面向航空消防训练的森林火灾三维视景的构建方法技术

本发明专利技术公开了一种面向航空消防训练的森林火灾三维视景的构建方法，涉及航空消防/计算机仿真领域。相较于已有的相关方法，在构建了大范围的三维地形环境的基础上，保证了地面森林、火焰等细节的高度逼真效果，以较为简单的方法为直升机森林灭火训练系统提供了满足要求的视景系统。这种效果是通过划分地形的核心任务区和非核心任务区、采用随机粒子系统代替传统的粒子系统、采用较为简单但能够保证效果的动态模型和地表纹理替换等方法来实现的。相较于已有的类似系统，解决了大地形、高逼真度与高运行流畅度之间的矛盾。在实际应用中，该方法不仅适用于直升机森林灭火任务的可视化仿真，同时也可以推广到其他类似仿真系统中。

Construction method of 3D view of forest fire for aviation fire training

The invention discloses a method for constructing a three-dimensional view of forest fire for aviation fire training, relating to the field of aviation fire fighting / computer simulation. Compared with the existing methods, based on constructing the 3D terrain environment range on the ground to ensure the forest, flame and other details of the highly realistic effect, with simple method for forest fire fighting helicopter training system can provide visual system requirements. This effect is the core mission area by dividing the terrain and the non core mission area, using random particle system instead of the traditional particle system, using simple but can guarantee the effect of the dynamic model and surface texture replacement method to achieve the. Compared with the existing similar systems, it solves the contradiction between large terrain, high fidelity and high running fluency. In practice, this method is not only suitable for visual simulation of helicopter forest fire fighting task, but also can be extended to other similar simulation systems.

【技术实现步骤摘要】
面向航空消防训练的森林火灾三维视景的构建方法
本专利技术涉及航空消防/计算机仿真领域，应用于我国航空应急救援体系建设，尤其涉及一种面向航空消防训练的森林火灾三维视景的构建方法。
技术介绍
直升机森林灭火是一项危险性高、技术难度大的活动，但是由于其灭火效果较好，因此得到了各国政府的重视。直升机森林灭火活动需要整个直升机机组成员的密切配合和熟练操作，在平常需要进行必要的训练。但是，类似于森林火灾的这种大规模灾难场景难以在平常进行复现，而且飞行器运作成本十分高昂，因此在复杂任务的训练方面，业内一般采用虚拟仿真技术进行训练。执行森林灭火任务的直升机的飞行高度在十米至数百米范围之间，活动范围在数公里至数十公里左右，因此为了保证仿真过程的真实感，不仅需要构建大范围的山地模型，而且需要构建灭火过程中的精细的、动态的树木模型和火焰以及烟雾模型。此外，为了仿真画面的显示效果与流畅性，需要在一定的硬件限制下，保证模型精度与真实感，同时尽可能降低计算机资源的占用。现有技术在实现大地形建模时多用VegaPrime来进行。VegaPrime是一款适用于飞行模拟的专业仿真软件，可以构建超大范围的地面模型。在这类飞行模拟视景系统中，飞行器飞行高度较高(在数千米以上)，对除了机场附近地面以外的地形精度要求较低，因此地面模型细节较为粗糙；另外，采用VegaPrime也不便于进行真实地形环境的仿真搭建，因此不适用于直升机灭火这种飞行高度较低、对地形精度、地面植被以及火场细节要求较高的仿真任务。进行大面积森林建模时，由于树木的数量巨大，一般考虑采用简化的树木模型。目前，BillBoard技术是一种常用的树木模型简化技术，其原理是利用二维的树木贴图来代替三维的树木模型，在观察视角变化时，BillBoard模型会自动围绕其竖直轴的方向进行旋转，从而使得其永远面对观察者。这种技术虽然极大地简化了树木模型，但是在高空观察时模型会呈现出线条状，丧失真实感，因此不适合于用在面向直升机灭火的森林视景仿真系统中。对于火焰与烟雾的动态模型，目前通用的做法是采用粒子系统进行仿真。粒子系统的原理是通过一个粒子发射源，向空间持续发射大量具有速度、方向和寿命等属性的粒子，经过渲染等处理模拟出火焰、烟雾等效果。采用粒子系统的缺点是大量的粒子会消耗过多的内存和计算资源，降低仿真系统的刷新帧率。另外，目前常用的粒子系统方法无法模拟森林火灾中常见的暗火现象。在直升机森林灭火任务中，也必须即时扑灭，否则仍会引燃周围森林。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种面向航空消防训练的森林火灾三维视景的构建方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种面向航空消防训练的森林火灾三维视景的构建方法，包括如下步骤：S1，获取核心仿真区域的经纬度信息以及高度分布图，搭建数字高程模型DEM；获取该经纬度范围内的高分辨率卫星图，并将其映射到DEM中，构建直升机灭火核心活动区域的数字地理模型DTM；S2，获取非核心仿真区域的经纬度信息与卫星图，根据其地形的高程信息，手动构建非核心区域的DTM，并与核心仿真区域一起制作完整的大范围仿真三维地形；S3，构建未燃烧的树木模型和燃烧后的树木模型；将核心仿真区域进行网格划分，将未燃烧的树木模型种植于网格内，根据卫星图片信息，使得树木模型按照植被密度覆盖森林区域；S4，采用随机粒子系统构建火焰模型和烟雾模型；S5，在起火点设置初始火焰模型和烟雾模型，根据火焰蔓延的数学模型，采用元胞自动机原理计算火焰引燃周围森林元胞的时间，驱动火焰在森林元胞之间进行蔓延，并采用模型和地形纹理替换的方法，动态地模拟燃烧过程中的森林景观。优选地，S1包括如下步骤：S101，利用开放的在线地图数据库获取核心仿真区域的地理高程灰度图；S102，将所述灰度图导入虚拟现实引擎Unity3D中，利用其Terrain地形组件生成DEM，并按照比例设置生成的地形的尺寸；S103，通过地理空间数据网站下载目标经纬度范围内的高清卫星影像数据，并将其导入Unity3D之中，调整该卫星图片与S102生成的地形的对应位置，设置为地形的地表纹理，完成灭火核心区的DTM的制作。优选地，S102具体包括如下步骤：S1021，根据比例关系，利用所述灰度图中包含的核心区域中心点的海拔信息进行高度校正；S1022，根据比例关系，在Unity3D中调整所生成地形的边长尺寸；S1023，利用线性插值方法生成连续的映射关系，生成真实的地形三维模型。优选地，S2包括如下步骤：S201，根据目标区域的空间尺度与比例，在所述核心仿真区域外围建立平坦的地形；S202，利用与步骤S103中相同的方法，下载对应区域的低精度卫星影像数据，设置为地形的地表纹理；S203，根据真实的地理地形信息，结合卫星图，通过Unity3D的地形刷工具，绘制出地形起伏变化；S204，利用Unity3D的工具将核心区地形和非核心区地形进行光滑连接，完成整个地形DTM的制作。优选地，S3包括如下步骤：S301，利用Unity3D中的较为简化的三维树木模型，调整其材质与贴图，构建两种树木模型：未燃烧树木模型的和已燃烧完的树木模型；S302，将灭火核心区地形进行正方形网格划分；S303，根据当地森林密度，在每个网格对应的地表上植入数颗未燃烧树木模型，完成森林景观的搭建。优选地，S302具体为，按照10米*10米的空间范围为一个基本的元胞单元，将灭火核心区地形进行网格划分。优选地，S4包括如下步骤：S401，设置一个明火发生概率；S402，使用随机函数产生一个介于0和1之间的随机数，若该随机数小于所述明火发生概率，则在当前元胞中生成一个粒子系统；S403，在Unity3D中，将所述粒子系统设置为火焰模型或烟雾模型，完成火焰模型或烟雾模型的构建。优选地，S5包括如下步骤：S501，根据仿真实际情况，选取森林场景中的一个元胞作为起火点，将火焰模型和烟雾模型置于起火点树木模型当中；S502，设置全局风向和风速，利用火焰演化模型计算当前着火元胞对相邻的8个元胞的传播因子；S503，将当前着火区域的最外层元胞视为火线，找到所有与火线相邻的未燃烧的元胞，计算其周围所有的着火元胞对该元胞的火焰传播因子之和，若该结果超过设定的着火阈值，则该元胞变成着火状态，将火焰和烟雾模型置于该元胞之中；S504，为每个元胞设置持续燃烧的最大时间，燃烧过程超过该时间后，该元胞转变为燃尽状态，元胞达到燃尽状态时，将该元胞内燃烧的树木模型替换为已燃烧的树木模型；同时将该元胞的地表纹理替换成燃尽状态下的纹理；最后移除火焰和烟雾模型，同时将该元胞对周围元胞的火焰传播因子设为零。本专利技术的有益效果是：本专利技术实施例提供的一种面向直升机森林灭火任务的森林火灾三维视景的构建方法，相较于已有的相关方法，在构建了大范围的三维地形环境的基础上，保证了地面森林、火焰等细节的高度逼真效果，以较为简单的方法为直升机森林灭火训练系统提供了满足要求的视景系统。这种效果是通过划分地形的核心任务区和非核心任务区、采用随机粒子系统代替传统的粒子系统、采用较为简单但能够保证效果的动态模型和地表纹理替换等方法来实现的。相较于已有的类似系统，解决了大地形、高逼真度与高运行流畅度之间的矛盾。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向航空消防训练的森林火灾三维视景的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，获取核心仿真区域的经纬度信息以及高度分布图，搭建数字高程模型DEM；获取该经纬度范围内的高分辨率卫星图，并将其映射到DEM中，构建直升机灭火核心活动区域的数字地理模型DTM；S2，获取非核心仿真区域的经纬度信息与卫星图，根据其地形的高程信息，手动构建非核心区域的DTM，并与核心仿真区域一起制作完整的大范围仿真三维地形；S3，构建未燃烧的树木模型和燃烧后的树木模型；将核心仿真区域进行网格划分，将未燃烧的树木模型种植于网格内，根据卫星图片信息，使得树木模型按照植被密度覆盖森林区域；S4，采用随机粒子系统构建火焰模型和烟雾模型；S5，在起火点设置初始火焰模型和烟雾模型，根据火焰蔓延的数学模型，采用元胞自动机原理计算火焰引燃周围森林元胞的时间，驱动火焰在森林元胞之间进行蔓延，并采用模型和地形纹理替换的方法，动态地模拟燃烧过程中的森林景观。

【技术特征摘要】
1.一种面向航空消防训练的森林火灾三维视景的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，获取核心仿真区域的经纬度信息以及高度分布图，搭建数字高程模型DEM；获取该经纬度范围内的高分辨率卫星图，并将其映射到DEM中，构建直升机灭火核心活动区域的数字地理模型DTM；S2，获取非核心仿真区域的经纬度信息与卫星图，根据其地形的高程信息，手动构建非核心区域的DTM，并与核心仿真区域一起制作完整的大范围仿真三维地形；S3，构建未燃烧的树木模型和燃烧后的树木模型；将核心仿真区域进行网格划分，将未燃烧的树木模型种植于网格内，根据卫星图片信息，使得树木模型按照植被密度覆盖森林区域；S4，采用随机粒子系统构建火焰模型和烟雾模型；S5，在起火点设置初始火焰模型和烟雾模型，根据火焰蔓延的数学模型，采用元胞自动机原理计算火焰引燃周围森林元胞的时间，驱动火焰在森林元胞之间进行蔓延，并采用模型和地形纹理替换的方法，动态地模拟燃烧过程中的森林景观。2.根据权利要求1所述的面向航空消防训练的森林火灾三维视景的构建方法，其特征在于，S1包括如下步骤：S101，利用开放的在线地图数据库获取核心仿真区域的地理高程灰度图；S102，将所述灰度图导入虚拟现实引擎Unity3D中，利用其Terrain地形组件生成DEM，并按照比例设置生成的地形的尺寸；S103，通过地理空间数据网站下载目标经纬度范围内的高清卫星影像数据，并将其导入Unity3D之中，调整该卫星图片与S102生成的地形的对应位置，设置为地形的地表纹理，完成灭火核心区的DTM的制作。3.根据权利要求2所述的面向航空消防训练的森林火灾三维视景的构建方法，其特征在于，S102具体包括如下步骤：S1021，根据比例关系，利用所述灰度图中包含的核心区域中心点的海拔信息进行高度校正；S1022，根据比例关系，在Unity3D中调整所生成地形的边长尺寸；S1023，利用线性插值方法生成连续的映射关系，生成真实的地形三维模型。4.根据权利要求3所述的面向航空消防训练的森林火灾三维视景的构建方法，其特征在于，S2包括如下步骤：S201，根据目标区域的空间尺度与比例，在所述核心仿真区域外围建立平坦的地形；S202，利用与步骤S103中相同的方法，下载对应区域的低精度卫星影像...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘虎，刘宇轩，王宁，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11