[发明专利]一种面向虚拟应急演练的三维地理场景仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种面向虚拟应急演练的三维地理场景仿真方法。

背景技术

严肃游戏自20世纪80年代诞生至今，一直被广泛应用于军事、医学、教育、科研等各个领域。严肃游戏是一种不以娱乐为目的的游戏。严肃游戏与娱乐游戏的关键区别在于游戏是否具有真实性和科学性。利用严肃游戏可以对现实中可能发生的一些事故灾害进行模拟，例如地震、火灾、地铁反恐等，并且可以让用户以任意角色的形式进入这些游戏场景中，身临其境地感受事故发生的过程，从而达到对用户进行教育和培训的目的。因此，严肃游戏一直被广泛应用于突发事件和应急推演中，是目前该领域的研究热点，也将是未来应急推演领域的发展趋势。严肃游戏中要求场景贴近真实，游戏逻辑具有科学依据，并且游戏中的角色行为具有真实的物理意义，如行走的速度、距离，角色所处的位置等。而要保证严肃游戏的科学性和真实性的前提是在游戏中用户所处的环境是具有真实意义的，因此，搭建逼真的三维地理场景是进行基于严肃游戏的三维仿真系统的关键步骤和基础工作。

与自然灾害等事件相关的仿真应急演练往往需要建立大区域范围的虚拟场景，这与一般的虚拟现实游戏场景存在很大的差别。而目前的游戏引擎例如Cry Engine, Unreal Engine, Unity3D等都还不像地理信息系统(GIS)软件一样能快速的建立起大区域范围并且具有真实意义的三维地理场景。

在游戏引擎中现有的建立三维地理场景的方法有两种：

第一种方法：利用三维建模软件建立三维地形再导入游戏引擎。首先利用三维建模软件建立三维场景，再导出为游戏引擎中可以支持的文件格式，然后导入游戏引擎中建立三维模型。以Unity3D游戏引擎为例，在《A new method of virtual reality based on Unity3D》, 《The research of making scenic wandering system based on Unity 3D》, 《基于Unity3D的虚拟漫游系统》等文献中报道的研究案例均使用了这个方法建立地形。一般模式是利用3D Max建立三维场景后导出成FBX文件；然后将FBX文件导入到Unity3D中；接着，人工在Unity3D中调整每个块的地理位置，使每个块能无缝连接起来；最后，在三维地形上添加房屋等其他的三维模型。

第二种方法：利用灰度图制作三维地形。该方法需要提供灰度图（RAW格式）作为高程数据，而且图片形状必须为正方形，边长必须是2的指数幂，灰度从0到255共256级；区域的高程进行分级，灰度0表示最低处的高程，灰度255表示最高的高程。在文献《试验场三维GIS实现的新方法》，《三维图形引擎大规模场景实时渲染技术研究与应用》和专利《一种自动生成Torque引擎中三维地形的方法》中，均使用了灰度图的方式建立地形。其具体实施步骤为：提取地形图中等高线、高程点数据构建约束Delaunay三角网；根据地形范围确定一个正方形区域以对应长宽均为256象素的高度图，在三角网中内插出每个象素所对应点的高程值，遍历得到高程范围，生成具有256等级的灰度图，0表示最低，255表示最高。

第一种利用三维软件建立三维地形再导入游戏引擎的方法，缺点是：

①操作繁琐；

②需要在引擎中调整每个块地理位置，使每个块能无缝连接起来，这样的方法会带来块之间的接缝误差；

③生成的三维场景不具备真实的地理意义，没有原始坐标。

第二种利用灰度图的方式来制作三维地形的方法，缺点是：

①需要提供灰度图作为高程数据来源，所提供的灰度图有形状和大小的限制，要求形状必须为正方形，边长必须是2的指数幂；

②用灰度值表示高程值，将区域的高程划分为256级，0表示最低，255表示最高，这样的高程数据，其三维地形的误差会随着相对高差的增加而增大，1000米高差即可达近4米，不能符合实际演练（如应急疏散）的需求；

③生成的三维场景不具备真实的地理意义。

针对以上两种方法中存在的缺点，本发明的目的是解决以上两种方法中存在的制作步骤繁琐、数据来源限制多，且不能在真正意义上构建起具有真实地理意义的三维地理场景的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作方便，不需要限制区域的形状大小，且保证DEM高程准确性，能自动生成具有真实地理意义的三维场景的面向虚拟应急演练的三维地理场景仿真方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种面向虚拟应急演练的三维地理场景仿真方法，包括如下步骤，