二三维联动态势系统的设计与实现

员建厦 刘伟强 李文静 王杰

摘要：从传统的二维态势信息展示功能说起，介绍了战场态势的概念和二三维态势各自的特点，描述了二三维联动态势系统的工作原理。提出了基于消息的二维态势系统和三维态势系统实现互动的技术思路和各部分功能实现的技术路线，设计了二三维联动态势系统的技术架构，采用消息中间件进行消息收发的方式，实现了二三维联动的态势可视化系统，实现效果良好。

关键词：二三维联动；地理信息系统；态势可视化；战场态势；空间分析

中图分类号：P208文献标志码：A文章编号：1008-1739（2020）22-67-4

0引言

随着计算机、网络、图形学及数据库等技术的不断发展，地理信息系统自身的理论体系也在不断完善，在数据获取、数据处理、数据管理、数据模型及数据结构等方面都形成了成熟的理论和方法，地理信息系统在测绘、土地、环境、电力、交通、应急管理等诸多领域的应用也越来越广泛[1]。在战场态势领域，基于地理信息系统，通过标注特定意义的军事符号或标号实现战场情况可视化的应用即为态势系统，态势系统能够很好地展现战场态势，并对将来的情况实现一定程度的预测，这些技术被广泛用于态势情报处理、作战仿真推演和作战指挥决策中。

长期以来，传统的态势信息展示都是通过在二维地理信息系统的平面上添加标绘来实现的，但是这种标绘方式已经不能满足军事上对全方位战场态势展现的要求，因而逐渐出现了三维态势系统，三维态势系统能够通过三维立体的展现方式显示战场全方位空间状况，相对于二维态势系统来说，三维态势系统能够更直观、形象地表示客观世界的情况，并能够给人以更真实的感受。但是实际情况是用户有的时候需要在二维地图上操作，有的时候需要在三维平台下查看空间状态，单采用三维或单采用二维的地理信息系统都无法同时满足用户所有的要求。由于二维平台和三维平台一般为2种不同的平台，目前能够将二维地图和三维地形场景的显示保持联动和统一的系统还比较少，如果能够通过二者结合的方式实现动态联动，则可以兼具二维和三维的优点，能够更好地为用户分析态势情况提供支撑。

1二维态势和三维态势

1.1战场态势

战场态势就是战场上的状态和形势，能够表达敌我动态、战场地形、天气、兵力情况、实力对比等一系列与作战相关的情况，这些情况包含了事件客观存在的情况，是人们对事件的真实感知和认识。而发展形势则一定程度上表征事件的发展趋势，包含了根据客观事件本身、长期积累的知识以及对事件发展规律的认识对事件延续性的推断。战场态势包括兵力部署与作战能力、重要动态目标、战场环境、政治经济环境以及对抗措施等几类要素。态势要素通常带有不确定性、模糊性和随机性，对态势要素的发展变化也是不确定的[2]。古代战争讲究天时地利，现代战争对环境考虑也是很重要的，不同的是现代的态势系统可以通过越来越形象、越来越直观的计算机图形学来表现，不再局限于一张或几张纸质地图。通过计算机来展現的态势系统已经逐步走向成熟，不但能够显示大量地理信息，还建立了完备的态势标绘符号库来表达战场态势，在各类军事训练、模拟对抗和应急演习中得到了广泛的应用。

1.2二维态势

二维态势是对现实世界的抽象，能较好地反应区域内的地理信息特征，能够为使用人员提供战场全局的、整体的、大范围的态势状况，并能够提供一定的分析功能，例如缓冲分析、路径分析、平面测量、搜索查询、渲染分析等功能[3]。不过二维态势只能提供平面的信息，损失了空间位置信息，不能完整反映客观世界，对于客观存在的三维空间信息缺乏有效的表达能力，只能通过使用人员的想象或经验进行推断，一定程度上影响了二维态势系统作用的发挥。

1.3三维态势

三维地理信息系统能够通过立体造型技术展现地理空间现象，能够通过三维地形视景的仿真来实现直观的空间位置表现。实际作战过程中，很多时候地形会影响人和武器系统效能的发挥，三维态势系统能够利用战场的三维地形数据显示出更为形象、更为逼真的现实情况，这是二维态势系统无法做到的[4]。三维态势系统不仅可以展现出与真实地形非常接近的视觉效果，而且能够把地形对武器系统或人员的影响通过可视化的方式模拟显示出来，这样就能够保证仿真的可信程度。

2二三维联动工作原理

二维态势和三维态势窗口都是在显示一定范围的地图或空间，在二维态势系统中，地图显示的要素包括：地图比例尺、中心点（经度、纬度）坐标、视图范围框，三维态势系统中，空间显示的要素包括：视点（经度、纬度、高度）坐标、视角、场景视域范围等。二维态势和三维态势联动的原理，是通过消息的互响应机制来实现的，通过坐标范围或空间范围在二三维态势系统之间的互传，实现各自软件窗口显示范围的同步[5]。

对于相对独立的二三维态势系统，若建立二者的联动关系，需要在2个系统之间通过消息机制搭建沟通的桥梁，获取对方显示范围的变化，并据此对自身显示范围进行设置实现相应的改变[6]。当二维态势系统中由于用户拖动、目标跟踪、地点定位等原因导致显示范围变化时，二维态势消息发送模块将态势变化信息通过消息驱动机制发送到三维态势系统。同样，在三维态势系统中，由于地图漫游、手动旋转、飞行定位等原因导致显示场景空间范围变化时，三维态势消息发送模块将场景空间变化信息通过消息驱动机制发送到二维态势系统，这样原本相对孤立的2个系统通过消息的推送和接收实现了联动。

二维态势和三维态势之间的消息转发机制如图1所示。

二三维联动系统同时显示二维态势系统和三维态势系统，消息中间件部署在后台服务器。在实际运行过程中，二维态势系统和三维态势系统显示的底图范围和态势信息内容保持一致。在二维态势系统或三维态势系统中都可以发出指令或进行手动漫游操作，并能够保证二者显示的内容和范围一致。二维态势系统和三维态势系统的显示效果分别如图4和图5所示。

通過显示效果可以看出，二维态势系统和三维态势系统实现了联动，2个系统显示的地域范围、地图视角、目标情况以及飞行轨迹等都能够很好地统一，在一个界面进行操作时，另一个界面可以实时联动，系统的操作友好性较好。

5结束语

二三维联动态势系统兼顾了用户传统的操作习惯和更形象直观的使用需求，解决了二维态势技术成熟但缺乏三维可视化能力、三维态势拥有更好的可视化能力但缺少二维态势的便捷性之间的矛盾，丰富了态势分析手段，提高了分析人员的工作效率，对于未来战场环境下态势分析能力的提升具有一定的促进作用。该技术还可广泛应用于模拟仿真、地理测绘、应急处置、城市规划、交通管理等各个领域，为相应的态势分析、情况研讨和指挥处理等提供支撑。

参考文献

[1]唐昊，刘建波，葛双全，等.一种二三维联动地理信息系统的实现[J].科学技术与工程，2019，19（32）：37-42.

[2]万幼，边馥苓.二三维联动的GIS系统体系结构构建技术[J].地理信息世界，2008（2）：48-52，69.

[3]龙慧萍.基于二三维一体化平台的城市综合地下管线信息管理系统建设[J].测绘与空间地理信息，2015，38（9）：72-74.

[4]李小敏，马庆勋，岳贵杰，等.二三维一体化WebGIS在城市规划中的应用[J].北京测绘，2019，33（2）：226-231.

[5]方冰，宦国杨，吴畏，等.空天地一体三维态势显示系统应用[J].指挥信息系统与技术，2015，6（2）：76-81.

[6]程海洋，宋立松，曹建兵，等.二维GIS与三维GIS联动技术研究[J].浙江水利科技，2010（3）：31-32.