航空学报

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地景数据库建立方法及应用研究

郝虎昌 周 瑰 王业强

摘  要：在飞行模拟器中，表现飞行员视觉感知的视景系统是决定飞行模拟器真实性的关键部分，决定了飞行模拟器仿真的整体质量。而视景系统中最为重要的就是地景数据库。本文以MultiGen Creator、Terra Vista两种软件为平台，分别论述地景建模方法及其特点，以及建模过程中运用到的关键性技术。研究表明，地景数据库在未来模拟训练中，具有更为重要的应用价值。可以在飞行员执行陌生地域任务前，帮助机组更好的进行飞行准备与协同，同时对可能出现的特情进行演练；可以服务于飞行员全疆域作战模拟训练，使训练更加贴近实战；可实现地景数据库数据共享，实现联网训练等。

关键词：地形可视化；仿真建模；地景数据库；模拟飞行训练

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引言

直升机飞行模拟器与固定翼飞机飞行模拟器不同，直升机与固定翼飞机相比较而言具有低高度、低速度、多自由度的特点，特别是可垂直起降，同时可在野外建立起降场。这使得直升机飞行模拟器相比于固定翼飞机飞行模拟器，地景数据库对地形和纹理的细节要求更高。同时，不同的训练要求也对应着不同的地景数据库要求。现阶段已有飞行模拟器大多是按照固定翼飞机的标准建立，仿真效果与实际直升机飞行有差距，同时也与陆航训练旅及作战单位训练有差距，因此亟需研究针对于陆航部队直升机飞行模拟器的地景数据库建立方法；目前，陆航直升机飞行模拟器仿真的精确度、真实性不高，在实战化训练及任务上发挥的作用不明显，只有更精确、更真实、更高效的仿真，才能更贴近实战。

1地景数据库概述

地景数据库是将地形、地貌、地物等目标，按照一定的数据格式储存的综合数据集，是三维地景实时仿真中的数据母版，是仿真正常进行的必备条件。地景数据库描述了某一地区的地形、地貌，对有特殊仿真需求的三维物体有特殊细节描述。地景数据库是地理学、图形图像学、仿真学不断发展结合而形成的产物，地理学将地景以某种数据反映出来，例如数字高程模型数据（DEM），图形图像学与仿真学将这些数据重新组织，将其在计算机平台还原模拟。目前地景数据库主要应用于飞行模拟器的视景系统，为模拟飞行训练提供一个近似真实的仿真飞行环境，给训练人员提供一个身临其境的真实视觉感官。

地景数据库建立主要关键技术：

（1）简化纹理技术。在有限的软硬件条件下为保证仿真的渲染效率，对于不明显影响视觉效果的纹理贴图，可以降低其分辨率，以较小的纹理贴图表现纹理效果。

（2）多边形简化技术。对于三维物体模型，通常采用构建多边形模型加贴纹理的形式表现。过多的多边形会影响仿真的渲染，所以对于没有特殊需要精细描述的三维物体，要进行多边形简化。

（3）层次细节（LOD）技术。人从不同的高度观察一个物体，能观察出不同的多边形数量。因此，为了更真实的进行仿真，同时节约硬件性能，提高多边形利用率，需要在设立不同高度下，多边形数量和纹理分辨率不同的模型数据。

2  规划地景数据库

地景数据库需求分析。了解国家相关技术指标的规定，确定地景数据库的内容。根据地景数据库的目标和仿真目的，确定数据库复杂度、精细度等需求。根据硬件平台的性能指标及软件特点，确定多边形预算。实时仿真不同于三维动画，为满足仿真效果及性能的需要，必须要对真实的多边形物体进行简化。

原始数据准备。地景数据库的建立需要数字高程模型数据、纹理影像数据、机场模型数据和文化特征数据。

（1）数字高程模型数据（DEM）。它是以有序数值阵列的形式反映地面高程信息，从而实现地面地形数字化模拟的一种实体地面模型。该数据获取的途径有很多种，而且不同的获取途径得到的文件格式也不尽相同。要考虑数据的分辨率、格式、数据精度、获取成本等方面的内容决定采取哪种获取方式。常见的获取方式有：航空摄影测量，技术成熟、效率高、操作便捷的特点，同时利用无人机操控简单、机动性强的优点，可弥补其它飞行平台成本高、飞行窗口要求高等不足。

（2）纹理影像数据。一般包含两个方面，一是地表纹理数据，二是三维物体的纹理贴图。地表纹理数据一般采用真实地形的航空影像（航片或卫片）；三维物体的纹理贴图一般由具体拍摄获得。

（3）机场模型数据。可直接使用相关软件自带的模型库，也可以通过creator或3dmax的三维建模功能建立。通过creator建立机场模型主要是利用其具有的建模工具箱，在机场平面建立出具有一定高度的几何体。

3地景数据库建立方法

基于MultiGen Creator、Terra Vista的地景数据库构建。MultiGen Creator是针对可视化仿真领域应用特点推出的实时三维数据库生成系统，它广泛应用于战争仿真、飞行模拟器的地景仿真、城市仿真等。Creator提供的多边形建模、道路建立模块和大面积地形精确生成功能，可直接应用于地景数据库的建立。

（1）组织数据库文件。原始数据文件包括数字高程模型数据文件、纹理影像数据文件、文化特征数据文件、机场模型数据文件。为了方便数据库建立过程中随时调取、查看原始数据，避免数据文件的混淆或误操作，可将原始数据文件统一放置于同一根目录的不同子目录下。

（2）地形数据库建立。数据文件加载-地形属性设置-地形数据库生成。

（3）地景数据库组合生成。完成地形数据库的建立后，就可以将地形数据库文件master.flt加载至creator中，将机场模型和特殊描述的文化特征模型放置在地形数据库的相应位置上，地景数据库的组合工作完成。

4地景数据库的应用

（1）飞行员模拟训练

目前用于飞行员模拟训练的飞行模拟器普遍存在着空中真实感不强的缺陷，由模拟飞行训练转为实装飞行时的体感差异依然很大。体感差异中最大的有两个方面，一是身体的失重感、加速度感不强，表现为实装飞行时对高度、速度、坡度的改变身体反应明显。这是由于整套飞行模拟系统的模拟内容不足引起的。二是视觉冲击感和印象树立感不强。在直升机低空或超低空飞行时，视觉冲击感是很强的，甚至可以说是很震撼的。由于视景系统的精确性和真实性不够，给人以眼前蒙上了一层薄雾，亦或是过于清晰造成视觉疲劳，对仿真效果造成很大的影响。

针对期班飞行员模拟飞行训练的地景数据库的开发，以下两点需要考虑：

一是机场及模拟训练科目附近的地景要具备更为详细的细节层次，更加真实的纹理贴图。

二是重点部位例如起降坪、加油坪、跑道及其周围的仿真要更加详细，为训练悬停树立印象提供条件。

（2）领航员模拟训练

空中领航是飞行（空勤）人员的必备技能之一。空中领航过程中除了需要实时掌握飞行器的仪表参数外，还要对地标进行搜索辨认。领航模拟器的地景数据库要满足飞行人员搜索辨认的需求，其地景内容包括点状、线状、面状地标的本身特征及其相关位置，涵盖城镇、乡村、公（铁）路、山地等多种地景。一个内容全面的地景数据库才能使模拟训练达到目的。

（3） 服务与作战单位执行任务前的准备协同

地景数据库还能应用于作战单位在执行任务前进行准备协同。可以在以下几个方面有帮助：

一是执行陌生地域的作战任务前进行领航准备，保证在陌生地域不迷航。

二是作战任务前的准备协同。根据地景数据库中的地形、地物，合理规划作战方案，设计战术动作。

参考文献

[1]肖琼. 基于multigen和Vega的视景仿真技术在突发事件中的应用[D]. 华中科技大学, 2006.

Xiao Qiong The application of multigen and Vega-based visual simulation technology in emergencies[D]. Huazhong University of Science and Technology,2006.

[2] BALL R E. 飞机生存力分析与设计基础[M]. 林光宇, 宋笔锋, 译. 北京: 航空工业出版社, 1998: 24-27.

BALL R E. Aircraft Survivability Analysis and Design Basis[M]. Lin Guangyu, Song Bifeng, translated. Beijing: Aviation Industry Press, 1998: 24-27(in Chinese).

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