖可視化設計應用實例。由于在進行兵棋推演時，對抗雙方是位于兵棋地圖南北兩側(cè)或東西兩側(cè)，為了使兵棋地圖更加人性化，設計正反兩個圖例，讓對抗雙方都能從正面看到圖例。其中地貌、河流、植被、水系、交通、居民地等的可視化表達，充分考慮地形類型的影響。以地貌為例，平原地區(qū)地貌形態(tài)一般較簡單，起伏較少，農(nóng)業(yè)發(fā)達，交通較便利，為較好地表現(xiàn)該地區(qū)特點，以白色和淺綠色作為該地貌的基本配色；同理，丘陵地區(qū)兵棋地圖以淡青色為主色調(diào)，沙漠地區(qū)以淺黃色為主色調(diào)，并均通過采用逐級降低亮度的方法保證地圖的等級感和整體感。

圖4　平原、丘陵、沙漠地區(qū)兵棋地圖可視化模板實例

5結(jié)束語

兵棋地圖可視化設計效率和表達效果是兵棋地圖設計質(zhì)量的重要衡量指標，因此在充分研究模板技術在地圖設計與地圖制圖中的應用后，將其引入到兵棋地圖可視化設計中，并結(jié)合兵棋地圖的特點，分析兵棋地圖可視化模板的影響因素，并據(jù)此建立兵棋地圖可視化模板庫，探究基于模板的兵棋地圖可視化設計的方法和實現(xiàn)機制，并對其進行驗證，效果良好。

參考文獻：

[1]彭希文.兵棋—從實驗室走向戰(zhàn)場[M].北京:國防大學出版社,2013.

[2]楊南征.虛擬演兵:兵棋、作戰(zhàn)模擬與仿真[M].北京:解放軍出版社,2007.

[3]PERLA P,CURRY H.The art of wargaming: A Guide for Professionals and Hobbyists[M].USA: United States Naval Institute Press，2012.

[4]李坤偉，武志強，張欣,等.兵棋棋盤生成方法研究與實現(xiàn)[J].測繪科學技術學報，2014，31(4):436-440.

[5]楊倫，彭光春，黃健,等.兵棋推演中地形量化算法研究與實現(xiàn)[J].計算機仿真，2008，25(9):96-100.

[6]張俊恒.計算機兵棋中兵力機動路徑規(guī)劃研究[D].長沙：國防科學技術大學，2010.

[7]張欣，張寅寶.兵棋地圖的演進與評述[J].測繪與地理空間信息，2013，36(12) :2-25.

[8]繆坤，郭健，蘇旭明.產(chǎn)生式規(guī)則條件下的六角格地形量化方法[J].測繪科學技術學報，2015(1):96-100.

[9]馮濤，張亞軍，江南，等.基于模板的專題制圖數(shù)學模型構建和應用[J].測繪工程，2010，19(6):35-39.

[10] 謝超，陳毓芬，英杰，等.基于參數(shù)化模板技術的電子地圖設計[J].武漢大學學報(信息科學版)，2009,(8):954-958.

[11] 江南，夏麗華，代亞貞.基于模板技術的電子地圖顯示風格轉(zhuǎn)換的研究[J].測繪通報，2007(11) :26-29.

[12] 徐琳.基于模板技術的應急專題地圖設計與制造[D].鄭州：信息工程大學，2011.

[責任編輯：張德福]

Research on the visualization design of hexagonal war game map based on template

TANG Fen,WU Zhiqiang,ZHANG Xin,LI Kunwei,ZHANG Yinbao

(School of Geospatial Information,Information Engineering University,Zhengzhou 450052,China)

Abstract：War game map,as the carrier of battlefield environmental information,is one of the important compositions of war game.It is the tool for war gaming players to be aware of the battlefield.Based on the introduction to concept of war game map and its functions,the importance of war game map visualization design is illustrated and a conclusion of the existing problems in its designing process is analyzed.In order to improve the efficiency of war game map visualization design and make the resulting war game map more adaptive to read,the map template is used in the war game map visualization design.After analyzing the influencing factors of war game map visualization design,the construction work of war game map visualization template base is done and its realization scheme is studied.In the end,some application examples are given and the performance is good.

Key words：war game;war game map;map template;visualization design

中圖分類號：P208

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)04-0055-05

作者簡介：湯奮(1991-)，男，碩士研究生.

基金項目：河南省科技攻關計劃項目(142101510005)

收稿日期：2015-06-04