智能交互式地形沙盘系统设计与实现

杨立华，任妍萍，杨江成

(1.中国人民解放军第6904工厂北京器材供销站，北京 100123；2. 32016部队，甘肃 兰州 730020；3. 陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西 西安 710000)

0 引言

地形沙盘就是根据地形图或实地地形、航空影像等资料按照一定的比例关系，用泥沙、塑料模型或其他材料堆制的地形模型[1]。用以显示地形和地貌，为研究地形、敌情、兵力部署、作战方案，组织协同和军事训练等起辅助决策作用。

物理地形沙盘具有直观、形象的特点，但其仍停留在看的层面、表现形式单一、信息载负量有限且缺少交互功能。随着信息化建设的加速，物理地形沙盘逐渐不能满足信息化战争的需求。提出一种物理地形沙盘结合电子沙盘的智能交互式沙盘系统。该系统实现了物理地形沙盘与海量数据的融合，以物理地形沙盘为载体，依托智能人机交互等技术，通过指挥杆和激光笔实现与物理地形沙盘上任一点的交互，并能够调取后台数据中心与该目标相关的所有数据，进行信息调阅控制等。同时基于反向交互技术，通过激光云台将北斗定位信息或目标位置信息定位到物理地形沙盘上。实现了物理地形沙盘通过其直观的方式辅助指挥的同时，还能够通过交互系统对物理沙盘进行操作调取相关的海量数据，更好地为军事指挥作战服务。

1 地形沙盘的概念及特点

1.1 物理地形沙盘

物理地形沙盘是以微缩实体的方式来表示地形地貌的特征，并在模型中体现山川、道路、水系等物，主要表现的是地形数据。

传统物理地形沙盘制作的方式是按照一定的比例关系，用泥沙、塑料模型等其他材料堆制而成[2]。但其制作效率低且地形地貌表达失真。后周国奎提出了基于数字高程模型的地形模型数控雕刻技术，该技术提升了物理地形沙盘地貌特征表达力并实现了地形模型的快速制作[3]。在传统物理地形沙盘的色彩表达上一直以制作人的经验程度通过油漆或者油画色进行地形地貌色彩的表达，其存在色彩表达失真、色彩描绘效率低等问题。针对此问题陈新伟研制出一种三位真彩色喷绘机器人，该技术能够以等比例微缩的方式展现地形地貌特征,并实况模拟山体、水体、道路、植被等色彩信息,与传统的手工堆积的地形沙盘色彩制作相比有着高精度、高还原度、真彩色三大特点[4]。

1.2 电子地形沙盘

电子地形沙盘是地理信息系统、遥感、计算机三维仿真等高新技术的结合。其采用加载高精度遥感影像与数字高程模型，等比例还原现实三维地形，构建三维地形模型的数字化平台[5]。可对地形地貌进行放大、缩小、旋转、倾斜等操作，并可针对某一条勘察路线进行模拟环境勘察。在勘察过程中，系统能够在三维地图上展示路线经过处的地形地貌、重点目标等信息。并能够实现距离量测、地形剖面分析等功能[6]。电子地形沙盘具有精确、直观、快速的特点，并且可以动态展示地形地貌，应用领域更为广泛。

2 智能交互式沙盘系统

2.1 系统总体设计及功能

该系统建设依据先进性原则、集成性原则、实用性原则、拓展性原则、灵活性等原则，主要功能包括：

1) 沙盘交互。通过指挥杆或激光笔能够对沙盘进行交互控制，联动信息展示系统，并可以对信息展示系统所展示的内容进行控制；

2) 触摸屏控制。通过触摸屏控制沙盘LED灯，并联动信息展示系统进行信息展示；

图1 系统总体设计图

3) 信息展示。通过三维地理信息系统、视频播放、PPT等形式对点位所关联的信息进行综合展示；

4) 激光指示。通过高亮度激光云台反向交互将用户在系统中选择的目标、输入的经纬度信息，通过激光点在物理沙盘上指示出来。

2.2 系统组成

该系统由物理沙盘子系统、沙盘控制子系统、沙盘交互子系统、激光云台子系统、信息展示子系统、自动解说子系统、地图服务子系统七大子系统组成。

图2 系统组成

(1) 物理沙盘子系统

将制作区域的DEM 数据转换成三维雕刻机使用数据，雕刻成物理地形模型，并将投影漆等材料喷在固化的地形沙盘表面，使其非常清楚地展现现场地形地貌[7]。并将水系及附属设施、交通及附属设施、居民地、境界、植被等展现在地形沙盘中并附上灯光控制及效果。

(2) 沙盘控制子系统

沙盘控制系统通过磁控传感器及工业控制级集成电路实现I/O 控制，系统具有集成度高、性能稳定、响应速度快、驱动功率大等特点，同时输入输出通道采用光电隔离技术，具有较高的抗干扰能力和抗冲击能力，可靠程度和使用寿命大大增加。

沙盘控制系统主要功能包括：

1) 点位列表。包括分类树状列表和图形状态列表两部分，分类树状列表按照分组管理沙盘上的关键点，可以逐级展开，能方便地找到感兴趣的点位；

2) 沙盘LED 灯控制。图形状态列表则是以图形符号的形式展示沙盘上的关键点位以及点位的开关状态，通过树状列表的分组可以显示不同组的点位，点击图形符号可以实现LED灯的开关控制，同时向信息展示子系统发送信号切换命令，在信息展示子系统地图上展示目标所在位置；

3) 地图操作。向信息展示子系统上发送控制命令，功能包括：

旋转。向信息展示系统发送旋转命令，信息展示子系统三维地图模块开始围绕选中的点位进行旋转操作；停止旋转。向信息展示系统发送停止旋转命令；演示。向信息展示系统发送演示命令，信息展示子系统三维地图模块开始播放为点位制作的三维动画，可以是沿指定路径自动漫游，也可以是一次推演或重现；停止演示。向信息展示系统发送停止演示命令。

4) PPT控制。向信息展示子系统发送PPT播放控制命令，包括上一页、下一页等实现PPT的播放控制；播放，开始点位关联PPT 的播放；停止，停止PPT 播放；上一页，控制正在播放的PPT 向上翻页；下一页，控制正在播放的PPT向下翻页。

5) 视频播放控制。向信息展示子系统发送视频播放控制命令，功能包括：

播放，开始点位关联视频的播放；停止，停止视频播放；

6) 灯光控制。控制沙盘LED灯的全开和全关。

(3) 沙盘交互子系统

沙盘交互子系统是通过感应摄像机和指挥杆实现与物理沙盘交互的系统，单个感应摄像机控制面积可达12平米，如果物理沙盘面积超出单个摄像机控制范围，可以通过多个感应摄像机来实现交互。

交互子系统通过指挥杆对沙盘操作，后台交互子系统上位机软件通过校准信息将指挥杆的位置信息转换为坐标信息，并通过对坐标信息的计算分析转换为控制命令实现对信息展示子系统的联动控制。

点位联动分为两种，一种是预定点位联动，当指挥杆点击到沙盘上时，如果点击点处有设定的预定点位，则会联动信息展示子系统对预定点位的关联信息进行展示，首先在三维地图上自动漫游到该点所在位置，然后自动调取该点关联视频进行讲解播放。其次为定点联动，当指挥杆点击到沙盘上时，如果点击点处没有设定的预定点位，则会联动信息展示子系统显示点击点处的坐标，并在三维地图上展示该点的地形地貌。

智能交互平台服务器采用可靠性工控机作载体，搭载智能交互系统中心服务、交互控制服务、串口控制服务和数据分发服务，以保障中心服务的稳定运行，信息展示系统和沙盘控制系统等终端软件实时地与交互服务器通信实现对交互终端软件所在计算机的控制。

(4) 激光云台子系统

激光云台系统，内置500MW激光发射器，支持水平0-360度旋转、垂直0-180度旋转，激光颜色有红色和绿色两种。

可以通过配置系统旋转云台到一定角度，使得激光点落到物理沙盘上对应的目标处，并将云台角度保存到后台数据库中；当再次在三维展示系统中选中目标后，后台服务调取目标对应的云台参数，向激光云台发送定位命令，在物理沙盘上指示出目标所在的位置[8]。

系统不但可以接收经纬度信息，旋转激光云台，通过激光点指示出经纬度在物理沙盘上对应的位置。而且可以接入北斗定位系统和GPS 定位系统实时定位信息，绑定监控目标和激光云台，当监控目标位置变化时，系统通过激光云台实时将监控目标的信息显示到物理沙盘上实现对动目标的跟踪监控。

(5) 信息展示子系统

信息展示子系统通过三维地理信息系统、视频、PPT 对与沙盘关联的各种信息进行展示播放。包括三维地图基础操作（数据加载、地图操作、图层控制）、基础标绘（二、三维符号标绘、模型加载、多媒体展示）、点位演示（预定点定位、预定点勘查）、路径演示、方案演示、信息服务（综合兵力、综合兵要）、视频展播、PPT讲解、实时监控视频调看。

(6) 自动解说子系统

多媒体展示终端是通过各种要素对沙盘进行讲解的，系统支持多种要素，包括：

1) 视频要素。系统支持多种格式的视频数据，包括Avi、Rm、Mp4 等，系统既支持单个视频，也支持多个视频文件，当沿时间轴进行播放时，自动控制视频文件的开始和结束，可以在开始时就启动视频并贯穿始终，也可以在播放控制中切换多个视频文件对沙盘进行详细讲解。

2) 音频要素。系统支持音频数据，系统既支持单个音频数据，也支持多个音频数据，当沿时间轴进行播放时，自动控制音频文件的开始和结束。

3) 图片要素。系统可以通过图片文件对沙盘信息进行说明，当沿时间轴进行播放时，自动控制图片的显示和隐藏。

4) Led灯光控制。系统自动控制Led的打开和关闭，当沿时间轴进行控制时，可以自动控制单个或多个Led 灯的打开或关闭，也可以对沙盘Led 灯进行全开或者全关设置。

5) 地图要素。联动控制信息展示系统显示预先配置好的热点或方案，当沿时间轴播放时，向信息展示系统发送控制命令，开始在三维地图上显示相应的点位或运行对应的方案。

6) 实时视频监控。可以在时间轴的某个时间点上调看相应实时监控，或者在某个点上关闭已经在调看的实时监控。

系统以展示项目的形式对各种要素按照时间轴的方式进行组织，可以建立多个项目，通过运行某个项目就可以对项目设计的要素进行自动播放解说。

(7) 地图服务子系统

能够提供地理信息网络应用服务。主要功能包括矢量数据瓦片服务、影像数据瓦片服务、高程数据瓦片服务、地名查询服务。

主要性能指标如下：

1) 支持全球多尺度海量地理数据的高性能无缝显示；

2) 支持的多分辨率地图。

本系统支持国外影像数据、国内高分影像数据、航拍数据、倾斜摄影数据等。能够实现针对影像数据、高程数据的服务。通过应用终端的请求，把影像数据按照应用终端的需要返回给应用终端。

3 结束语

本文开发的智能交互式沙盘系统使物理地形沙盘与电子沙盘实现了联动，主要实现了以下三点功能：

1) 实现与物理沙盘的交互。物理地形沙盘一直停留在观看的层面，后期发展的激光控制可操作性不高，本系统从根本上解决了物理沙盘交互问题，实现物理沙盘和建立的信息系统的融合。

2) 多种控制手段。可以通过沙盘交互、也可以通过沙盘控制系统、也可以对信息展示系统直接操作，实现物理沙盘、三维地理信息系统、视频、PPT多种维度对目标进行展示；通过激光云台可以实现反向交互，将信息系统中的内容通过高亮激光显示到物理沙盘上。

3) 丰富的信息展示方式。基于三维地理信息系统，通过高分辨率遥感影像图、高精度地形数据对辖区地形地貌进行展示，并关联调取后台海量的多媒体数据、属性数据对目标进行多维度、综合信息展示。

该技术可广泛用于部队、武警、公安、消防、应急等行业，为指挥和管理提供辅助决策。下一步可在智能交互式地形沙盘系统的基础上，增加更全面的交互功能，实现智能交互式地形沙盘系统的信息智能化、多功能化和便捷化。并可深入研究全息设备与物理地形沙盘的结合，开发地形全息模型的构建和展现；沉浸式地形环境勘察；实时响应智能交互，实现用户与全息沙盘的多种手段的自然交互等功能。