分队级大比例尺高分辨率虚拟战场环境快速构建方法

杨明

【摘 要】传统的分队级别大比例尺、高分辨率虚拟战场环境构建构建方法存在精度差、速度慢、造价高等突出问题。本文结合实践，给出了一种综合运用无人机倾斜摄影、激光点云测量、三维模型建模、三维引擎设置和模型计算相结合的快速构建分队虚拟战场环境的方法，精度高、速度快、造价低，能够满足分队级大比例尺高分辨率虚拟战场环境构建要求。

【关键词】分队，大比例尺，高分辨率，虚拟，战场环境，构建

一、分队虚拟战场环境构建要求

分队虚拟战场环境是对分队作战训练的战场环境进行的仿真。分队战场环境包括地形、气象、水文等自然条件，交通、建筑物、等人文条件，信息、网络和电磁状况等。由于分队最小可至单兵，要求战场环境构建要与人在真实世界中的感官相一致，即必须有沉浸感，战场环境中的一草一木、台阶掩体等都要清晰表现出来，其分辨率达厘米级，这远高于高级别虚拟战场环境米级别以上分辨率的要求。因此分队虚拟战场环境构建分辨率高、沉浸感强、制作难度大。分队虚拟战场环境的主要特点如下。

一是地形地物分辨率高。分队战斗是在可视范围内进行的近距离战斗，地形地物对分队达到战斗行动影响极大，一个土坑、一棵树对战斗人员的观察、射击和伤亡都有很大影响。因此，建立高分辨率的地形地物模型是分队虚拟战场环境的首要要求。二是三维模型数量多。除了由众多的步枪、机枪、工事、障碍等武器外，还有大量的保障、支援和非作战的实体，例如车辆、桥梁、道路、平民等。这些都需要进行三维建模。三是气象、核生化、电磁环境要可视化显示。分队虚拟战场环境需要可视化地显示出气象、核生化和电磁环境。

二、传统构建分队虚拟战场环境方法利弊分析

传统的分队虚拟战场环境构建的方法主要是依据纸质地图进行电子化制图，包括等高线、道路、水系、植被、建筑物、高程点等重要地形地物要素的分层标绘，然后生成DEM数据、矢量数字地图，通过购买卫星影像数据，获取对应地形的地表纹理，最后，将这3种格式的数据进行匹配后生成分队虚拟战场地形数据。由于纸质地图的分辨率较低，从源头导致生成的虚拟战场环境分辨率较低。二是制作速度慢。纸质地图转绘电子地图，需要依图标绘，制作慢。购买相应地域的卫星影像作为地表纹理贴图，需要卫星运营公司在卫星飞临该地域上空的时间窗口期进行拍摄，一般需要数个月的时间。三是三维模型制作工作量大。由于战场环境中的人员、桥梁、房屋、道路等各实体需要三维建模，工作量大。

三、一种快速灵活的分队虚拟战场环境构建方法

针对传统构建分队虚拟战场环境方法的不足，本文结合实践，提出一种综合应用无人机倾斜摄影、激光点云测量、三维模型制作和三维引擎相结合的技术路线，可以快速灵活构建效果逼真的分队虚拟战场环境。

（一）应用无人机倾斜摄影技术测绘整体战场环境地形

1.无人机倾斜摄影概述及其特点

无人机倾斜摄影技术是通过在无人机等航空器上装配多个图像传感器，在飞行过程中既能获取高程信息、也能获取地表精细纹理，三维地形建模速度快、精度高、效果好。

无人机倾斜摄影的主要特点包括：一是作业环境要求较低，无人机展开作业，不要太大的空间;二是工作效率高，无人机飞行高度在几十至几百米之间，受天气影响较小;三是拍摄影像分辨率高，无人机所搭载的数码相机低空分辨率可达到厘米级，可以拍摄到物体清晰纹理;四是建模效率高，无人机倾斜摄影技术可自动实现数据采集、快速三维建模等。

2.无人机倾斜摄影测量技术建设分队虚拟战场环境的方法步骤

一是准备阶段。首先确定战场环境地域。一般是在纸质地图上确定一个矩形区域，然后把该矩形区域的四个顶点的经纬度坐标量算出来，提供给无人机倾斜摄影工作人员。其次确定测量精度。分队级别的虚拟战场环境，地形分辨率和模型分辨率应达到厘米级为最佳。确定了测量精度，也就间接确定了无人机倾斜摄影时，选用的无人机类型、飞行高度、搭载的数码相机分辨率等工具等问题。第三是申请无人机倾斜摄影测量空域。按照国家法律法规要求，向战场环境所在地的派出所提出无人机倾斜摄影测量请求，备齐资质文件填写好申请表，在获得批准后方可展开实际作业。

二是实施阶段。首先进行数据采集。主要工作是规划好无人机倾斜摄影测量的时间、路线、展开作业和数据校验。应在气候适宜、尤其是能见度良好的情況下测量，雨雪天不能测量，早晚的雾气和突发的尘霾都会影响测量效果，必须进行规避。无人机倾斜摄影测量必须确定好无人机起飞降落地点，确定好足够数量的起飞降落地点，保证能够覆盖整个测量区域量测要求。由于是在室外作业，必须保证一次测量能够采集到合格的数据，应该在每天无人机倾斜摄影测量结束后，检查一天所采集的数据，如存在有质量问题的数据，要及时重新测量。其次进行数据加工。主要是在摄影测量的基础上，对获取的倾斜影像进行初步预处理、多视角影像的匹配、三角网的构建、纹理贴敷等流程，最终得到高分辨率的三维模型。

（二）应用激光点云辅助纠偏校正复杂地区地形地貌

无人机倾斜摄影测量对于大面积地域整体三维建模效果较好，但是地面复杂地形和物体的三维建模存在失真问题。这里可以使用激光点云技术进行补充修改。激光点云技术使用车载移动激光扫描器，可以快速、动态地对地面目标进行测量，获取更高精度的空间三维信息，是构建适于车辆通行区域三维地形地貌的有力工具。对于重要地形地貌，无人机倾斜摄影难以满足仿真需要的情况下，例如植被覆盖茂密的林荫道下面的街道，可以应用激光点云辅助测量，并用激光点云生成的局部三维模型替代无人机倾斜摄影测量处理后的数据。

（三）应用三维建模工具制作重点地形地物三维模型

无人机倾斜摄影和激光点云测量技术解决的都是地形地物最外面的一层表面的三维建模和纹理采集问题。但是对于内部空间结构复杂的地形地物，则无法解决建模问题。这需要使用专业的三维建模软件解决，可以使用3DMax、Maya等进行精细地形地物的单独制作。尤其是重要的地形地物必须进行精细建模，达到反恐精英、穿越火线、雷神之锤等分队作战游戏中的分辨率和质量效果。这样才能满足分队作战行动对地形地物的要求。

完成了重点地形地物的建模，还需要在无人机倾斜摄影处理好的三维模型中对相应的地形地物单体化处理，即将该模型先从整体地形地物的模型中剥离移除，闭合地表模型纹理，然后将建好的地形地物模型导入并放置到对应位置，实现对已剥离的粗糙模型的替换。

（四）应用三维引擎设置计算其他战虚拟场环境要素

气象环境的可视化设置显示在当前的主流三维仿真引擎里进行逼真实现。例如在Unity3D里面，可以灵活设置日暮天光、风雷雨雪等天候气象环境。核生化环境根据分队战场环境的核生化武器、污染等情况根据想定需要，进行精确计算或灵活设置。对于电磁环境的可视化，则根据想定需要，对分队战场环境中的武器装备、自然环境的电磁特性等进行计算并形象化地进行显示显示。