地形作戰(zhàn)性能分析數(shù)據模型建模*

張 德 ，張躍鵬 ，曾 軍 ，高 凱

（1.地理信息工程國家重點實驗室，西安 710054；2.解放軍61540部隊，西安 710054）

0 引言

地形基本作戰(zhàn)性能主要指地形對部隊機動、觀察、射擊、隱蔽、偽裝、防護、通信和工程構筑等方面的影響特性［1］。軍事地形分析系統(tǒng)是研究戰(zhàn)場地形環(huán)境對軍事行動和國防建設影響的信息系統(tǒng)，主要用于分析、評估和展示地形作戰(zhàn)性能及其對軍事行動的影響，重點關注地形各要素組合表現(xiàn)出來的整體作戰(zhàn)應用特性［2-3］。因此，地形作戰(zhàn)性能分析數(shù)據模型應該表達的是：地形分析、推理與輔助決策所關注的地形各要素綜合作用體現(xiàn)出來的機動、觀察、射擊、隱蔽、偽裝、防護、通信和工程構筑等基本作戰(zhàn)性能。

地形作戰(zhàn)性能分析數(shù)據模型是現(xiàn)實世界中影響地形作戰(zhàn)性能的地貌和地物實體及其相互關系的抽象描述，用以表達地形的結構、地貌和地物實體間的相互關系與語義約束。地形分析數(shù)據模型應支持直接或經適當處理快速提取所需的信息，能夠結合作戰(zhàn)單元具體任務，快速獲取地形單元及其屬性，能夠分析和判斷地形單元間的相互關系。由于地理現(xiàn)實世界的異常復雜性，不可能設計出一種通用的地理空間數(shù)據模型來適應所有的需求，某一模型通常在描述一類問題時具有優(yōu)越性，而應用到其他問題時，卻是低效的［4-5］。目前軍用地形圖數(shù)據模型主要用于刻畫和描述地理實體的個體特性及其在時間、空間和專題屬性方面的復雜關系［6］，表達的是地貌、水系、交通、植被、居民地、土質等具體要素和實體的特點，不能直接體現(xiàn)地形作戰(zhàn)應用特性，它適合于地理空間客觀表達和地形景觀的可視化。對于決策應用而言，與軍事行動密切相關的信息隱含在大量的地物、地貌及其隱藏的關系信息之中，利用軍用地形圖實體數(shù)據直接進行地形作戰(zhàn)性能分析，不僅數(shù)據處理流程長，重復處理環(huán)節(jié)多，而且因數(shù)據模型與應用需求相脫節(jié)，增加了地形分析建模的難度，降低了數(shù)據處理的效率，不利于指揮員準確把握戰(zhàn)場地形特點，進而趨利避害地利用地形。

為了解決現(xiàn)有軍用地形圖數(shù)據模型不利于地形作戰(zhàn)性能分析的缺點，本文增加一些軍用地形圖數(shù)據模型中缺少的元素，重點描述與軍事行動密切相關的地物、地貌及其之間存在的關系信息，提出一種適宜于地形作戰(zhàn)性能分析的數(shù)據模型建模方法，生成的數(shù)據模型能降低地形作戰(zhàn)性能分析的難度，提高地形數(shù)據處理效率。

1 地形作戰(zhàn)性能分析數(shù)據模型建模

數(shù)據模型是以一定方式組織起來的有足夠的抽象性和概括性的對客觀事物及其聯(lián)系的描述，這種描述包括數(shù)據內容的描述和各類實體數(shù)據之間聯(lián)系的描述［7］。數(shù)據模型由概念數(shù)據模型、邏輯數(shù)據模型和物理數(shù)據模型3個有機聯(lián)系的層次所組成［8］。概念數(shù)據模型是關于實體及實體間聯(lián)系的抽象概念集，它主要描述作戰(zhàn)性能分析中地形數(shù)據的概念結構，按用戶的觀點來對數(shù)據和信息建模，是對現(xiàn)實世界的抽象和概括綜合。概念模型的任務是確定所感興趣的現(xiàn)象及特性，描述實體間相互關系和完整性約束，目前廣泛采用的是基于平面圖的點、線、面的矢量數(shù)據模型和基于連續(xù)鋪蓋的柵格數(shù)據模型。矢量數(shù)據模型把現(xiàn)實世界的空間實體抽象地看作是由平面上的點、線、面組成，這些點、線、面之間存在著一定的空間關系，如相交、連接、連通和包含等拓撲關系。柵格數(shù)據模型是將連續(xù)空間離散化，即用二維鋪蓋或面片覆蓋整個連續(xù)空間，鋪蓋分為規(guī)則的和不規(guī)則的［9］。邏輯數(shù)據模型是表達概念數(shù)據模型中數(shù)據實體（或記錄）及其間關系［10］，通過一系列表格和數(shù)據記錄實現(xiàn)概念模型與用計算機語言描述實體之間的轉換。物理數(shù)據模型則是描述數(shù)據在計算機中的物理組織、存儲路徑和數(shù)據庫結構，涉及存儲設備、文件格式、訪問方法、數(shù)據位置等，從物理上來實現(xiàn)這些描述的方法。

數(shù)據建模是指把現(xiàn)實世界的數(shù)據組織為有用且能反映真實信息的數(shù)據集的過程。地形作戰(zhàn)性能分析數(shù)據建模過程分為三大步：1）建立概念模型，包括描述地形作戰(zhàn)性能分析數(shù)據所要表達應用空間現(xiàn)象的抽象概念、確定概念所包括的對象要素、設置概念之間的關系3個環(huán)節(jié)，它們之間順序關系是交互、循環(huán)的；2）建立邏輯模型，包括設計數(shù)據的總體組織模型、空間數(shù)據結構、數(shù)據的屬性和結構表；3）建立數(shù)據物理模型。其具體建模流程設計如圖1所示。

圖1 地形作戰(zhàn)性能分析數(shù)據模型建模流程圖

1.1 概念模型建模

地形的作戰(zhàn)性能指地形對部隊機動、觀察、射擊、隱蔽、偽裝、防護、工程構筑和通信等方面的影響特征。適宜于地形作戰(zhàn)性能分析的數(shù)據模型，是現(xiàn)實世界中影響地形作戰(zhàn)性能的地貌和地物實體及其相互關系的抽象描述，以及地貌和地物實體間的相互關系和語義約束，涉及有地表物質、植被、坡度、交通線和水系等［11］。例如：部隊機動性分為交通網絡機動性能、越野機動性能和空中機動性能。交通網絡機動性能分析涉及交通網絡通行數(shù)據，具體如路寬、路長、條數(shù)、道路是否能適宜通過等信息；越野機動性能分析則涉及地貌形態(tài)數(shù)據（坡度，坡向，地貌形態(tài)，變形與微型地貌）和地物土質機動越野性能數(shù)據；空中機動性能分析地貌形態(tài)數(shù)據、地物土質機/傘降性數(shù)據和地物飛行障礙數(shù)據。總之，不同地形的作戰(zhàn)性能分析，涉及的數(shù)據概念不同。數(shù)據概念不僅要能滿足地形作戰(zhàn)性能分析需求分析，也要能描述現(xiàn)實地形世界。

圖2 地形作戰(zhàn)性能分析數(shù)據總體概念模型

在抽象概念上，用UML（Unified Modeling Language，統(tǒng)一建模語言）描述如圖2所示。將地形作戰(zhàn)性能分析數(shù)據種類設計為16個大類和10個小類。16個大類包括元數(shù)據、地貌形態(tài)數(shù)據、交通網絡數(shù)據、地物土質越野通行數(shù)據、地物土質機/傘降數(shù)據、地物飛行障礙數(shù)據、地物隱蔽數(shù)據、地物遮蔽數(shù)據、地物掩蔽數(shù)據、地物偽裝數(shù)據、地物防護數(shù)據、土質構工作業(yè)數(shù)據、地物土質建材保障數(shù)據、地物方位標識數(shù)據、水源供給數(shù)據和土質彈藥彈殺數(shù)據。10個小類為柵格數(shù)據元數(shù)據、矢量數(shù)據元數(shù)據、DEM數(shù)據、坡度數(shù)據、坡向數(shù)據、地貌結構數(shù)據、變形與微型地貌數(shù)據、交通構筑物數(shù)據、道路數(shù)據和水域數(shù)據。

在概念與描述內容的設計上，元數(shù)據包括矢量元數(shù)據和柵格元數(shù)據。地貌形態(tài)數(shù)據包括DEM數(shù)據、坡度數(shù)據、坡向數(shù)據、地貌結構數(shù)據、變形與微型地貌數(shù)據。其中，地貌結構數(shù)據所描述的地形要素包括山頭、山頂點、山脊、山脊線、主山脊線、次山脊線、山脊線交匯點、山背、山腳、山腳線、山谷，山谷線、鞍部、鞍部點和防界線，其概念模型結構如圖3所示，其他類型數(shù)據概念模型結構與之相類似，不再贅述。變形與微型地貌數(shù)據所描述的地形要素包括沖溝、陡崖、崩崖、滑坡、溶洞、山洞。交通網絡通行數(shù)據包括交通構筑物數(shù)據、道路數(shù)據和水域數(shù)據。其中交通構筑物數(shù)據所描述的地形要素包括橋梁、隧道、碼頭、車渡、高速公路入口、堤壩、閘等。道路數(shù)據所描述的地形要素包括鐵路、公路、城市道路、鄉(xiāng)村道路等。水域數(shù)據所描述的要素包括海、河渠、湖泊、水庫、池塘、堤壩、閘等。

圖3 地貌結構概念模型

圖2 中，在相互關系、語義約束上，這16大類和10小類數(shù)據通過元數(shù)據建立聯(lián)系，坡度、坡向、地物掩蔽性、地物土質越野通行性等通過柵格數(shù)據元數(shù)據建立聯(lián)系；地貌結構、變形與微型地貌、道路、水域等通過矢量數(shù)據元數(shù)據建立聯(lián)系，共同來描述地形作戰(zhàn)性能空間的地形數(shù)據之間的聯(lián)系，它們之間是關聯(lián)、包含，派生的關系。圖3中各類數(shù)據之間的關系主要是包含關系，既有1對0，1對1，也有1對多的關系。

1.2 邏輯模型建模

作戰(zhàn)地理區(qū)域是數(shù)據組織的基本單元，也是數(shù)據操作和數(shù)據應用的基本單元，區(qū)域的大小可根據戰(zhàn)場地理空間范圍確定。將作戰(zhàn)地理區(qū)域的地形作戰(zhàn)性能分析數(shù)據結構分為矢量數(shù)據、柵格數(shù)據和文本數(shù)據。矢量數(shù)據按矢量數(shù)據層組織，數(shù)據層要素采用點（IGIS_Point）、線（IGIS_Line）、面（IGIS_Area）表達。柵格數(shù)據按柵格要素（IGIS_Raster）數(shù)據塊組織。地形作戰(zhàn)性能分析數(shù)據邏輯組織模型如下頁圖4所示。

圖4中m的值為5，n的值為14。在空間數(shù)據結構上，用矢量數(shù)據層描述的數(shù)據包括變形與微型地貌數(shù)據、地貌結構數(shù)據、交通網絡通行數(shù)據、地物飛行障礙數(shù)據和水源供給數(shù)據；用柵格數(shù)據層描述的數(shù)據包括DEM數(shù)據、坡度數(shù)據、坡向數(shù)據、地物土質越野通行數(shù)據、地物土質機/傘降數(shù)據、地物隱蔽數(shù)據、地物遮蔽數(shù)據、地物偽裝數(shù)據、地物防護數(shù)據、土質構工作業(yè)數(shù)據、地物土質建材保障數(shù)據、地物方位標識數(shù)據和土質彈藥彈殺數(shù)據；用文本數(shù)據描述的數(shù)據包括矢量元數(shù)據和柵格元數(shù)據。

依據地形作戰(zhàn)性能分析的需要，設計上述每種數(shù)據的結構表和屬性，例如交通網絡通行數(shù)據中的水域數(shù)據的數(shù)據結構表及屬性，見下頁表1所示，其他種類的矢量數(shù)據結構表和元數(shù)據結構表進行類似設計，地形作戰(zhàn)性能分析柵格數(shù)據采用通用的柵格數(shù)據結構即可。

圖4 地形作戰(zhàn)性能分析數(shù)據總體組織模型

表1 水域數(shù)據結構表

1.3 物理模型建模

物理數(shù)據模型是概念模型在計算機內部具體的存儲形式和操作機制，其物理體現(xiàn)就是數(shù)據庫結構或文件系統(tǒng)結構，在專門的存儲設備中設置專門存儲區(qū)域存儲各類數(shù)據。地形作戰(zhàn)性能分析數(shù)據總目錄為MTBCAD（軍事地形作戰(zhàn)性能分析數(shù)據，MTBCAD，Military Terrain Battle Capacity Analysis Data），采用文件系統(tǒng)結構，每一種數(shù)據存儲為一個文件，分別存儲元數(shù)據、矢量數(shù)據和柵格數(shù)據，其文件系統(tǒng)中的數(shù)據按區(qū)域、元數(shù)據、矢量數(shù)據，柵格數(shù)據及各種數(shù)據文件名進行存儲，將存儲目錄結構組織如下頁圖5所示。

2 試驗驗證

采用Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境，應用地形分析數(shù)據模型構建地形分析試驗系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)的運行環(huán)境為：DELL XPS 9000計算機，配置為Intel（R）Core（TM）i7，2.67 GHz雙核處理器，3 GB DDR3 內存，NVIDIA GeForce GTX 260顯存1 GB獨立顯卡。試驗數(shù)據地貌類型選擇在丘陵地區(qū)，包括5個區(qū)域。每個區(qū)域覆蓋2幅~4幅1∶5萬地形圖范圍，按照150 km2~200 km2（大體與旅團防御地幅相當）的長方形區(qū)域對地圖覆蓋區(qū)任一地域進行裁剪與分析試驗。試驗內容主要涉及地貌形態(tài)數(shù)據與常用的地形基本作戰(zhàn)性能分析功能，應用的數(shù)據模型為地形分析數(shù)據模型與傳統(tǒng)地形圖數(shù)據模型，其結果如表2、圖6所示。表2中灰色區(qū)域數(shù)據為基于地形作戰(zhàn)性能分析數(shù)據模型執(zhí)行地形分析功能所消耗時間，白色區(qū)域為基于傳統(tǒng)地形圖數(shù)據模型執(zhí)行地形分析功能所消耗時間，圖5為基于地形作戰(zhàn)性能分析數(shù)據模型相對于傳統(tǒng)地形圖數(shù)據模型的分析處理效率提升情況。

圖5 數(shù)據存儲目錄組織示意型

圖6 分析處理效率提升情況

表2 地形分析功能試驗對比（單位：s）

試驗表明，基于地形分析數(shù)據模型能夠較方便地支撐各種地形分析功能的編程實現(xiàn)，相對傳統(tǒng)地形圖數(shù)據模型而言，數(shù)據處理及其實現(xiàn)更為簡單，這是因為地形分析數(shù)據模型的矢量、柵格數(shù)據都是針對地形分析處理的實際需要進行了簡化和組織。此外，由于許多耗時的數(shù)據處理工作已在數(shù)據建模階段完成，而且避免了許多冗余的數(shù)據處理工作，基于地形分析數(shù)據模型的數(shù)據處理響應速度明顯加快。各種分析處理功能效率提高程度不一，這是地形分析數(shù)據模型中各要素層表達基本作戰(zhàn)性能的程度不同造成的，各要素層參數(shù)有的能直接表達，有的需要間接表達，以適應各種地形作戰(zhàn)性能分析應用的需要。

3 結論

地形分析數(shù)據模型是從地形影響作戰(zhàn)行動的視角對地形的抽象、概括和表達，能夠更直接地體現(xiàn)地形的作戰(zhàn)應用特性，它將傳統(tǒng)的地形分析流程拆分為數(shù)據模型構建與應用分析兩個階段，把復雜問題進行了分解，優(yōu)化了數(shù)據處理流程，使許多耗時的數(shù)據處理工作在數(shù)據建模階段完成，避免了大量頻繁的基本作戰(zhàn)性能重復計算工作，大幅度提高最終用戶實施地形分析的響應速度，從而有效地簡化了地形分析復雜程度。試驗表明，該模型具有合理性和可行性，能夠滿足地形分析的需要。本文中提出的地形作戰(zhàn)性能數(shù)據概念模型是基本架構，能夠根據應用系統(tǒng)需要對相應概念的內涵進行擴展和完善，并在此基礎上可采用多種邏輯和物理表達方式進行描述。