基于3D GIS的方案推演平臺設(shè)計與實現(xiàn)

田聚波

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

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基于3D GIS的方案推演平臺設(shè)計與實現(xiàn)

田聚波

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

摘要指揮決策部門在制定方案后，使用推演技術(shù)進(jìn)行評估已成為驗證方案可行性的重要手段，可以發(fā)現(xiàn)并解決方案中存在的沖突與錯誤。設(shè)計了一種基于三維地理信息系統(tǒng)的方案推演平臺，對其數(shù)據(jù)、腳本和體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡要介紹，分析了實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種時序鏈表技術(shù)，介紹了該技術(shù)在推演顯示和控制過程中的應(yīng)用，對方案推演平臺進(jìn)行了仿真。平臺系統(tǒng)可以使方案腳本生成和維護(hù)過程更加便捷，有效提高指揮決策人員的分析效率。

關(guān)鍵詞方案；推演技術(shù)；腳本；時序鏈表

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計算機(jī)模擬方式對方案進(jìn)行推演預(yù)測，利用規(guī)則知識、基于知識的推理和面向任務(wù)的決策支持等技術(shù)為指揮人員提供智能化輔助決策[1，2]。上世紀(jì)末，方案智能推演開始應(yīng)用于部隊兵棋推演[3,4]、武器裝備體系對抗[5，6]和作戰(zhàn)方案評估[7，8]，憑借其快速處理、大信息量和準(zhǔn)確可靠性高等特點，近些年來越來越多地應(yīng)用于應(yīng)急處置的模擬訓(xùn)練、大型活動的前期準(zhǔn)備等諸多方面。

尤其是引入3D GIS后，使用戶十分直觀地看到地形、地貌和地物等三維場景，支持對指定區(qū)域進(jìn)行三維空間分析和沖突檢測，便于及時發(fā)現(xiàn)方案漏洞，從而準(zhǔn)確預(yù)知并規(guī)避風(fēng)險。

本文設(shè)計的基于3D GIS的方案推演平臺，支持用戶從文字方案中提取目標(biāo)實體素材，并使用時間軸編排的方式將各種素材進(jìn)行有效組織，按照事先定義的規(guī)則編輯腳本，在三維場景中推演，使用戶直觀檢查和評估方案的可行性。

1總體設(shè)計

1.1三維開發(fā)工具

Skyline是美國Skyline軟件公司發(fā)布的三維地理信息顯示、瀏覽與分析軟件，它具有類似于Google earth的全球三維地形及影像瀏覽、地物建模與三維地理信息查詢等功能[9]，具體包括：三維瀏覽與顯示模塊TerraExplorer Pro，三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)與制作模塊TerraBuilder，還有管理Skyline軟件的服務(wù)器程序TerraGate。Skyline軟件在TerraExplorer Pro中提供了用戶可進(jìn)行二次開發(fā)的API，可實現(xiàn)TerraExplorer Pro使用軟件的大部分功能，并且在調(diào)用時可直接與常用的VC++混合編寫，用戶能夠根據(jù)自己的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行二次開發(fā)定制。

1.2數(shù)據(jù)設(shè)計

1.2.1模型數(shù)據(jù)

模型數(shù)據(jù)是方案腳本編輯的素材，通常包括簡單模型數(shù)據(jù)和復(fù)雜模型數(shù)據(jù)。

簡單模型數(shù)據(jù)可使用TerraExplorer Pro的工具制作，例如基本的幾何體、簡單房屋模型。TerraExplorer Pro提供了3D編輯器，用于創(chuàng)建、輸入、編輯和處理3D模型中現(xiàn)有和新建對象，可以從標(biāo)準(zhǔn)GIS文件和空間數(shù)據(jù)庫中輸入各種地形疊加所需要的信息，如文本、標(biāo)注、圖素、2D和3D實體，甚至動畫。同時提供強大和易用的交互式、具有豐富地形信息及照片實景的三維地形可視化場景的編輯、注記和發(fā)布功能。

復(fù)雜模型數(shù)據(jù)如標(biāo)志性建筑、裝置設(shè)備、導(dǎo)彈和飛機(jī)等，需要通過專業(yè)的三維模型制作軟件來創(chuàng)建。以3D MAX 為例，可按實物的實際大小創(chuàng)建模型。模型建完之后，首先進(jìn)行格式存儲轉(zhuǎn)化，導(dǎo)成TerraExplorer Pro 可以辨認(rèn)的格式文件。

1.2.2場景數(shù)據(jù)

基于Skyline可實現(xiàn)真正的三維可視化。使用TerraBuider疊加航空/衛(wèi)星影像、數(shù)字高程模型以及各種矢量地理數(shù)據(jù)，能迅速方便地創(chuàng)建海量三維地形數(shù)據(jù)集[10]，再通過TerraExplorer Pro調(diào)用本地或TerraGate發(fā)布的三維地形數(shù)據(jù)集，并加載三維模型以及二維空間數(shù)據(jù)構(gòu)建三維場景[10]，并以FLY文件格式儲存。在進(jìn)行方案推演時，地形的準(zhǔn)確表達(dá)[11]是基礎(chǔ)條件，指定的FLY文件提供所需的推演場景。

1.3腳本設(shè)計

方案推演是否準(zhǔn)確，取決于腳本設(shè)計[12]和推演過程的腳本控制[13，14]。推演腳本是為了滿足應(yīng)急處置時的各種態(tài)勢的動態(tài)展現(xiàn)而設(shè)計的[15，16]。制作推演腳本時，應(yīng)遵循2個原則：① “典型事態(tài)”的準(zhǔn)確表現(xiàn)，即抽取方案中的對象、時序和動作等特征要素，按照預(yù)定義的規(guī)則進(jìn)行編輯制作；② “干擾事態(tài)”的準(zhǔn)確展現(xiàn)，包括突發(fā)干擾事件、物候干擾因素和人為干擾因素，按照各干擾因素的特點進(jìn)行編輯，設(shè)置報警點、警戒線、報警方式和顯示效果等。以物候干擾因素為例，主要考慮風(fēng)、雨、雪、雹等氣候現(xiàn)象和地磁干擾環(huán)境現(xiàn)象，如霧(強、中、弱)、沙塵暴(強、中、弱)、煙霧迷茫(濃、中、稀)、雨(暴、中、小)、雪(大、中、小)和天氣情況(晴天、陰天)等。

1.4架構(gòu)設(shè)計

方案推演平臺體系架構(gòu)自下向上分為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和交互層，如圖1所示。

圖1　平臺體系架構(gòu)圖

基礎(chǔ)層主要為平臺的業(yè)務(wù)應(yīng)用提供支撐。操作系統(tǒng)采用Windows XP，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用Oracle，GIS平臺采用Skyline Globe產(chǎn)品。

數(shù)據(jù)層主要為平臺的業(yè)務(wù)應(yīng)用存儲管理數(shù)據(jù)，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)。主要包括場景資源庫、模型數(shù)據(jù)庫、算法庫、分詞標(biāo)準(zhǔn)庫、干擾信息庫、腳本文件庫和用戶信息庫。

服務(wù)層負(fù)責(zé)為平臺的應(yīng)用提供算法處理服務(wù)，主要包括地圖服務(wù)、搜索定位服務(wù)、地理分析服務(wù)、時序生成服務(wù)和沖突運算服務(wù)。

交互層則擔(dān)負(fù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的人機(jī)交互工作，主要包括三維交互瀏覽、三維地形分析、模型標(biāo)繪、方案解析、人工判讀、腳本管理、干擾因素管理、推演控制和用戶管理。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1方案解析

方案解析是使用漢語分詞解析技術(shù)，將方案中的目標(biāo)實體及其活動信息進(jìn)行解析。要求方案符合特定的模版格式，即使用主謂描述形式，一句話描述一個目標(biāo)實體的一次動作狀態(tài)行為。解析時使用分詞詞典進(jìn)行分詞的匹配對照，匹配成功后將語句進(jìn)行拆分標(biāo)注，形成目標(biāo)實體活動序列，再進(jìn)行人工分析篩選和模型狀態(tài)匹配，最后形成典型素材。

2.1.1詞典設(shè)計

分詞詞典是漢語切分和標(biāo)注的依據(jù)，是一套按照詞性分類的文本文件集合。在該詞典中收集了漢語中大部分的常用分詞(名詞、動詞及形容詞等)。但是對于特種行業(yè)的專用方案文檔，則會出現(xiàn)一些專業(yè)性詞匯或者自定義的詞匯。在對文檔解析之前，要將專業(yè)性詞匯或者自定義的詞匯補充到分詞詞典中。

2.1.2文檔解析

文檔解析即對整個文檔進(jìn)行分詞標(biāo)注解析，抽取目標(biāo)實體。首先加載方案文檔，然后使用分詞詞典進(jìn)行解析，形成分句集合，然后對分句集合中的分句依次進(jìn)行提取和解析，使用分詞詞典進(jìn)行匹配，抽取目標(biāo)實體，生成目標(biāo)實體活動序列。文檔解析的流程如圖2所示。

圖2　方案文檔解析過程流程

2.1.3人工判讀

文檔解析的結(jié)果是目標(biāo)實體活動序列，由于這個結(jié)果是自動分詞的產(chǎn)物，所以需要加入一個人工判讀的過程，以確保真實準(zhǔn)確地表達(dá)方案的內(nèi)容。對于錯誤的目標(biāo)實體活動，要進(jìn)行修改與糾正，然后即可生成典型素材文件，該文件以XML格式存儲，是進(jìn)行推演和分析的基礎(chǔ)。

2.2過程顯示和控制

推演過程的顯示和控制分2個階段：準(zhǔn)備階段和播放控制階段，其流程如圖 3所示。

準(zhǔn)備階段：分別加載“典型素材文件”和“干擾素材”，進(jìn)行目標(biāo)實體的屬性設(shè)置；抽取典型素材和干擾因素中對象的標(biāo)識、時間信息，按時間順序形成時序鏈表。

目標(biāo)實體的屬性設(shè)置重點是其對應(yīng)的二維和三維模型的動作屬性設(shè)計，主要包括運動、停止、變形、閃爍、顯隱和視角變化等動作，每一個動作可以設(shè)置一個啟用時間。目標(biāo)實體動作屬性的主要控制參數(shù)如表 1所示。

圖3　推演過程的顯示和控制流程

屬性名稱描述狀態(tài)1:不顯示2:顯示3:運動4:停止5:組合目標(biāo)顯示攻擊范圍物候狀態(tài)1~5級逐級加深時間描述該狀態(tài)動作發(fā)生的時間速度描述該時刻的運動速度高度描述該時刻目標(biāo)所處的高度方向描述該時刻目標(biāo)的水平方向俯仰角描述該時刻目標(biāo)的俯仰方向橫滾角描述該時刻目標(biāo)的橫滾方向動目標(biāo)視角正前方、正后方、左側(cè)、右側(cè)等

每一個目標(biāo)實體都包含一組狀態(tài)動作，用于描述該實體在一段時間內(nèi)的連續(xù)動作變化情況；一個場景中包含多個目標(biāo)實體，模型之間的動作變化時刻可以重疊，設(shè)置上互不干涉，表現(xiàn)上互不沖突，通過變化動作可以達(dá)到多層次豐富展示的推演效果。時序鏈表是為了便于演播控制而進(jìn)行的設(shè)計，鏈表中的每個節(jié)點對應(yīng)一個模型的一次動作行為，播放時依次讀取時序鏈表信息，獲取對應(yīng)的模型及動作信息并進(jìn)行展示。時序鏈表節(jié)點參數(shù)如表 2所示。

表2　時序鏈表節(jié)點屬性表

使用時序鏈表能夠方便地實現(xiàn)播放過程的控制：暫停、繼續(xù)以及設(shè)置播放速度，并且通過時間設(shè)置，快速展現(xiàn)即時場景狀態(tài)。時序鏈表記錄內(nèi)容簡便，占用資源小，將它和模型素材共同記錄成為腳本文件，提高腳本初始加載速度。

播放階段：載入時序鏈表和模型素材，依次讀入并解析鏈表節(jié)點，控制模型按預(yù)定動作顯示，進(jìn)行沖突判斷如是否形成干擾、記錄干擾結(jié)果、修改對象被干擾后的狀態(tài)信息、重構(gòu)時序鏈表剩余部分等。

腳本播放主要是通過三維場景展示，同時輔助以時間軸方式。設(shè)計時間軸的好處是既能夠直觀展示目標(biāo)實體在整個周期內(nèi)的動作與狀態(tài)變化；又可以方便地調(diào)整目標(biāo)實體的動作及其發(fā)生時間，尤其是可根據(jù)方案的可行性評估在時間軸上調(diào)整目標(biāo)實體，及時完善方案。

3試驗驗證

環(huán)境準(zhǔn)備：使用配置在局域網(wǎng)中的3臺計算機(jī)，其中一臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，安裝ORACLE10g；一臺地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，安裝配置Skyline服務(wù)軟件；一臺工作站使用Windows XP操作系統(tǒng)，安裝方案推演平臺。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：根據(jù)方案推演平臺的特點，準(zhǔn)備地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)、字典數(shù)據(jù)、隧道和橋梁等模型數(shù)據(jù)。

用例設(shè)計：側(cè)重針對基本GIS功能，設(shè)計漫游、滑行、轉(zhuǎn)向、指北、飛行瀏覽、水平測距、坡向測距和面積量算等用例；針對腳本顯示和控制，設(shè)計腳本加載、顯示和控制用例。

執(zhí)行測試：在測試環(huán)境、測試數(shù)據(jù)和測試用例準(zhǔn)備完成后，按照測試用例進(jìn)行仿真測試。

設(shè)計了一個泥石流爆發(fā)后的應(yīng)急處置場景，并使用方案推演平臺對一個地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置預(yù)案進(jìn)行了仿真測試。預(yù)案設(shè)計了指揮中心、搶險、查災(zāi)核災(zāi)、醫(yī)療保障、交通運輸、通訊、基礎(chǔ)設(shè)施恢復(fù)和災(zāi)害損失評估等應(yīng)急處置行動，考慮了次生災(zāi)害、天氣和交通等干擾因素的影響。

試驗表明，該平臺能夠可視化展示任務(wù)、行動內(nèi)容和行動安排，并進(jìn)行靈活調(diào)整；能夠展示各種突發(fā)事件、物候干擾因素、人為干擾因素對方案的影響。

有必要不斷對分詞詞典進(jìn)行完善，避免專業(yè)或行業(yè)術(shù)語不能被正確解析。

4結(jié)束語

本文從平臺框架、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、推演腳本、體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和仿真測試等方面詳細(xì)介紹了基于三維空間的方案推演平臺的設(shè)計與實現(xiàn)，使方案腳本生成和維護(hù)過程更加便捷、智能，使腳本演示過程更加逼真、可控。目前該平臺已經(jīng)在多個應(yīng)急管理部門使用，用于對山洪、泥石流和其他重大地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急處置方案進(jìn)行推演，幫助決策管理部門及時發(fā)現(xiàn)不足，完善預(yù)案，具有重要的實用價值和現(xiàn)實意義。

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田聚波男，(1969—)，高級工程師。主要研究方向：一體化情報與指控。

作者簡介

中圖分類號TN919

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號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的方案推演平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J].無線電工程，2016，46(2)：76-79.