基于Skyline的全過程作戰行動可視化仿真

陽燁涵，解文彬

（中國人民解放軍陸軍工程大學指揮控制工程學院，南京210000）

0 引言

全過程作戰三維仿真涉及很多因素：除了地形，模型及附屬設施之外，觀察角度、任意時間推進、氣象模擬、模型與實體真實比例建模縮放、能見度模擬等都是難點，在實現過程中需要解決以下問題：①作戰區域的三維地形構建，我們采用Skyline TerraBuilder將航片、衛星影像與地形數據、數字高程模型以及各種矢量地理數據相疊加，再將多種不同分辨率數據融合、坐標變換和剪裁，構建出支持Skyline的mpt格式的場景文件。②作戰模擬環境和實體的仿真的可信度和逼真度需求，只有提高模型與環境的分辨率和真實度，才能減小模擬仿真時技術問題帶來的現實戰場與模擬作戰環境的差別。實現上述功能需求，主要面臨著以下三個技術難點問題：①構建高分辨率的作戰模擬仿真地形，排除環境干擾，貼合真實作戰行動。②作戰仿真行動的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對運動物體的排列，速度加速度的調整，模型比例的分配。

1 實現方法

Skyline可以利用二三維數據搭建出一個對真實世界進行模擬的三維場景。TerraBuilder地形建立產品從圖像和高程數據中創建三維地形數據庫，構建出支持Skyline的mpt格式的場景文件，同時使用軟件VirtuoZo 2014，利用數字影像或數字化影像完成攝影測量作業，創建出如同真實照片般的地理精準的三維地球模型。通過疊加航片、衛星影像、數字高程模型以及各種矢量地理數據，迅速方便地創建海量三維地形數據集，并提供給TerraExplorer客戶端進行數據層和其他內容的疊加。TerroExplorer Pro用戶可以根據需求，實現三維目標動態創建、位置移動以及屬性改變以及TerraBuilder產生的地形文件基礎上，通過創建編輯二三維圖形圖標、文字、三維模型、動態物體、瀏覽路徑、業務矢量等構建三維場景。同時通過TerraExplorer家族產品，用戶能夠進行空間分析、對象編輯、圖層疊加等操作，還可以通過API進行用戶化定制，快速創建用戶所需的三維GIS系統。3ds Max軟件可生成專業品質的三維動畫、渲染和模型。基于3ds max平臺創建了以.3DS格式的武器裝備模型，房屋模型，戰術行動模型如圖所示。再導入由Skyline創建的三維場景中，使用TerraBuilder進行地勢的修改和重組，并添加了陰影效果使環境更加真實。TerraExplorer創建營房與場地環境和迷彩大地的貼圖，實現在復雜天氣情況下的作戰行動可視化，這些數據詳細描述了作戰行動仿真的過程［1］。

圖2 在3ds Max中構建與渲染的3D模型

2 場景加載

2.1 數據搜集

基于互聯網的圖像和數字高程模型數據精度普遍較低，難以滿足高精度地形模型的構建。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，分辨率只有30 m左右；谷歌地球的數字高程模型為SRTM數據，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，數字高程模型的分辨率必須達到5 m。因此，使用軟件Virtuo?Zo 2014將航片、衛星影像與地形數據、數字高程模型以及各種矢量地理數據相疊加，再將多種不同分辨率數據融合、坐標變換、和剪裁，構建出航攝影像支持Skyline的多項加工樹模型（multino?mial processing tree models，MPT）格式的場景文件。將正射影像和數字高程模型導入渲染引擎，完成高精度地形模型構建。

2.2 數據處理

采用數字攝影測量方法進行數據處理，使用軟件VirtuoZo 2014，VirtuoZo NT系統是全數字攝影測量系統。此系統是基于Windows NT的全數字攝影測量系統，利用數字影像或數字化影像完成攝影測量作業。由計算機視覺（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，不再需要傳統的光機儀器。

圖3 使用VirtuoZo 2014創建的地形文件

圖4 采用數字攝影測量方法進行數據處理

圖5 支持Skyline的高精度地形模擬場景文件

3 作戰仿真過程

以一次作戰分隊單元集合、轉移、發射并撤收的行動仿真為例，以下圖片包含了一個軍隊作戰行動單元從集合至撤收的全部過程：圖6為作戰分隊單元正在營區集合，圖7為軍隊作戰分隊單元正在按照規定路線轉移，圖8為軍隊作戰分隊單元準備發射，圖9為軍隊戰術分隊單元正在撤收。3D模型運動速度為30 km/h，加速度為20km/h，轉彎速度為90 km/h。同時，現代戰爭戰場環境瞬息萬變，圖10模擬了真實戰場作戰時爆炸的情況下軍隊作戰分隊單元的轉移；為真實地呈現出模擬惡劣戰場環境的多變性，實現在復雜天氣情況下的真實戰場行動，圖11、圖12為仿真雨雪天氣下的軍隊作戰分隊單元的轉移。

圖1 在3ds Max中構建的3D模型

圖6 為軍隊作戰分隊單元集合準備行動的過程，模擬場景真實的展現了作戰分隊的編制以及營區的真實場景。

圖6 軍隊作戰分隊單元正在營區集合

圖7 為作戰分隊單元正在按照規定路線轉移的仿真過程，我們設定的路線為環繞發射場轉移。該仿真過程模擬了現實的速度與加速度，為現代戰爭中作戰分隊單元轉移時間精度的估算有著重要的意義。

圖7 軍隊作戰分隊單元正在按照規定路線轉移

圖8 為軍隊作戰分隊單元準備發射，可以看到發射車輛和裝置已經到達指定地點準備就緒，面朝發射場地，其余營區的車輛和發射裝置以及操作人員在周圍待命。

圖8 作戰分隊單元準備發射

圖9 為軍隊作戰分隊單元轉移到指定地點成功發射后撤收的過程，通過圖可知該圖的描述為所有作戰分隊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害），按照原計劃原路撤收的過程，營區其他裝備車輛和操作人員沒有接到緊急撤收的任務前原地待命。

圖9 軍隊作戰分隊單元正在撤收

圖10 為作戰分隊單元撤收時遭遇敵火力打擊的緊急情況，轉移的作戰分隊單元改變原計劃機動至另一條路隱蔽觀察敵情，值班人員迅速在發射臺向上級匯報緊急情況請求指示，指揮人員下達戰備等級轉換任務，營區內所有人員轉入一級戰備狀態，檢查彈藥數量和火力剩余情況。其余兵力出動掩護戰斗分隊安全轉移至指定地點。該情況同時適用于分隊轉移時。

圖10 模擬戰斗時爆炸情況下作戰分隊單元的撤收

圖11 為作戰分隊單元撤收時遭遇惡劣天氣的影響，此圖模擬了西北風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性能故障或損壞，且積雪會導致輪胎打滑和車輛操作不穩，且暴雪天氣直接影響了車輛間的短波通信，因此應立即觀察周圍情況是否危險，將作戰分隊行動單元轉移至指定隱蔽地點并出動第二分隊首車尾車一起撤收，分別警戒前后，防止自然災害導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分隊單元轉移時。

圖11 在惡劣天氣下的軍隊作戰分隊單元撤收行動（雪）

圖12 為東北風9級暴雨情況下的軍隊作戰分隊單元撤收過程，積雨會導致車輛性能不穩以及輪胎打滑影響撤收進程與速度等。暴雨惡劣天氣不同于暴雪，如果防護不妥當，會直接影響車輛駕駛的安全甚至營區安全，突發此類情況應迅速觀察周圍情況是否危險，派出人員進行現地勘察，將戰術分隊轉移至勘察過后的安全隱蔽的高點，防止自然災害導致通信受阻、車輛因暴雨而短路損壞。該仿真模擬方案同時適用于戰術分隊轉移時。

圖12 在惡劣天氣下的軍隊作戰分隊單元撤收行動（雨）

4 結語

本文針對作戰行動仿真數據的特點，使用3ds Max和VirtuoZo 2014構建的MPT高精度場景文件，在基于skyline的平臺基礎上，利用提供的二次開發接口，實現在復雜天氣情況下的作戰集合、執行發射任務、轉移、撤收等的研究，對于突發情況和自然災害處置方案進行完整全面的分析研究，實現了某分隊作戰行動全過程仿真，解決了信息仿真展示中遇到的問題。可以對作戰分隊單元轉移與撤收的進行成千上萬次精準推算，甚至對于部隊的精準打擊時間，和聯合作戰行動起到重要的作用，對作戰行動規劃、戰斗部署計劃、突發情況和自然災害的處置以及偽裝效果評價等均有著重要意義。