LiDAR虛擬仿真實踐教學平臺設計與建設

閻躍觀 郭俊廷 戴華陽 李 明 陳中章

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

0 引言

隨著科學技術的飛速發展,快速準確地獲取數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,采用非接觸式測量手段,能夠快速、準確、全天候地獲取點云數據,具有數據精度高、作業效率高、多回波探測性、自動化程度高、產品豐富、發展空間和潛力巨大等特點，備受人們關注[1-3],并被廣泛應用于古建筑物保護、地形圖測繪、不動產測量以及公路測量等方面[4-6]。為了適應當前測繪發展需求,部分高校開設了LiDAR的相關課程,培養了具有LiDAR知識儲備的人才。但是,教學過程中發現LiDAR技術是集激光、全球定位系統、慣性導航系統三種技術于一體的系統,對學生的基礎知識面要求較廣[7];同時,LiDAR技術基本原理復雜,需要結合大量的實際操作才能深入理解,學習難度較大。因此,在現有技術背景下,如何快速高效地幫助學生理解激光雷達原理,掌握儀器操作技能顯得尤為重要。

1 虛擬仿真實踐教學的必要性

實踐是測繪工程課程體系的重要組成部分。傳統的教學模式已無法滿足現有的社會需求,相關教育專家提出了基于OBE理念的測繪工程專業教學方法,為不斷完善課程教學體系提出了新的思路[8]。同時,培養具有工程實踐能力和創新能力的復合型“新工科人才”在各個學科已經達成共識,特別是國際教育專業認證的基本理念下,測繪工程專業本身更應該注重培養學生的實踐能力[9-12]。為了增強LiDAR課程體系中實踐性教學的地位,急需要一種“虛實”結合的教學模式,本文的LiDAR虛擬仿真實踐教學平臺應“需”而生[13-15]。

傳統的測繪工程教學模式中,學生們按照相應的大綱要求學習相關的課程并參加實習,但是像LiDAR等高端技術,儀器設備成本高,實驗室資源有限,需要掌握基本的操作后,才能完成相應地實習任務,現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,這些條件限制了學生對LiDAR理論的學習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生掌握LiDAR技術的教學模式。同時,傳統的教學模式中因突發事件會嚴重阻滯教學進度,如突發疫情學生居家在線學習,教師一味遠程講述實際操作過程,學生無法隨堂開展線下實踐,一定程度上限制了學生對基本原理的學習和實操能力的提升。測繪工程專業與工程實踐的關系十分密切,只有通過不斷地實踐教學,學生的實際操作水平才能得到顯著提高。LiDAR虛擬仿真實踐教學平臺的設計與建設一定程度上能夠彌補這些不足,達到教學目標。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,并從多方面向學生展現儀器部件、測量過程、數據處理和項目實踐等過程。以往單純的“講授”模式轉變為“講練結合”模式,有效地幫助學生深入地學習LiDAR的相關知識,提高實際操作水平。虛擬仿真教學實踐平臺的廣泛應用,將更好地培養本科生對LiDAR基本原理的理解和實際操作技能的提升,有效保證學生自主學習效率,提高教學質量,為培養LiDAR相關領域的應用型人才做出貢獻。

2 LiDAR虛擬仿真實踐教學平臺設計

結合學生學習的實際情況和LiDAR技術的教學特點,設計LiDAR虛擬仿真實踐教學平臺系統。該系統主要通過文字說明、動畫仿真以及場景模擬來展現LiDAR技術的基本原理和廣泛應用。系統使用VS中的C#模塊添加按鈕和畫布,調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、數據處理以及三維模型,結合VRay進行渲染,生成高質量場景效果;利用VLCPlayer視頻進行整合。將虛擬仿真與LiDAR技術相結合,系統設計內容分儀器介紹,測量過程模擬,數據處理和項目實踐四個模塊。LiDAR虛擬仿真實踐教學平臺的設計內容如圖1所示。

圖1 LiDAR虛擬仿真實踐教學平臺設計

3 LiDAR虛擬仿真實踐教學平臺建設

LiDAR技術涵蓋的基礎知識體系廣,與工程實踐聯系密切。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、數據處理和項目實踐四個部分建設虛擬仿真實踐教學平臺。虛擬仿真實踐教學平臺如圖2所示。

圖2 虛擬仿真實踐教學平臺系統界面

儀器部件介紹模塊主要介紹LiDAR測量系統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、參數設置和儀器搬站三部分。參數設置主要是對某測站的水平角度、垂直角度和點密度進行設置,水平角度和垂直角度的設置范圍根據測站點與測量目標的位置關系確定;點云密度設置根據項目要求設置。通過該模塊為學生提供最真實的模擬體驗,提高對LiDAR測量過程的認知。測量過程模擬模塊建設界面如圖4所示。

圖4 測量過程模擬模塊

數據處理模塊主要包括LiDAR數據的預處理和精細化處理兩部分。數據預處理階段運用RiSCAN-Pro軟件對點云數據進行拼接、除噪和抽稀處理,為精細處理部分奠定基礎。精細處理以CloudCompare軟件為載體對點云數據進行地面濾波和建筑物信息提取并進行建模展示。學生可以通過數據處理模塊熟悉LiDAR點云數據的處理過程。

項目實踐模塊主要展示運用LiDAR技術完成的多種工程實踐項目,比如礦區地表DEM的構建、井架變形監測和建(構)筑物三維建模等,并引入互聯網中LiDAR工程實例的相關鏈接,方便學生深刻理解LiDAR技術在工程實踐中的廣泛應用。項目實踐模塊如圖5、圖6所示。

圖5 構筑物三維建模展示

圖6 建筑物三維建模展示

綜上,學生在課堂學習LiDAR基本原理的基礎上,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;結合數據處理模塊和項目實踐模塊,提高學生的實操能力。虛擬仿真實踐平臺的設計與建設,將虛擬仿真場景逼真的場景優勢與測量的實踐性特點相結合,增添學生的學習興趣，提升了學習效果,保證了教學質量。

4 結束語

實踐證明, LiDAR虛擬仿真實踐教學平臺的建設增加了學生對LiDAR儀器部件、數據處理和工程實例等方面的認知,節省了LiDAR儀器基本操作的學習時間,提供了課下自主學習的平臺基礎;虛擬仿真的實踐場景增加了學生學習興趣和測量學習體驗感。相比于傳統的教學模式和學習效果,虛擬仿真實踐教學平臺能夠充分結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平臺系統在我校使用廣泛,并取得了較好的應用效果。通過加強學生對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技術原理課程的推廣和普及。雖然該系統取得了一定的教學成果,但是在模塊智能化和人機交互方面還需要進一步進行改進。筆者相信在不久的將來,本文建設的LiDAR虛擬仿真實踐教學平臺將幫助更多的學生切實理解并掌握LiDAR的相關知識,為測繪行業人才培養做出貢獻。