基于虛擬仿真的三維激光掃描技術教學改革研究

楊忞婧 魏海霞 譚金石 王瑤 劉溢晨 丘均耀

為適應測繪地理信息產業升級對數據采集空天地一體化、數據處理智能化、數據應用個性化和數據服務專業化的發展需求[1]，并滿足測繪地理信息行業對高素質、復合型、高端技術技能人才的需求，根據《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》精神，應堅持“學生中心、產出導向、持續改進”的原則，推進現代信息技術融入實驗教學項目，拓展實驗教學內容廣度和深度，延伸實驗教學時間和空間，提升教學質量。

學生參與實驗、實習和實訓等實踐教學，通過親手操作親身體驗獲得工程經驗[2]，是高等職業教育教學過程中的必要環節。當前國內以虛擬仿真技術為基礎進行實踐教學改革已基本覆蓋所有學科領域，虛擬仿真技術因其沉浸性、逼真性、交互性等特點[3]，既能激發學生的學習興趣，又能促進實踐教學資源共享，從而被廣泛應用于高校的實踐教學中。

本文旨在通過虛擬仿真技術手段，構建城市地面街景、橋梁、隧道、古建筑及山體等典型應用場景，開展地面三維激光掃描測繪實踐，幫助學生掌握三維激光掃描儀及點云數據處理軟件的使用，完成地面三維激光掃描測繪作業的仿真交互實訓過程，提升學生分析解決三維激光點云數據的“采集-處理-應用”全過程問題的解決能力。

一、虛擬仿真實踐教學資源建設的必要性

目前三維激光掃描技術已成為測繪領域研究與應用的熱點技術，該技術區別于傳統的單點測量方式，利用激光測距原理，無須接觸，能自動、連續地獲取目標物體表面海量且密集的高精度三維坐標信息和反射率信息，從而實現快速實景復制。[4]三維激光掃描技術不僅廣泛應用于傳統測繪領域，例如地形地圖測繪、地籍測繪、土方測量、變形監測及工程測量[5]，還在文物保護、考古、地質、礦業、林業及水利工程中也取得了較多的研究成果。但是，三維激光掃描技術實踐教學對天氣、場地、安全等方面有較高的要求，現針對該技術實踐教學中存在的“三高三難”問題進行分析。

1.高投入、高風險

隨著測繪科學與技術的迅速發展，常常需要使用各種高端精密測量儀器，例如三維激光掃描儀。這類儀器設備造價昂貴，常見地面激光掃描儀售價在100萬左右，購置和維護的成本高且易損耗，在高職院校擴招背景下，面對龐大的學生數量，要滿足每一個想了解并應用該技術的學生都能使用三維激光掃描儀進行實驗練習是非常困難的。此外，在開展外業點云數據采集實訓時，學生在實踐過程中受各種不確定因素影響可能存在人身及設備安全隱患。

2.難實施、難觀摩

目前三維激光掃描技術在地形掃描及變形監測方面使用廣泛，而校內實訓區域面積有限、地形地貌結構單一，缺乏相對復雜、密集度較高、種類豐富的地物集，很難提供接近實際的測量環境。此外，校內也不具備開展監測項目的條件，例如隧道監測、橋梁監測等。

3.難再現、高損耗

該實訓過程耗時長且難再現，教師和學生都無法回顧已完成的實訓操作對重難點進行指導。在指導教師數量與學生數量比例較小的情況下，實習小組往往分散在校內實訓場地的各處，教師需要不斷往返各小組實訓點來指導不同的學生進行實訓。在有限的學時內，難以實現個性化精準輔導，也難以全面獲知學生的知識技能掌握情況。此外，在激光掃描儀數量遠遠不夠的情況下，高頻率地使用設備將加快設備的損耗。

開展虛擬仿真實踐教學，學生不受時間和空間的約束，可以先利用互聯網練習虛擬仿真儀器的操作，待熟練后可使用真實儀器進行操作。該方式可以減少貴重設備誤操作、降低實訓危險性，以較低成本完成各項生產過程實訓。

二、虛擬仿真實踐教學資源建設

三維激光掃描技術虛擬仿真實踐教學依托虛擬現實、仿真裝備與多媒體技術，融合多種互動硬件與數據庫，對理論和實踐教學的真實環節進行模擬仿真。[6]充分發揮虛擬仿真技術在測繪地理信息技術教學實踐方面的優勢，能夠解決測繪地理信息高端復合型技能人才培養的瓶頸。搭建虛擬仿真三維實訓場景，按照基礎技能訓練、綜合技能訓練和創新技術訓練的人才培養進階模式，在地形圖測繪、不動產測繪、古建筑測繪、工程測量、變形監測及土方測量等應用中開設虛擬仿真實踐項目（圖1）。

1.虛擬仿真儀器三維模型

三維激光掃描技術實踐教學的基礎條件是儀器設備。以地面三維激光掃描儀、車載掃描儀、手持掃描儀和機載掃描儀為主，標靶球、三腳架等相關配件及數據處理軟件為輔，創建虛擬仿真測繪儀器三維模型。虛擬仿真測繪儀器不僅外觀高度仿真，而且分離后的模型結構與真實儀器的重要組成部分基本一致（圖2）。

2.虛擬仿真三維場景及實體模型

通過建設數字化全景虛擬仿真時空數據庫場景，可實現基礎場景、學校場景、丘陵場景的高清真實化呈現，支持與虛擬三維激光掃描儀的智能互動。通過三維模型展示場景、虛擬測量儀器、交互測試環境，按照規范的操作流程、測量工法，體驗項目實施場景和工作過程。在校內按照一定比例建立實訓場景實體模型，例如可以建立橋梁、隧道實體模型，沉降基坑模型，邊坡山體模型等。學生可以先開展虛擬仿真實訓，在熟悉測量場景和技術要求、實操流程和數據處理各環節后，在實體模型中進行掃描實訓，這樣不僅減少了實訓的耗時，也提高了實訓課堂的教學效果，以虛實結合的方式讓學生扎實地掌握三維激光掃描技術在項目應用中的作業流程和技術要領（圖3）。

3.三維激光掃描技術虛擬仿真實訓

基于“學生中心、注重體驗、能力為本”的理念，按照突出學生主體地位，注重實際環境體驗，提升綜合素質的思路，構建基礎理論牽引、虛擬操作實踐和現場實訓三位一體的實訓方案。建設基礎技能訓練（認知型）、綜合技能訓練（綜合型）、創新型訓練（探究型）三類進階的虛擬仿真實訓項目。

基礎技能訓練主要面向三維激光掃描技術的初學者。從三維激光掃描外業到內業數據處理，通過動畫演示、游戲闖關的方式，指引學生按照實際過程完成操作?；A技能訓練虛擬仿真資源能夠實現學生對基礎理論知識及儀器認知的掌握，并在三維虛擬仿真交互場景中學習實驗操作步驟，例如：項目設計、測站點布設、三維激光掃描儀架設、儀器參數設置、一站式激光點云數據采集、數據檢查預覽及導出存儲等。

綜合技能訓練主要面向已完成基礎技能訓練的學生。建設基于互聯網在線共享的三維激光掃描測繪應用項目，采用虛擬仿真技術模擬古建筑/文物三維掃描、城市街景三維掃描、地鐵隧道內部三維掃描測量實施過程。例如古建筑測繪項目，可以選擇古建筑的虛擬場景，根據精度要求，布設合理的測站點，選擇最佳掃描方案，再利用虛擬三維激光掃描儀進行多測站多角度的掃描，最后將獲取的點云導入虛擬的數據處理軟件中，獲得相應的成果。

創新型訓練主要面向已完成綜合技能訓練的學生。學生可以在實訓場景實體模型中使用真實的三維激光掃描儀進行外業掃描作業，將三維激光掃描技術與其他測繪技術交互，掌握三維激光掃描儀、RTK控制測量、導線測量等操作過程。例如地形圖測繪項目，可以選擇地形地物較為豐富的校園場景，使用全站儀或RTK布設控制點后，再使用激光掃描儀完成外業掃描，最后將點云數據導入真實的點云數據處理軟件中進行處理，完成項目應用（圖4）。

三、虛擬仿真實踐教學設計

學生通過教學過程最終獲得學習成果，目的是培養學生獲取信息、學習技能及運用知識解決實際工程問題的能力，該教育理念符合應用型工程人才培養的要求。從創新能力培養的教學結果出發，制定虛擬仿真教學計劃，評定學生能力，這也是虛擬仿真實踐教學的理念和落腳點。根據學習成果類型的不同選擇合適的虛擬仿真教學方法，創設豐富的教學環境，可以調動學生積極參與教學過程。合理的虛擬仿真實驗設計不僅能吸引學生，還能讓復雜而單調的操作過程變得更有趣更生動，也讓復雜抽象的重難點理論知識通過實踐體驗變得淺顯易懂。

1.“學”階段

“學”階段重點關注三維激光掃描儀的操作方法、測量工法流程，將重點和難點問題科學劃分為實際操作中的若干步驟和環節，強調細節的圖像化呈現。將虛擬仿真三維激光掃描儀等設備的拆裝講解以視頻動畫方式呈現，儀器的使用流程以帶有指引性的跟蹤操作進行展示。學生可以在不同的步驟環節中自由跳轉，針對薄弱環節重復學習，促進關鍵知識點的“形象化認知過程”的實現。以人機互動的方式讓學生熟悉三維激光掃描儀的構造、原理和性能，并熟悉常用的外業操作及注意事項等，以達到能使用三維激光掃描儀順利完成實驗的目的。[7]

2.“練”階段

在“練”階段，軟件提供了浸入式操作環境，學生按照軟件提供的分步驟提示，在交互場景中跟進操作。目的是使學生掌握儀器操作和工法實現過程的“點”和“度”，促進關鍵知識點的有效建構和內化。在學習過程中，配套理論知識點的穿插提問，用闖關問答的方式增強學生的學習興趣，并加深學生對知識點和技能點的掌握。將學生自主在平臺的練習過程納入課程考核的一部分，以虛擬實驗任務為驅動，讓學生能夠充分利用課余時間在虛擬仿真一體機或虛擬仿真教學實驗軟件上自主學習并完成虛擬實驗。

3.“測”階段

在“測”階段，軟件提供了開放式的測試環境，系統針對實踐操作過程自動打分，并提供錯誤操作提示。每個學生使用自己的學習賬號進行實名登錄，系統記錄該學生的登錄信息后，在演練過程中隨機獲取操作者的面部照片以保證課程考核的真實性。此外，系統還要記錄學生的實驗任務情況、演練次數、演練時長、操作步驟及反饋評價。最后一次演練后還要進行綜合性考核，考核合格后可以在教師的指導下，參與真實的三維激光掃描技術實訓。不合格者要求重新參加虛擬演練，直到考核合格。教師和學生通過實踐操作過程的重現，能夠發現操作過程中存在的問題，并及時糾正。針對共性問題可以通過虛擬仿真實訓演示給予共同指導，對于個性問題可以就單個知識點或技能點給予單獨指導，最終達到知識向技能的平滑轉化。[8]

四、結束語

三維激光掃描技術實訓從外業數據采集到內業數據處理，既能單個實驗獨立開展，也能多個實驗合并后設計成一個綜合性實驗。利用虛擬仿真技術可以靈活方便地完成多種在真實場景中存在實際操作困難或者因設備數量不足而難以完成的教學實踐項目，它還能幫助學習者擺脫區域和時間的限制，為自主學習提供便利。

本文采用以虛助實、虛實結合的方式攻克三維激光掃描技術實踐教學中的“三高三難”，通過實踐教學與虛擬現實的深度融合，解決實踐教學中的難點和痛點，全面推進實踐教學改革。重點拓展“難實施、難觀摩”的實驗項目，重塑“高風險、高投入”的實訓項目。多樣化“虛擬仿真+場景交互”能有效提升學生動手操作興趣，強化對理論知識的理解和記憶，從主觀上提高學生的學習效率，進而提升學生的綜合職業能力，打造復合型、創新型高素質技術技能人才培養高地。

參考文獻：

[1]岳建平，叢康林.人工智能時代的測繪工程教育改革[J].測繪通報，2020（09）：151-154.

[2]徐卓揆，賀躍光，丁美青.多途徑利用虛擬仿真技術開展測繪工程實踐教學[J].信息技術與信息化，2020（03）：120-123.

[3]岳祥楠，賀小星，馬飛虎，等.虛擬仿真技術在測繪工程實踐教學中的應用[J].測繪工程，2021（01）：76-80.

[4]馮正茂，楊世金，黃杰品，等.三維激光掃描技術在喀斯特洞穴測繪中的應用[J].地礦測繪，2021（03）：30-33.

[5]張賀. 露天礦邊坡位移三維激光掃描監測技術研究[D].遼寧科技大學，2015.

[6]李曉東，曲本全，陳暉，等.虛擬仿真軟硬件技術在實踐教學的應用與探索[J].實驗技術與管理，2017，34（03）：130-133+137.

[7]何春燕，任安利，劉欣，等.開放實驗室高端儀器虛擬仿真實驗構建與應用[J].基礎醫學教育，2018，20（10）：920-923.

[8]馮正茂，李端，秦啟耀.井下水準測量實訓教學中虛擬仿真技術的應用[J].職業教育（中旬刊），2020，19（05）：44-46.

[基金項目：基于三維激光掃描虛擬仿真實驗教學改革的探索實踐 （2022-JD-03）、基于激光掃描技術的三維實景重建應用研究（2021-zx-06）。通訊作者：魏海霞。]

責任編輯陳春陽