地質園實訓基地三維仿真系統設計與實現

楊軍義 劉安偉 康建芳

（1.甘肅工業職業技術學院，甘肅天水 741025；2.國家冰川凍土沙漠科學數據中心，甘肅蘭州 730000；3.中國科學院西北生態環境資源研究院，甘肅蘭州 730000）

測繪與地質專業絕大部分實習實訓項目要求地質現象比較典型、清晰、直觀、便于學生反復使用的野外實習實訓場所。傳統的野外實習實訓難以繼續實行的原因有：一是高校測繪地質類野外實訓場所一般非常分散，遍布在學校所在省市之外，這使得組織野外實訓難度大，成本高；二是野外實訓一定程度上會破壞生態；三是野外實訓條件艱苦且易發生危險，存在極大的安全隱患。因此，開發一套能滿足測繪地質野外實訓的虛擬仿真系統，改革傳統的教學實訓方案勢在必行[1]。

1 三維場景建設

1.1 建模技術與流程

基于三維激光移動掃描測繪技術和人工精細化三維建模技術建設實訓所需的各類地質與測繪模型，并引入LOD多細節層次技術、空間數據庫技術、三維實時渲染技術、三維空間分析技術和三維時空推演模擬等技術，實現地質實訓基地三維實體模型的建立與存儲；然后利用三維GIS平臺集成各類三維模型，使其能流暢高效地加載在統一的地理場景中，將分散的野外測繪與地質現象集中展現，以解決傳統測繪與地質野外實訓場景不集中、難以觀測、實訓組織困難、學生學習效果不佳的問題。針對表面規則和不規則的地質測繪實體，分別采用了不同建模技術流程。地質實訓基地三維實體模型建設與入庫流程如圖1所示。

圖1 地質實訓基地三維實體模型建設流程

1.2 普通三維建模

三維實訓基地的重要構成部分包括建筑物、探槽、地形地貌、古生物地史長廊、地下管廊、巖性墻、走廊、道路等地質測繪專業實訓模型要素，這些模型種類繁多、結構多樣、細節復雜，為達到更逼真的顯示效果，采用了MultiGen Creator[2]和3DMAX這兩款建模軟件開展精細化建模工作，最短邊大于等于0.5 m的實體表面要求構建詳細的立體結構，最短邊小于0.5 m的實體表面可直接貼上照片紋理，以保證模型的精度。場景中的小品模型如樹木、花草、柵欄、桌椅、垃圾桶等屬于三維場景的裝飾性模型，可采用兩種方式建模：一是采用十字面片建模法建模，這種方法主要針對樹木和花草建模，只需在兩個垂直面上貼上植物紋理即可完成建模；二是對于桌椅、垃圾桶這些模型直接在自建的模型庫或者網上下載合適的模型并集成到場景，對這些裝飾性模型并不要求模型的準確度。

1.3 基于激光點云的不規則體建模

地質實訓基地存在大量的不規則測繪與地質實訓要素，如地質剖面、礦物標本、假山、地質園大門、溶洞、礦山等，可利用三維激光移動掃描測繪技術針對表面不規則的實體掃描得到三維激光點云數據，并拼接多個測站的獲取的點云數據，使其成為一個完整的模型；然后通過濾波處理剔除多余的數據，只保留參與三維建模點云數據[3]；之后再將處理完的點云數據導入3DMAX建模軟件，通過構建不規則三角網和貼圖完成不規則溶洞、地質剖面、礦物標本等實體模型的建模工作，實現地質實訓基地地上地下、室內室外、規則和不規則實體模型一體化集成與展示。利用激光點云建模的不規則溶洞模型如圖2所示。

圖2 不規則溶洞模型

2 地質實訓基地三維仿真系統開發

2.1 系統技術架構

基于三維實時渲染引擎OSGEarth[4]、三維展示平臺Skyline和多源數據融合GDAL組件庫，系統設計與開發遵循軟件設計的高耦合低內聚、可拓展性、安全性和穩定性要求，并應用C#.NET程序語言和Visual Studio2019集成開發環境完成了地質園實訓基地三維仿真系統的界面設計、代碼編寫、編譯運行和測試發布工作。系統實現了三維實訓實景模型數據的統一管理及地質實體模型漫游導覽、屬性查詢、三維空間分析、語音視頻講解等功能。整個系統的設計架構如圖3所示。

圖3 系統設計架構

支撐層是整個系統的基礎，主要實現整個系統的軟硬件組成和關鍵技術組成，系統應用Skyline和OSGEarth三維引擎，引入了金字塔自適應調度機制[5]，實現了二三維地質測繪數據的統一管理、分析與可視化。

數據層是系統運行的“血液”，系統基于空間數據庫技術，實現矢量、影像、屬性、建筑模型、地質體模型、小品模型等三維模型的統一管理。相對于傳統的本地文件管理方式，空間數據庫對各類數據的加載、展示、分析有著更高的效率，能為用戶提供更好的交互體驗感受[6]。

功能服務層和訪問層是用戶和系統直接交互的接口，詳細的功能介紹見2.2中的系統功能模塊。

2.2 系統功能模塊

地質園實訓基地三維仿真系統利用VR技術、3DGIS技術、RS技術、網絡技術、全景技術，具有真實感強、操作簡單、功能強大、維護更新便捷等特點，平臺能讓用戶體驗到一種主體存在感和沉浸感，可以在學生實習實訓、校園歷史與文化展現、招生宣傳、信息查詢與服務等各個方面發揮重要作用。系統主界面如圖4所示。

圖4 系統主界面

（1）導航漫游模塊。導航漫游模塊是系統人機交互的基本功能，系統通過展示、旋轉、拖行、放大、縮小、漫游等方式展示各類和實習實訓相關的三維地形、地貌、巖性強、探槽、礦井、地下管網、古生物地質長廊等。

（2）數據加載與管理模塊。系統能夠接入標準OGC服務（WMS，WMTS，WFS），同時能加載本地三維模型數據、*.shp格式矢量數據和*.tif格式的柵格數據、數字高程模型數據、遙感影像數據等；還能對添加到場景中的數據進行管理，控制數據在場景中的顯示、隱藏、符號化等。

（3）測量量算模塊。該系統是一個可量測的三維地理信息平臺，可在三維場景中進行地表距離測量、地表面積測量、空間測量、高度測量等，方便測繪地質實訓獲取準確的位置、長度和面積信息。

（4）查詢定位模塊。可對添加到場景中的各類三維測繪與地質模型進行查詢，獲得更加詳細的屬性信息、圖文介紹和語音講解，讓學生足不出戶就能掌握對應的知識。

（5）地理分析模塊。在三維場景中對地理對象和現象進行空間分析，如等高線分析、通視分析、視域分析、雷達分析、填挖方分析、淹沒分析等基于地形地貌的分析[7]，這充分展示了三維虛擬實訓場景的動態性、直觀性和多樣性。

（6）解說學習模塊。系統集成了各類地質測繪模型、現象、結構的文字描述、音頻介紹和視頻講解內容，用戶可根據學習進度或興趣學習具體的理論和技術知識。

2.3 地質園實訓的優勢

基于虛擬仿真的測繪與地質實訓相較傳統的實訓有以下三個方面的優勢：

（1）避免危險，組織容易。傳統的測繪與地質實訓環境大多遍布在交通不便、危險易發的野外，而且需要教師提前踏勘實訓基地，在組織學生實訓的過程中，指導老師需全程關注學生的吃、住、行、紀律、安全等事項。而使用地質園實訓基地三維仿真系統，足不出戶即可讓學生了解分布在千里之外的地質現象和測繪地形地貌，讓組織學生實訓變得簡單易行。

（2）場景豐富，激發創新意識。傳統的地質測繪類專業實訓很難尋找全門類的實訓場景，如煤礦隧道、地下管廊、溶洞熔巖、動態場景（鉆機運行、洪水淹沒等）。而基于虛擬仿真技術則可以將這些實訓場景搬到計算機上，讓學生全面了解各類實訓儀器、場景和環境，還可進一步操作、模擬與分析各類地質與測繪現象，激發學生創新意識。

（3）自主體驗，主動學習。傳統的地質測繪類實訓以教師引導為主，學生只是被動地學習，很難發揮主觀能動性。而地質園實訓基地三維仿真系統具有“沉浸式體驗”特征，在具體實訓過程中學生每人操作一臺電腦，能夠根據自己的學習節奏熟悉三維場景中每一個地質特征、結構、現象、分類等，且可根據系統提供的三維地質模型、文字描述、語音講解、視頻介紹舉一反三地去學習和思考，最終掌握實訓的各項知識與技能。

3 結語

文章以甘肅工業職業技術學院地質園為研究基礎，以先進的虛擬現實技術和三維GIS技術為依托，將虛擬仿真系統引入高職實訓教學中，構建了基于三維虛擬仿真平臺的實習實訓方案，改變傳統的教學實訓教學方式，一方面讓測繪地理技術專業的學生掌握測繪數據采集、處理、建庫、三維可視化、仿真系統研發專業技術流程，另一方面也為職業教育中測繪與地質實訓課程服務，促進教育的信息化，真正實現教、學、做一體化的教學模式創新。