LiDAR虛擬仿真實踐教學(xué)平臺設(shè)計與建設(shè)

閻躍觀 郭俊廷 戴華陽 李 明 陳中章

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院, 北京 100083; 2. 煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點實驗室, 北京 102209)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,快速準(zhǔn)確地獲取數(shù)字化空間信息的需求旺盛,對新時代的測繪工作者提出了更高的要求。LiDAR作為一種新興技術(shù),采用非接觸式測量手段,能夠快速、準(zhǔn)確、全天候地獲取點云數(shù)據(jù),具有數(shù)據(jù)精度高、作業(yè)效率高、多回波探測性、自動化程度高、產(chǎn)品豐富、發(fā)展空間和潛力巨大等特點，備受人們關(guān)注[1-3],并被廣泛應(yīng)用于古建筑物保護(hù)、地形圖測繪、不動產(chǎn)測量以及公路測量等方面[4-6]。為了適應(yīng)當(dāng)前測繪發(fā)展需求,部分高校開設(shè)了LiDAR的相關(guān)課程,培養(yǎng)了具有LiDAR知識儲備的人才。但是,教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)LiDAR技術(shù)是集激光、全球定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)三種技術(shù)于一體的系統(tǒng),對學(xué)生的基礎(chǔ)知識面要求較廣[7];同時,LiDAR技術(shù)基本原理復(fù)雜,需要結(jié)合大量的實際操作才能深入理解,學(xué)習(xí)難度較大。因此,在現(xiàn)有技術(shù)背景下,如何快速高效地幫助學(xué)生理解激光雷達(dá)原理,掌握儀器操作技能顯得尤為重要。

1 虛擬仿真實踐教學(xué)的必要性

實踐是測繪工程課程體系的重要組成部分。傳統(tǒng)的教學(xué)模式已無法滿足現(xiàn)有的社會需求,相關(guān)教育專家提出了基于OBE理念的測繪工程專業(yè)教學(xué)方法,為不斷完善課程教學(xué)體系提出了新的思路[8]。同時,培養(yǎng)具有工程實踐能力和創(chuàng)新能力的復(fù)合型“新工科人才”在各個學(xué)科已經(jīng)達(dá)成共識,特別是國際教育專業(yè)認(rèn)證的基本理念下,測繪工程專業(yè)本身更應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力[9-12]。為了增強LiDAR課程體系中實踐性教學(xué)的地位,急需要一種“虛實”結(jié)合的教學(xué)模式,本文的LiDAR虛擬仿真實踐教學(xué)平臺應(yīng)“需”而生[13-15]。

傳統(tǒng)的測繪工程教學(xué)模式中,學(xué)生們按照相應(yīng)的大綱要求學(xué)習(xí)相關(guān)的課程并參加實習(xí),但是像LiDAR等高端技術(shù),儀器設(shè)備成本高,實驗室資源有限,需要掌握基本的操作后,才能完成相應(yīng)地實習(xí)任務(wù),現(xiàn)有的課時很難滿足這個要求,若單純增加課時與新時代下測繪工程教育模式的改革理論相悖,這些條件限制了學(xué)生對LiDAR理論的學(xué)習(xí)以及實操能力的提升,因此急需一種既不增加課時又能幫助學(xué)生掌握LiDAR技術(shù)的教學(xué)模式。同時,傳統(tǒng)的教學(xué)模式中因突發(fā)事件會嚴(yán)重阻滯教學(xué)進(jìn)度,如突發(fā)疫情學(xué)生居家在線學(xué)習(xí),教師一味遠(yuǎn)程講述實際操作過程,學(xué)生無法隨堂開展線下實踐,一定程度上限制了學(xué)生對基本原理的學(xué)習(xí)和實操能力的提升。測繪工程專業(yè)與工程實踐的關(guān)系十分密切,只有通過不斷地實踐教學(xué),學(xué)生的實際操作水平才能得到顯著提高。LiDAR虛擬仿真實踐教學(xué)平臺的設(shè)計與建設(shè)一定程度上能夠彌補這些不足,達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。隨著平臺的建立,LiDAR的基本原理知識將以電子資源的形式呈現(xiàn),并從多方面向?qū)W生展現(xiàn)儀器部件、測量過程、數(shù)據(jù)處理和項目實踐等過程。以往單純的“講授”模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸v練結(jié)合”模式,有效地幫助學(xué)生深入地學(xué)習(xí)LiDAR的相關(guān)知識,提高實際操作水平。虛擬仿真教學(xué)實踐平臺的廣泛應(yīng)用,將更好地培養(yǎng)本科生對LiDAR基本原理的理解和實際操作技能的提升,有效保證學(xué)生自主學(xué)習(xí)效率,提高教學(xué)質(zhì)量,為培養(yǎng)LiDAR相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用型人才做出貢獻(xiàn)。

2 LiDAR虛擬仿真實踐教學(xué)平臺設(shè)計

結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)的實際情況和LiDAR技術(shù)的教學(xué)特點,設(shè)計LiDAR虛擬仿真實踐教學(xué)平臺系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要通過文字說明、動畫仿真以及場景模擬來展現(xiàn)LiDAR技術(shù)的基本原理和廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)使用VS中的C#模塊添加按鈕和畫布,調(diào)整好控件的尺寸并編寫后臺代碼;通過Adobe Premiere Pro軟件展示制作儀器部件、數(shù)據(jù)處理以及三維模型,結(jié)合VRay進(jìn)行渲染,生成高質(zhì)量場景效果;利用VLCPlayer視頻進(jìn)行整合。將虛擬仿真與LiDAR技術(shù)相結(jié)合,系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容分儀器介紹,測量過程模擬,數(shù)據(jù)處理和項目實踐四個模塊。LiDAR虛擬仿真實踐教學(xué)平臺的設(shè)計內(nèi)容如圖1所示。

圖1 LiDAR虛擬仿真實踐教學(xué)平臺設(shè)計

3 LiDAR虛擬仿真實踐教學(xué)平臺建設(shè)

LiDAR技術(shù)涵蓋的基礎(chǔ)知識體系廣,與工程實踐聯(lián)系密切。本文基于LiDAR的基本原理和項目實踐特點,分別從儀器部件介紹、測量過程模擬、數(shù)據(jù)處理和項目實踐四個部分建設(shè)虛擬仿真實踐教學(xué)平臺。虛擬仿真實踐教學(xué)平臺如圖2所示。

圖2 虛擬仿真實踐教學(xué)平臺系統(tǒng)界面

儀器部件介紹模塊主要介紹LiDAR測量系統(tǒng)的硬件組成及其功能。硬件組成部分包括GPS接收器、三維激光掃描儀、基座、連接線、電源和三腳架。模塊還包括對LiDAR儀器操作界面的介紹。模塊界面及功能介紹如圖3所示。

圖3 儀器部件介紹模塊

測量過程模擬模塊包括儀器安裝、參數(shù)設(shè)置和儀器搬站三部分。參數(shù)設(shè)置主要是對某測站的水平角度、垂直角度和點密度進(jìn)行設(shè)置,水平角度和垂直角度的設(shè)置范圍根據(jù)測站點與測量目標(biāo)的位置關(guān)系確定;點云密度設(shè)置根據(jù)項目要求設(shè)置。通過該模塊為學(xué)生提供最真實的模擬體驗,提高對LiDAR測量過程的認(rèn)知。測量過程模擬模塊建設(shè)界面如圖4所示。

圖4 測量過程模擬模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要包括LiDAR數(shù)據(jù)的預(yù)處理和精細(xì)化處理兩部分。數(shù)據(jù)預(yù)處理階段運用RiSCAN-Pro軟件對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、除噪和抽稀處理,為精細(xì)處理部分奠定基礎(chǔ)。精細(xì)處理以CloudCompare軟件為載體對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行地面濾波和建筑物信息提取并進(jìn)行建模展示。學(xué)生可以通過數(shù)據(jù)處理模塊熟悉LiDAR點云數(shù)據(jù)的處理過程。

項目實踐模塊主要展示運用LiDAR技術(shù)完成的多種工程實踐項目,比如礦區(qū)地表DEM的構(gòu)建、井架變形監(jiān)測和建(構(gòu))筑物三維建模等,并引入互聯(lián)網(wǎng)中LiDAR工程實例的相關(guān)鏈接,方便學(xué)生深刻理解LiDAR技術(shù)在工程實踐中的廣泛應(yīng)用。項目實踐模塊如圖5、圖6所示。

圖5 構(gòu)筑物三維建模展示

圖6 建筑物三維建模展示

綜上,學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)LiDAR基本原理的基礎(chǔ)上,通過平臺儀器部件介紹模塊和測量過程模擬模塊,加深對LiDAR基本原理及操作流程的掌握;結(jié)合數(shù)據(jù)處理模塊和項目實踐模塊,提高學(xué)生的實操能力。虛擬仿真實踐平臺的設(shè)計與建設(shè),將虛擬仿真場景逼真的場景優(yōu)勢與測量的實踐性特點相結(jié)合,增添學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)習(xí)效果,保證了教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)束語

實踐證明, LiDAR虛擬仿真實踐教學(xué)平臺的建設(shè)增加了學(xué)生對LiDAR儀器部件、數(shù)據(jù)處理和工程實例等方面的認(rèn)知,節(jié)省了LiDAR儀器基本操作的學(xué)習(xí)時間,提供了課下自主學(xué)習(xí)的平臺基礎(chǔ);虛擬仿真的實踐場景增加了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和測量學(xué)習(xí)體驗感。相比于傳統(tǒng)的教學(xué)模式和學(xué)習(xí)效果,虛擬仿真實踐教學(xué)平臺能夠充分結(jié)合虛擬仿真和實踐的特點,將理論與實踐更好地融合。目前,該虛擬仿真實踐教學(xué)平臺系統(tǒng)在我校使用廣泛,并取得了較好的應(yīng)用效果。通過加強學(xué)生對LiDAR儀器操作流程和工程實例的理解和掌握,有效提高了激光雷達(dá)技術(shù)原理課程的推廣和普及。雖然該系統(tǒng)取得了一定的教學(xué)成果,但是在模塊智能化和人機交互方面還需要進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)。筆者相信在不久的將來,本文建設(shè)的LiDAR虛擬仿真實踐教學(xué)平臺將幫助更多的學(xué)生切實理解并掌握LiDAR的相關(guān)知識,為測繪行業(yè)人才培養(yǎng)做出貢獻(xiàn)。