一種基于高程數(shù)據(jù)的全球地形高度檢測(cè)方法

吳 瓊，孫韶杰，于 瀾，蘇 迪

(1.空軍研究院特種勤務(wù)研究所，北京 100195；2.空軍石家莊飛行學(xué)院 飛行模擬訓(xùn)練中心，北京 100195)

0 引言

在飛行模擬器訓(xùn)練領(lǐng)域，無(wú)論是模擬器飛行控制系統(tǒng)、航路規(guī)劃系統(tǒng)，還是三維態(tài)勢(shì)顯示系統(tǒng)，都需要實(shí)時(shí)獲得實(shí)體(飛機(jī)、武器、碰撞等)當(dāng)前位置的地形高度，從而計(jì)算出實(shí)體相對(duì)地面的高度(簡(jiǎn)稱無(wú)線電高度[1-3])。在飛行模擬器訓(xùn)練[4-6]中，視景系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)返回?zé)o線電高度給飛行控制系統(tǒng)，用于判斷飛機(jī)的碰撞狀態(tài)等，同時(shí)在飛行電子儀表中顯示該高度。彈丸航路點(diǎn)規(guī)劃時(shí)需要知道航路點(diǎn)沿路的制高點(diǎn)，從而設(shè)定彈丸的發(fā)射高度。在三維態(tài)勢(shì)顯示系統(tǒng)中，地形高度有如下作用：(1)用于放置雷達(dá)陣地、地導(dǎo)陣地，由于導(dǎo)演部在下達(dá)作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)只給出陣地的放置經(jīng)緯度，不明確給出高度，因此態(tài)勢(shì)系統(tǒng)中需要通過(guò)陣地的經(jīng)緯度來(lái)得到當(dāng)前位置的地形高度，然后將陣地準(zhǔn)確地放置在地面上；(2)在顯示碰撞效果時(shí)，如果是對(duì)地攻擊或撞地，需要根據(jù)給出的碰撞點(diǎn)的經(jīng)緯度獲取該點(diǎn)的地形高度，如果爆炸點(diǎn)位于地面附近，則在地面疊加爆炸凹陷特效。因此，實(shí)時(shí)、高效、準(zhǔn)確地獲取實(shí)體當(dāng)前位置的地形高度十分重要。

飛行實(shí)體的地形高度獲取方法通常有兩種，一種是由虛擬三維場(chǎng)景圖形工作站實(shí)時(shí)對(duì)地作碰撞檢測(cè)得到地形高度，該方法耗費(fèi)主視景渲染時(shí)間，如Mantis、Equipe圖形工作站，偶爾會(huì)出現(xiàn)返回?zé)o效值；另一種是基于衛(wèi)星影像的高程數(shù)據(jù)來(lái)得到地形高度。基于高程數(shù)據(jù)的地形高度檢測(cè)方法相對(duì)于圖形工作站返回地形高度，其優(yōu)點(diǎn)是不耗費(fèi)主視景渲染進(jìn)程時(shí)間，且不會(huì)造成視景卡滯；缺點(diǎn)是目前基于高程數(shù)據(jù)的地形高度檢測(cè)方法都是使用局部范圍的高程數(shù)據(jù)，但應(yīng)對(duì)大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的飛行需求，單個(gè)高程文件的數(shù)據(jù)量會(huì)比較大，加載時(shí)間長(zhǎng)，所以有的跨區(qū)域飛行還需要更換高程文件，而且每一套飛行系統(tǒng)需要重新提供該區(qū)域的高程數(shù)據(jù)，該高程數(shù)據(jù)僅包括主機(jī)場(chǎng)和備降機(jī)場(chǎng)在內(nèi)的飛行范圍。因此地形高度獲取技術(shù)迫切需要改進(jìn)。

基于此，本文旨在研究基于全球的高程數(shù)據(jù)，在確保實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的前提下，提出一種全球范圍內(nèi)的地形高度檢測(cè)方法。

1 全球地形高度檢測(cè)算法

本文提出的基于高程數(shù)據(jù)的全球地形高度檢測(cè)算法和全球衛(wèi)星影像的高程數(shù)據(jù)可裝載在一臺(tái)服務(wù)器計(jì)算機(jī)中，用于實(shí)時(shí)接收客戶端待查詢的經(jīng)緯度，然后將查詢結(jié)果分發(fā)到各個(gè)客戶端，如圖1所示。其中客戶端可包括三維態(tài)勢(shì)系統(tǒng)[7-12]、飛行控制系統(tǒng)[13-14]、碰撞檢測(cè)系統(tǒng)[15-16]、導(dǎo)調(diào)系統(tǒng)[17-19]、航路規(guī)劃系統(tǒng)[20-23]，以及所有其他需要獲取給定經(jīng)緯度位置的地形高度、相對(duì)地面高度的系統(tǒng)。

圖1 全球地形高度檢測(cè)的應(yīng)用

全球地形高度檢測(cè)算法總體流程分為兩步，下面將分別從全球高程數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、地形高度檢測(cè)算法兩方面進(jìn)行詳細(xì)闡述，如圖2所示。

圖2 全球地形高度檢測(cè)總體流程

1.1 全球高程數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

全球的衛(wèi)星影像高程數(shù)據(jù)如果存儲(chǔ)在一個(gè)文件中，則文件的打開速度會(huì)非常慢，因此從衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)中輸出高程數(shù)據(jù)時(shí)，需要按度進(jìn)行區(qū)域劃分和規(guī)范化命名。

本文采用的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為世界范圍內(nèi)90 m分辨率的圖像，文件格式為tif。輸出的高程數(shù)據(jù)文件受采樣間距和分塊大小兩個(gè)因素所制約，采樣間距設(shè)置為400 m，200 m，90 m，分塊大小有10°×10°，5°×5°，2°×2°，1°×1°。

全球經(jīng)度范圍定義為[-180，180]，緯度范圍定義為[-90，90]，假設(shè)經(jīng)緯度塊的大小設(shè)置為m×n，則：

其中，Numlon是經(jīng)度塊的總塊數(shù)，Numlat為緯度塊的總塊數(shù)。

高程文件需要進(jìn)行規(guī)范化的命名，這樣通過(guò)文件名稱就可以快速地計(jì)算出該文件的經(jīng)緯度范圍，反之給定任意一個(gè)經(jīng)緯度也可以快速得到所屬文件名稱。本文規(guī)定高程文件命名格式為World_xxx_yyy，其中xxx為三位表示的經(jīng)度塊編號(hào)，取值范圍為[0，Numlon-1]，yyy為三位表示的緯度塊編號(hào)，取值范圍為[0，Numlat-1]。給定某一高程文件名稱為World_A_B，有：

則該文件的經(jīng)度范圍為[LonLL，LonRR)，緯度范圍為[LatLL，LatRR)。 反之亦然，假設(shè)給定某一經(jīng)緯度為L(zhǎng)ongiven，Latgiven，有：

其中，floor()為向下取整操作，ceil()為向上取整操作，則該經(jīng)緯度的高程數(shù)據(jù)屬于文件World_C_D。

1.2 地形高度檢測(cè)算法

快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)給定位置的地形高度是檢測(cè)算法的核心。

如圖3所示，地形高度檢測(cè)算法步驟如下：

圖3 地形高度檢測(cè)算法流程圖

(1)輸入待查詢的經(jīng)緯度。

(2)計(jì)算查詢經(jīng)緯度的高程所在文件：已知高程文件的分塊大小，根據(jù)式(1)、(2)、(7)、(8)計(jì)算得到文件名稱，如果文件不存在，則查詢失敗，直接返回。

(3)遍歷高程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)組demCache，判斷該高程文件是否需要重新讀取：如果文件以前打開過(guò)，讀取過(guò)數(shù)據(jù)，則直接進(jìn)入步驟(4)；如果文件沒有打開過(guò)，則重新打開，并且將新數(shù)據(jù)存入demCache，demCache設(shè)置存儲(chǔ)上限，超出閾值則清空一半過(guò)期數(shù)據(jù)。使用demCache的目的是避免高程文件的重復(fù)打開，有效提高檢測(cè)效率。

(4)基于數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)數(shù)據(jù)查詢高度，輸出檢測(cè)結(jié)果：如果檢測(cè)到，則返回檢測(cè)點(diǎn)的地形高度；如果沒有檢測(cè)到，則返回?zé)o效值-9999。

基于DEM數(shù)據(jù)文件查詢和計(jì)算地形高度的基本思想如圖4所示，物體的海拔高度不同于地形高度，海拔高度是指某個(gè)位置高出海平面的垂直距離，而地形高度是指某個(gè)位置地面的高度[24]。仿真應(yīng)用中武器和飛機(jī)目標(biāo)都存在撞地的問(wèn)題，本文按目標(biāo)的平面坐標(biāo)查詢對(duì)應(yīng)的地形高度，與目標(biāo)實(shí)際當(dāng)前高度進(jìn)行比較，作為目標(biāo)是否撞地的判斷。

圖4 地形高度檢測(cè)的基本思想

將全球高程數(shù)據(jù)當(dāng)作一個(gè)大矩形E，由查詢經(jīng)緯度 點(diǎn)P0(Longiven，Latgiven，10 000)、點(diǎn)P1(Longiven，Latgiven，0)的連線與矩形E求相交點(diǎn)Inter_p，具體描述如下：

(1)根據(jù)某個(gè)高程文件的頭部可得到如下基本信息：行數(shù)nrows，列數(shù)ncols，最西經(jīng)度xllcorner，最南緯度yllcorner，采樣率cellsize(單位弧度)。

(2)定位待查詢經(jīng)緯度所在矩形F的范圍：

(3)分別計(jì)算點(diǎn)P0到F的距離矢量d0，點(diǎn)P1到F的距離矢量d1，只有d0×d1≤0，才會(huì)存在交點(diǎn)Inter_p，即表明P0在地面上，P1在地面以下，P0、P1的連線與地形有交點(diǎn)。

(4)計(jì)算點(diǎn)P0到F面的相交點(diǎn)Inter_p，如果交點(diǎn)在矩形面內(nèi)，則采用該交點(diǎn)值的高度作為待查詢經(jīng)緯度的地形高度檢測(cè)結(jié)果；如果交點(diǎn)不在矩形面內(nèi)，則說(shuō)明交點(diǎn)處所需要讀取的高程數(shù)據(jù)不在打開的高程文件范圍內(nèi)，需要遍歷讀取其他高程文件再重新計(jì)算。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及比較

采樣間距、分塊大小決定高程文件的讀取速度，進(jìn)而決定檢測(cè)算法的執(zhí)行效率。本文針對(duì)不同采樣間距、不同分塊大小情況，對(duì)高程文件的第一次讀取數(shù)據(jù)、檢測(cè)平均所耗時(shí)間進(jìn)行了比較分析，如表1第3列所示。從表中可以看出，采樣間距越大、分塊越小，檢測(cè)算法的執(zhí)行效率越高。在文件已打開狀態(tài)下，算法的檢測(cè)耗時(shí)如表1第4列所示，從表中可以看出所耗時(shí)間相差不大，并且檢測(cè)速度很快，這充分說(shuō)明采用存儲(chǔ)數(shù)組來(lái)保存若干高程數(shù)據(jù)的必要性，它能避免文件的重復(fù)讀取，有效提高檢測(cè)算法的執(zhí)行效果。相比三維場(chǎng)景圖形工作站實(shí)時(shí)獲取地形高度方法，本算法由于不受主視景渲染時(shí)間影響，檢測(cè)效率更加高效。

表1 檢測(cè)算法的耗時(shí)對(duì)比表

綜合考慮檢測(cè)耗時(shí)和文件數(shù)量?jī)蓚€(gè)因素，本文采用200 m的采樣間距，2°×2°的分塊大小作為檢測(cè)算法的高程數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置，該設(shè)置能夠較好地滿足實(shí)時(shí)性要求。

檢測(cè)時(shí)間是評(píng)價(jià)檢測(cè)算法實(shí)時(shí)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，同樣檢測(cè)地形高度的準(zhǔn)確性是評(píng)價(jià)檢測(cè)算法的另一個(gè)重要指標(biāo)。表2列出了200 m的采樣間距，2°×2°的分塊大小條件下，檢測(cè)算法一系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中第2列是在衛(wèi)星影像中該經(jīng)緯度的地形高度值，第3列是本文提出的檢測(cè)算法計(jì)算出的地形高度值。從表2中可以看出，在采樣間距的整數(shù)倍地理位置處的高程數(shù)據(jù)是完全和衛(wèi)星影像中一致的，在其他地理位置處檢測(cè)算法得出的高度值是插值的結(jié)果，最大誤差率為0.34%，最小誤差率為0。

表2 檢測(cè)算法得出的地形高度值

3 結(jié)論

本文基于衛(wèi)星影像高程數(shù)據(jù)，提出了一個(gè)全球地形高度檢測(cè)方法，相比小范圍檢測(cè)，該方法具有三大特點(diǎn)：(1)高程數(shù)據(jù)不是存儲(chǔ)在一個(gè)文件中，而是按度劃分按需取用；(2)高程數(shù)據(jù)的讀取速度快，滿足體系對(duì)抗模擬訓(xùn)練實(shí)時(shí)獲取地形高度要求；(3)地形高度的查詢結(jié)果誤差率低。下一步將把提出的地形高度檢測(cè)方法應(yīng)用到體系對(duì)抗模擬訓(xùn)練中，并且進(jìn)一步完善。