基于模板的六角格兵棋地图可视化设计研究

汤　奋，武志强，张　欣，李坤伟，张寅宝

(信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州 450052)



基于模板的六角格兵棋地图可视化设计研究

汤奋，武志强，张欣，李坤伟，张寅宝

(信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州 450052)

摘要：兵棋地图是兵棋的重要组成部分，是战场环境信息的载体，是兵棋推演者认知战场环境的工具。在介绍兵棋地图概念和作用的基础上，阐明兵棋地图可视化设计的重要性，总结目前兵棋地图可视化设计存在的问题和不足。以提高兵棋地图可视化设计效率和改进其可视化表达效果为目的，将地图模板技术运用到兵棋地图可视化设计中，分析兵棋地图可视化模板设计的影响因素，构建兵棋地图可视化模板库，并对其实现机制进行研究，最后给出应用实例，证明效果良好。

关键词：兵棋；兵棋地图；地图模板；可视化设计

兵棋是指运用表示战场环境和军事力量的地图和棋子，依据从战争和训练实践经验中抽象的规则，运用概念原理，采用回合制，模拟作战双方或多方决策对抗活动的工具[1]。兵棋由兵棋地图、兵棋规则和棋子3要素组成[2]，它主要研究人员决策与兵棋事件之间的因果关系，以人为中心是兵棋区别于其他建模与仿真类型的标志[3]。随着兵棋推演在我军模拟训练中重要性的不断提高，对兵棋地图的研究也日益深入，但当前的研究侧重于兵棋地图建模及其应用上，主要集中在对兵棋地图构建原理、六角格网剖分、地形量化模型及其算法、基于兵棋地图的路径规划等方面[4-6]；而兵棋地图作为地图本身，其主要作用之一就是通过可视化的方式传递战场环境信息给兵棋推演者，使其快速认知并把握战场环境特点，进而形成推演决策。由此可见，如何快速设计出适于认知的兵棋地图意义重大。此处以兵棋地图可视化为对象，以提高兵棋地图可视化设计效率和认知效果为目的，借鉴地图模板技术，展开相关研究。

1兵棋地图及其可视化设计的现状分析

1.1兵棋地图可视化设计的重要性

兵棋地图对兵棋推演区域内影响作战行动和武器装备战技性能发挥的战场环境及其要素的表达，它随着武器装备的更新换代，战争形态和作战样式的改变而不断变化，主要体现在表达内容不断丰富，表达精度日益提高，表达形式渐趋多样[7]。六角格兵棋地图是目前最常见、应用最多的兵棋地图，它以六角格网对战场区域进行剖分，每个六角格里都对其所在区域的环境要素进行量化处理[8]，以定量描述其对作战行动和武器装备的影响。兵棋推演过程中，兵棋地图作用体现在两个方面：

1)兵棋地图以数据方式向作战模型传输战场环境信息并参与模型计算，从而描述和表达战场环境要素对作战行动和武器装备的影响规律；

2)兵棋地图以可视化的形式供推演人员快速认知战场环境及其特点，从而提高推演效率。

图1描述兵棋地图与兵棋棋子、兵棋规则和推演者之间的关系。由图1可知，兵棋地图是兵棋推演的环境依托，它制约着兵棋棋子的行动，会影响兵棋规则的制定；同时兵棋地图还是兵棋推演人员认知战场环境的主要工具，因此其可视化效果的好坏会影响推演人员对战场环境的认知效率，进而影响兵棋的可推性。可见兵棋地图可视化设计表达是衡量兵棋设计质量的重要指标。

图1　兵棋地图在兵棋推演中的作用

1.2兵棋地图可视化设计存在问题

兵棋地图可视化设计是兵棋地图设计的重要环节，兵棋地图设计又是兵棋设计重要内容之一。兵棋地图可视化设计是指通过合理的符号与色彩设计、注记设计和图面设计等，将兵棋地图数据以符合人类认知规律的方式进行图形化表达，使兵棋推演人员能够快速认知战场环境，并在此基础上，通过对兵棋规则的简单学习，快速掌握各战场环境要素对作战行动的影响规律，提高兵棋推演的效率。

表1列举目前兵棋地图几种主要内容要素(地貌、植被、水系、道路、居民地等)的可视化设计方法，其中每种要素的可视化方法都依顺序给出对应的实例。通过分析可知，目前兵棋地图可视化还存在以下几个问题：

1)兵棋地图可视化设计的方法较多，但这些方法有优有劣，缺少从认知角度对这些可视化方法进行比较的实践研究，从而无法总结提炼出可供重复利用的设计知识与经验。

表1　兵棋地图可视化方法的现状

2)没有形成标准的兵棋地图可视化方案，具体到每一款兵棋，其对应的兵棋地图一般都需重新进行可视化设计，要做很多重复工作，不仅效率低，而且不利于保持推演人员的认知惯性。

2基于模板的兵棋地图可视化设计

2.1模板概述

模板是建筑工程领域中非常熟悉的概念，后来被扩展应用于很多领域，其实质是对领域专家知识和经验进行归纳总结后形成的一种规范和标准。随着计算机技术的出现和发展，模板技术在地图制图领域的应用也逐渐广泛，出现地图制图模板，包括专题地图制图模板、电子地图可视化模板、用户界面模板等[9-11]，其优点体现在以下几个方面：

1)可以简化复杂的地图设计过程；2)可以给非专业制图用户提供专业级的设计指导；3)可以将设计经验和成果存入模板，便于重复使用；4)可以提高地图设计效率，设计人员不用重复实验和尝试，通过模板就可以得到理想设计效果[12]。

2.2兵棋地图可视化模板设计的影响因素

兵棋地图可视化模板是指根据不同推演层级、不同地理区域、不同的作战样式以及其他条件，采用相应的适于人感受效果的符号体系和表现手法，将影响作战行动和武器装备性能发挥的战场环境内容要素突出地表示出来，使兵棋地图层次分明、美观清晰、色彩协调的可视化策略。因此，为设计兵棋地图可视化模板，首先需要明确其影响因素。结合兵棋地图可视化设计的相关实践，兵棋地图可视化模板设计的影响因素包括主观因素和客观因素。

主观因素是兵棋地图可视化的重要影响因素，地图设计者的设计能力和技能水平决定地图的表达效果。在客观因素上，则主要受空间因素和时间因素的影响。对兵棋地图而言，不同的空间，主要体现在兵棋推演地域范围大小和推演地区的位置，这两者决定推演地区的地形类型及其对应的地形要素，而推演地域范围主要由推演的层次决定，通常，战略级推演所跨地域范围最大，战术级推演地域范围最小。

地形类型不同，其可视化方式也不同，例如我国东南地区的平原地形和西北地区的沙漠地形，在可视化上应有所不同。不同的时间，只要考虑季节因素和白昼因素，同一地区在不同的时间可视化方式也应该有所不同，例如春夏两季植被茂盛，秋冬两季植被凋零，对地貌色彩呈现上会有变化；昼夜明暗不同，也应该在可视化上予以区分。总而言之，就是使推演者通过阅读兵棋地图，快速进入兵棋推演的情境之中。

2.3兵棋地图可视化模板库构成

依据推演层次和地形类型，设计和构建如图2所示的兵棋地图模板库。依据推演层次，将兵棋地图分为战略、战役和战术兵棋地图；因服务于不同的推演层次，战略级兵棋地图中地貌和地物的概括性更强，综合程度更高，而战术兵棋地图则对地貌地物的表现更具体；而可视化是基于内容要素的，即内容要素的确定是设计可视化方法的前提，因此将此三者作为兵棋地图模板体系中的一级模板分库。一级模板分库中的每类兵棋地图，依据作战地域的地形类型，又分为平原地区兵棋地图、丘陵地区兵棋地图、山地地区兵棋地图、水网地区兵棋地图、岛屿地区兵棋地图、海岸地区兵棋地图和沙漠地区兵棋地图，由此七者构成兵棋地图模板体系中的二级模板分库；每一个模板分库由3个模块组成，分别是符号与色彩模块、注记模块和图面模块，它们存储因推演时间不同而设计的兵棋地图可视化模板元素。由图2可知，兵棋地图可视化模板库，主要由一级模板分库、二级模板分库、模板、模板元素4类要素构成。

图2　兵棋地图可视化模板库

进行六角格兵棋地图可视化模板设计应充分借鉴地图符号设计、色彩设计和图面设计的原则与方法，并总结和利用现有兵棋地图可视化设计中的经验和知识，最终使设计的六角格兵棋地图可视化模板层次分明、美观清晰、色彩协调。

3基于模板的兵棋地图可视化设计的实现方法

3.1基于模板的兵棋地图可视化设计的实现机制

目前兵棋地图可视化设计过程是在完成兵棋地图基础设计，即兵棋地图数学基础设计(六角格尺寸选取和地图投影选取)、兵棋地图内容设计的基础上，分别进行符号与色彩设计、注记设计和图面设计等，需要做很多重复工作。而基于模板的兵棋地图可视化设计，是在明确兵棋推演需求，进而利用地形量化模型及其量化算法完成兵棋地图要素建模并形成兵棋地图数据后，根据推演区域地形类型和推演时间等，通过兵棋地图设计系统，以人机交互的方式，选取对应的可视化模板，直接完成兵棋地图的可视化设计，其优点是设计效率大大提高，设计效果也令人更满意。基于模板的兵棋地图可视化实现机制，是基于兵棋地图可视化模板库，在完成各类可视化模板设计，分别记录各类兵棋地图模板对应的色彩风格模块、符号模块和整饰模块的具体属性参数，并为各类兵棋地图可视化模板对应属性参数进行编码，以编码为索引，形成索引文件，通过人机交互界面中的菜单和对话框与索引文件进行绑定，建立对各类兵棋地图可视化模板的调用机制。兵棋地图设计人员只需要分析和明确兵棋地图可视化设计的相关需求，选择对应的可视化模板，即可完成兵棋地图的可视化设计，图3描述了兵棋地图可视化的具体实现机制。

图3　基于模板的兵棋地图可视化实现机制

3.2要素叠加时的可视化处理方法

在兵棋地图可视化过程中，相互叠加的要素之间因其符号交叉或重叠而存在图形冲突，而这种冲突如果未经处理，则会导致两个问题：一是会导致要素语义表达顺序上的逻辑性错误，例如，当公路和河流相交时，如果将河流置于公路之上，则显然与现实情况不符；二是会因压盖而影响可视化效果。为解决第一个问题，此处提出基于“要素可视化优先级”的方法，即明确兵棋地图中的各类、各级内容要素的可视化表达顺序，以要素可视化顺序的逻辑性来保证要素语义表达顺序的逻辑性。如表2所示，按照从上到下、从左至右的顺序，各类、各级兵棋地图内容要素的可视化优先级为从高到低变化，要素优先级越高，其可视化表达顺序越靠前。

表2　要素可视化优先级列表

对于第二个问题，需要进行具体分析和解决。在兵棋地图中，点、线、面要素之间的重叠冲突有6种类型，此处针对其中最普遍的线与线的重叠冲突、线与面的重叠冲突提出解决方法。线与线的重叠冲突，主要体现在道路与道路、道路与河流之间的交叉处理；按照要素可视化优先级进行处理，可解决道路与道路之间的交叉冲突；而道路与河流的交叉处，即道路通过河流的那一段，在现实中必然存在跨河的桥梁，因此在交叉处沿着道路配置一个桥梁符号，即可解决该问题。对于线面冲突，则主要体现在道路与面状植被及面状居民地的冲突，其解决方法是在重叠区域沿着道路两边生成某合适宽度的透明缓冲区，以消除道路对植被和居民地的压盖效果。

4基于模板的兵棋地图可视化应用实例

采用C++语言，基于MFC 初步实现兵棋地图可视化设计原型系统的主要功能模块，它由文件管理模块、地图操作模块、六角格网管理模块、可视化模板管理模块、交互式设计模块组成。文件管理模块主要负责兵棋地图数据的加载、保存和输出，地图操作模块负责显示控制，六角格网管理模块负责六角格属性数据编辑，可视化模板管理模块具有兵棋地图可视化模板的添加、删除、修改等功能，可视化交互设计模块则负责为地图可视化设计人员提供交互式的界面，以进行模板的选取和使用。

此处以平原地区、丘陵地区和沙漠地区的兵棋地图的兵棋地图可视化设计为例，进行基于模板的兵棋地图可视化设计应用实例的展示，如图4所示，三幅图分别对应着上述3种类型的兵棋地图可视化设计应用实例。由于在进行兵棋推演时，对抗双方是位于兵棋地图南北两侧或东西两侧，为了使兵棋地图更加人性化，设计正反两个图例，让对抗双方都能从正面看到图例。其中地貌、河流、植被、水系、交通、居民地等的可视化表达，充分考虑地形类型的影响。以地貌为例，平原地区地貌形态一般较简单，起伏较少，农业发达，交通较便利，为较好地表现该地区特点，以白色和浅绿色作为该地貌的基本配色；同理，丘陵地区兵棋地图以淡青色为主色调，沙漠地区以浅黄色为主色调，并均通过采用逐级降低亮度的方法保证地图的等级感和整体感。

图4　平原、丘陵、沙漠地区兵棋地图可视化模板实例

5结束语

兵棋地图可视化设计效率和表达效果是兵棋地图设计质量的重要衡量指标，因此在充分研究模板技术在地图设计与地图制图中的应用后，将其引入到兵棋地图可视化设计中，并结合兵棋地图的特点，分析兵棋地图可视化模板的影响因素，并据此建立兵棋地图可视化模板库，探究基于模板的兵棋地图可视化设计的方法和实现机制，并对其进行验证，效果良好。

参考文献：

[1]彭希文.兵棋—从实验室走向战场[M].北京:国防大学出版社,2013.

[2]杨南征.虚拟演兵:兵棋、作战模拟与仿真[M].北京:解放军出版社,2007.

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[4]李坤伟，武志强，张欣,等.兵棋棋盘生成方法研究与实现[J].测绘科学技术学报，2014，31(4):436-440.

[5]杨伦，彭光春，黄健,等.兵棋推演中地形量化算法研究与实现[J].计算机仿真，2008，25(9):96-100.

[6]张俊恒.计算机兵棋中兵力机动路径规划研究[D].长沙：国防科学技术大学，2010.

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[8]缪坤，郭健，苏旭明.产生式规则条件下的六角格地形量化方法[J].测绘科学技术学报，2015(1):96-100.

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[10] 谢超，陈毓芬，英杰，等.基于参数化模板技术的电子地图设计[J].武汉大学学报(信息科学版)，2009,(8):954-958.

[11] 江南，夏丽华，代亚贞.基于模板技术的电子地图显示风格转换的研究[J].测绘通报，2007(11) :26-29.

[12] 徐琳.基于模板技术的应急专题地图设计与制造[D].郑州：信息工程大学，2011.

[责任编辑：张德福]

Research on the visualization design of hexagonal war game map based on template

TANG Fen,WU Zhiqiang,ZHANG Xin,LI Kunwei,ZHANG Yinbao

(School of Geospatial Information,Information Engineering University,Zhengzhou 450052,China)

Abstract：War game map,as the carrier of battlefield environmental information,is one of the important compositions of war game.It is the tool for war gaming players to be aware of the battlefield.Based on the introduction to concept of war game map and its functions,the importance of war game map visualization design is illustrated and a conclusion of the existing problems in its designing process is analyzed.In order to improve the efficiency of war game map visualization design and make the resulting war game map more adaptive to read,the map template is used in the war game map visualization design.After analyzing the influencing factors of war game map visualization design,the construction work of war game map visualization template base is done and its realization scheme is studied.In the end,some application examples are given and the performance is good.

Key words：war game;war game map;map template;visualization design

中图分类号：P208

文献标识码：A

文章编号：1006-7949(2016)04-0055-05

作者简介：汤奋(1991-)，男，硕士研究生.

基金项目：河南省科技攻关计划项目(142101510005)

收稿日期：2015-06-04