基于3D GIS的方案推演平台设计与实现

田聚波

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)



基于3D GIS的方案推演平台设计与实现

田聚波

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)

摘要指挥决策部门在制定方案后，使用推演技术进行评估已成为验证方案可行性的重要手段，可以发现并解决方案中存在的冲突与错误。设计了一种基于三维地理信息系统的方案推演平台，对其数据、脚本和体系结构进行了简要介绍，分析了实现的关键技术，提出了一种时序链表技术，介绍了该技术在推演显示和控制过程中的应用，对方案推演平台进行了仿真。平台系统可以使方案脚本生成和维护过程更加便捷，有效提高指挥决策人员的分析效率。

关键词方案；推演技术；脚本；时序链表

Design and Implementation of Scheme Deduction Platform Based on 3D GIS

TIAN Ju-bo

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThe deduction technology has become an important means for evaluating the feasibility and value of schemes made by command decision department,which can find and resolve the conflict and error in schemes.This paper designs a scheme deduction platform based on 3D GIS,introduces its data,scripts and system architecture and analyzes the key technologies.A sequential list technology is put forward,and the application of this technology in deduction display and control process is introduced.Finally the scheme deduction platform is simulated,and the results show that this platform can more easily implement scheme script generation and maintenance process,and effectively improve the efficiency of analysis on the scheme of command decision makers.

Key wordsscheme;deduction technology;script;sequential list

0引言

方案智能推演是使用计算机模拟方式对方案进行推演预测，利用规则知识、基于知识的推理和面向任务的决策支持等技术为指挥人员提供智能化辅助决策[1，2]。上世纪末，方案智能推演开始应用于部队兵棋推演[3,4]、武器装备体系对抗[5，6]和作战方案评估[7，8]，凭借其快速处理、大信息量和准确可靠性高等特点，近些年来越来越多地应用于应急处置的模拟训练、大型活动的前期准备等诸多方面。

尤其是引入3D GIS后，使用户十分直观地看到地形、地貌和地物等三维场景，支持对指定区域进行三维空间分析和冲突检测，便于及时发现方案漏洞，从而准确预知并规避风险。

本文设计的基于3D GIS的方案推演平台，支持用户从文字方案中提取目标实体素材，并使用时间轴编排的方式将各种素材进行有效组织，按照事先定义的规则编辑脚本，在三维场景中推演，使用户直观检查和评估方案的可行性。

1总体设计

1.1三维开发工具

Skyline是美国Skyline软件公司发布的三维地理信息显示、浏览与分析软件，它具有类似于Google earth的全球三维地形及影像浏览、地物建模与三维地理信息查询等功能[9]，具体包括：三维浏览与显示模块TerraExplorer Pro，三维数据生产与制作模块TerraBuilder，还有管理Skyline软件的服务器程序TerraGate。Skyline软件在TerraExplorer Pro中提供了用户可进行二次开发的API，可实现TerraExplorer Pro使用软件的大部分功能，并且在调用时可直接与常用的VC++混合编写，用户能够根据自己的业务需求进行二次开发定制。

1.2数据设计

1.2.1模型数据

模型数据是方案脚本编辑的素材，通常包括简单模型数据和复杂模型数据。

简单模型数据可使用TerraExplorer Pro的工具制作，例如基本的几何体、简单房屋模型。TerraExplorer Pro提供了3D编辑器，用于创建、输入、编辑和处理3D模型中现有和新建对象，可以从标准GIS文件和空间数据库中输入各种地形叠加所需要的信息，如文本、标注、图素、2D和3D实体，甚至动画。同时提供强大和易用的交互式、具有丰富地形信息及照片实景的三维地形可视化场景的编辑、注记和发布功能。

复杂模型数据如标志性建筑、装置设备、导弹和飞机等，需要通过专业的三维模型制作软件来创建。以3D MAX 为例，可按实物的实际大小创建模型。模型建完之后，首先进行格式存储转化，导成TerraExplorer Pro 可以辨认的格式文件。

1.2.2场景数据

基于Skyline可实现真正的三维可视化。使用TerraBuider叠加航空/卫星影像、数字高程模型以及各种矢量地理数据，能迅速方便地创建海量三维地形数据集[10]，再通过TerraExplorer Pro调用本地或TerraGate发布的三维地形数据集，并加载三维模型以及二维空间数据构建三维场景[10]，并以FLY文件格式储存。在进行方案推演时，地形的准确表达[11]是基础条件，指定的FLY文件提供所需的推演场景。

1.3脚本设计

方案推演是否准确，取决于脚本设计[12]和推演过程的脚本控制[13，14]。推演脚本是为了满足应急处置时的各种态势的动态展现而设计的[15，16]。制作推演脚本时，应遵循2个原则：① “典型事态”的准确表现，即抽取方案中的对象、时序和动作等特征要素，按照预定义的规则进行编辑制作；② “干扰事态”的准确展现，包括突发干扰事件、物候干扰因素和人为干扰因素，按照各干扰因素的特点进行编辑，设置报警点、警戒线、报警方式和显示效果等。以物候干扰因素为例，主要考虑风、雨、雪、雹等气候现象和地磁干扰环境现象，如雾(强、中、弱)、沙尘暴(强、中、弱)、烟雾迷茫(浓、中、稀)、雨(暴、中、小)、雪(大、中、小)和天气情况(晴天、阴天)等。

1.4架构设计

方案推演平台体系架构自下向上分为基础层、数据层、服务层和交互层，如图1所示。

图1　平台体系架构图

基础层主要为平台的业务应用提供支撑。操作系统采用Windows XP，数据库管理系统采用Oracle，GIS平台采用Skyline Globe产品。

数据层主要为平台的业务应用存储管理数据，为业务应用提供数据服务。主要包括场景资源库、模型数据库、算法库、分词标准库、干扰信息库、脚本文件库和用户信息库。

服务层负责为平台的应用提供算法处理服务，主要包括地图服务、搜索定位服务、地理分析服务、时序生成服务和冲突运算服务。

交互层则担负业务应用的人机交互工作，主要包括三维交互浏览、三维地形分析、模型标绘、方案解析、人工判读、脚本管理、干扰因素管理、推演控制和用户管理。

2关键技术

2.1方案解析

方案解析是使用汉语分词解析技术，将方案中的目标实体及其活动信息进行解析。要求方案符合特定的模版格式，即使用主谓描述形式，一句话描述一个目标实体的一次动作状态行为。解析时使用分词词典进行分词的匹配对照，匹配成功后将语句进行拆分标注，形成目标实体活动序列，再进行人工分析筛选和模型状态匹配，最后形成典型素材。

2.1.1词典设计

分词词典是汉语切分和标注的依据，是一套按照词性分类的文本文件集合。在该词典中收集了汉语中大部分的常用分词(名词、动词及形容词等)。但是对于特种行业的专用方案文档，则会出现一些专业性词汇或者自定义的词汇。在对文档解析之前，要将专业性词汇或者自定义的词汇补充到分词词典中。

2.1.2文档解析

文档解析即对整个文档进行分词标注解析，抽取目标实体。首先加载方案文档，然后使用分词词典进行解析，形成分句集合，然后对分句集合中的分句依次进行提取和解析，使用分词词典进行匹配，抽取目标实体，生成目标实体活动序列。文档解析的流程如图2所示。

图2　方案文档解析过程流程

2.1.3人工判读

文档解析的结果是目标实体活动序列，由于这个结果是自动分词的产物，所以需要加入一个人工判读的过程，以确保真实准确地表达方案的内容。对于错误的目标实体活动，要进行修改与纠正，然后即可生成典型素材文件，该文件以XML格式存储，是进行推演和分析的基础。

2.2过程显示和控制

推演过程的显示和控制分2个阶段：准备阶段和播放控制阶段，其流程如图 3所示。

准备阶段：分别加载“典型素材文件”和“干扰素材”，进行目标实体的属性设置；抽取典型素材和干扰因素中对象的标识、时间信息，按时间顺序形成时序链表。

目标实体的属性设置重点是其对应的二维和三维模型的动作属性设计，主要包括运动、停止、变形、闪烁、显隐和视角变化等动作，每一个动作可以设置一个启用时间。目标实体动作属性的主要控制参数如表 1所示。

图3　推演过程的显示和控制流程

属性名称描述状态1:不显示2:显示3:运动4:停止5:组合目标显示攻击范围物候状态1~5级逐级加深时间描述该状态动作发生的时间速度描述该时刻的运动速度高度描述该时刻目标所处的高度方向描述该时刻目标的水平方向俯仰角描述该时刻目标的俯仰方向横滚角描述该时刻目标的横滚方向动目标视角正前方、正后方、左侧、右侧等

每一个目标实体都包含一组状态动作，用于描述该实体在一段时间内的连续动作变化情况；一个场景中包含多个目标实体，模型之间的动作变化时刻可以重叠，设置上互不干涉，表现上互不冲突，通过变化动作可以达到多层次丰富展示的推演效果。时序链表是为了便于演播控制而进行的设计，链表中的每个节点对应一个模型的一次动作行为，播放时依次读取时序链表信息，获取对应的模型及动作信息并进行展示。时序链表节点参数如表 2所示。

表2　时序链表节点属性表

使用时序链表能够方便地实现播放过程的控制：暂停、继续以及设置播放速度，并且通过时间设置，快速展现即时场景状态。时序链表记录内容简便，占用资源小，将它和模型素材共同记录成为脚本文件，提高脚本初始加载速度。

播放阶段：载入时序链表和模型素材，依次读入并解析链表节点，控制模型按预定动作显示，进行冲突判断如是否形成干扰、记录干扰结果、修改对象被干扰后的状态信息、重构时序链表剩余部分等。

脚本播放主要是通过三维场景展示，同时辅助以时间轴方式。设计时间轴的好处是既能够直观展示目标实体在整个周期内的动作与状态变化；又可以方便地调整目标实体的动作及其发生时间，尤其是可根据方案的可行性评估在时间轴上调整目标实体，及时完善方案。

3试验验证

环境准备：使用配置在局域网中的3台计算机，其中一台数据库服务器，安装ORACLE10g；一台地理信息系统数据库，安装配置Skyline服务软件；一台工作站使用Windows XP操作系统，安装方案推演平台。

数据准备：根据方案推演平台的特点，准备地理信息系统数据、字典数据、隧道和桥梁等模型数据。

用例设计：侧重针对基本GIS功能，设计漫游、滑行、转向、指北、飞行浏览、水平测距、坡向测距和面积量算等用例；针对脚本显示和控制，设计脚本加载、显示和控制用例。

执行测试：在测试环境、测试数据和测试用例准备完成后，按照测试用例进行仿真测试。

设计了一个泥石流爆发后的应急处置场景，并使用方案推演平台对一个地质灾害应急处置预案进行了仿真测试。预案设计了指挥中心、抢险、查灾核灾、医疗保障、交通运输、通讯、基础设施恢复和灾害损失评估等应急处置行动，考虑了次生灾害、天气和交通等干扰因素的影响。

试验表明，该平台能够可视化展示任务、行动内容和行动安排，并进行灵活调整；能够展示各种突发事件、物候干扰因素、人为干扰因素对方案的影响。

有必要不断对分词词典进行完善，避免专业或行业术语不能被正确解析。

4结束语

本文从平台框架、数据准备、推演脚本、体系结构、关键技术和仿真测试等方面详细介绍了基于三维空间的方案推演平台的设计与实现，使方案脚本生成和维护过程更加便捷、智能，使脚本演示过程更加逼真、可控。目前该平台已经在多个应急管理部门使用，用于对山洪、泥石流和其他重大地质灾害的应急处置方案进行推演，帮助决策管理部门及时发现不足，完善预案，具有重要的实用价值和现实意义。

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田聚波男，(1969—)，高级工程师。主要研究方向：一体化情报与指控。

作者简介

中图分类号TN919

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)02-0076-04

收稿日期：2015-11-12

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.19

引用格式：田聚波.基于3D GIS的方案推演平台设计与实现[J].无线电工程，2016，46(2)：76-79.