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基于GIS三維可視化仿真技術的虛擬戰場地形研究
摘要 論文首先討論了GIS的概念及相關技術，重點討論了基于GIS三維可視化仿真技術的虛擬戰場地形的關鍵技術和實現過程。包括：基于GIS實現的原理，虛擬戰場地形的建模，可視化的操作和。并結合實例進行了說明。實驗結果表明用該開發的虛擬戰場三維地形環境仿真系統具有良好的用戶界面和形象逼真地動態地形顯示效果。關鍵詞 GIS技術 三維可視化 數字模型 虛擬戰場地形
0 引言
近年來，隨著GIS和虛擬現實（VR）技術的，軍事演習和指揮決策在概念上有了新的飛躍，通過建立虛擬作戰實驗室來進行軍事訓練和。利用基于GIS三維動態可視化仿真技術，場景建模技術和圖形圖象處理技術，開發出關于某一特定的戰場地形區域的真實全面的虛擬戰場地形環境系統，使指揮人員有身臨其境的體驗。
1 GIS及其可視化原理
1．1 GIS簡介
地理信息系統（GIS）是一門地學空間數據與機技術相結合的新型空間信息技術。它以空間數據庫為基礎，在計算機軟硬件的支持下，對空間數據進行采集，管理，操作，分析和顯示，并采用地理模型分析法，適時提供多種空間和動態地理信息的計算機系統。近幾年來把GIS技術用到軍事上的戰場地形的研究已經取得了不少的進步。
1．2 基于GIS的圖形表達
GIS中的圖形以矢量表示和存儲的。圖形的實質就是空間點在三維平面的投影，可以分解為：點，線，面，體等幾種不同的圖形元素。因為矢量化圖形的各個部分可以用數學的方法加以描述，可以對其進行任意的變換，放大，縮小，旋轉，變形，移位，疊加等，并保持圖形的空間拓撲關系不變。而且矢量圖形的基本組成是點，線，面，體，可以進行單獨定義，控制，操作，分析，查詢圖形對象的空間信息及其相關的屬性信息。
1．3 基于GIS的戰場地形信息的組織
GIS將空間實體對象用空間數據和屬性來共同描述并分別存儲。前者描述實體的數據和拓撲關系等，后者描述實體的屬性和兩者的關聯標識，空間數據和屬性數據通過內部代碼和用戶標識碼作為公共數據項連接起來，使得空間對象的每個圖元與描述圖元的屬性一一對應起來（如圖1）。利用GIS特有的混合空間數據組織形式為反映戰爭中復雜的地形環境提供了條件。戰場數字建模是把客觀存在的戰場地形環境實體在計算機中用真實的空間位置來表示，實現了地形空間實體與屬性數據一一對應（如圖2）。
2 三維虛擬戰場地形的可視化數字建模
2．1 DEM地形數據的組織和表達
地表數字地形模型（Digital Terrain model，即DTM）是虛擬戰場地形模型的重要組成部分。三維地形數據結構是構造虛擬戰場地形環境的基礎，關鍵技術是DEM（數字高程模型）的表達。對DEM數據的組織較多的用不規則三角網（Triangulated Irregular Network，即TIN）模型或規則網格（GRID）模型（如圖3）。TIN模型是由分散的地形點按照一定的規則構成的一系列不相交的三角形網組成，所表示的地形表面的真實程度由地形點的密度決定，并能充分表現高程細節的變化，適合于地形復雜的地區。TIN可以利用原始高程點重建地形表面，地形平坦的地方多邊形較少；復雜的地區多邊形較多，對地形的描述具有很好的合理性。GRID模型具有較小的存貯量和簡單的數據結構。
對復雜的戰場地形的建立一般用TIN。TIN的存貯采用文件集的形式，每個文件存貯網格的節點坐標，高程坐標，節點號，空間索引標識，邊界，渲染和文件指針等信息。建立地形實體DTM一般由地形等高線原始數據按一定的算法生成TIN。算法包括Delaunay三角形的分治算法，點插入法和三角網生長法。這些算法都遵循以下原則：
a)TIN的唯一性。
b)使每個三角形盡最大可能接近等邊三角形。
c)三角形的邊長總和最小。
對初始的TIN，應消除由于等高線數據過于密集或采集信息缺少而形成的細小的，狹長的三角形，來提高TIN的精度。
根據GIS地形信息組織的基本原理，對TIN的數據結構的組織，采用了面向對象的程序設計思想，以Visual C++6.0 為開發語言，設計了CTinLine三個點的主要成員。
1． 測量點類：
Class CsurveyPoint: Public CObject
{.............
Float x, y, z; //點x ,y ,z的三維坐標，由數字勘測系統外業獲取
Int SvyPtID //點的ID號隱含屬性信息
CsurvyPoint *Next; //單向鏈表，用于數據管理
..........操作函數.......
}
2. 三角形邊類
Class CtinLine: Public CObject
{.............
CsurvyPoint *P1, *P2; //指向三角形的兩端點
int TinLineID; //三角形邊的ID號
int left , right; //三角形的左右三角形號
CtinLine *Next; //指向下一個節點索引的指針，形成單向鏈表
................
}
3. 三角形CTIN類
Class CTin: Public CObject;
{.............
CsuryPoint *P1， *P2， *P3；
或CtinLine *TL1, *TL2, *TL3; //三角形三個點或三條邊的指針
int Tr1, Tr2, Tr3; //三角形三個相鄰的三角形的索引值
Ctin *Next //下一個三角形的索引，形成單向鏈表
..............
}
所開發三維地形仿真成圖系統建立的不同的TIN數目的地形平面模型圖（含高程值）如圖4 圖5所示。
2．2 地形實體的數字建模
用GIS的空間數據組織結構實現地形環境實體的數字建模。按照地形對象的屬性，可以將地形對象分為點，線，面，體四類數據結構來表達。
下面給出某山體地形環境的存貯結構：
Struct HillPart {
int Part_ID; //山體局部標識
char Part_Code; //山體局部編號
Struct Body *BodyList; //山體局部數組
Attributes_List //山體局部屬性列表
}
Struct Body {
int Body_ID; //體標識
int Part_ID; //包含該體的山體局部標號
char Patt_Code; //山體局部編號
int Body_Type; //體構造類型
Struct Mesh *MeshList; //構成體的面數組
Attributes_List; } //體屬性列表
Sruct Mesh {
int Mesh_ID; //面標識
int Body_ID; //包含該面的體標識
char Part_Code; //山體局部編號
int Mesh_Type; //面構造類型
Srucut Line *LineList; //構成面的線數組
Attributes_List; //面屬性列表
}
Struct Line {
int Line_ID; //線標識號
int Mesh_ID; //包含該線的面標識
char Part_Code; //山體局部編號
char Line_Type; //線構造類型
Struct Point *PointList; //構成線的點的有向數組
AttributesList; //線屬性列表
}
Srtuct Point {
int Point_ID; //點標識號
int Line_ID; //包含該點的線標識
char Part_Code; //山體局部編號
double x; //x, y, z
double y; // 坐標
double z;
AttributesList //點屬性列表
}
3 三維數字地形模型的可視化操作與
3．1 三維數字地形的動態顯示
為了達到逼真的顯示效果，在三維幾何模型上疊加實物影象數據。地形的紋理的構造可由TIN模型中的三角形與山體的正射影象圖的掃描坐標匹配，從而取得三角形內影象的恢度值或RGB值，然后把數據疊加到TIN模型上，由此得到真實光照和表面紋理的顯示效果。為了提高三維地形模型的顯示速度和效果，以及為了降低紋理貼圖時，數據的量，使用視點相關的動態多分辨率紋理模型（View-dependent and Multi-resolution Texture Model）。距離觀察者遠近不同的區域其紋理分辨率不同，即影射的距離觀察者較遠的區域，其紋理具有較低的分辨率，相反具有較高的分辨率，這也符合視覺原理。（具體算法可參照[4]）
觀察者遠距離（在高空中）觀察看到的是粗略的地形；近距離觀察的是細微的地形。在虛擬的戰場地形環境中要表現這一特點，實現地形的動態地近乎人性化的顯示用了一種叫做視相關的實時Lod地形模型的多分辨率顯示技術（View-dependent and real-time LoD model of Multi-resolution terrain Rendering）。
在距離視點較近時用較多的多邊形描述；較遠時用較少的多邊形描述。可以平衡圖形負載，符合場景的真實地表現的特點。（該技術的詳細介紹可參閱文獻[5]）
3．2 可視化的三維數字地形查詢
實現查詢的前提是數字模型的空間數據與屬性數據的一一對應。是二維屏幕顯示的點和三維模型的實際點不是一一對應的。這就必須用機圖形學的知識進行二維到三維的轉化。若屏幕捕獲到的點對應著地形點的坐標，到對應的真實三維坐標。 即
（其中為三維到二維投影的變換矩陣）。若鼠標捕捉到對應的屬性信息為山體的ID號。則由以下語句可實現山體屬性的查詢。
Select ( *, * , from datebase , where ID="***")
這樣就實現了數字地形的空間圖到屬性的查詢。
3．3 三維空間地形數據的分析
主要給出地形剖面繪制及空間距離量測的。由鼠標在顯示的三維數字地形DTM上任取兩點由可視點判別法得到對應的實際的地形的三維坐標,。 根據它們的平面位置和TIN模型存貯的數據結構和所在的TIN模型的三角形編號，由起點和終點的三角形位置和連線，可以得到與該連線相交的三角形的編號，從而求得剖線與一系列三角形相交的點的三維坐標把這些點兩兩相連構成一條三維曲線。選取合適的比例尺可以繪制出 兩點的地形剖面圖。并由公式：
計算出兩點的空間距離（沿地形面的兩點直線距離）。
4 結束語
把GIS的三維動態可視化技術引進到虛擬戰場地形環境中去，以數據的直觀可視 化為出發點來形象地描述戰場地形的特征，并能實現查詢 分析 功能，為全面準確快速掌握戰場的實時地形信息，提供了有力的工具。 6參考文獻：
[1] 鄔倫 劉瑜 馬修軍 韋中亞 田原，地理信息系統原理方法和 出版社，2002。
[2] 劉建永 王源等，戰場環境信息學 理工大學工程兵工程學院 2002
[3] 王源，數字勘測技術 理工大學工程兵工程學院 2001
[4] 楊必勝 李清泉 史文中 三維GIS中多分辨率文理模型 圖形圖象學報
2003 3
[5] 潭兵 徐青 馬東洋 用約束四叉樹實現地形的實時多分辨率繪制 計算機輔助設計與圖形學報 2003 3
[6] 馬安鵬 Visual C++6 程序設計導學 清華大學出版社2002
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