虛擬現(xiàn)實技術(shù)在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用研究

藍圖

摘要：數(shù)字時代的到來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)基本實現(xiàn)了在多個行業(yè)領(lǐng)域中的普及。在20世紀90年代，相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域?qū)τ谔摂M現(xiàn)實技術(shù)的研究已經(jīng)呈現(xiàn)出重點關(guān)注的趨向，與該技術(shù)相關(guān)的研究也從單純的實驗室研究轉(zhuǎn)向了實踐應(yīng)用方面的研究，這對于測繪、教育、航天等領(lǐng)域的發(fā)展起到了至關(guān)重要的促進作用。將針對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用，做出針對性剖析與闡述。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；測繪領(lǐng)域；應(yīng)用分析

一、前言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是一種多學(xué)科交叉研究而衍生的產(chǎn)物，于20世紀發(fā)展起來的一種創(chuàng)新的實用技術(shù)，其中包含仿真技術(shù)、電子信息技術(shù)等多種內(nèi)容，最基本的實現(xiàn)形式，就展現(xiàn)在計算機技術(shù)的應(yīng)用上。而在社會發(fā)展速度不斷提升的助力下，在多個行業(yè)的發(fā)展中，都應(yīng)用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)。行業(yè)領(lǐng)域?qū)τ谶@種技術(shù)的需求也呈現(xiàn)出一種渴求的特點，并十分注重這方面的研究，當(dāng)然測繪領(lǐng)域也不例外。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的內(nèi)涵、特點與類型

（一）虛擬現(xiàn)實技術(shù)的內(nèi)涵

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種可以讓使用者沉浸在虛擬世界中的先進科學(xué)技術(shù)，它可以將各種信息融合在一起，創(chuàng)造出一個三維動態(tài)的、可以實時交互的虛擬環(huán)境，讓使用者可以體驗到真實世界中的各種元素。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種跨學(xué)科的高新技術(shù)交叉學(xué)科專業(yè)，它將計算機圖形學(xué)、人機接口信息技術(shù)、多媒體教學(xué)信息技術(shù)、傳感系統(tǒng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)等各種信息技術(shù)緊密聯(lián)系起來，以更加逼真的方式呈現(xiàn)給使用者，是一種具有挑戰(zhàn)性的前沿技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）是一種令人身臨其境的科技，它利用電腦形成的三維空間立體圖形，即時動感地模擬真實世界，并且能夠讓人們感受到自然界中的一切，從而實現(xiàn)真實的體驗[1]。除了計算機圖形技術(shù)所需要形成的視覺感知，人類還可以利用聽力、觸覺、力覺、運動等感覺，乃至嗅覺和味覺等多種感官來獲取信息，這種多感覺操作技能也被稱為天然操作技能。天然操作技能是指人類進行頭部轉(zhuǎn)動、眼神、手勢或一些身體行為動作，計算機系統(tǒng)能夠根據(jù)使用者的動作數(shù)據(jù)處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，并對使用者的輸入做出即時反映，從而使用戶的五官得到及時的反映。感應(yīng)器是一種三維空間交互設(shè)備。

（二）虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點

和傳統(tǒng)的測繪設(shè)備相比，虛擬現(xiàn)實技術(shù)有以下幾方面的特點：①構(gòu)想性，指用戶能夠借助虛擬現(xiàn)實設(shè)備，感知其所產(chǎn)生的視線、聆聽、觸覺、嗅覺、味覺等感知內(nèi)容。在虛幻情境中，用戶能夠感知一切在現(xiàn)實世界中的實際體驗。②互動性，指用戶借助自己的行為與虛擬世界的各種物體實現(xiàn)互動。互動能力要求用戶能夠?qū)μ摶们榫硨嵤┘磿r操縱，并進行信息反饋。即時化是互動環(huán)境中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，而即時化是指計算機響應(yīng)用戶命令后迅速改變虛幻環(huán)境狀況的能力。由于實時化效果較差，在實際互動中也就產(chǎn)生了很大的延時。③沉浸感，虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要以人體的視野、聽力等生理和心理特點為依據(jù)，由電腦模擬真實的三維空間或立體畫面，人們仿佛置身于虛幻情境中，就如同在實際社會中一般[2]。體現(xiàn)了人們對在虛幻情境中所體驗到的真切的感受。而三維空間模型、空間感、三維環(huán)繞音響、畫面隨視角的不同而改變等等，都可以增加人們的沉浸性。④自主性，自主性是虛擬世界中物體可按各自的模型和規(guī)則自主運動。⑤動作性，指人能以客觀世界的實際動作或以人類實際的方式來操作虛擬系統(tǒng)，讓人感覺到自己面對的是一個真實的環(huán)境。

（三）虛擬現(xiàn)實技術(shù)的類型

虛擬現(xiàn)實技術(shù)依照不同標準，可劃分為以下四種類型：①高級虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，能夠完全提供沉浸式體驗，讓用戶在虛擬世界之中完全沉浸，充分發(fā)揮頭盔式顯示器、其他相應(yīng)的設(shè)備的作用，并將用戶的視、聽、觸等多種感官知覺進行及時的封閉，以便將全新的虛擬感覺空間提供給參與者，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套等使參與者產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。常見的沉浸式系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)、遠程存在系統(tǒng)等。一般用于娛樂或驗證某一猜想假設(shè)、訓(xùn)練、模擬、體驗等。②桌面虛擬現(xiàn)實，利用個人計算機和低級工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口。通過各種輸入設(shè)備實現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實世界的充分交互，這些外部設(shè)備包括鼠標、追蹤球、力矩球等。它要求參與者使用輸入設(shè)備，通過計算機屏幕觀察360度范圍內(nèi)的虛擬境界，并操縱其中的物體，但這時參與者缺少完全的沉浸感，因為它仍然會受到周圍現(xiàn)實環(huán)境的干擾。桌面虛擬現(xiàn)實的最大特點是缺乏真實的現(xiàn)實體驗，但是成本也相對較低，因而應(yīng)用比較廣泛。其主要特點為全面、小型、經(jīng)濟、適用，非常適合VR工作者的教學(xué)、研發(fā)和實際應(yīng)用。③分布式虛擬現(xiàn)實，多個用戶通過計算機網(wǎng)絡(luò)連接在一起，同時參加一個虛擬空間，共同體驗虛擬經(jīng)歷，而虛擬現(xiàn)實則提升到了一個更高的境界，這就是分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。在分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，多個用戶可通過網(wǎng)絡(luò)對同一虛擬世界進行觀察和操作，以達到協(xié)同工作的目的。④增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實，不僅利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬現(xiàn)實世界、仿真現(xiàn)實世界，而且要利用它來增強參與者對真實環(huán)境的感受，也就是增強現(xiàn)實中無法感知或不方便的感受。典型的實例是戰(zhàn)機飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數(shù)和武器瞄準數(shù)據(jù)投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，可集中精力盯著敵人的飛機或?qū)Ш狡睢Ｌ摂M現(xiàn)實技術(shù)在當(dāng)期階段發(fā)展中的前景較為廣闊，但是，虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一項高速發(fā)展、不斷創(chuàng)新的科技技術(shù)，在不斷發(fā)展中，自身的問題也隨之逐漸浮出水面，需要引起相關(guān)研究人員、應(yīng)用領(lǐng)域的重視，例如用戶視覺體驗問題等，需要相關(guān)行業(yè)企業(yè)重點關(guān)注與探究。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前我國進入5G建設(shè)高潮，正式進入規(guī)模商用時期。進入21世紀以來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已在全球所有國家中蓬勃發(fā)展。虛擬現(xiàn)實技術(shù)曾被認為是下一代通用技術(shù)平臺和下一代互聯(lián)網(wǎng)的入口，是引領(lǐng)全球新一輪產(chǎn)業(yè)變革的重要力量，是經(jīng)濟發(fā)展的新增長點，目前已經(jīng)在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、航天、教育、娛樂等領(lǐng)域形成較為成熟的局面。據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果表明，虛擬現(xiàn)實技術(shù)正日益得到社會大眾的重視。以三個“I”，即“Immersion”（沉浸感）、“Interaction”（交互性）以及“Imagination”（思維構(gòu)想性），成為虛擬現(xiàn)實技術(shù)最根本的特征，并融入了其他工藝技術(shù)。

四、我國測繪領(lǐng)域發(fā)展的現(xiàn)狀探究

“數(shù)字地球”這一理念被提出之后，在北京舉辦了第一個與數(shù)字地球理念相關(guān)的國際會議——數(shù)字地球國際會議。該會議成功舉辦之后，“數(shù)字地球”的理念有了中國化的發(fā)展趨向，逐漸演變?yōu)閷?shù)字區(qū)域、數(shù)字城市的發(fā)展、建設(shè)。而后測繪領(lǐng)域出現(xiàn)了地理空間數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建、管理技術(shù)能力等方面的發(fā)展與建設(shè)。

（一）地理空間數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

基礎(chǔ)空間與資源信息系統(tǒng)是中國地理空間信息化的重要基石，也是我國信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的主要部分，在我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展中起到了十分關(guān)鍵的作用，其具體框架內(nèi)容如圖1所示。1949年以來，國家投巨資進行了大量的土地測量，積累了專業(yè)齊全、系統(tǒng)的、基礎(chǔ)的、面向全國、各階段、各種規(guī)模型的地理信息，大部分基礎(chǔ)地理空間信息都為企業(yè)提供了幫助[3]。據(jù)初步估計，經(jīng)數(shù)字化，可以通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)資源共享的基本地理空間信息約有1250GB。同時已累積了大量的對地探測資料，其中，20世紀50年代至今覆蓋全國的多期航空相片已達五百萬張以上，20世紀70年代至今多期覆蓋全國的各類衛(wèi)星照片50余萬景，達140TB。我國目前已建立了500多個大中型電動機數(shù)據(jù)庫，主要覆蓋的領(lǐng)域為：工業(yè)基礎(chǔ)和技術(shù)研究領(lǐng)域；國土、房屋；城市、區(qū)域規(guī)劃；遙感；自然資源、環(huán)保和其他。

（二）空間信息處理分析能力、管理技術(shù)能力的發(fā)展

國家空間信息處理、分析與管理技術(shù)中心是中國地理空間信息技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)的重要平臺和工具，是中國產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要靈魂。該應(yīng)用領(lǐng)域的重要高新技術(shù)包含：圖形圖像處理技術(shù)和應(yīng)用軟件、地理信息系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)和應(yīng)用軟件以及全國衛(wèi)星導(dǎo)航與定位專業(yè)技術(shù)和應(yīng)用軟件等。長期以來，在這些應(yīng)用領(lǐng)域，國外軟件始終占據(jù)著絕對的地位，國產(chǎn)軟件始終處在比較弱小的地位。但是，由于各國的十分重視，加上各相關(guān)方面的努力，這些局勢已大為改觀，特別是在“九五”計劃時期，中國自行研制的該應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用軟件，在很多技術(shù)方面都早已到達和超越了國外同類產(chǎn)品水平，在國際國內(nèi)市場上都占據(jù)了相當(dāng)?shù)姆蓊~。

（三）空間信息技術(shù)標準的構(gòu)建

其中包含三部分內(nèi)容：①國家空間信息共享體系的構(gòu)建已經(jīng)逐漸在全國范圍內(nèi)普及，國家測繪領(lǐng)域的信息化建設(shè)已經(jīng)得到一定推動；②空間信息共享元數(shù)據(jù)標準的構(gòu)建，通過這種標準的建設(shè)，將對地理空間信息描述的內(nèi)容、基本模式等做出了規(guī)范，在整體上規(guī)劃了地理空間信息內(nèi)容的表示信息內(nèi)容、標志信息內(nèi)容、屬性信息內(nèi)容、元數(shù)據(jù)使用信息內(nèi)容、服務(wù)質(zhì)量信息內(nèi)容等多個方面；③國家層面的空氣數(shù)據(jù)格式交換標準，空氣數(shù)據(jù)格式交換標準是由我國科技部組織開展分析并研究的，由于這種標準的出現(xiàn)，對矢量數(shù)據(jù)分析、影像數(shù)據(jù)分析以及柵格數(shù)據(jù)分析的交流格式都做出了規(guī)范。在這種技術(shù)基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)得到了推進，并保證了不同系統(tǒng)、部門間非空間數(shù)據(jù)、交換空間的有效實現(xiàn)[4]。

除了基礎(chǔ)軟件，對于AM/FM應(yīng)用開發(fā)平臺的科技研究也需要高度關(guān)注，由于AM/FM應(yīng)用開發(fā)平臺中的Grow擁有強大的數(shù)據(jù)量控制能力和強大的實時三維顯示功能，擁有動態(tài)拓撲實時重構(gòu)機制、面向?qū)ο蠼Ｄ芰Α⒅尉W(wǎng)絡(luò)浮動用戶管理與設(shè)備全生命周期控制、與即時通信底層技術(shù)密切耦合等AM/FM應(yīng)用領(lǐng)域特別需要的能力，并能夠在廣域條件中進行成多級分布式多客戶端的協(xié)調(diào)操作，在總體技能上達到了全球先進水平。在太空數(shù)據(jù)存儲和加工生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)用妫畔⒓庸?yīng)用軟件GeoWay、EPS2000系列和數(shù)字正射影像處理軟件PhotoMapper等，支撐太空地圖掃描數(shù)字化、在外地直接收集大量的地域信息、通過運載火箭和飛機遙感圖像加工生產(chǎn)數(shù)碼正射影像圖，構(gòu)成了完善的工程建設(shè)空間數(shù)據(jù)采集、加工生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)平臺，初步搶占了中國工程建設(shè)太空數(shù)據(jù)生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)用娴牡乩硇畔⑾到y(tǒng)軟件交易市場。在建筑圖片出版領(lǐng)域，國產(chǎn)圖片出版軟件方正智繪和MapCAD，在功用和質(zhì)量上都早已超越了海外的同類應(yīng)用軟件，牢牢地占有了國內(nèi)工程圖片出版市場。另外，在地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，國產(chǎn)軟件也彌補了中國國內(nèi)在這方面的短板。現(xiàn)已普遍運用在地理信息開發(fā)、交通旅游、地產(chǎn)營銷和物流運輸裝卸等領(lǐng)域中，在奧運申辦、數(shù)字京城、中國昆明世博會等重大項目中都發(fā)揮了重要的作用。而GeoBeens、Geosurf、AF InternetGIS等也是其中的重要成員。

隨著中國地理信息系統(tǒng)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)外地理信息系統(tǒng)軟件開發(fā)和信息技術(shù)服務(wù)層出不窮，并取得了較大的進展。在我國“九五”重點科技攻關(guān)支援項目的區(qū)域，產(chǎn)品銷售與信息技術(shù)業(yè)務(wù)的總凈收入均已突破了一億多人民幣，近五年中的平均年增長率已達到了75%，直接拉動的國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值已達到了15億多人民幣。由于我國政府對地理信息系統(tǒng)開發(fā)工作的重視，也促進了整個社會對地理信息系統(tǒng)的重視，近兩年來，國內(nèi)外地理信息系統(tǒng)的開發(fā)公司不斷出現(xiàn)，開發(fā)情況也非常可喜。

五、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用探析

當(dāng)前的測繪服務(wù)主要是簡單的二維地圖。但目前，由于消費者已經(jīng)不再對普通的靜止地圖、計算機地圖感興趣了，這就要求對地理環(huán)境表現(xiàn)的發(fā)展狀態(tài)做出實時可視化和生動解析、動態(tài)仿真等。在復(fù)雜的靜止地圖上，不管是在紙張上或是在熒幕上，都無法滿足這樣的需求，因此人們更加渴望有一種生動的、三維可視化的、交互式的平臺，來管理、研究、展示各種地理數(shù)據(jù)資源。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)，就是破解當(dāng)前難題的最有力手段之一[5]。虛擬現(xiàn)實的最終任務(wù)是完成對整片世界的實時拼接、自由漫游與擴展。傳統(tǒng)地理環(huán)境材料的表述方式，是把現(xiàn)實生活中的三維空間地理環(huán)境實物及表現(xiàn)以一定的方法轉(zhuǎn)移到二維中，以點、線、面、體注記的形式加以表述。如把VR方式和GIS技術(shù)相結(jié)合，直接用三維空間形式在GIS中表述地理環(huán)境實物和表現(xiàn)，則使用者就能夠按照現(xiàn)實生活中習(xí)慣的認知模式去認知理解地域?qū)嵨铮c用二維方式表述的傳統(tǒng)地理環(huán)境材料比較，也就更易于在系統(tǒng)中掌握必要的內(nèi)容。

隨著計算機技術(shù)和圖形處理軟件等技術(shù)的日益提升，地形三維科學(xué)與計算可視化技術(shù)正向著動態(tài)顯示、交互操控、具備更高真實性的環(huán)境圖像表現(xiàn)等方面迅速演進。與常規(guī)地景虛擬實際表達形式不同的是，通過遙感圖像（多個感應(yīng)器、多個清晰度或多光譜）的紋理映射方法和表現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)涵上更為逼真、信息內(nèi)容上更為豐富多彩、時態(tài)上更為逼真的視覺效果。通過GIS、VR或者RS等信息技術(shù)的整合與運用，測繪服務(wù)可視化的未來發(fā)展可以是：在呈現(xiàn)形式上，向虛幻真實方面進一步發(fā)展；在信息機構(gòu)和能力構(gòu)成上，向地域網(wǎng)絡(luò)（GIS）方面拓展；而維持著其內(nèi)部生機與表現(xiàn)力的根本，就是源源不斷的地球遙感技術(shù)（RS）圖像信息，及由此所獲取的基礎(chǔ)地形信息。

在日常的實際應(yīng)用中，可以結(jié)合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、數(shù)字地球戰(zhàn)略的實施以及人們生產(chǎn)生活的需要來進行基礎(chǔ)地理信息的展示，在虛擬現(xiàn)實技術(shù)軟件中需要對基礎(chǔ)的地理信息數(shù)據(jù)實現(xiàn)集成化、信息化以及知識化的展示，將其作為一款數(shù)字測繪產(chǎn)品和技術(shù)信息一體化的產(chǎn)品，其中需要包含多種信息系統(tǒng)內(nèi)容，比如網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)、空間決策支持地理信息系統(tǒng)等，以此來實現(xiàn)產(chǎn)品自身的數(shù)字化、空間數(shù)據(jù)的信息化、數(shù)據(jù)應(yīng)用的可視化、產(chǎn)品服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化。

在軍事測繪方面應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實技術(shù)方面，在以往的應(yīng)用過程中主要是借助地圖以及相關(guān)的地形區(qū)域資料來對實際的區(qū)域范圍內(nèi)所處環(huán)境以及信息進行分析和研究，但是在對地圖和資料進行查閱的過程中往往會造成較差的真實感以及不便利條件，并且對于實地勘察方面也會造成一定的影響，比如來自視野方面的阻礙等，因此，在此基礎(chǔ)上就產(chǎn)生了立體地圖以及沙盤，實現(xiàn)和真實區(qū)域的地理環(huán)境相匹配和相吻合。在不斷發(fā)展的過程中，很多區(qū)域的地理信息可以使用于測繪以及訓(xùn)練模擬當(dāng)中，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的分析系統(tǒng)以及電子地圖方式可以進行區(qū)域場地場所的動態(tài)化顯示和精確化分析，實現(xiàn)測繪效率的大幅度提升。在此方法的應(yīng)用過程中，其旁觀者可以對其實際產(chǎn)生的環(huán)境進行觀察，不能產(chǎn)生身臨其境的感覺。但是借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以有效地結(jié)合地圖以及資料和實地勘察等多個方面的優(yōu)勢特點，來實現(xiàn)參與者身臨其境的感受，保證測繪的正確性、精準性和穩(wěn)定性。

六、結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的進步與人民生活水平的提升，高知識化的大數(shù)字測量信息技術(shù)與服務(wù)信息一體化科技，以及高電子化的地理環(huán)境網(wǎng)絡(luò)、高空中決策資源與服務(wù)地理網(wǎng)絡(luò)等各類信息系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)構(gòu)成的電子化、空間數(shù)據(jù)的智能化、大數(shù)據(jù)應(yīng)用的可視化、產(chǎn)業(yè)服務(wù)的電子化。在不久的將來，測繪技術(shù)還會走進我們的生活和休閑娛樂。希望本文的研究能夠為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在測繪領(lǐng)域中的應(yīng)用提供相應(yīng)的建議，并推進測繪領(lǐng)域的高水平建設(shè)。

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