基于VR技术的测绘虚拟教学场景搭建及应用

［摘 要］ VR技术通过模拟真实的情境，结合教学内容和要求构建虚拟教学场景，提供更加真实、直观和个性化的学习环境，提高学生的学习兴趣，增强学习效果。利用测量技术获取场景模型数据，探索基于3Ds MAX建模技术、EVRC场景制作技术和ZSPACE交互技术的测绘虚拟教学场景的搭建，结合测绘相关的教学内容，完成了测绘仪器结构展示虚拟教学场景、测绘大型仪器操作虚拟教学场景以及复杂线面关系虚拟教学场景的搭建。研究结果表明，基于VR技术，能简便、灵活、快速开发各种测绘虚拟教学场景，创造更加直观、实用的教学环境。

［关键词］ VR技术；测绘；虚拟场景

［基金项目］ 2020年度河北省高等教育教学改革研究与实践项目“基于VR/AR技术的测绘专业课程体验式教学方法探索与实践”（2020GJJG350）

［作者简介］ 刘小阳（1978—），男，江西九江人，硕士，防灾科技学院生态环境学院教授，硕士生导师，主要从事工程测量、灾害遥感监测研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）39-0141-04 ［收稿日期］ 2023-10-09

引言

虚拟现实（virtual reality，VR）技术是一种通过计算机技术建立虚拟环境，并通过相关设备提供身临其境体验的三维技术，被广泛应用于各个领域［1-4］。虚拟场景搭建是虚拟现实技术中的重要环节，主要目的是通过计算机模拟和渲染等技术手段，创造出逼真的虚拟环境，使用户能够真实地体验和交互虚拟场景。

VR技术通过模拟真实的场景和情境，结合教学内容和要求，构建虚拟教学场景。构建虚拟教学场景作为一种新的教学手段，可以提供更加真实、直观和个性化的学习环境，提高学生的学习兴趣，增强学习效果和体验感受，已被应用于教育教学领域。在测绘教学培训方面，VR技术已被广泛应用，在国外，一些学者利用虚拟测量技术构建虚拟测量教学平台和虚拟教学场景［5-6］，提高测量教学效果。在国内VR技术也被应用于测量教学领域，用于虚拟教学系统的建设［7-9］。在测绘教学方面也得到了快速发展，但目前VR技术主要是用于开发一些大型测绘虚拟教学系统，教师利用虚拟教学系统开展教学，教学内容和教学方法极为受限，如何根据教师的教学需要，方便、灵活、快速开发自己所需的虚拟教学场景，全面提升测绘教学效果，已成为一个非常迫切且有意义的课题。

一、测绘虚拟教学场景的搭建

虚拟现实场景，是指利用电脑所产生的各种仿真环境与用户听觉、视觉、触觉等相结合，使场景中的元素经由输出系统以三维立体的方式，传递到用户并生成感官模拟，从而让使用者产生处于相关场景中的视觉假象。虚拟教学场景搭建是一个比较复杂的过程，需要明确场景需求，模型数据采集，选择合适的搭建工具进行建模制作，以及场景优化和动态效果制作，最后进行测试和完善，发布应用。

（一）测绘教学虚拟场景的设计

虚拟场景的设计需要提供真实的场景模拟和交互性操作，同时应注意培训学习过程中的需求和体验感。设计过程中，首先要明确测量虚拟场景主要应用领域及使用人群；其次需要制作虚拟场景中的基本要素，包括模型、视频、图文、音频等；最后设计场景的交互方式。测量虚拟教学场景根据教学内容和教学难点，可设计出仪器结构展示及工作原理、大型测量仪器的操作与使用、复杂点线面关系的展示等。通过设计的虚拟教学场景，可把一些现实无法展示或难以展示的场景通过虚拟场景完整地展示给学生；把一些无法亲自动手操作的大型仪器设备虚拟给每名学生，进行动手操作，极大提高了学生的学习兴趣和教学效果。

（二）测绘虚拟教学场景的搭建

测量虚拟教学场景的搭建是依据设计的测量教学场景，制作场景需要的模型，再利用虚拟场景搭建平台，将制作的模型转化为可交互的3D虚拟教学场景。

1.模型数据的采集。在搭建虚拟场景过程中，首先要制作场景模型。为保障模型外观和大小的真实性，需对模型数据进行测量采集，目前主要的数据采集方法有：三维激光扫描、实物尺寸量测、摄影测量。

2.模型制作。虚拟模型制作是虚拟场景搭建的基础，依据采集到的模型数据或设计数据，利用3D建模软件，制作场景所需的三维模型。常见的建模软件包括3Ds Max、SketchUp、AutoCAD等，本文以3Ds Max软件为例，介绍模型制作具体过程：（1）模型的基本构建：在建模软件中创建模型平面图，使用相关命令进行模型构建。（2）多边形编辑：利用建模软件提供的各种变换工具修改几何体，以提高建模的精度。（3）参数修改：对模型进行参数化设置，当视窗中存在多个模型时，可将其中单个模型隔离后对其参数进行修改。（4）材质和纹理制作：建模完成后，对整体模型进行材质的修改与纹理贴图处理，通过对模型赋予相对应的材质与贴图，使模型更加贴合实际。（5）模型细节调整：根据实际情况，调整模型的大小，优化模型内部细节，改变贴图色彩，通过对细节进行调整完成模型制作。（6）模型导出：将所建好的模型与贴图整体打包导出到同一项目文件中。

3.测绘虚拟场景建设。将制作好的虚拟三维模型连同所需的图片、音频等资源导入三维场景搭建平台，进行动画制作，并通过属性编辑改变资源的相关属性，添加相对应的触发方式，实现测绘教学虚拟场景的搭建。对模拟出的各种虚拟教学场景进行功能测试，根据测试结果，对场景进行修改和完善，以确保教学过程中能够顺畅地体验虚拟场景的各种功能和特性。虚拟场景完成后，可以正式发布场景，使用户可以利用虚拟测绘场景进行体验式教学，提高教学效果。

二、教学实例应用

（一）测绘仪器结构展示虚拟教学场景

为解决测绘仪器结构和功能教学过程中内部结构无法展示的问题，利用VR技术搭建全站仪结构的虚拟教学场景。利用虚拟场景直观展示全站仪和其内部结构，帮助学生了解全站仪的工作原理。

1.全站仪尺寸数据采集：通过扫描量测获取全站仪主体及各主要部件点云数据。

2.全站仪主体建模：根据扫描点云数据，利用3Ds MAX对全站仪各主要部件模型进行建模。

3.模型细节处理：通过多边形编辑和参数化设置对全站仪细节化处理，提高模型的精度。

4.模型材质贴图：对全站仪模型进行材质处理及贴图，以达到逼真的效果。

5.虚拟场景的制作：将所建模型从3Ds MAX导入EVRC软件，将全站仪各部件模型调整到相应位置，达到合适的视觉效果，再通过节点树完成全站仪的拆解和组装动画，并赋予场景交互触发方式，完成虚拟场景的制作。

6.场景发布运行：将全站仪虚拟场景发布到ZSPACE平台，通过设备进行交互体验，模拟拆解全站仪，更好地认识相关仪器构造（如图1所示）。

（二）测绘大型仪器操作虚拟教学场景

测绘大型仪器作为一种贵重的大型测量设备，因设备数量少、操作复杂等因素，在实践教学中，都是教师进行操作演示，无法让学生自己动手。本文利用VR技术搭建地基SAR仪器操作虚拟教学场景，构建地基SAR仪器安装、测量的虚拟测量环境，让学生自己动手，完成仪器的连接、外业观测等操作过程，切实提高学生的实践教学效果。

1.地基SAR数据采集：利用钢卷尺测量主机、云台、电源箱、轨道等主要部件的尺寸，获得相关的数据。

2.地基SAR模型制作：将仪器尺寸数据等比例缩放，利用3Ds MAX进行建模（如图2所示）。

3.模型细节处理：通过多边形编辑和参数化设置对全站仪细节化处理，提高模型的精度。

4.模型贴图：通过软件材质渲染器赋予模型材质，并将拍摄的仪器照片贴于仪器模型上，使模型更加逼真。

5.虚拟场景制作：将地基SAR仪器模型资源导入虚拟场景制作软件，对地基SAR场景资源进行调整，赋予场景交互触发方式，完成虚拟场景的制作。

6.运行虚拟场景：将搭建好的场景发布到ZSPACE平台，利用交互装置对地基SAR中的仪器进行虚拟安装和测量操作（如图3所示）。

（三）复杂线面关系虚拟教学场景

在测绘教学过程中，存在一些复杂的线面，非常抽象，难以理解。学习过程中需要具有很好的空间抽象思维，增加了学生的学习难度。对于复杂的线面关系，利用VR技术搭建虚拟教学场景，直观展示这些复杂线面的关系，以提高学生的学习兴趣和学习效果。以高斯投影为例进行了虚拟教学场景的制作。

1.线面关系模型：利用软件制作高斯投影中的线面模型，并对模型进行细节化处理。

2.场景资源：将线面关系模型资源导入场景，根据高斯投影原理确定动画制作逻辑顺序，添加场景所需资源。

3.场景动画：将线面关系模型按照逻辑顺序进行交互动画制作，分别对不同模型添加与模型相对应的事件命令（如图4所示）。

4.场景运行：将搭建完成的场景发布应用，利用VR技术完成平面知识到三维立体化的转变，清楚地观察空间关系（如图5所示）。

结语

测绘虚拟教学场景使课程中的一些抽象、关系复杂、难以理解的教学内容以直观、简单、易于理解的场景教学方式展示给学生，让学生通过虚拟教学场景充分体会到学习的乐趣，唤起求知欲望，发挥学习潜能和主观能动性，切实提高学习效果。利用测量技术获取场景模型数据，探索基于3Ds MAX建模技术、EVRC场景制作技术和ZSPACE交互技术的测绘虚拟教学场景的搭建，并结合测绘相关的教学内容，完成了测绘仪器结构展示虚拟教学场景、测绘大型仪器操作虚拟教学场景以及复杂线面关系虚拟教学场景的搭建，取得了很好的效果，验证了基于VR技术，根据教学需要，教师可方便、灵活、快速开发自己所需的测绘虚拟教学场景。

参考文献

［1］孙云川，刘雄，唐聃，等.基于VR技术的矿山救援小队在线协同训练系统设计及实现［J］.煤矿安全，2023，54（9）：233-239.

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［4］沈阳，纪海林，叶心怡，等.虚拟现实沉浸式学习中的人机交互技术研究：以K12物理实验教学为例［J］.电化教育研究，2023（10）：87-94+120.

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Construction and Application of Virtual Teaching Scene for Surveying and Mapping