SR20飛行訓練器視景系統三維地形建模技術研究

趙 瑞

（中國民用航空飛行學院洛陽分院，河南 洛陽 471001）

0 引言

飛行訓練器的視景系統是飛行員和操縱組件、座艙儀表之間的交互橋梁。通過三維建模和圖像處理技術，視景系統能夠實時生成座艙外的視野影像，利用多通道投影儀將三維地形、機場及天氣狀況等畫面投射到球型幕上，為飛行員訓練過程提供實時的視覺反饋，營造逼真的飛行環境。三維地形視景的精準度和時效性會直接影響飛行訓練人員的訓練效果。

傳統飛行訓練器廠家很少對客戶的視景數據庫進行更新，而且更新需要付費。本文針對SR20飛行訓練器(FTD）的視景系統，利用Presagis Creator等專業視景仿真工具，提出了一種精準且快捷的三維地形建模技術，能夠快速升級訓練器的最新地形數據，確保地形數據庫的精準度和時效性。

1 建模工具

Presagis是加拿大CAE旗下的獨立子公司。Creator是該公司推出的專業視景建模仿真軟件。Presagis Creator的地形建模模塊可以讀取DTED格式或DEM格式的數字高程模型數據，匹配地理經緯度坐標后，和遙感衛星圖像等地形紋理數據相映射，快速生成大面積的地形模型數據庫。通過自動化的層次細節設置和組篩選，能方便地創建多分辨率地表特征，并能精確控制地表多邊形數量和與原始數據間的誤差，使地形精度接近真實世界，地面紋理逼真度高。OpenFlight是Creator特有的模型數據庫文件格式，其采用了樹狀層次結構的數據庫組織形式，應用于實時視景仿真有利于減少系統開銷，提高渲染效率，且具有靈活性高、結構清晰的特點。鑒于以上特點，本文選擇Presagis Creator作為SR20飛行訓練器(FTD）視景系統地形數據庫的主要建模工具［1］。

2 地理信息數據獲取

地理信息數據處理包括數據獲取、DEM處理和遙感衛星圖像處理，都需要選擇合適的處理工具及方法。

通過國家地理空間數據云網站或者NASA官網，下載ASTER GDEM V2版本的高程數據，范圍設定為洛陽機場進近飛行程序覆蓋的矩形框范圍(機場周邊約50公里范圍）。該數據格式為GeoTiff，分辨率為1arc(30 m），基 準 為WGS84，投 影 為 地 理 坐 標 投 影(Geographic Lat/Lon）。該數據無法直接被Presagis Creator讀取，需要將其轉化為DEM格式或者DTED格式，利用GIS軟件Global Mapper可以進行格式轉換。

(1）用Global Mapper打開tif后綴的數據文件，打開過程中選擇以高程數據方式打開。

(2）菜單欄選擇“輸出/輸出海拔網格格式”，在彈出的對話框中選擇DEM或者DTED。

(3）在彈出的導出選項對話框里可以設置采樣間距，網格布局，輸出范圍等［2］。

(4）單擊確定并選擇保存目錄，即可轉換為DEM或者DTED格式。

遙感衛星圖像可以從Google Earth網站下載，相比其他數據源，Google Earth具有完全免費、精度高以及更新速度快等優點。因此，本文采用Google Earth作為遙感影像的原始數據來源。Google Earth的衛星圖片分辨率最高可達1 m以內，衛星圖片下載后可以拼接為帶地理信息的GeoTiff格式圖片，也可以是jpg格式圖片附加一個帶地理信息的世界文件。根據與洛陽機場距離的不同，按區域分別下載了3種分辨率的衛星圖片。Google Earth衛星圖像的地圖投影方式為網絡墨卡托(Web Mercator），EPSG投影編碼為3785。Presagis Creator的默認參考橢球體為WS84，為數據匹配，需將衛星圖像的投影方式改為EPSG：4326的WGS84地理坐標投影。

(1）用Global Mapper打開衛星圖像。

(2）菜單欄選擇“工具/配置”，在彈出的配置對話框中選擇投影標簽。

(3）在“從EPSG輸入”里輸入4326，確定保存。(4）重新以“光柵/圖像格式”輸出修改后的衛星圖像。

3 地形建模

3.1 高程數據處理

DED builder是Presagis Creator內置的地形數據轉換工具，可以將各種格式的原始地形數據文件轉化為Presagis Creator專用的DED格式。

打開Presagis Creator，選擇“Terrain/build DED”菜單命令啟動該工具。

(1）單擊“Add”按鈕添加原始地形文件，在彈出的文件夾瀏覽器中選擇地形文件即可將它們加載到DED文件生成器中，并被顯示在窗口左邊的原始地形文件列表中。

(2）選擇好文件和文件設置后，單擊DED文件生成窗口中“Output File”旁邊的瀏覽按鈕，指定要生成的文件的文件名和存儲路徑［3］。

(3）單擊“Generate”按鈕，則會從選中的地形文件生成DED文件。

地理信息數據預處理后，導入Presagis Creator中開始建立地形模型，選擇“Terrain/New Project”，從彈出的對話框中選擇并導入DED地形數據文件，然后打開“Terrain Window”參數設置窗口，可以對地形數據庫相關參數進行精細的調整，Terrain Window參數設置窗口如圖1所示。

圖1 Terrain Window參數設置窗口

選擇要處理的地面區域，設置Presagis Creator高程數據轉換為地形多邊形的各種控制參數。在設置生成地形參數時必須綜合考慮需要的LOD數目、地圖投影方式、地形多邊形轉換方式以及硬件平臺的多邊形預算等因素。由于生成地形模型數據庫是一個需要反復試驗的過程，而且需要花費較長時間計算，所以有必要在進行正式轉換之前先取一小塊目標區域進行效果測試。

3.2 創建地形LOD

細節層次(Levels of Detail，LOD）是模型數據庫中代表同一物體而又具有不同的細節程度的一組模型對象，不同細節程度版本模型的多邊形復雜度也不一樣，細節程度越高，模型對象所包含的多邊形數量越多。在可視化仿真運行的過程中，實時系統會根據當前視點位置距模型對象的距離選擇其中一個LOD來顯示模型對象。因此，使用LOD技術可以有效提高模型數據庫的多邊形利用率，在有限條件下取得最佳的視覺效果。

本數據庫利用LOD技術設置了3個細節層次的地形模型，高細節層次的模型中包含了更多的多邊形以提高模型的分辨率，如圖2所示。系統在調用模型時，會根據設定的轉入和轉出距離切換不同細節層次的模型，從而有效地提高了多邊形的利用效率。

圖2 不同層次細節的地形模型

地形LOD的設置在地形窗口的“Set Level of Detail Switch Ranges”區域中進行，點擊“Insert LOD”可以對細節層進行插入操作，相關參數如表1所示。

表1 不同細節層次的參數

3.3 設置地圖投影和地形轉換算法

由于真實地球不是一個圓球體，所以對于地球上不同位置的地形必須使用不同地圖投影方式來減少投影誤差，選擇地圖投影方式取決于目標地形區域在地球上的具體位置、面積大小以及實際形狀等因素。Presagis Creator提供了5種不同的地圖投影方式，可在“Map Projection”下拉菜單中進行選擇。

根據洛陽機場的中心地理位置及本文建模區域范圍較小的特點，可根據需要選擇Trapezoidal梯形投影。該投影方式在投影中心處最精確，隨著與中心點的距離增加，誤差變大，因此，這種投影方式適合于范圍較小的地形數據庫。

Presagis Creator提供了多種不同類型的三角形化算法來將高程數據轉換為地形模型數據庫。使用不同的轉換算法和參數，將會在實時仿真系統中獲得不同的運行效率，所以有必要根據實際測試效果合理選擇地形轉換算法。

本數據庫采用了Delaunay轉換算法，該算法可隨地形起伏變化的緩急而動態地生成多邊形數量。因此，與其他算法相比，這種地形算法的優點在于支持LOD之間的邊界匹配，在多邊形數量較少的情況下也能很好地描述地形，且能夠避免產生細長三角形，影響系統性能。同時Presagis Creator為該算法提供了Delaunay地形修正工具“Modify Delaunay”，利用這種工具可以對地形多邊形進行精細化修改和調整，最大限度地提升地形的真實性。

3.4 映射地形紋理

紋理映射(Texture Mapping）是把二維的圖像位圖上的像素值映射到三維實體模型的對應頂點，來產生特殊效果或真實感的技術。將包含真實地形表面信息的紋理映像到地形模型上，可以有效提高模型的逼真度，使系統仿真時的場景有更好的真實感。

地形紋理映射的方法就是針對不同的飛行高度，將紋理應用到多邊形模型上，具體操作是在Presagis Creator等高線屬性下拉菜單中選擇“Texture”項，再指定需要添加貼圖的海拔段，就可以為該海拔段添加紋理。應用地形紋理的具體方法有3種。

(1）在地形窗口的Texture面板中直接指定使用的紋理。

(2）使用紋理工具箱中的“GeoPut Texture”工具。

(3）使用“Terrain/Batch GeoPut”菜單命令。

以上3種應用地形紋理的方式都要確保地形紋理與地形模型的地形坐標完全匹配。本文地形紋理的原始數據來自3種分辨率的帶有地理信息的衛星圖片，不同分辨率的地形紋理根據飛行高度的變化，應用于機場周邊不同的區域上，越接近機場的區域，飛機飛行高度越低，需要映射分辨率越高的地形紋理。

4 仿真效果

輸出地形模型數據庫后，還需要對地形數據進行檢查調試，消除定位誤差造成的紋理的變形失真。調試修改完成后，該數據庫文件可直接導入SR20飛行訓練器視景系統，進行地形數據庫更新。最終生成的地形模型數據庫如圖3所示。

圖3 地形數據模型

5 結語

本文針對SR20飛行訓練器視景系統，介紹了一種利用Presagis Creator等專業仿真工具進行快速三維地形建模的方法，提高了地形數據庫的時效性，實際使用效果滿足訓練要求。后期將引入Terra Vista仿真軟件，進行機場文化要素建模，進一步豐富地形數據庫。