SR20飞行训练器视景系统三维地形建模技术研究

赵 瑞

（中国民用航空飞行学院洛阳分院，河南 洛阳 471001）

0 引言

飞行训练器的视景系统是飞行员和操纵组件、座舱仪表之间的交互桥梁。通过三维建模和图像处理技术，视景系统能够实时生成座舱外的视野影像，利用多通道投影仪将三维地形、机场及天气状况等画面投射到球型幕上，为飞行员训练过程提供实时的视觉反馈，营造逼真的飞行环境。三维地形视景的精准度和时效性会直接影响飞行训练人员的训练效果。

传统飞行训练器厂家很少对客户的视景数据库进行更新，而且更新需要付费。本文针对SR20飞行训练器(FTD）的视景系统，利用Presagis Creator等专业视景仿真工具，提出了一种精准且快捷的三维地形建模技术，能够快速升级训练器的最新地形数据，确保地形数据库的精准度和时效性。

1 建模工具

Presagis是加拿大CAE旗下的独立子公司。Creator是该公司推出的专业视景建模仿真软件。Presagis Creator的地形建模模块可以读取DTED格式或DEM格式的数字高程模型数据，匹配地理经纬度坐标后，和遥感卫星图像等地形纹理数据相映射，快速生成大面积的地形模型数据库。通过自动化的层次细节设置和组筛选，能方便地创建多分辨率地表特征，并能精确控制地表多边形数量和与原始数据间的误差，使地形精度接近真实世界，地面纹理逼真度高。OpenFlight是Creator特有的模型数据库文件格式，其采用了树状层次结构的数据库组织形式，应用于实时视景仿真有利于减少系统开销，提高渲染效率，且具有灵活性高、结构清晰的特点。鉴于以上特点，本文选择Presagis Creator作为SR20飞行训练器(FTD）视景系统地形数据库的主要建模工具［1］。

2 地理信息数据获取

地理信息数据处理包括数据获取、DEM处理和遥感卫星图像处理，都需要选择合适的处理工具及方法。

通过国家地理空间数据云网站或者NASA官网，下载ASTER GDEM V2版本的高程数据，范围设定为洛阳机场进近飞行程序覆盖的矩形框范围(机场周边约50公里范围）。该数据格式为GeoTiff，分辨率为1arc(30 m），基 准 为WGS84，投 影 为 地 理 坐 标 投 影(Geographic Lat/Lon）。该数据无法直接被Presagis Creator读取，需要将其转化为DEM格式或者DTED格式，利用GIS软件Global Mapper可以进行格式转换。

(1）用Global Mapper打开tif后缀的数据文件，打开过程中选择以高程数据方式打开。

(2）菜单栏选择“输出/输出海拔网格格式”，在弹出的对话框中选择DEM或者DTED。

(3）在弹出的导出选项对话框里可以设置采样间距，网格布局，输出范围等［2］。

(4）单击确定并选择保存目录，即可转换为DEM或者DTED格式。

遥感卫星图像可以从Google Earth网站下载，相比其他数据源，Google Earth具有完全免费、精度高以及更新速度快等优点。因此，本文采用Google Earth作为遥感影像的原始数据来源。Google Earth的卫星图片分辨率最高可达1 m以内，卫星图片下载后可以拼接为带地理信息的GeoTiff格式图片，也可以是jpg格式图片附加一个带地理信息的世界文件。根据与洛阳机场距离的不同，按区域分别下载了3种分辨率的卫星图片。Google Earth卫星图像的地图投影方式为网络墨卡托(Web Mercator），EPSG投影编码为3785。Presagis Creator的默认参考椭球体为WS84，为数据匹配，需将卫星图像的投影方式改为EPSG：4326的WGS84地理坐标投影。

(1）用Global Mapper打开卫星图像。

(2）菜单栏选择“工具/配置”，在弹出的配置对话框中选择投影标签。

(3）在“从EPSG输入”里输入4326，确定保存。(4）重新以“光栅/图像格式”输出修改后的卫星图像。

3 地形建模

3.1 高程数据处理

DED builder是Presagis Creator内置的地形数据转换工具，可以将各种格式的原始地形数据文件转化为Presagis Creator专用的DED格式。

打开Presagis Creator，选择“Terrain/build DED”菜单命令启动该工具。

(1）单击“Add”按钮添加原始地形文件，在弹出的文件夹浏览器中选择地形文件即可将它们加载到DED文件生成器中，并被显示在窗口左边的原始地形文件列表中。

(2）选择好文件和文件设置后，单击DED文件生成窗口中“Output File”旁边的浏览按钮，指定要生成的文件的文件名和存储路径［3］。

(3）单击“Generate”按钮，则会从选中的地形文件生成DED文件。

地理信息数据预处理后，导入Presagis Creator中开始建立地形模型，选择“Terrain/New Project”，从弹出的对话框中选择并导入DED地形数据文件，然后打开“Terrain Window”参数设置窗口，可以对地形数据库相关参数进行精细的调整，Terrain Window参数设置窗口如图1所示。

图1 Terrain Window参数设置窗口

选择要处理的地面区域，设置Presagis Creator高程数据转换为地形多边形的各种控制参数。在设置生成地形参数时必须综合考虑需要的LOD数目、地图投影方式、地形多边形转换方式以及硬件平台的多边形预算等因素。由于生成地形模型数据库是一个需要反复试验的过程，而且需要花费较长时间计算，所以有必要在进行正式转换之前先取一小块目标区域进行效果测试。

3.2 创建地形LOD

细节层次(Levels of Detail，LOD）是模型数据库中代表同一物体而又具有不同的细节程度的一组模型对象，不同细节程度版本模型的多边形复杂度也不一样，细节程度越高，模型对象所包含的多边形数量越多。在可视化仿真运行的过程中，实时系统会根据当前视点位置距模型对象的距离选择其中一个LOD来显示模型对象。因此，使用LOD技术可以有效提高模型数据库的多边形利用率，在有限条件下取得最佳的视觉效果。

本数据库利用LOD技术设置了3个细节层次的地形模型，高细节层次的模型中包含了更多的多边形以提高模型的分辨率，如图2所示。系统在调用模型时，会根据设定的转入和转出距离切换不同细节层次的模型，从而有效地提高了多边形的利用效率。

图2 不同层次细节的地形模型

地形LOD的设置在地形窗口的“Set Level of Detail Switch Ranges”区域中进行，点击“Insert LOD”可以对细节层进行插入操作，相关参数如表1所示。

表1 不同细节层次的参数

3.3 设置地图投影和地形转换算法

由于真实地球不是一个圆球体，所以对于地球上不同位置的地形必须使用不同地图投影方式来减少投影误差，选择地图投影方式取决于目标地形区域在地球上的具体位置、面积大小以及实际形状等因素。Presagis Creator提供了5种不同的地图投影方式，可在“Map Projection”下拉菜单中进行选择。

根据洛阳机场的中心地理位置及本文建模区域范围较小的特点，可根据需要选择Trapezoidal梯形投影。该投影方式在投影中心处最精确，随着与中心点的距离增加，误差变大，因此，这种投影方式适合于范围较小的地形数据库。

Presagis Creator提供了多种不同类型的三角形化算法来将高程数据转换为地形模型数据库。使用不同的转换算法和参数，将会在实时仿真系统中获得不同的运行效率，所以有必要根据实际测试效果合理选择地形转换算法。

本数据库采用了Delaunay转换算法，该算法可随地形起伏变化的缓急而动态地生成多边形数量。因此，与其他算法相比，这种地形算法的优点在于支持LOD之间的边界匹配，在多边形数量较少的情况下也能很好地描述地形，且能够避免产生细长三角形，影响系统性能。同时Presagis Creator为该算法提供了Delaunay地形修正工具“Modify Delaunay”，利用这种工具可以对地形多边形进行精细化修改和调整，最大限度地提升地形的真实性。

3.4 映射地形纹理

纹理映射(Texture Mapping）是把二维的图像位图上的像素值映射到三维实体模型的对应顶点，来产生特殊效果或真实感的技术。将包含真实地形表面信息的纹理映像到地形模型上，可以有效提高模型的逼真度，使系统仿真时的场景有更好的真实感。

地形纹理映射的方法就是针对不同的飞行高度，将纹理应用到多边形模型上，具体操作是在Presagis Creator等高线属性下拉菜单中选择“Texture”项，再指定需要添加贴图的海拔段，就可以为该海拔段添加纹理。应用地形纹理的具体方法有3种。

(1）在地形窗口的Texture面板中直接指定使用的纹理。

(2）使用纹理工具箱中的“GeoPut Texture”工具。

(3）使用“Terrain/Batch GeoPut”菜单命令。

以上3种应用地形纹理的方式都要确保地形纹理与地形模型的地形坐标完全匹配。本文地形纹理的原始数据来自3种分辨率的带有地理信息的卫星图片，不同分辨率的地形纹理根据飞行高度的变化，应用于机场周边不同的区域上，越接近机场的区域，飞机飞行高度越低，需要映射分辨率越高的地形纹理。

4 仿真效果

输出地形模型数据库后，还需要对地形数据进行检查调试，消除定位误差造成的纹理的变形失真。调试修改完成后，该数据库文件可直接导入SR20飞行训练器视景系统，进行地形数据库更新。最终生成的地形模型数据库如图3所示。

图3 地形数据模型

5 结语

本文针对SR20飞行训练器视景系统，介绍了一种利用Presagis Creator等专业仿真工具进行快速三维地形建模的方法，提高了地形数据库的时效性，实际使用效果满足训练要求。后期将引入Terra Vista仿真软件，进行机场文化要素建模，进一步丰富地形数据库。