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2012年1月JournalofSystemSimulationJan.,2012
STK三维场景构建及优化方法研究
年福纯,周锦标,何剑伟,段慧芬,孙丰,薛倡新
(中国卫星海上测控部,江苏无锡214431)
摘要:针对STK(SatelliteToolKit)软件在军事任务可视化仿真领域中的广泛应用,为充分挖掘其
显示潜能,重点解决了影响其三维场景构建的瓶颈问题,即三维场景数据格式的转换和数据的获取优
化。在分析构建STK三维场景所需要素及其作用的基础上,分别对地形、地表纹理、三维模型和GIS
等四类数据格式进行分析,并利用多种辅助软件,系统地提出了由较通用格式数据向STK所支持格式
数据的转换方法,以及在对各类原始数据的获取和转换过程中出现的问题进行处理的优化方法。
最后通过实例验证表明该数据格式转换方法和数据优化方法行之有效,三维场景显示效果逼真。
关键词:地形;纹理;三维模型;GIS数据;场景构建
中图分类号:;:A文章编号:1004-731X(2012)01
ResearchontheBuildingandOptimizingMethodsofSTK3DScenario
NIANFu-chun,ZHOUJin-biao,HEJian-wei,DUANHui-fen,SUNFeng,XUEChang-xin
(ChinaSatelliteMaritimeTrackingandControlDepartment,WuXiJiangsu,214431,China)
Abstract:Accordingtothefar-rangingapplicationofSTK(SatelliteToolKit)inthevisualizedsimulationofmilitarymission,
inordertofullydigthedisplaypotential,thispapermainlysolvedtheBottleneckproblemthataffectedthe3Dscenario
building,
theSTK3Dscenariocomponentsandfunction,thispaperseparatelyanalyzedthedataformatsabouttheterrain,satellite
imagery,3DmodelandGISdata,utilizedmanyassistantsoftwaretosystematicallypresenttheconversionmethodsfrom
generalformatdatatoSTKsupportingformatdata,andtheoptimizationmethodsthataroseduringtheprocessofobtaining

anddataoptimizationmethodsbeeffective,3Dscenariodisplayeffectwasamazinglyreal.
Keywords:terrain;satelliteimagery;3Dmodel;GISdata;scenariobuilding
引言视到对STK/AVO模块的充分挖掘和利用,而即使是有关
STK可视化的研究也大多采用STK自带的较低分辨率地形
随着虚拟现实技术的不断发展,其在军事领域的应用也
(1km分辨率)和全球影像(500m分辨率)数据进行可视
在不断深入。作为航天工业领域领先的商品化分析软件
化仿真,且多采用地球大场景全局性视角的展示[3-6],然而
STK,它可以快速方便地分析复杂的陆、海、空、天任务,
如果在执行小范围地表或低空任务时,就需要地面移动或固
它拥有的高级三维显示模块(STK/AVO),以STK的高精
定物体的精确形状和大小、较高的地形分辨率、高清的地貌、
度数据为驱动,可载入真实的地形、纹理、GIS数据和三维
准确的公路或城市具体位置信息等等,此时STK自带的地
实体模型,具有强大的三维数字可视化显示能力,为直观的
形和影像数据就不能满足对可视化分辨率和数据分析的需
理解复杂的军事任务和轨道特性提供了平台。
求。
据了解,目前国内在STK软件的应用上,在利用STK
另外,利用STK与利用其他可视化仿真工具如
的数据分析引擎进行数据演示与验证[1-2]的过程中,往往忽
、、等[7-9]进行军事任务可视化仿真相比,
OpenGLVegaOGRE
收稿日期:2010-04-06修回日期:2010-09-17凭借其高精度的数据引擎,其在三维显示效果和数据分析综
作者简介:年福纯男安徽蚌埠人硕士研究方向为飞行器建
(1984-),,,,合能力上也有着明显的优势。
模、控制与仿真;周锦标(1966-),男,江苏江阴人,高级工程师,研究方
向为航天测控总体;何剑伟(1967-),男,江苏靖江人,硕士,研究方向为基于此,本文对STK三维场景的构建进行全面系统深
航天测控总体;段慧芬(1963-),女,吉林人,高级工程师,研究方向为计入的研究,提出小范围地表或低空环境下三维场景所需四种
算机仿真;
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2012年1月年福纯,等:STK三维场景构建及优化方法研究Jan.,2012
数据的数字化构建方法,包括高分辨率地形、纹理和GIS其他格式Global第一类格式STK
MapperImage
数据的获取与处理方法,精确三维模型的制作与处理方法。.grdadfConverter

.
析,利用GlobalMapper、ENVI、3dsMax、DeepExploration、
.
LwConvert、LightWave等多种辅助软件,/…/.
格式转换方法,以及数据的获取与优化方法。.
.

STK三维场景的构建就是指在STK/AVO模块中进行地
图2地形数据导入流程图
表地形、地貌、场景物体和各种GIS信息数据等的构建。其
组成要素主要包括四种:地表地形数据、地表纹理数据、场

景对象的三维模型和各种地理信息矢量数据。图1为上述四

种数据共同组成STK三维场景的示意图。
(JPEG2000)、.,但可以转换为上述格
高分辨率的地表地形、地貌和GIS等数据的使用不仅是
式的其他图片格式较为常见,/.jpeg、.bmp、.png、
实现三维场景逼真显示的重要支撑,同时在模拟航天器的发
.tif(GeoTIFF)、.ntf(NITF)、.tga、.pgm、.clds、.ppm(Binaryonly)、
射和回收、地面目标的移动、飞行器的低空飞行环境上起着
.ecw、.sid(MrSID)、.(CADRG,CIB)等格式均可,
重要作用,而且还对计算方位角/仰角遮罩并行可见性分析
但需要具有对应的坐标文件。
方面有重大影响。另外,清晰灵活多关节的三维实体模型是
同样,,也是
实现目标物体在三维场景中准确表达的基础,是对其进行灵
利用STKImageConverter进行转换。
活控制的依据。

STK中所使用的三维实体模型为其专有的三维模型格
,可利用常见的3D建模软件,如3dsMax、MultiGen
Creator、SketchUp、、.3ds、.flt、.obj、
.。具体向STK导入流程
见图3。
其他格式Deep

.3ds
.objLightWave
.
.skp
.maxSTK
图1四种数据共同组成STK三维场景示意图
2STK三维场景数据及导入方法图3三维模型导入流程图
。
STK支持的地形数据格式主要分为两类:
数据分析的格式,主要指用于与地形遮罩有关的数据分析,换;二是先利用其他建模软件制成其他格式的三维模型,再
、.dte、.hdr、.dem、.dt0/…/.dt5、.dmed、.。
等;
地形格式。另外可以转换成上述两类格式的其他海拔网格数
STK软件支持多种形式多种格式GIS数据的导入和分
据格式也较多,比如GeoTIFF格式等。
析。一方面STK拥有ArcGIS软件的插件,可支持ArcMap
,所
Documents(*.mxd)、ArcMapTemplates(*.mxt)、Published
以一般情况下,。
Maps(*.pmf)和Datasetsandlayers(*.lyr)等四种格式GIS数据
其整个过程具体导入方法见图。
2的载入,可转化为区域目标、线目标和点目标用于任务分析;
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另一方面也支持shapefile格式文件的导入,即可单纯作为地
理信息在三维和二维窗口中展示,如标示出国界、省界、省
市级地名、公路铁路、湖泊等等GIS数据,也可作为区域、
线和点目标用于任务分析,其中单纯用于二、三维窗口显示
用的GIS数据可通过两种形式进行导入,一种是形成STK
内部的矢量地图,在3D窗口属性的MapDetails中使用;一
种是将其与高分辨率地表纹理融合制作出含有GIS数据的
纹理数据,以纹理数据的身份用于可视化显示。
3STK三维场景数据获取与优化方法
三维地形建模数据的获取与优化

在按照图2流程向STK中导入三维地形的过程中,会
图4某长江段水域地形修正前后的比较图
遇到各种问题,包括不同数据源的不同格式地形数据的格式
转换、
正等问题,主要利用GlobalMapper辅以ENVI软件来处理。
目前较容易获取到的高分辨率纹理,除了STK自带的
目前应用较为广泛分辨率较高的地形数据主要有约90
最高达到500m和1km分辨率的全球影像之外,局部地区高
米分辨率的SRTM数据和约30米分辨率的ASTERGDEM
清影像更多的主要来自于GoogleEarth和Microsoft
数据。这两种数据的对比见表1。
VirtualEarth中的影像,而国内外获取此类影像的小软件也
表1ASTERGDEM与SRTM数据比较较多,不仅可以在获取纹理的同时还可以获取该纹理中众多
ASTERGDEMSRTM3*/4*
像素点对应的坐标值,便于进行纹理的矫正。
数据来源ASTERSpaceshuttleradar
发布机构METI/NASANASA/USGS
发布年份2009~2003~
数据获取周期2000~ongoing11days(in2000)
采样间隔30m90m
DEM垂直精度7~14m10m
数据覆盖范围北纬83°~南纬83°北纬60°~南纬56°
缺少数据区域持续的云层覆盖区域高纬度及地形陡峭区域
(因雷达的特性所限)
这两种数据均发布了以WGS84为参考基准以
GeographicWGS84为投影方式的格式为GeoTIFF的高程数
据。该格式数据可通过GlobalMapper将其转换为USGS
,再通过STK自带ImageConverter软件
。需要注意的是,ASTERGDEM数据
图5相同地理区域内纹理矫正前后的比较图
在内陆河流湖泊区域的数据不够准确,误差较大,SRTM数
据在雪山、海面及地形陡峭区域误差较大甚至没有数据,虽
地表纹理的矫正对于提高纹理与所对应真实地理位置
然在其第四版本中对部分区域进行了插值补修,但数据仍不
的精确匹配具有重要作用。该矫正主要是针对由于获取纹理
够准确。对于上述问题,可根据需求,合理选择数据源尽量
方式方法的不同,导致纹理并不是完全以一个正规的投影来
减少人为去修正数据,如果可获得的数据源在某一需求区域
形成,需要将其矫正到某一投影之上。进行纹理矫正的前提
的高程值均存在较大误差,需要对其进行进一步修正后使用
是需要已知该纹理中多个像素点所对应的基于某投影的坐
的,可尝试利用ENVI结合GlobalMapper软件进行修正。
标值,条件具备之后,可利用GlobalMapper软件进行纹理
图4为对某长江段水域的ASTERGDEM数据进行修正前后
的矫正。由于STK的ImageConverter对待转换纹理的投影
的比较图。
要求必须为GeographicWGS84投影,所以如果待转换纹理
,需注意投影方式
的投影不为上述投影的,可以利用GlobalMapper的重投影
和参考椭球体的不同,如经常遇到的UTM投影和国家80
操作对其进行处理。图5为相同地理区域内纹理矫正前后的
参考椭球体,可利用GlobalMapper进行转换。
比较图。
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(area)范围时,都可以保存为shapefile文件来使用。
在针对不同武器装备的可视化仿真中,其场景中的三维鉴于STK对GIS数据格式和载入形式的多样性支持,
实体模型也是有所不同的,而且也很难通过公开的渠道获所以进行GIS数据的转换处理优化方法也就相应有所不同。
取,因此,三维实体模型在实际应用中大部分是要通过利用具体分析如下。
模型制作软件进行制作获得,而其他通用模型则可以通过公首先,针对利用STK的ArcGIS插件进行GIS数据载入
开渠道去获得,之后都需进行模型的转换处理。的部分,前提是该微机必须同时正确安装了STK和ArcGIS
两款软件,或者是没有安装STK软件,而是安装了利用STK
X技术或4DX技术编制的自定义软件,且该软件使用了AGI
STKESRIDisplay*组件,这样也可以支持载入上述四种格
式的GIS数据。目前STK的GlobeManager中还不能支持
对这四种格式数据的修改,还必须通过ArcGIS软件来进行
修改,然后再载入STK中来进行展示或任务分析。
另外,针对Shapefile格式GIS数据的两种载入形式,
处理方法也有所不同。对于第一种直接作为STK内部矢量
地图之用的GIS数据,、.
件的文件夹直接拷贝到STK默认存放矢量地图数据的路径
之一中,如<ConfigDir>/CentralBodies/<centralbodyname>
/maps或<ScenDir>/CentralBodies/<centralbodyname>/maps
图6经处理后的三维模型等路径,即可在以后运行STK软件中使用。图7为以内部
矢量地图身份出现的精确到地级市边界的中国局部GIS数

据对比图。
维模型制作和格式转换的过程中需要重点关注六个方面。一
要对整个模型的组件进行整合,把不需要活动的组件全部合
并为一个组件,把需要活动的组件单独分开;二要将有活动
关节组件的轴点(Pivot)调整到所要旋转的中心点位置,以
保证组件以一个正确的中心点为旋转和移动的基点;三要对
有活动关节的一组组件的嵌套隶属关系进行调整,主要针对
组件当中需要进行协调配合才能完成某一预期动作的组件,
比如卫星的太阳帆板,三到四块子帆板需要协调配合才能完
成整个太阳帆板的展开动作;四要对模型的坐标轴进行旋转
调整,对模型的中心点位置进行调整,以及对模型的大小按
照实际大小进行调整;五要调整贴图图片的格式,
及以上版本只支持PPM、BMP、JPG、TIF和TGA的贴图
格式;六要调整模型的贴图投影方式为UV投影方式,图7精确到地级市边界的中国局部GIS数据图
LightWave提供了多种贴图投影方式Planar(平面)、
Cylindrical(柱面)、Spherical(球面)、Cubic(立方体)和对于第二种与高分辨率地表纹理融合制作出含有GIS
UV,但是LwConvert转换软件只支持UV投影方式的转换,信息纹理数据的shapefile格式数据,需要利用Global
它是目前为止最为灵活的投影方式之一,它可以效仿其他所Mapper软件进行处理。将先前处理好的地表纹理以及需
有的投影方式。图6为经过设计和转换处理后的各种三维模要使用的shapefile格式数据分别载入到该软件之中,然
型。后以该纹理为底图进行shapefile格式数据的编辑处理,
最后输出生成一张含有GIS信息的纹理图。在处理过程

中,需要首先考虑纹理与GIS数据的匹配问题,必须要
GIS数据目前获取途径主要有三种来源:一是利用
让两者分别是基于同一种投影方式,最好都是基于
ArcGIS软件制作;二是利用互联网或STK自带的GIS库等
GeographicWGS84投影之下。图8为制作的含有GIS信
来获取现成的shapefile文件,经加工处理后应用;三是可以
息的中国地区局部图。
直接在STK二维窗口手动添加,如在设定船迹(ship)航线
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同样,图10为利用文中方法将处理好的场景数据应用
于低空飞行器与导航卫星可见性分析仿真之中的三维场景
效果图,场景中载入了某局部地区的地形、地表纹理和飞机
模型等。场景中地形与地表纹理的匹配、飞机模型的火焰、
飞机与导航卫星间的可见性展示等都达到了很好的效果。
5结束语
STK三维场景构建涉及到了三维模型建模、地理信息系
统、遥感数字影像处理以及计算机可视化等领域,其三维显
示效果逼真,真实感强,尤其在以下五类军事任务可视化仿
真中有着重要的应用价值,包括航天发射任务发射场起飞段
图8局部地区融合GIS数据的前后对比图可视化、载人飞船返回着陆可视化、无人机侦察任务可视化、
战斗机低空作战任务可视化以及地面作战任务可视化等。目
4应用实例前该套方法已成功应用于本单位航天发射任务实时可视化
图9为利用文中方法对场景所需数据进行处理后,将其系统之中,效果显著。鉴于场景构建所涉及的专业领域较广,
应用于航天任务实时可视化仿真系统之中的发射场周边场对各领域专业知识和专业软件的掌握与使用仍不够,在地
景显示效果图。场景中载入了发射塔架三维模型、火箭/卫形、影像和GIS数据的相互精确匹配上,目前仍有20~60
星三维模型、天空模型、周边地形和影像数据等,可见地形米左右的误差,仍需继续深入的研究,以进一步缩小误差,
与纹理的匹配、发射塔架位置与用真实数据驱动的火箭模型提高匹配精度。
位置的匹配都达到了比较理想的效果。参考文献:
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图10飞机低空飞行时与导航卫星可见性仿真的场景图
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