水准测量虚拟仿真实验教学系统设计与实现

摘要：《测量学》是一门理论与实践并重的课程,针对《测量学》传统实验教学方式中存在户外实验受时空限制、测绘仪器不够先进、学生考核方式不合理等问题，以水准测量实验教学为例，利用虚拟现实技术与三维建模技术，构建了交互式水准测量虚拟仿真实验教学系统，阐述了系统的设计思路及技术实现方案。该系统通过3d Max与SketchUp软件分别对测量仪器和测量场景进行三维建模，并基于Unity平台完成虚拟测量场景的集成，利用C#语言进行系统交互开发，实现了仪器结构认知、水准测量原理及方法、水准测量演示、水准测量实训、教学反馈等一系列关键功能。此系统可为测绘学科本科教学改革提供新思路。

关键词：测量学;虚拟仿真;水准测量;Unity;实验教学;

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《测量学》课程是土木工程、测绘工程、土地管理、GIS等专业的一门专业基础课[1]，其教学过程涉及多个实验教学环节，帮助学生巩固和加深对理论知识的理解，进而提高学生使用测量设备和获取地理空间数据的技能。然而传统测量学实验环节中存在一些局限性，例如，在恶劣天气状况下户外测量实验课程易被取消或推迟，扰乱教学计划;测量实验课时较少，学生在课下不能随时随地进行重复测量作业练习;测量实践课程以多人成组分工协作的形式，教师很难准确地评估每个学生的表现;另外一个重要局限性，测量实验课程场地通常局限在大学校园，由于受到交通成本以及安全问题的限制，造成测量实验课程很难在校外的不同场景下进行。而虚拟现实技术在实验教学中的应用将为打破传统测量学实验教学方式局限性的束缚提供了一个新思路。

目前，国内许多高校围绕临床医学[2]、地质工程[3]、生物工程[4]、土木工程[5]等不同专业进行了虚拟仿真实验教学的探索和实践。对于将虚拟现实技术应用在测绘类专业实验教学中，通过营造身临其境的虚拟测绘实训环境，全面模拟测量仪器操作，学生可获得直观的实践感受，提高学生的实践操作能力，进而提高测绘类专业实验教学水平。范冲等提出基于Quest3D的虚拟测绘实验室的解决方案[6];章迪等提出了武汉大学测绘地理信息虚拟仿真实验教学中心建设思路和具体内容[7];Bolkas等建议测量工程专业使用沉浸式或交互式虚拟现实技术来弥补现实中户外测量实验教学的不足[8]。对于GNSS测量[9]、摄影测量[10]、全站仪[11]等方面虚拟仿真教学研究也取得重大突破，然而具体针对水准仪及水准测量的虚拟仿真实验教学研究较为匮乏。为丰富水准仪及水准测量虚拟仿真教学相关方面的研究，本文将以水准测量为例，建立一个交互式虚拟现实中的水准测量实验教学系统。

1 系统设计

1.1 系统功能设计

此系统的设计坚持以理论与实践相结合为原则，充分考虑水准测量实验教学需求，让学生直观认识水准仪结构，加强对水准测量理论知识理解，熟悉水准测量方法及作业流程，可在多场景下重复测量作业;促进理论教学向实验教学的过渡，丰富实验教学方式与考核方式，提高教学质量。基于这些需求，将系统设计为仪器结构认知、水准测量原理及方法、水准测量演示、水准测量实训、教学反馈等五个教学子模块，系统的功能模块如图1所示。

1.2 技术路线

系统通过3d Max和Sketch Up对测量仪器和虚拟场景三维建模，在Unity虚拟现实开发引擎中完成虚拟测量场景的集成整合，通过Unity中UGUI插件进行用户交互界面设计，通过Unity支持的C#语言完成与虚拟测量场景的交互设计，实现对水准仪的虚拟控制，进行虚拟测量观察，获得虚拟测量数据，并针对用户的测量操作步骤和测量数据的准确性进行实时监控，获得教学反馈等功能，最终在Unity引擎中调试优化，整合发布，技术路线如图2所示。

2 系统实现

2.1 三维建模与虚拟场景集成

2.1.1 测量仪器建模

Unity软件兼容多种三维数据格式，且测量设备多由规则的几何体构成，因此可选3d Max作为测量设备精细建模的软件。首先使用测量工具对水准测量作业中所用到的水准仪、三脚架、水准尺等测量设备测量尺寸，在3d Max软件中按照1:1比例建模。此系统以苏州一光DSZ2自动安平水准仪为例，水准仪一般由望远镜，物镜调焦螺旋、目镜调焦螺旋、三个脚螺旋、水平微动螺旋、补偿器检查按钮等几个独立的可活动部件组成，它们被建模为独立的对象，方便我们能够以编程方式为其添加功能。同时将三脚架和水准尺的可活动部件设计为独立对象，以便为三脚架与水准尺的添加升降控制功能。

2.1.2 建筑物建模

虚拟测绘环境中真实的坐标尤为重要，以某校园为例，获取该校园区域带有坐标系的高清影像图，导入Arc GIS中分层对道路与建筑物进行矢量化，创建该校园平面矢量图，导出数据为DWG格式;将该校园DWG格式数据的校园平面矢量图导入Sketch Up中，然后根据建筑物的目测高度对建筑物平面图进行拉伸，形成粗糙的建筑模块，为提高场景的逼真程度，可对建筑物的立柱、门窗部分进行精细建模;利用Photoshop软件对实际拍摄的照片进行处理，获得建筑物墙面、门、窗等部分的纹理数据，为建筑物附上纹理，构建高度仿真的建筑物三维模型。

2.1.3 地形建模

水准测量主要是用于测量一系列兴趣点之间的高度差，推算点的高程，因此真实的地形高程数据在此虚拟环境中格外重要。Unity中的Terrain插件既可利用地形绘制工具绘制出高低起伏的地貌，也可利用真实的DEM数据为生成真实地形。此系统的虚拟地形利用真实的地形数据生成的，通过在地理空间数据云平台下载该校园的DEM地形数据，格式为.tiff，导入Glober Mapper软件中取消渲染，再以raw格式输出;利用Unity中的Terrain插件导入raw格式的DEM数据，生成三维地形模型，并且可添加树木、草丛、石头等地物，提高地形真实性。针对虚拟场景中的道路建模，Unity中Easy Roads3D插件可以非常便捷的制作出随地形起伏的道路。

2.1.4 虚拟场景集成

将3d Max中的测量设备模型和Sketch Up建筑物模型导出为.FBX格式，导入到Unity的虚拟场景中，效果如图3所示，然后将建筑物模型的位置、尺寸进行微调，与虚拟场景中的高清影像的建筑物位置重合。为增加虚拟场景的仿真程度，在Unity中可设置光照、增加天空盒子、湖泊来高度模拟真实世界的自然环境。至此，以一种高效、高精度的方式完成了基于真实环境的三维建模和虚拟测量场景搭建工作。

2.2 系统界面设计

系统的界面以高度仿真、操作方便、简洁大方为原则进行设计，此系统采用Unity中的灵活、快速、人性化的UGUI工具完成系统的UI设计。UGUI工具包含的基本控件有：Canvas、Text、Image、Button等。如图4所示，以仪器操作演示界面为例，为方便用户观察，利用Image控件将目镜视窗、圆水准器设计为独立界面控件，根据用户在进行场景交互时对望远镜的旋转、螺旋的调节事件作出响应;使用Text控件可添加辅助的文字提示;使用Button控件可添加按钮，使用Input控件可添加记录测量数据的输入框。所有UI控件都可添加C#脚本，根据用户在进行场景交互时对鼠标的点击、数据的输入、仪器部件的操作等事件作出响应。

2.3 虚拟物理操作

在水准测量作业中对于仪器的物理操作包括仪器的搬运、架设及测量过程中仪器部件的旋转。本系统引入Unity预设中自带的第一人称控制器作为虚拟测量员，对于仪器的搬运和架设基本思路是通过脚本控制仪器与虚拟测量员的相对位置完成相关操作;水准测量作业中包括大量旋转操作，如瞄准部、脚螺旋、目镜调焦螺旋，这些部件均已在建模阶段设计为独立组件，需添加控制脚本进行旋转操作。对于非轴对称组件，可为其添加空游戏对象作为组件旋转中心。

对于水准尺，用户可通过鼠标选中水准尺进行拖动，将其放在测量标记上方，添加脚本可操作键盘控制水准尺升降。目前的系统要求一个用户同时控制水准仪和水准尺，用户将体验到操作水准仪和水准尺两个角色，同时掌握了水准仪操作员和水准尺操作两种技能。

2.4 虚拟测量数据

此虚拟水准测量系统涉及的核心测量数据为高差数据与距离数据。因本系统的虚拟地形是利用真实的地形数据生成，因此用户通过观测前后视尺数值进行计算便可获得两点间的高度差，而系统内部可通过脚本获得前后视尺所在地面点的坐标值，计算两个Y值的差值，便可获得高度差。水准仪与水准尺之间的视距，用户可通过计算上十字丝和下十字丝读数之间的差乘以100获得视距，而系统内部计算视距，需要利用碰撞检测技术实现，由水准仪发出射线，射线与水准尺几何相交，反馈获得距离，可以此验证用户通过十字丝计算获得的视距数值的准确性，可作为教学考核的要点之一。

用户观测的测量值需要以表格形式记录下来，要求学生在系统提供的表格中适当单元格中记录测量值，每次记录数值后，系统将自动进行核验，未能正确记录测量值将被系统记录。

2.5 教学反馈

虚拟仿真实验教学系统的一个重要优势是可以快速得到学生实训操作的教学反馈，而这在现实的实验教学环节中是无法获得的。此系统在测量实训完成后将生成一个PDF文档，每次学生进行仪器操作与记录观测数值时，都将被记录在PDF文档中，师生可以根据PDF文档查看实训过程中的错误操作。这些错误可能是仪器操作步骤顺序错误，水准仪没有达到精平，或者水准尺的读数不正确等。此外，根据整个水准测量实训的记录，教师能够对学生实验效果进行评估，可以此作为考核学生的重要标准。

3 结束语

在本文中，我们主要描述了交互式水准测量虚拟仿真实验教学系统开发的技术问题，提供了高度仿真的虚拟测量环境的集成搭建、虚拟仪器操作、虚拟测量观察、虚拟测量数据、教学反馈等关键技术的解决方案，其目标是提高《测量学》课程中的差分水准测量原理和实验的教学水平。我们研究的长期目标是为测量学中的其他实验教学环节提供一个新思路，可以更有效地使用虚拟学习环境进行教学，以此革新传统教学模式，打破测量实验教学在时间和空间的限制。

未来的工作将集中在将虚拟仿真技术引进到更多的测量学实验教学环节，加强调研，接收师生反馈对虚拟环境和软件方面进行改进。同时，也将计划对全站仪、全球导航卫星系统接收器、无人机摄影测量等其他测绘仪器进行建模，并创建更多虚拟测量环境，以提供不同的测量条件，满足新型测绘学科教学的需求，更好地践行教育部推进的现代信息技术与实验教学项目深度融合战略。

参考文献

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