一種基于數(shù)字地球技術的戰(zhàn)場環(huán)境研究演示系統(tǒng)實現(xiàn)方法

引 言

美軍從 20 世紀 60 年代開始開展戰(zhàn)場環(huán)境研究，并于 80 年代后期從實驗室進入了實用化階段。通過戰(zhàn)場環(huán)境與軍事態(tài)勢的融合，滿足其聯(lián)合作戰(zhàn)對戰(zhàn)場信息的可視化需求。在作戰(zhàn)中，通過戰(zhàn)場環(huán)境研究平臺，實時推送關鍵地區(qū)詳細環(huán)境資料，在前方執(zhí)行單位便攜式設備上以三維可視化方式呈現(xiàn)，前線士兵可借助配備的傳感器在戰(zhàn)場環(huán)境上互動。目前，隨著信息技術的飛速發(fā)展，尤其是軍民融合戰(zhàn)略的深度實施，我國戰(zhàn)場環(huán)境研究相關技術與解決方案已經(jīng)有了很大突破。

數(shù)字地球技術已從 20世紀末發(fā)展至今，數(shù)字地球建設是一場意義深遠的科技革命。數(shù)字地球是將有關地球、海量、多分辨率、三維、動態(tài)的數(shù)據(jù)按照地理坐標集成起來的虛擬地球，主要由文本數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、應用模型及操作平臺組成。這些數(shù)據(jù)包括全球性各種比例尺的地理空間數(shù)據(jù)，各類高分辨率、多波段、多時相的對地觀測影像，各類不同比例尺的數(shù)字專題圖，以及相應的以文本形式表現(xiàn)的有關可持續(xù)發(fā)展、資源、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、人口、災害、氣候、水文循環(huán)、地理、生物、生態(tài)系統(tǒng)、教育等不同類別的數(shù)據(jù)。隨著云計算、高速計算機技術的發(fā)展，海量數(shù)字地球數(shù)據(jù)的計算越來越具備可行性。從戰(zhàn)略角度分析，數(shù)字地球是全球性的發(fā)展戰(zhàn)略目標，數(shù)字地球是未來信息資源的綜合平臺與集成，現(xiàn)代社會擁有信息資源的重要性更基于工業(yè)經(jīng)濟社會擁有自然資源的重要性，擁有數(shù)字地球等于占據(jù)了現(xiàn)代社會的信息戰(zhàn)略制高點。

1 系統(tǒng)組成

本文基于數(shù)字地球技術，通過對海量數(shù)據(jù)二次加工，給出一種戰(zhàn)場環(huán)境研究演示系統(tǒng)的組成與實現(xiàn)方法，并對系統(tǒng)軟件組成內容進行介紹，從系統(tǒng)實現(xiàn)效果可看出本文方法可行有效。

本文戰(zhàn)場環(huán)境研究演示系統(tǒng)采用數(shù)字地球技術，通過集成自然環(huán)境數(shù)據(jù)、社會環(huán)境數(shù)據(jù)、基礎地理數(shù)據(jù)、指揮控制平臺數(shù)據(jù)、武器平臺數(shù)據(jù)等各類與作戰(zhàn)相關的數(shù)據(jù)，建立作戰(zhàn)模型。通過對相關作戰(zhàn)影響因素的分析，形成作戰(zhàn)場景。對各類作戰(zhàn)相關裝備平臺數(shù)據(jù)進行部署分配，形成作戰(zhàn)兵力部署。通過對作戰(zhàn)過程的任務流程建模，使用統(tǒng)一的時空基準對海量數(shù)據(jù)進行關聯(lián)與組織，最終形成作戰(zhàn)過程的可視化與過程推演可研究。系統(tǒng)組成如圖 1 所示。

圖 1 戰(zhàn)場環(huán)境研究演示系統(tǒng)組成

系統(tǒng)要實現(xiàn)各類海量數(shù)據(jù)集成處理，需要完備的底層硬件支撐，包括大容量信息集成服務器、高速數(shù)據(jù)交換設備及高性能數(shù)據(jù)處理計算機等。在現(xiàn)有技術發(fā)展水平下，以上底層硬件需求相對較容易滿足，本文對底層硬件建設不做過多介紹，重點介紹系統(tǒng)軟件組成部分。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)方法

2.1 數(shù)據(jù)集成處理

本文戰(zhàn)場環(huán)境演示系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)采用在線免費下載、采購及按需制作加工等方式獲取。由這些不同方式獲取到的數(shù)據(jù)的存儲格式及提取與處理手段也各不相同，形成了多種格式原始數(shù)據(jù)，再加上 GIS應用系統(tǒng)長期處于以項目為中心的孤立發(fā)展狀態(tài)，很多 GIS系統(tǒng)都擁有自己的數(shù)據(jù)格式，使得數(shù)據(jù)共享問題尤為突出。

數(shù)據(jù)集成將各類應用系統(tǒng)資源與數(shù)據(jù)資源進行格式轉換，并將各類相關數(shù)據(jù)進行合并，最終在信息服務器內形成統(tǒng)一格式的地圖影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)及矢量數(shù)據(jù)，最終應用于演示系統(tǒng)。數(shù)據(jù)集成處理主要需解決數(shù)據(jù)來源問題、格式轉換以及數(shù)據(jù)合并等問題。數(shù)據(jù)集成流程如圖 2 所示。

圖 2 數(shù)據(jù)集成流程

2.2 基礎地理地圖標繪

演示系統(tǒng)在二、三維地圖上通過點、線、面等常規(guī)標繪工具，對道路、橋梁、河流、島嶼、村莊、醫(yī)院、學校、工廠、碉堡、飛機場、炮兵發(fā)射陣地、防空區(qū)、巡邏區(qū)等戰(zhàn)略目標進行標繪，真實作戰(zhàn)時預演，進行真實數(shù)據(jù)標繪，進行假想戰(zhàn)爭戰(zhàn)術演練時，按需求進行模擬數(shù)據(jù)標繪。

基礎地理地圖標繪內容包括目標經(jīng)緯度信息、高度信息， 有效區(qū)域范圍、標識信息等。通過底層數(shù)據(jù)加載，按照戰(zhàn)場環(huán)境特點，對重點區(qū)域與目標進行突出顯示，為作戰(zhàn)演示提供基礎內容標注。

2.3 作戰(zhàn)要素資源庫與作戰(zhàn)兵力部署

作戰(zhàn)要素資源包括各種戰(zhàn)機、坦克、火炮、火箭、導彈、雷達、航母、戰(zhàn)艦、潛艇等軍事對象資源。戰(zhàn)場環(huán)境演示系統(tǒng)按照統(tǒng)一格式進行數(shù)據(jù)元素填充，提供常見的作戰(zhàn)信息資源庫，并提供一套可擴展的要素資源庫?？蓴U展的作戰(zhàn)要素資源庫為系統(tǒng)適應各類作戰(zhàn)場景構設與演示提供可實現(xiàn)性。

作戰(zhàn)兵力部署編輯可根據(jù)戰(zhàn)場場景構設需要，編輯紅方與藍方兵力部署，并標注兵種與數(shù)量，最終形成兵力部署態(tài)勢圖，并對作戰(zhàn)場景中相關的兵力作戰(zhàn)路徑進行規(guī)劃。

2.4 任務流程建模與場景動態(tài)回放推演

通過將二、三維地理信息數(shù)據(jù)與作戰(zhàn)想定內容相結合， 對作戰(zhàn)任務流程按照需求進行建模。對想定內容進行集成， 驅動各領域相關模型，實現(xiàn)動態(tài)目標的航跡管理與靜態(tài)目標的狀態(tài)變換。真實再現(xiàn)作戰(zhàn)過程中的信息流動與作戰(zhàn)行動的動態(tài)演化，利用三維可視化技術將任務流程可視化，為作戰(zhàn)效能評估提供逼真的戰(zhàn)場環(huán)境模擬與數(shù)據(jù)支持。

戰(zhàn)場環(huán)境演示系統(tǒng)的最終目標是實現(xiàn)作戰(zhàn)場景的真實再現(xiàn)，需要基于全時空統(tǒng)一線，對集成、同化及融合的空間態(tài)勢感知信息進行處理，利用數(shù)字地球二、三維 GIS 系統(tǒng)，展現(xiàn)時空一體化作戰(zhàn)場景，并能支持時刻跳轉、事件跳轉、倍速變更等交互操作。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)效果

本文戰(zhàn)場環(huán)境演示系統(tǒng)實現(xiàn)情況分別如圖 3 ～圖 6 所示。

圖 3 基礎地理地圖標繪示意圖

圖 4 作戰(zhàn)要素資源入庫管理

圖 5 戰(zhàn)場兵力部署示意圖

圖 6 任務流程可視化與場景動態(tài)推演

圖 3 ～圖 5 為在我國南海海域開展的一次軍事對抗所進行的作戰(zhàn)假想。從圖 3 基礎地理信息標繪情況可以看出，該系統(tǒng)能夠按照作戰(zhàn)需求，進行作戰(zhàn)區(qū)域標注，并對其中的重點目標進行突出顯示。圖 4 為演示系統(tǒng)可支持作戰(zhàn)要素資源進行管理的示意圖。圖 5 展示了戰(zhàn)場紅藍雙方兵力部署、各方武器裝備配置情況。 圖 6 以 2018 年 4 月 14 日美英法打擊敘利亞作戰(zhàn)過程為素材，表明展示系統(tǒng)具有實現(xiàn)任務流程可視化與場景動態(tài)推演的能力。

4 結 語

本文利用數(shù)字地球技術，給出了一種戰(zhàn)場環(huán)境演示系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，介紹了系統(tǒng)組成與各部分功能模塊的功能需求，并展示了實現(xiàn)效果。從實現(xiàn)效果可以看出，本文所述演示系統(tǒng)能夠實現(xiàn)假想作戰(zhàn)與真實作戰(zhàn)場景的構設與推演，滿足戰(zhàn)場環(huán)境研究的基本需求，可應用于戰(zhàn)場環(huán)境研究與作戰(zhàn)教學應用。

隨著科技的高速發(fā)展，本文所述系統(tǒng)可增加虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）及混合現(xiàn)實（MR）等可視化技術，擴展應用接口，增加作戰(zhàn)影響因素分析等功能，以滿足更高的應用需求。