基于VR技術(shù)的測繪虛擬教學(xué)場景搭建及應(yīng)用

［摘 要］ VR技術(shù)通過模擬真實(shí)的情境，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和要求構(gòu)建虛擬教學(xué)場景，提供更加真實(shí)、直觀和個(gè)性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。利用測量技術(shù)獲取場景模型數(shù)據(jù)，探索基于3Ds MAX建模技術(shù)、EVRC場景制作技術(shù)和ZSPACE交互技術(shù)的測繪虛擬教學(xué)場景的搭建，結(jié)合測繪相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，完成了測繪儀器結(jié)構(gòu)展示虛擬教學(xué)場景、測繪大型儀器操作虛擬教學(xué)場景以及復(fù)雜線面關(guān)系虛擬教學(xué)場景的搭建。研究結(jié)果表明，基于VR技術(shù)，能簡便、靈活、快速開發(fā)各種測繪虛擬教學(xué)場景，創(chuàng)造更加直觀、實(shí)用的教學(xué)環(huán)境。

［關(guān)鍵詞］ VR技術(shù)；測繪；虛擬場景

［基金項(xiàng)目］ 2020年度河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“基于VR/AR技術(shù)的測繪專業(yè)課程體驗(yàn)式教學(xué)方法探索與實(shí)踐”（2020GJJG350）

［作者簡介］ 劉小陽（1978—），男，江西九江人，碩士，防災(zāi)科技學(xué)院生態(tài)環(huán)境學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事工程測量、災(zāi)害遙感監(jiān)測研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）39-0141-04 ［收稿日期］ 2023-10-09

引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)是一種通過計(jì)算機(jī)技術(shù)建立虛擬環(huán)境，并通過相關(guān)設(shè)備提供身臨其境體驗(yàn)的三維技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域［1-4］。虛擬場景搭建是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，主要目的是通過計(jì)算機(jī)模擬和渲染等技術(shù)手段，創(chuàng)造出逼真的虛擬環(huán)境，使用戶能夠真實(shí)地體驗(yàn)和交互虛擬場景。

VR技術(shù)通過模擬真實(shí)的場景和情境，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和要求，構(gòu)建虛擬教學(xué)場景。構(gòu)建虛擬教學(xué)場景作為一種新的教學(xué)手段，可以提供更加真實(shí)、直觀和個(gè)性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果和體驗(yàn)感受，已被應(yīng)用于教育教學(xué)領(lǐng)域。在測繪教學(xué)培訓(xùn)方面，VR技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，在國外，一些學(xué)者利用虛擬測量技術(shù)構(gòu)建虛擬測量教學(xué)平臺和虛擬教學(xué)場景［5-6］，提高測量教學(xué)效果。在國內(nèi)VR技術(shù)也被應(yīng)用于測量教學(xué)領(lǐng)域，用于虛擬教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)［7-9］。在測繪教學(xué)方面也得到了快速發(fā)展，但目前VR技術(shù)主要是用于開發(fā)一些大型測繪虛擬教學(xué)系統(tǒng)，教師利用虛擬教學(xué)系統(tǒng)開展教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法極為受限，如何根據(jù)教師的教學(xué)需要，方便、靈活、快速開發(fā)自己所需的虛擬教學(xué)場景，全面提升測繪教學(xué)效果，已成為一個(gè)非常迫切且有意義的課題。

一、測繪虛擬教學(xué)場景的搭建

虛擬現(xiàn)實(shí)場景，是指利用電腦所產(chǎn)生的各種仿真環(huán)境與用戶聽覺、視覺、觸覺等相結(jié)合，使場景中的元素經(jīng)由輸出系統(tǒng)以三維立體的方式，傳遞到用戶并生成感官模擬，從而讓使用者產(chǎn)生處于相關(guān)場景中的視覺假象。虛擬教學(xué)場景搭建是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，需要明確場景需求，模型數(shù)據(jù)采集，選擇合適的搭建工具進(jìn)行建模制作，以及場景優(yōu)化和動(dòng)態(tài)效果制作，最后進(jìn)行測試和完善，發(fā)布應(yīng)用。

（一）測繪教學(xué)虛擬場景的設(shè)計(jì)

虛擬場景的設(shè)計(jì)需要提供真實(shí)的場景模擬和交互性操作，同時(shí)應(yīng)注意培訓(xùn)學(xué)習(xí)過程中的需求和體驗(yàn)感。設(shè)計(jì)過程中，首先要明確測量虛擬場景主要應(yīng)用領(lǐng)域及使用人群；其次需要制作虛擬場景中的基本要素，包括模型、視頻、圖文、音頻等；最后設(shè)計(jì)場景的交互方式。測量虛擬教學(xué)場景根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)難點(diǎn)，可設(shè)計(jì)出儀器結(jié)構(gòu)展示及工作原理、大型測量儀器的操作與使用、復(fù)雜點(diǎn)線面關(guān)系的展示等。通過設(shè)計(jì)的虛擬教學(xué)場景，可把一些現(xiàn)實(shí)無法展示或難以展示的場景通過虛擬場景完整地展示給學(xué)生；把一些無法親自動(dòng)手操作的大型儀器設(shè)備虛擬給每名學(xué)生，進(jìn)行動(dòng)手操作，極大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果。

（二）測繪虛擬教學(xué)場景的搭建

測量虛擬教學(xué)場景的搭建是依據(jù)設(shè)計(jì)的測量教學(xué)場景，制作場景需要的模型，再利用虛擬場景搭建平臺，將制作的模型轉(zhuǎn)化為可交互的3D虛擬教學(xué)場景。

1.模型數(shù)據(jù)的采集。在搭建虛擬場景過程中，首先要制作場景模型。為保障模型外觀和大小的真實(shí)性，需對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行測量采集，目前主要的數(shù)據(jù)采集方法有：三維激光掃描、實(shí)物尺寸量測、攝影測量。

2.模型制作。虛擬模型制作是虛擬場景搭建的基礎(chǔ)，依據(jù)采集到的模型數(shù)據(jù)或設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，利用3D建模軟件，制作場景所需的三維模型。常見的建模軟件包括3Ds Max、SketchUp、AutoCAD等，本文以3Ds Max軟件為例，介紹模型制作具體過程：（1）模型的基本構(gòu)建：在建模軟件中創(chuàng)建模型平面圖，使用相關(guān)命令進(jìn)行模型構(gòu)建。（2）多邊形編輯：利用建模軟件提供的各種變換工具修改幾何體，以提高建模的精度。（3）參數(shù)修改：對模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，當(dāng)視窗中存在多個(gè)模型時(shí)，可將其中單個(gè)模型隔離后對其參數(shù)進(jìn)行修改。（4）材質(zhì)和紋理制作：建模完成后，對整體模型進(jìn)行材質(zhì)的修改與紋理貼圖處理，通過對模型賦予相對應(yīng)的材質(zhì)與貼圖，使模型更加貼合實(shí)際。（5）模型細(xì)節(jié)調(diào)整：根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整模型的大小，優(yōu)化模型內(nèi)部細(xì)節(jié)，改變貼圖色彩，通過對細(xì)節(jié)進(jìn)行調(diào)整完成模型制作。（6）模型導(dǎo)出：將所建好的模型與貼圖整體打包導(dǎo)出到同一項(xiàng)目文件中。

3.測繪虛擬場景建設(shè)。將制作好的虛擬三維模型連同所需的圖片、音頻等資源導(dǎo)入三維場景搭建平臺，進(jìn)行動(dòng)畫制作，并通過屬性編輯改變資源的相關(guān)屬性，添加相對應(yīng)的觸發(fā)方式，實(shí)現(xiàn)測繪教學(xué)虛擬場景的搭建。對模擬出的各種虛擬教學(xué)場景進(jìn)行功能測試，根據(jù)測試結(jié)果，對場景進(jìn)行修改和完善，以確保教學(xué)過程中能夠順暢地體驗(yàn)虛擬場景的各種功能和特性。虛擬場景完成后，可以正式發(fā)布場景，使用戶可以利用虛擬測繪場景進(jìn)行體驗(yàn)式教學(xué)，提高教學(xué)效果。

二、教學(xué)實(shí)例應(yīng)用

（一）測繪儀器結(jié)構(gòu)展示虛擬教學(xué)場景

為解決測繪儀器結(jié)構(gòu)和功能教學(xué)過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法展示的問題，利用VR技術(shù)搭建全站儀結(jié)構(gòu)的虛擬教學(xué)場景。利用虛擬場景直觀展示全站儀和其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生了解全站儀的工作原理。

1.全站儀尺寸數(shù)據(jù)采集：通過掃描量測獲取全站儀主體及各主要部件點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.全站儀主體建模：根據(jù)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用3Ds MAX對全站儀各主要部件模型進(jìn)行建模。

3.模型細(xì)節(jié)處理：通過多邊形編輯和參數(shù)化設(shè)置對全站儀細(xì)節(jié)化處理，提高模型的精度。

4.模型材質(zhì)貼圖：對全站儀模型進(jìn)行材質(zhì)處理及貼圖，以達(dá)到逼真的效果。

5.虛擬場景的制作：將所建模型從3Ds MAX導(dǎo)入EVRC軟件，將全站儀各部件模型調(diào)整到相應(yīng)位置，達(dá)到合適的視覺效果，再通過節(jié)點(diǎn)樹完成全站儀的拆解和組裝動(dòng)畫，并賦予場景交互觸發(fā)方式，完成虛擬場景的制作。

6.場景發(fā)布運(yùn)行：將全站儀虛擬場景發(fā)布到ZSPACE平臺，通過設(shè)備進(jìn)行交互體驗(yàn)，模擬拆解全站儀，更好地認(rèn)識相關(guān)儀器構(gòu)造（如圖1所示）。

（二）測繪大型儀器操作虛擬教學(xué)場景

測繪大型儀器作為一種貴重的大型測量設(shè)備，因設(shè)備數(shù)量少、操作復(fù)雜等因素，在實(shí)踐教學(xué)中，都是教師進(jìn)行操作演示，無法讓學(xué)生自己動(dòng)手。本文利用VR技術(shù)搭建地基SAR儀器操作虛擬教學(xué)場景，構(gòu)建地基SAR儀器安裝、測量的虛擬測量環(huán)境，讓學(xué)生自己動(dòng)手，完成儀器的連接、外業(yè)觀測等操作過程，切實(shí)提高學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)效果。

1.地基SAR數(shù)據(jù)采集：利用鋼卷尺測量主機(jī)、云臺、電源箱、軌道等主要部件的尺寸，獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)。

2.地基SAR模型制作：將儀器尺寸數(shù)據(jù)等比例縮放，利用3Ds MAX進(jìn)行建模（如圖2所示）。

3.模型細(xì)節(jié)處理：通過多邊形編輯和參數(shù)化設(shè)置對全站儀細(xì)節(jié)化處理，提高模型的精度。

4.模型貼圖：通過軟件材質(zhì)渲染器賦予模型材質(zhì)，并將拍攝的儀器照片貼于儀器模型上，使模型更加逼真。

5.虛擬場景制作：將地基SAR儀器模型資源導(dǎo)入虛擬場景制作軟件，對地基SAR場景資源進(jìn)行調(diào)整，賦予場景交互觸發(fā)方式，完成虛擬場景的制作。

6.運(yùn)行虛擬場景：將搭建好的場景發(fā)布到ZSPACE平臺，利用交互裝置對地基SAR中的儀器進(jìn)行虛擬安裝和測量操作（如圖3所示）。

（三）復(fù)雜線面關(guān)系虛擬教學(xué)場景

在測繪教學(xué)過程中，存在一些復(fù)雜的線面，非常抽象，難以理解。學(xué)習(xí)過程中需要具有很好的空間抽象思維，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。對于復(fù)雜的線面關(guān)系，利用VR技術(shù)搭建虛擬教學(xué)場景，直觀展示這些復(fù)雜線面的關(guān)系，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。以高斯投影為例進(jìn)行了虛擬教學(xué)場景的制作。

1.線面關(guān)系模型：利用軟件制作高斯投影中的線面模型，并對模型進(jìn)行細(xì)節(jié)化處理。

2.場景資源：將線面關(guān)系模型資源導(dǎo)入場景，根據(jù)高斯投影原理確定動(dòng)畫制作邏輯順序，添加場景所需資源。

3.場景動(dòng)畫：將線面關(guān)系模型按照邏輯順序進(jìn)行交互動(dòng)畫制作，分別對不同模型添加與模型相對應(yīng)的事件命令（如圖4所示）。

4.場景運(yùn)行：將搭建完成的場景發(fā)布應(yīng)用，利用VR技術(shù)完成平面知識到三維立體化的轉(zhuǎn)變，清楚地觀察空間關(guān)系（如圖5所示）。

結(jié)語

測繪虛擬教學(xué)場景使課程中的一些抽象、關(guān)系復(fù)雜、難以理解的教學(xué)內(nèi)容以直觀、簡單、易于理解的場景教學(xué)方式展示給學(xué)生，讓學(xué)生通過虛擬教學(xué)場景充分體會到學(xué)習(xí)的樂趣，喚起求知欲望，發(fā)揮學(xué)習(xí)潛能和主觀能動(dòng)性，切實(shí)提高學(xué)習(xí)效果。利用測量技術(shù)獲取場景模型數(shù)據(jù)，探索基于3Ds MAX建模技術(shù)、EVRC場景制作技術(shù)和ZSPACE交互技術(shù)的測繪虛擬教學(xué)場景的搭建，并結(jié)合測繪相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，完成了測繪儀器結(jié)構(gòu)展示虛擬教學(xué)場景、測繪大型儀器操作虛擬教學(xué)場景以及復(fù)雜線面關(guān)系虛擬教學(xué)場景的搭建，取得了很好的效果，驗(yàn)證了基于VR技術(shù)，根據(jù)教學(xué)需要，教師可方便、靈活、快速開發(fā)自己所需的測繪虛擬教學(xué)場景。

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Construction and Application of Virtual Teaching Scene for Surveying and Mapping

Based on VR Technology

LIU Xiao-yang， SUN Guang-tong， QIAN An

（School of Ecology and Environment， Institute of Disaster Prevention， Sanhe， Hebei 065201， China）

Abstract： VR technology can be used to simulate the real situation， combine the teaching content and requirements to build a virtual teaching scene， provide a more real， intuitive and personalized learning environment， improve students’ interest in learning， and enhance the learning effect. This paper uses measurement technology to obtain scene model data， explores the construction of surveying and mapping virtual teaching scenes based on 3Ds MAX modeling technology， EVRC scene production technology and ZSPACE interactive technology， and combines surveying and mapping related teaching content to complete the surveying and mapping instrument structure display virtual teaching scene， construction of virtual teaching scenes for large-scale surveying and mapping instrument operations and virtual teaching scenes for complex line-surface relationships. Research results show that based on VR technology， various surveying and mapping virtual teaching scenarios can be developed simply， flexibly and quickly， creating a more intuitive and practical teaching environment.

Key words： VR technology; surveying and mapping; virtual scene