消防三维虚拟演练与作战标绘系统技术研究

摘要：本文基于实景三维地理信息技术（3D GIS）与虚拟现实技术（VR），旨在解决当前消防部队在实战演练、桌面推演和作战指挥过程中存在的问题，使消防指挥变得科学化、可视化。本文的难点是基于DirectX通用三维渲染引擎实现三维地理信息技术与虚拟现实技术的融合，设计适合武汉消防部队的三维虚拟演练与作战标绘系统。

关键词：3D GIS VR DirectX 虚拟演练 作战标绘

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）12-0155-02

1 概述

随着经济建设的高速发展，城市规模不断扩大，火灾与其它各类灾害、社会突发事件（包括恐怖事件）等发生频率逐年增高。消防部队作为保卫国家利益和本地区人民生命财产安全的主力军，必须全面提高指战员的指挥能力和作战能力，才能担负国家赋予我们的责任与使命。

目前，一般通过实战演练和桌面推演等方式提供消防官兵的指挥作战技能与应变能力，火灾事故发生后指挥员必须亲临现场才能了解实际情况，才能临场指挥、排兵布阵。随着信息技术的发展，尤其是3D GIS与虚拟现实技术的发展，有望解决消防部队灭火演练劳民伤财、桌面推演纸上谈兵、作战指挥临场发挥等问题[1][2]。

2 关键技术

2.1 三维地理信息技术

自从2005 Google Earth面世，它提供的高分辨率遥感影像和3D直观空间信息表达、灵活方便人人会用的操作界面、标准开放的体系架构和人性化服务，打破了传统空间信息技术的思维定式，改变了人们认识和了解地球的方式，使得三维地理信息技术走进了人们的生活。

除了Google Earth的问世，国内的中地、超图也推出了自己的三维产品。考虑到消防对虚拟现实要求的要求较高，只有开放原生的底层渲染API才能满足改造的需求，因此选用开源的World Wind作为基础平台。

2.2 虚拟现实技术

虚拟现实（VR）的真正含义：把客观世界中的某一局部用电子的方式模拟出来，并能够让你进入这个世界，犹如身临其境。结合消防实际需求，在消防三维虚拟演练与标绘系统中涉及到如下技术[3][4]

2.2.1 粒子系统

粒子系统的基本思想是把不规则模糊物体看作由一定数量的粒子组成的粒子群体，每个粒子有共同的属性，如速度、加速度、颜色、生存周期、大小、形状等。粒子在随时间的变化过程中，按照所赋予的粒子动力学规律改变其状态。本文采用粒子系统和纹理映射技术实现三维火焰、爆炸和水枪等的出水效果。

2.2.2 实物虚化

基本模型的构建是应用计算机技术生成虚拟世界的基础，它将真实世界的对象物体在相应的三维虚拟世界中重构，并根据系统需求保存部分物理属性。

模型构建首先要建立对象物体的几何模型，确定其空间位置和几何元素的属性。例如，通过CAD/CAM或二维图纸构建产品或建筑的三维几何模型；通过GIS数据和卫星、遥感或航拍照片构造大型虚拟战场。

为了增强虚拟环境的真实感，物理特性和行为规则建模要表现出对象物体的质量、动量、材料等物理特性，并在虚拟环境中遵循一定的运动和动力学规律。当几何模型和物理模型很难准确地刻画出真实世界中存在的某些特别对象或现象时，可根据具体的需要采用一些特别的模型构建方法。例如，可以对气象数据进行建模生成虚拟环境的气象情况（阴天、晴天、雨、雾）。

2.2.3 模型动画

当前有两种模型动画的方式：顶点动画和骨骼动画。顶点动画中，每帧动画其实就是模型特定姿态的一个“快照”。通过在帧之间插值的方法，引擎可以得到平滑的动画效果。在骨骼动画中，模型具有互相连接的“骨骼”组成的骨架结构，通过改变骨骼的朝向和位置来为模型生成动画[5]。

消防三维虚拟演练中设计到很多模型动画，例如消防人员、消防车辆等，本系统全部采用骨骼动画的方式丝线。骨骼动画比顶点动画要求更高的处理器性能，但同时它具有更多的优点，骨骼动画可以更容易、更快捷地创建。不同的骨骼动画可以被结合到一起——比如，模型可以转动头部、射击并且同时也在走路。一些引擎可以实时操纵单个骨骼，这样就可以和环境更加准确地进行交互——模型可以俯身并向某个方向观察或射击，或者从地上的某个地方捡起一个东西。

2.2.4 虚拟场景中视点运动控制

可交互的三维真实感图形是计算机图形学领域的核心内容。掌握空间坐标变换原理是实现交互和视点控制算法的重要基础，理解并灵活运用坐标变换就可实现以各种方式对视点运动进行控制。

3 系统架构

3.1 平台架构

系统的核心功能包括：多分辨率金字塔与模型数据管理，三维地形渲染，虚拟现实及业务集成。系统的架构如图1所示。

3D GIS建库与管理子系统基于等经纬度格网，对源数据进行分层分块，并构建多分辨率的瓦片金字塔；数据服务子系统以金字塔为组织单位，对外提供多分辨率瓦片服务；目录服务子系统连接数据服务子系统和三维可视化子系统，从前者获取金字塔信息，向后者提供金字塔图层配置信息；三维可视化子系统则主要负责多分辨率金字塔瓦片数据的网络调度与球面三维绘制工作，其数据来源是数据服务子系统。

三维可视化子系统是该软件平台最核心的部分，不仅能在已有数字高程数据，卫星影像数据和矢量图形数据的基础上对三维全球地理环境进行高效率地渲染，还实现了3D GIS与VR（虚拟现实）的融合，能借助3D GIS实现灭火救援、消防演练等动态效果，为用户提供灵活可扩展的三维表现接口。

3.2 系统功能

消防三维虚拟演练与标绘平台的主要功能包括基于三维球体的业务信息查看、二维分析、三维分析、应急标绘及虚拟演练，具体功能模块如图2所示。

3.3 数据支撑

地形数据：地形数据主要包括矢量图、多分辨率遥感影像图及DEM数据，该数据是消防三维虚拟演练与标绘平台的基础，也是建立金字塔数据管理的基础。为了与GPS及主要消防业务数据无缝叠加，本系统所有数据的坐标系均采用WGS84通用坐标系。静态模型：对辖区内的重点单位、建筑、部位等静态模型建模基于流行通用的三维建模软件（Autodesk 3ds Max）进行三维建模，静态模型使用纹理贴图。动态模型：人物、车辆等动态角色模型建模基于流行通用的三维建模软件（Autodesk 3ds Max 9）。通过现场调研，拍照，进行精细建模。对人物等包含动作的模型进行角色动作编辑，做好骨骼动画处理，为达到逼真效果采取纹理贴图的方法处理。

4 应用场景分析

4.1 消防指挥标绘

指挥标绘是在作战指挥过程中可以方便的进行车辆路径的规划及兵力和装备的位置部署，可以通过三维分析功能进行影响范围分析、通视分析、遮挡分析、最佳路径分析等。为临场指挥决策提供依据。整个标绘结果可以保存作为任务附件下发给各单位或传给前沿指挥部。

4.2 三维虚拟演练

本平台是围绕当前影响本市安全的重大危险源、重点单位，基于3D GIS技术及虚拟现实技术实现的。三维虚拟作战平台通过对全球海量的多数据源、多分辨率、多尺度和多时相的矢量数据、影像数据、地形数据和三维模型数据的高效组织、管理和可视化，实现任何人、任何时候、在任何地点，通过网络环境，以任意高度和任意角度动态地观察三维电子地图上的任意一个角落。

对于重点区域、重点单位，如具体的建筑物、石油石化厂区、商场等对象，则进行更精细的仿真建模，以便更加具体地展示出现场的真实环境，为消防官兵的作战行动提供了可靠依据，同时也提高了平时的模拟演练的真实性。

对三维虚拟演练中涉及到的消防实力，如消防车辆、装备器材、战斗小组等，进行动态角色模型建模仿真，利用虚拟平台底层绘制引擎可将这些角色模型通过用户交互方式添加到3D场景中，并控制其动作，可实现基于3D GIS的虚拟仿真功能。以此技术为基础，虚拟作战平台提供了对象虚拟、事故虚拟、实力虚拟等功能，用户可以通过鼠标、键盘等操作实现在3D地图场景中排兵布阵，完成各个作战环节的虚拟演练。

虚拟演练平台的实现依赖于3D GIS技术、VR技术以及这些技术在实际系统中应用情况。三维虚拟演练平台可以用户替代现场演练、桌面推演、预案演练、预案数字化等，也可以替代现有通信指挥系统中的GIS平台的功能，具体如图3。

5 结语

本文还将3D GIS技术与VR技术完整的结合，实现了统一的虚拟仿真三维引擎，真正意义的在3D GIS平台上实现了静态模型与3D人物、装备、动态模型的交互，解决了消防在模拟演练、桌面推演及数字化预案中面临的众多问题。

参考文献

[1]舒建华，虚拟现实技术的应用现状与未来展望[J].电脑知识与技术，2008（3）：1706-1708.

[2]刘占平，王宏武，汪国平等.面向数字地球的虚拟现实系统关键技术研究[J].中国图象图形学报，2002，7 A（2）：160-164.

[3]葛顺，基于JAVA3D虚拟现实场景的改进LOD算法：[硕士学位论文]，湖北：武汉理工大学，2005.

[4]姜品，对虚拟现实若干关键技术的探讨[J].安阳师范学院学报，2009（2）64-67.

[5]张宏，中文3DS MAX建筑效果图设计精彩实力[M].北京：机械工业出版社，2004.

推荐访问： 标绘 作战 演练 技术研究 虚拟

---