一種面向雷達(dá)圖像仿真的地形環(huán)境數(shù)據(jù)表示方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于仿真技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及到面向雷達(dá)地形成像仿真的地形建模方法及 系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在仿真系統(tǒng)中，環(huán)境數(shù)據(jù)直接影響仿真系統(tǒng)的性能，不同的仿真系統(tǒng)在仿真時通 常處于同一個物理環(huán)境中，環(huán)境包括地形、海洋、大氣等。環(huán)境數(shù)據(jù)模型的質(zhì)量直接影響仿 真系統(tǒng)的真實感體驗，在仿真的系統(tǒng)組成中，存在兩個異構(gòu)問題：（1)不同的訓(xùn)練系統(tǒng)(2)同 一訓(xùn)練系統(tǒng)中不同的子系統(tǒng)。這些系統(tǒng)之間通常存在數(shù)據(jù)的交互和同步，傳統(tǒng)意義上的仿 真系統(tǒng)各自使用獨立的數(shù)據(jù)庫，這將會導(dǎo)致數(shù)據(jù)一致性差、異構(gòu)系統(tǒng)的同步和數(shù)據(jù)交互受 限、及數(shù)據(jù)庫重復(fù)開發(fā)等問題。因此，仿真子系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)按照統(tǒng)一的、規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建模，提 高數(shù)據(jù)的一致性和共用性，當(dāng)前綜合環(huán)境數(shù)據(jù)表示與交換規(guī)范(SEDRIS)成為環(huán)境建模的主 要標(biāo)準(zhǔn)，如何按照SEDRIS對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化表示是系統(tǒng)數(shù)據(jù)建模需要研究的問題。
[0003] 環(huán)境數(shù)據(jù)是綜合自然環(huán)境的主要內(nèi)容，環(huán)境數(shù)據(jù)的表示是系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的類型、屬 性和相互關(guān)系的有效組織，環(huán)境數(shù)據(jù)模型不是數(shù)據(jù)庫的簡單實現(xiàn)，而是數(shù)據(jù)描述和數(shù)據(jù)需 求判定等的綜合。環(huán)境數(shù)據(jù)模型為綜合仿真中各個異構(gòu)子系統(tǒng)提供一種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表示， 在數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)、存儲方式、調(diào)用格式等方面為系統(tǒng)實時仿真提供可靠的數(shù)據(jù)源，針對雷達(dá) 的大規(guī)模真實地形成像仿真，研究適用的環(huán)境數(shù)據(jù)表示方法是地形建模的一種趨勢，也是 地形環(huán)境建模必不可少的組成部分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了在雷達(dá)圖像仿真系統(tǒng)中構(gòu)建高效、一致性的環(huán)境數(shù)據(jù)表示，本發(fā)明從地形數(shù) 據(jù)的靜態(tài)存儲和動態(tài)調(diào)度兩個方面提出一種環(huán)境數(shù)據(jù)表示問題的解決方法，以保證雷達(dá)圖 像仿真能夠?qū)Υ笠?guī)模真實地形進(jìn)行成像模擬，同時保證數(shù)據(jù)與其它仿真子系統(tǒng)的一致性。
[0005] 本發(fā)明所提出的一種面向雷達(dá)圖像仿真的地形環(huán)境數(shù)據(jù)表示方法，其特征在于， 該方法包括以下步驟：
[0000] 1.構(gòu)建地形數(shù)據(jù)的靜態(tài)存儲表示
[0007] 1-1)地形數(shù)據(jù)的編碼表示方法，由分類編碼、屬性編碼、枚舉編碼和單位編碼組 成。
[0008] 所述1-1)的地形數(shù)據(jù)的編碼內(nèi)容如下：
[0009] 分類編碼:將地物特征分為水系、植被、土壤、巖石、建筑和混合物等六大類材質(zhì)， 每種材質(zhì)內(nèi)部細(xì)化分為各種具體材質(zhì)，如水系材質(zhì)包含了水、冰和雪等；
[0010]枚舉編碼:對極化方式、頻段和地面材質(zhì)等枚舉類型進(jìn)行定義；
[0011]屬性編碼:包括地物、大氣、海洋和雷達(dá)設(shè)備相關(guān)的四類屬性，對與雷達(dá)圖像仿真 相關(guān)的具體屬性內(nèi)容進(jìn)行了定義，如材質(zhì)類型、氣壓、海水密度、雷達(dá)仰角和入射角等；
[0012]單位編碼:對距離、角度等常用單位進(jìn)行了定義，其被各傳感器所共用。
[0013] 1-2)地形數(shù)據(jù)的空間參照模型，包含地形數(shù)據(jù)空間組織結(jié)構(gòu)和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換兩個方 面。
[0014] 所述1-2)中的地形數(shù)據(jù)空間組織結(jié)構(gòu)方法，地形數(shù)據(jù)包含紋理、高程和材質(zhì)數(shù)據(jù)， 其中，高程數(shù)據(jù)反應(yīng)了地形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在雷達(dá)仿真中，為了保證仿真的實時性和滿足L0D 技術(shù)需求，使用規(guī)則網(wǎng)格(Regular Square Grid，RSG)來存儲高程數(shù)據(jù)，但是，視景等其它 仿真系統(tǒng)使用不規(guī)則三角形網(wǎng)格(Triangulated Irregular Network，TIN)的方式效率更 高，在RSG中，每個柵格點存儲該點對應(yīng)的高程數(shù)據(jù)，而在TIN中，每個數(shù)據(jù)點除了記錄高程 數(shù)據(jù)外，還需要記錄其所對應(yīng)的二維坐標(biāo)，從TIN到RSG的轉(zhuǎn)換關(guān)系使用反距離加權(quán)法進(jìn)行 轉(zhuǎn)換，公式為：
[0015]
⑴
[0016]其中，N為矢量點的數(shù)量，對于TIN模型，N = 3，Zi為三角面頂點高程;dip為第i頂點 矢量與采樣點的距離，u為權(quán)參數(shù)，一般取1或2。除了反距離加權(quán)方法，其它方法如線性插值 法、泰森多邊形發(fā)也可以被使用。
[0017]所述1-2)中的地形數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，雷達(dá)系統(tǒng)仿真的空間場景中，環(huán)境實體的 坐標(biāo)描述需要多種不同的坐標(biāo)系同，在實現(xiàn)雷達(dá)成像參數(shù)計算的過程使用直角坐標(biāo)系，而 地理系統(tǒng)以及各個仿真系統(tǒng)之間交互過程中的位置更新使用的是地理經(jīng)煒度表示的坐標(biāo) 系統(tǒng)，這兩種坐標(biāo)之間需要實現(xiàn)同步和轉(zhuǎn)換，假設(shè)已知仿真場景空間對應(yīng)的坐標(biāo)系為局部 直角坐標(biāo)系(x，y，z) T，地理坐標(biāo)系經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到平面投影坐標(biāo)系統(tǒng)(Y ,ζ' )τ，經(jīng)煒高表 示為(/, A W/，將地心坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為投影坐標(biāo)系統(tǒng)的公式為：
[0018
(2)
[0019] 其中N=a/W，〗丨'=(丨- e_sin、)' ：，e2 = (a2_b2)/a2，a和b分另丨」為地球橢球體的長軸和短 軸。將投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為地心坐標(biāo)，公式為：
[0020]
⑶ COS妒
[0021] 局部物理直角坐標(biāo)系與投影坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換可以通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和平移獲得，兩個 直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換通過下面的公式實現(xiàn)：
[0022]
(4)
[0023] 共中，U〇，y〇r為坐稱干移M，C為縮放參數(shù)，R(0)為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)Θ角度的變換矩陣。
[0024] 1-3)雷達(dá)地物散射截面積(RCS)數(shù)據(jù)組織，采用數(shù)據(jù)庫查詢方式和XML結(jié)構(gòu)進(jìn)行存 儲。
[0025]所述1-3)的雷達(dá)散射截面積數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)組織方法，結(jié)構(gòu)上，RCS采用自頂而下的層次 化結(jié)構(gòu)，與步驟1-1)中的分類編碼一致，采用這種結(jié)構(gòu)不僅可有效支持?jǐn)?shù)據(jù)庫的擴(kuò)展，如增 加環(huán)境特征新的影響因子或增加新的環(huán)境特征;而且可以加快數(shù)據(jù)的檢索與調(diào)度效率。RCS 數(shù)據(jù)描述包含類環(huán)境特征在不同頻段、不同入射角和不同極化方式下的RCS值。RCS存儲方 式上，采用XML文件進(jìn)行存儲。
[0026] 2.構(gòu)建地形數(shù)據(jù)的仿真動態(tài)表示
[0027] 2-1)地形數(shù)據(jù)的多分辨率表示，包括高程數(shù)據(jù)和材質(zhì)數(shù)據(jù)的多分辨率構(gòu)造方法， 各分辨率之間以四叉樹形式進(jìn)行組織。
[0028]所述2-1)中的高程數(shù)據(jù)的多分辨率構(gòu)造方法，使用4階的Neville濾波方法構(gòu)造多 分辨率高趕數(shù)據(jù)，濾波樟板用矩陣衷示為：
[0029]
(S)
[0030] 所述2-1)中的材質(zhì)數(shù)據(jù)的多分辨率構(gòu)造方法，材質(zhì)數(shù)據(jù)表現(xiàn)為均勻分布區(qū)域的特 性，構(gòu)造低層次細(xì)節(jié)模型時節(jié)點如果對應(yīng)混合材質(zhì)區(qū)域，則采用該區(qū)域最高分辨率層的統(tǒng) 計概率最大材質(zhì)作為各低分辨率層的對應(yīng)的材質(zhì)屬性。
[0031] 2-2)基于GPU的材質(zhì)數(shù)據(jù)的壓縮與解壓，采用基于字典技術(shù)的行程編碼壓縮與解 壓方法。
[0032] 所述2-2)中材質(zhì)數(shù)據(jù)的壓縮與解壓方法使用行程編碼的方式，地面材質(zhì)往往由許 多材質(zhì)相同的圖塊組成，可以被當(dāng)做一副灰度圖像處理，在圖像的圖塊中所有像素表示同 一種材質(zhì)，在同一掃描行上存在許多連續(xù)的具有相同數(shù)值的像素，存儲材質(zhì)數(shù)據(jù)時，行程編 碼采用行程記載連續(xù)相同點的個數(shù)，只要存儲一個代表灰度值的碼，后面是行程的長度，具 有高的數(shù)據(jù)簡化效果。解碼的過程根據(jù)像素灰度和個數(shù)一次填充到原來的圖像中，不需要 較大的計算開銷就可實現(xiàn)較好的壓縮效果。
[0033] 所述2-2)中材質(zhì)數(shù)據(jù)的壓縮與解壓方法基于GPU進(jìn)行實現(xiàn)，在雷達(dá)地面實時成像 仿真過程中，為降低CPU的運算負(fù)載，編碼壓縮后的材質(zhì)圖像碼流數(shù)據(jù)直接加載到顯存后在 GPU上進(jìn)行解壓縮處理，將材質(zhì)數(shù)據(jù)平均分割成多個子塊，利用GPU并行處理的特性，實現(xiàn)快 速解壓縮處理。
[0034] 2-3)預(yù)測加載和細(xì)節(jié)層次模型的內(nèi)存管理策略，按照離雷達(dá)中心的距離的不同， 內(nèi)存中使用不同的細(xì)節(jié)層次數(shù)據(jù)，即不同分辨率的數(shù)據(jù)，隨著雷達(dá)的移動，使用預(yù)測加載的 方法，以環(huán)形數(shù)據(jù)更新方法更新數(shù)據(jù)，每次每個分辨率層更新一個L形區(qū)域。
[0035]本發(fā)明的有益效果是通過規(guī)范化的環(huán)境數(shù)據(jù)表示方法，使得地形數(shù)據(jù)系統(tǒng)在滿足 雷達(dá)系統(tǒng)仿真應(yīng)用的同時，保證了與外部其它異構(gòu)仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相一致，并且數(shù)據(jù)的動 態(tài)組織調(diào)度方法能夠滿足大規(guī)模地形數(shù)據(jù)的實時加載與繪制，為實時模擬訓(xùn)練任務(wù)中雷達(dá) 仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)提供有效的數(shù)據(jù)支撐。
【附圖說明】
[0036] 圖1是本發(fā)明所提出的面向雷達(dá)圖像仿真的地形環(huán)境數(shù)據(jù)表示方法的總體流程 圖；
[0037] 圖2是本發(fā)明中的地形數(shù)據(jù)編碼方法圖；
[0038] 圖3是本發(fā)明地形數(shù)據(jù)內(nèi)存組織圖；
[0039] 圖4是使用本發(fā)明環(huán)境數(shù)據(jù)