楊玉婷 高 鑫 袁韻潔

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著軍事作戰(zhàn)能力的提升，作戰(zhàn)模式已從單一武器作戰(zhàn)演變?yōu)槲淦飨到y(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)，空間范圍也不再局限于陸地，空中和海面的拓展使戰(zhàn)場(chǎng)逐漸成為立體化的形態(tài)[1-2]。范圍的擴(kuò)大使本就瞬息萬(wàn)變的戰(zhàn)場(chǎng)信息變得更加復(fù)雜，傳統(tǒng)的單一信息展示已不能全面反映實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)，多維度的態(tài)勢(shì)演示是未來(lái)的發(fā)展方向。

結(jié)合實(shí)際作戰(zhàn)情況，作戰(zhàn)演示系統(tǒng)一般需提供地圖顯示控制、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息顯示、空情目標(biāo)信息顯示等功能。Cesium是一種GIS(geo information system地理信息系統(tǒng))平臺(tái)，可直觀顯示態(tài)勢(shì)信息、空情信息等，能夠動(dòng)態(tài)展示戰(zhàn)場(chǎng)變化，將從戰(zhàn)場(chǎng)中實(shí)時(shí)獲得的數(shù)據(jù)以圖形化的方式展示出來(lái)。本文首先概述了Cesium平臺(tái)的特點(diǎn)及場(chǎng)景，然后對(duì)Cesium平臺(tái)涉及的三種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后對(duì)Cesium在武器系統(tǒng)作戰(zhàn)演示中的兩類典型應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1 Cesium概述

Cesium是一個(gè)基于JavaScript語(yǔ)言的開源三維地理信息庫(kù)，無(wú)需額外安裝插件即可在支持html5的瀏覽器上運(yùn)行。Cesium具有成本低、支持多種數(shù)據(jù)可視化方法、跨平臺(tái)、計(jì)算精度高等優(yōu)勢(shì)；基于WebGL底層框架進(jìn)行開發(fā)，并在WebGL的基礎(chǔ)上做了許多算法優(yōu)化，能夠更加流暢地海量加載三維模型數(shù)據(jù)與全球的遙感影像數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)[3]。相比于其他GIS平臺(tái)，Cesium真正實(shí)現(xiàn)了二、三維一體化，支持2D平面地圖、2.5D哥倫布地圖、3D三維地圖的場(chǎng)景切換，圖1展示了三種不同場(chǎng)景，通過(guò)右上角的地圖模式切換選項(xiàng)，即可在三種場(chǎng)景間任意切換。

圖1 Cesium場(chǎng)景

此外對(duì)于開發(fā)者來(lái)說(shuō)，Cesium有詳細(xì)的API文檔，對(duì)其屬性、方法等進(jìn)行了說(shuō)明，還提供了Sandcastle沙盒代碼庫(kù)，可在沙盒中運(yùn)行測(cè)試程序，提高了開發(fā)效率。Cesium可用于與GIS相關(guān)的各行業(yè)，如建筑、水文、城市規(guī)劃等，Chaturvedi K在Cesium上加載3D城市模型，用于指導(dǎo)城市建設(shè)[4]，Meersbergen M V利用Cesium實(shí)現(xiàn)了水文預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)集的可視化[5]，目前Cesium在武器系統(tǒng)作戰(zhàn)演示方向的應(yīng)用鮮有提及。

2 Cesium平臺(tái)數(shù)據(jù)

在武器系統(tǒng)作戰(zhàn)演示應(yīng)用中，Cesium作為地理信息平臺(tái)，能夠?qū)?shí)時(shí)態(tài)勢(shì)信息等展示在地圖上。這其中涉及到地圖數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)以及作戰(zhàn)演示數(shù)據(jù)，下面就三類數(shù)據(jù)的來(lái)源以及加載方式進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 地圖數(shù)據(jù)

Cesium可加載天地圖、Arcgis等在線地圖，也支持瓦片地圖模式。作戰(zhàn)演示軟件應(yīng)用于武器系統(tǒng)局域網(wǎng)內(nèi)，沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境無(wú)法讀取在線數(shù)據(jù)，因此瓦片地圖模式是最佳選擇。瓦片地圖技術(shù)的原理是將一定坐標(biāo)范圍內(nèi)的地圖，按照固定的若干個(gè)比例尺(瓦片級(jí)別)和指定圖片尺寸，切成若干行及列的正方形圖片，并按一定的命名規(guī)則保存到目錄系統(tǒng)中[6]。

圖2顯示了瓦片地圖的劃分，可以看出下一級(jí)瓦片是在上一級(jí)瓦片基礎(chǔ)上進(jìn)行了一分四劃分，即四叉樹劃分法，由此可知隨著瓦片級(jí)別的增多，地圖的分辨率會(huì)越來(lái)越高。在讀取地圖數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)不同的瓦片級(jí)別將瓦片圖片進(jìn)行拼接，即可實(shí)現(xiàn)地圖加載服務(wù)。

圖2 瓦片地圖劃分示例

圖3是瓦片地圖加載代碼，該段代碼可完成瓦片地圖的加載，其中imageryProvider中的url子項(xiàng)是瓦片地圖在本地的存儲(chǔ)地址，其余項(xiàng)是地圖顯示特性的描述，加載后的地圖可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、放大、縮小操作。

圖3 瓦片地圖加載代碼

2.2 模型數(shù)據(jù)

武器系統(tǒng)作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息中包含各類裝備、飛行導(dǎo)彈、空情目標(biāo)、環(huán)境建筑物等，在演示時(shí)需采用不同的模型與其一一對(duì)應(yīng)。對(duì)于2D平面地圖場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，可直接采用圖片文件，支持jpg、png、ico等格式。對(duì)于3D三維地圖場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，Cesium支持gltf和bgltf兩種格式[7]。gltf是一種交換格式，用于在互聯(lián)網(wǎng)或者移動(dòng)設(shè)備上展現(xiàn)3D內(nèi)容，bgltf是gltf二進(jìn)制格式的擴(kuò)展。Cesium中提供了多種3D模型參考，包括飛機(jī)、越野車、人物等，除自帶的3D模型外還可自定義設(shè)計(jì)3D模型。對(duì)于常見(jiàn)的obj、3ds、fbx等模型格式，可先通過(guò)3dmax轉(zhuǎn)換為dae格式，再通過(guò)dae轉(zhuǎn)gltf工具轉(zhuǎn)換為gltf格式應(yīng)用于Cesium中。

圖4是模型對(duì)象的加載代碼，在創(chuàng)建模型時(shí)可對(duì)其位置、方向(包括偏航角、俯仰角、翻滾角)、像素等進(jìn)行設(shè)置。創(chuàng)建后的模型可隨地圖的移動(dòng)而移動(dòng)，地圖在一定縮放范圍內(nèi)改變時(shí)，模型保持一定的尺度不變。

圖4 模型對(duì)象加載代碼

2.3 作戰(zhàn)演示數(shù)據(jù)

作戰(zhàn)演示數(shù)據(jù)來(lái)源于武器系統(tǒng)、監(jiān)視測(cè)量設(shè)備、人工情報(bào)等，如來(lái)自武器指揮控制系統(tǒng)的導(dǎo)彈發(fā)射指令、來(lái)自雷達(dá)車的空情目標(biāo)信息、來(lái)自光電經(jīng)緯儀的追蹤數(shù)據(jù)等。作戰(zhàn)演示數(shù)據(jù)具有來(lái)源多且格式不同的特點(diǎn)，如采用逐比特讀取的方式會(huì)降低作戰(zhàn)演示系統(tǒng)的兼容性，每適配一種武器系統(tǒng)則需更改一次數(shù)據(jù)接口。

以空情目標(biāo)為例，在演示中需要獲取其類型、批號(hào)、速度、空間位置信息，不同的武器系統(tǒng)均需提供這四類信息給作戰(zhàn)演示系統(tǒng)。因此可在武器系統(tǒng)與作戰(zhàn)演示系統(tǒng)之間增加一個(gè)數(shù)據(jù)解析模塊，設(shè)計(jì)好數(shù)據(jù)解析模塊與作戰(zhàn)演示系統(tǒng)之間的接口，采用數(shù)據(jù)預(yù)處理方式實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)演示系統(tǒng)對(duì)外接口的標(biāo)準(zhǔn)化，提高了作戰(zhàn)演示系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

3 典型應(yīng)用

作戰(zhàn)演示系統(tǒng)最核心的功能是戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)顯示，除此外在Cesium中還可以實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)前規(guī)劃布局功能。

3.1 態(tài)勢(shì)顯示

作戰(zhàn)演示系統(tǒng)能夠顯示并動(dòng)態(tài)更新戰(zhàn)場(chǎng)中的態(tài)勢(shì)信息，以實(shí)際衛(wèi)星地圖為背景(二維或三維場(chǎng)景)，真實(shí)直觀地演示戰(zhàn)場(chǎng)中的各種變化。以空情信息為例，來(lái)說(shuō)明態(tài)勢(shì)顯示過(guò)程(數(shù)據(jù)解析模塊與作戰(zhàn)演示系統(tǒng)之間通過(guò)MQTT協(xié)議[8]通信為例，具體通信方式可根據(jù)需求確定)。

圖5是態(tài)勢(shì)顯示過(guò)程流程圖，基于Cesium的作戰(zhàn)演示系統(tǒng)首先將進(jìn)行系統(tǒng)初始化配置，設(shè)置好接收端口、服務(wù)器IP地址并連接到MQTT服務(wù)器上；然后訂閱空情信息主題，完成空情消息訂閱；之后有空情消息到達(dá)時(shí)，將解析空情信息，得到空情種類、經(jīng)緯度、高度、速度、批號(hào)，判斷該批號(hào)是否已經(jīng)存在，若存在則更新模型信息，若不存在則創(chuàng)建該批號(hào)模型；最后依據(jù)數(shù)據(jù)完成界面顯示更新操作。

圖5 態(tài)勢(shì)顯示過(guò)程流程圖

其中空情種類決定了模型的種類；經(jīng)緯度、高度可確定空情目標(biāo)位置；速度信息可決定空情行進(jìn)的方向；批號(hào)作為目標(biāo)實(shí)體的id，用于區(qū)分不同的空情目標(biāo)，當(dāng)空情目標(biāo)需要更新時(shí)，找到對(duì)應(yīng)的目標(biāo)實(shí)體是至關(guān)重要的一步，此時(shí)id就是其唯一的標(biāo)識(shí)。

圖6是二維空情信息顯示，視圖內(nèi)共有三架飛機(jī)。圖7是三維態(tài)勢(shì)顯示，視圖內(nèi)有兩架飛機(jī)，一輛戰(zhàn)車，在Cesium中直觀地展示了相互之間的態(tài)勢(shì)關(guān)系。隨著作戰(zhàn)數(shù)據(jù)的更新，地圖中的模型會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化來(lái)演示真實(shí)場(chǎng)景。

圖6 二維態(tài)勢(shì)顯示

圖7 三維態(tài)勢(shì)顯示

3.2 戰(zhàn)前規(guī)劃布局

3.2.1 獲取作戰(zhàn)區(qū)域

在武器系統(tǒng)作戰(zhàn)前，指揮人員可根據(jù)獲取的裝備位置信息以及其他人工情報(bào)等，對(duì)作戰(zhàn)區(qū)域做一整體規(guī)劃布局。如在某作戰(zhàn)演示系統(tǒng)中，作戰(zhàn)前已知導(dǎo)彈發(fā)射車位置和目標(biāo)靶機(jī)的相關(guān)人工情報(bào)信息(目標(biāo)距離、進(jìn)入方位、類型等)，通過(guò)模型數(shù)據(jù)加載的方式可在地圖的相應(yīng)位置添加發(fā)射車、目標(biāo)靶機(jī)并繪制出作戰(zhàn)覆蓋區(qū)域。圖8的灰色矩形即是根據(jù)已知信息計(jì)算生成的作戰(zhàn)區(qū)域，通過(guò)放大該區(qū)域讀取高級(jí)別的瓦片地圖，即可清晰地看到實(shí)際的作戰(zhàn)區(qū)域。若已知作戰(zhàn)區(qū)域的邊界坐標(biāo)，也可通過(guò)直接裝訂的方式在地圖上繪制出作戰(zhàn)區(qū)域。

圖8 作戰(zhàn)區(qū)域生成

3.2.2 監(jiān)視測(cè)量裝備坐標(biāo)選取

監(jiān)視測(cè)量裝備是武器系統(tǒng)作戰(zhàn)中必不可少的，覆蓋范圍是該類設(shè)備的重要指標(biāo)之一。如何根據(jù)作戰(zhàn)配置合理放置監(jiān)視測(cè)量裝備是指揮人員在作戰(zhàn)前需要著重考慮的問(wèn)題，若放置不合理，則可能出現(xiàn)監(jiān)視測(cè)量盲區(qū)。Cesium可提供監(jiān)視區(qū)域預(yù)覽效果，并能夠反饋放置點(diǎn)坐標(biāo)位置。

在Cesium中可通過(guò)點(diǎn)選地圖的方式獲取該點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，如圖9所示，通過(guò)點(diǎn)選地圖操作，在點(diǎn)擊處添加雷達(dá)一臺(tái)，圖中圓心處黑色圓點(diǎn)指代雷達(dá)設(shè)備，灰色區(qū)域代表該設(shè)備的覆蓋范圍，同時(shí)將得到該點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)為(105.542300,38.753265)，可作為雷達(dá)放置點(diǎn)參考。

圖9 監(jiān)視測(cè)量裝備坐標(biāo)獲取

以上兩種應(yīng)用背后的原理均是Cesium靈活的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換機(jī)制，對(duì)于獲取作戰(zhàn)區(qū)域來(lái)說(shuō)，Cesium支持WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)的直接讀取，圖4中的Position一項(xiàng)即可直接獲取經(jīng)緯度坐標(biāo)，在地圖中對(duì)應(yīng)位置添加模型。對(duì)于監(jiān)視測(cè)量裝備坐標(biāo)選取來(lái)說(shuō)，通過(guò)獲取鼠標(biāo)點(diǎn)擊位置，得到屏幕坐標(biāo)，然后將其轉(zhuǎn)換為笛卡爾空間直角坐標(biāo)系，最后再轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)，得到點(diǎn)擊處的經(jīng)緯度值，轉(zhuǎn)換代碼如圖10所示。

圖10 屏幕位置轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度坐標(biāo)代碼

4 結(jié)束語(yǔ)

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變，作戰(zhàn)演示系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)顯示戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)。Cesium作為一種可加載離線瓦片地圖的開源地理信息庫(kù)，可為作戰(zhàn)演示系統(tǒng)提供一個(gè)良好的顯示平臺(tái)。本文介紹了Cesium的優(yōu)勢(shì)及場(chǎng)景，分析了Cesium平臺(tái)涉及的地圖數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)和作戰(zhàn)演示數(shù)據(jù)，詳細(xì)介紹了態(tài)勢(shì)顯示和戰(zhàn)前規(guī)劃布局兩種典型應(yīng)用。Cesium二、三維一體化的體制使實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)消息可以更好的呈現(xiàn)，靈活的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換使實(shí)際位置和地圖點(diǎn)完美呼應(yīng)，Cesium在武器系統(tǒng)作戰(zhàn)演示方向有很好的應(yīng)用潛力。