基于虛擬仿真的三維激光掃描技術(shù)教學(xué)改革研究

為適應(yīng)測繪地理信息產(chǎn)業(yè)升級(jí)對(duì)數(shù)據(jù)采集空天地一體化、數(shù)據(jù)處理智能化、數(shù)據(jù)應(yīng)用個(gè)性化和數(shù)據(jù)服務(wù)專業(yè)化的發(fā)展需求[1]，并滿足測繪地理信息行業(yè)對(duì)高素質(zhì)、復(fù)合型、高端技術(shù)技能人才的需求，根據(jù)《教育部關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》精神，應(yīng)堅(jiān)持“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的原則，推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間，提升教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)和實(shí)訓(xùn)等實(shí)踐教學(xué)，通過親手操作親身體驗(yàn)獲得工程經(jīng)驗(yàn)[2]，是高等職業(yè)教育教學(xué)過程中的必要環(huán)節(jié)。當(dāng)前國內(nèi)以虛擬仿真技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)改革已基本覆蓋所有學(xué)科領(lǐng)域，虛擬仿真技術(shù)因其沉浸性、逼真性、交互性等特點(diǎn)[3]，既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)資源共享，從而被廣泛應(yīng)用于高校的實(shí)踐教學(xué)中。本文旨在通過虛擬仿真技術(shù)手段，構(gòu)建城市地面街景、橋梁、隧道、古建筑及山體等典型應(yīng)用場景，開展地面三維激光掃描測繪實(shí)踐，幫助學(xué)生掌握三維激光掃描儀及點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件的使用，完成地面三維激光掃描測繪作業(yè)的仿真交互實(shí)訓(xùn)過程，提升學(xué)生分析解決三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的“采集-處理-應(yīng)用”全過程問題的解決能力。一、虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)資源建設(shè)的必要性目前三維激光掃描技術(shù)已成為測繪領(lǐng)域研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)技術(shù)，該技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方式，利用激光測距原理，無須接觸，能自動(dòng)、連續(xù)地獲取目標(biāo)物體表面海量且密集的高精度三維坐標(biāo)信息和反射率信息，從而實(shí)現(xiàn)快速實(shí)景復(fù)制。[4]三維激光掃描技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)測繪領(lǐng)域，例如地形地圖測繪、地籍測繪、土方測量、變形監(jiān)測及工程測量[5]，還在文物保護(hù)、考古、地質(zhì)、礦業(yè)、林業(yè)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(shù)實(shí)踐教學(xué)對(duì)天氣、場地、安全等方面有較高的要求，現(xiàn)針對(duì)該技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中存在的“三高三難”問題進(jìn)行分析。1.高投入、高風(fēng)險(xiǎn)隨著測繪科學(xué)與技術(shù)的迅速發(fā)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(shè)備造價(jià)昂貴，常見地面激光掃描儀售價(jià)在100萬左右，購置和維護(hù)的成本高且易損耗，在高職院校擴(kuò)招背景下，面對(duì)龐大的學(xué)生數(shù)量，要滿足每一個(gè)想了解并應(yīng)用該技術(shù)的學(xué)生都能使用三維激光掃描儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)練習(xí)是非常困難的。此外，在開展外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集實(shí)訓(xùn)時(shí)，學(xué)生在實(shí)踐過程中受各種不確定因素影響可能存在人身及設(shè)備安全隱患。2.難實(shí)施、難觀摩目前三維激光掃描技術(shù)在地形掃描及變形監(jiān)測方面使用廣泛，而校內(nèi)實(shí)訓(xùn)區(qū)域面積有限、地形地貌結(jié)構(gòu)單一，缺乏相對(duì)復(fù)雜、密集度較高、種類豐富的地物集，很難提供接近實(shí)際的測量環(huán)境。此外，校內(nèi)也不具備開展監(jiān)測項(xiàng)目的條件，例如隧道監(jiān)測、橋梁監(jiān)測等。3.難再現(xiàn)、高損耗該實(shí)訓(xùn)過程耗時(shí)長且難再現(xiàn)，教師和學(xué)生都無法回顧已完成的實(shí)訓(xùn)操作對(duì)重難點(diǎn)進(jìn)行指導(dǎo)。在指導(dǎo)教師數(shù)量與學(xué)生數(shù)量比例較小的情況下，實(shí)習(xí)小組往往分散在校內(nèi)實(shí)訓(xùn)場地的各處，教師需要不斷往返各小組實(shí)訓(xùn)點(diǎn)來指導(dǎo)不同的學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，難以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化精準(zhǔn)輔導(dǎo)，也難以全面獲知學(xué)生的知識(shí)技能掌握情況。此外，在激光掃描儀數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的情況下，高頻率地使用設(shè)備將加快設(shè)備的損耗。開展虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生不受時(shí)間和空間的約束，可以先利用互聯(lián)網(wǎng)練習(xí)虛擬仿真儀器的操作，待熟練后可使用真實(shí)儀器進(jìn)行操作。該方式可以減少貴重設(shè)備誤操作、降低實(shí)訓(xùn)危險(xiǎn)性，以較低成本完成各項(xiàng)生產(chǎn)過程實(shí)訓(xùn)。二、虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)資源建設(shè)三維激光掃描技術(shù)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真裝備與多媒體技術(shù)，融合多種互動(dòng)硬件與數(shù)據(jù)庫，對(duì)理論和實(shí)踐教學(xué)的真實(shí)環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬仿真。[6]充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)在測繪地理信息技術(shù)教學(xué)實(shí)踐方面的優(yōu)勢，能夠解決測繪地理信息高端復(fù)合型技能人才培養(yǎng)的瓶頸。搭建虛擬仿真三維實(shí)訓(xùn)場景，按照基礎(chǔ)技能訓(xùn)練、綜合技能訓(xùn)練和創(chuàng)新技術(shù)訓(xùn)練的人才培養(yǎng)進(jìn)階模式，在地形圖測繪、不動(dòng)產(chǎn)測繪、古建筑測繪、工程測量、變形監(jiān)測及土方測量等應(yīng)用中開設(shè)虛擬仿真實(shí)踐項(xiàng)目（圖1）。1.虛擬仿真儀器三維模型三維激光掃描技術(shù)實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)條件是儀器設(shè)備。以地面三維激光掃描儀、車載掃描儀、手持掃描儀和機(jī)載掃描儀為主，標(biāo)靶球、三腳架等相關(guān)配件及數(shù)據(jù)處理軟件為輔，創(chuàng)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(jié)構(gòu)與真實(shí)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(shí)體模型通過建設(shè)數(shù)字化全景虛擬仿真時(shí)空數(shù)據(jù)庫場景，可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)場景、學(xué)校場景、丘陵場景的高清真實(shí)化呈現(xiàn)，支持與虛擬三維激光掃描儀的智能互動(dòng)。通過三維模型展示場景、虛擬測量儀器、交互測試環(huán)境，按照規(guī)范的操作流程、測量工法，體驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施場景和工作過程。在校內(nèi)按照一定比例建立實(shí)訓(xùn)場景實(shí)體模型，例如可以建立橋梁、隧道實(shí)體模型，沉降基坑模型，邊坡山體模型等。學(xué)生可以先開展虛擬仿真實(shí)訓(xùn)，在熟悉測量場景和技術(shù)要求、實(shí)操流程和數(shù)據(jù)處理各環(huán)節(jié)后，在實(shí)體模型中進(jìn)行掃描實(shí)訓(xùn)，這樣不僅減少了實(shí)訓(xùn)的耗時(shí)，也提高了實(shí)訓(xùn)課堂的教學(xué)效果，以虛實(shí)結(jié)合的方式讓學(xué)生扎實(shí)地掌握三維激光掃描技術(shù)在項(xiàng)目應(yīng)用中的作業(yè)流程和技術(shù)要領(lǐng)（圖3）。3.三維激光掃描技術(shù)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基于“學(xué)生中心、注重體驗(yàn)、能力為本”的理念，按照突出學(xué)生主體地位，注重實(shí)際環(huán)境體驗(yàn)，提升綜合素質(zhì)的思路，構(gòu)建基礎(chǔ)理論牽引、虛擬操作實(shí)踐和現(xiàn)場實(shí)訓(xùn)三位一體的實(shí)訓(xùn)方案。建設(shè)基礎(chǔ)技能訓(xùn)練（認(rèn)知型）、綜合技能訓(xùn)練（綜合型）、創(chuàng)新型訓(xùn)練（探究型）三類進(jìn)階的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目?；A(chǔ)技能訓(xùn)練主要面向三維激光掃描技術(shù)的初學(xué)者。從三維激光掃描外業(yè)到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，通過動(dòng)畫演示、游戲闖關(guān)的方式，指引學(xué)生按照實(shí)際過程完成操作。基礎(chǔ)技能訓(xùn)練虛擬仿真資源能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)及儀器認(rèn)知的掌握，并在三維虛擬仿真交互場景中學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作步驟，例如：項(xiàng)目設(shè)計(jì)、測站點(diǎn)布設(shè)、三維激光掃描儀架設(shè)、儀器參數(shù)設(shè)置、一站式激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)檢查預(yù)覽及導(dǎo)出存儲(chǔ)等。綜合技能訓(xùn)練主要面向已完成基礎(chǔ)技能訓(xùn)練的學(xué)生。建設(shè)基于互聯(lián)網(wǎng)在線共享的三維激光掃描測繪應(yīng)用項(xiàng)目，采用虛擬仿真技術(shù)模擬古建筑/文物三維掃描、城市街景三維掃描、地鐵隧道內(nèi)部三維掃描測量實(shí)施過程。例如古建筑測繪項(xiàng)目，可以選擇古建筑的虛擬場景，根據(jù)精度要求，布設(shè)合理的測站點(diǎn)，選擇最佳掃描方案，再利用虛擬三維激光掃描儀進(jìn)行多測站多角度的掃描，最后將獲取的點(diǎn)云導(dǎo)入虛擬的數(shù)據(jù)處理軟件中，獲得相應(yīng)的成果。創(chuàng)新型訓(xùn)練主要面向已完成綜合技能訓(xùn)練的學(xué)生。學(xué)生可以在實(shí)訓(xùn)場景實(shí)體模型中使用真實(shí)的三維激光掃描儀進(jìn)行外業(yè)掃描作業(yè)，將三維激光掃描技術(shù)與其他測繪技術(shù)交互，掌握三維激光掃描儀、RTK控制測量、導(dǎo)線測量等操作過程。例如地形圖測繪項(xiàng)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(shè)控制點(diǎn)后，再使用激光掃描儀完成外業(yè)掃描，最后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入真實(shí)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行處理，完成項(xiàng)目應(yīng)用（圖4）。三、虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)生通過教學(xué)過程最終獲得學(xué)習(xí)成果，目的是培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、學(xué)習(xí)技能及運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力，該教育理念符合應(yīng)用型工程人才培養(yǎng)的要求。從創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)結(jié)果出發(fā)，制定虛擬仿真教學(xué)計(jì)劃，評(píng)定學(xué)生能力，這也是虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的理念和落腳點(diǎn)。根據(jù)學(xué)習(xí)成果類型的不同選擇合適的虛擬仿真教學(xué)方法，創(chuàng)設(shè)豐富的教學(xué)環(huán)境，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生積極參與教學(xué)過程。合理的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不僅能吸引學(xué)生，還能讓復(fù)雜而單調(diào)的操作過程變得更有趣更生動(dòng)，也讓復(fù)雜抽象的重難點(diǎn)理論知識(shí)通過實(shí)踐體驗(yàn)變得淺顯易懂。1.“學(xué)”階段“學(xué)”階段重點(diǎn)關(guān)注三維激光掃描儀的操作方法、測量工法流程，將重點(diǎn)和難點(diǎn)問題科學(xué)劃分為實(shí)際操作中的若干步驟和環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)的圖像化呈現(xiàn)。將虛擬仿真三維激光掃描儀等設(shè)備的拆裝講解以視頻動(dòng)畫方式呈現(xiàn)，儀器的使用流程以帶有指引性的跟蹤操作進(jìn)行展示。學(xué)生可以在不同的步驟環(huán)節(jié)中自由跳轉(zhuǎn)，針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)重復(fù)學(xué)習(xí)，促進(jìn)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的“形象化認(rèn)知過程”的實(shí)現(xiàn)。以人機(jī)互動(dòng)的方式讓學(xué)生熟悉三維激光掃描儀的構(gòu)造、原理和性能，并熟悉常用的外業(yè)操作及注意事項(xiàng)等，以達(dá)到能使用三維激光掃描儀順利完成實(shí)驗(yàn)的目的。[7]2.“練”階段在“練”階段，軟件提供了浸入式操作環(huán)境，學(xué)生按照軟件提供的分步驟提示，在交互場景中跟進(jìn)操作。目的是使學(xué)生掌握儀器操作和工法實(shí)現(xiàn)過程的“點(diǎn)”和“度”，促進(jìn)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的有效建構(gòu)和內(nèi)化。在學(xué)習(xí)過程中，配套理論知識(shí)點(diǎn)的穿插提問，用闖關(guān)問答的方式增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)的掌握。將學(xué)生自主在平臺(tái)的練習(xí)過程納入課程考核的一部分，以虛擬實(shí)驗(yàn)任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，讓學(xué)生能夠充分利用課余時(shí)間在虛擬仿真一體機(jī)或虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件上自主學(xué)習(xí)并完成虛擬實(shí)驗(yàn)。3.“測”階段在“測”階段，軟件提供了開放式的測試環(huán)境，系統(tǒng)針對(duì)實(shí)踐操作過程自動(dòng)打分，并提供錯(cuò)誤操作提示。每個(gè)學(xué)生使用自己的學(xué)習(xí)賬號(hào)進(jìn)行實(shí)名登錄，系統(tǒng)記錄該學(xué)生的登錄信息后，在演練過程中隨機(jī)獲取操作者的面部照片以保證課程考核的真實(shí)性。此外，系統(tǒng)還要記錄學(xué)生的實(shí)驗(yàn)任務(wù)情況、演練次數(shù)、演練時(shí)長、操作步驟及反饋評(píng)價(jià)。最后一次演練后還要進(jìn)行綜合性考核，考核合格后可以在教師的指導(dǎo)下，參與真實(shí)的三維激光掃描技術(shù)實(shí)訓(xùn)。不合格者要求重新參加虛擬演練，直到考核合格。教師和學(xué)生通過實(shí)踐操作過程的重現(xiàn)，能夠發(fā)現(xiàn)操作過程中存在的問題，并及時(shí)糾正。針對(duì)共性問題可以通過虛擬仿真實(shí)訓(xùn)演示給予共同指導(dǎo)，對(duì)于個(gè)性問題可以就單個(gè)知識(shí)點(diǎn)或技能點(diǎn)給予單獨(dú)指導(dǎo)，最終達(dá)到知識(shí)向技能的平滑轉(zhuǎn)化。[8]四、結(jié)束語三維激光掃描技術(shù)實(shí)訓(xùn)從外業(yè)數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，既能單個(gè)實(shí)驗(yàn)獨(dú)立開展，也能多個(gè)實(shí)驗(yàn)合并后設(shè)計(jì)成一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)。利用虛擬仿真技術(shù)可以靈活方便地完成多種在真實(shí)場景中存在實(shí)際操作困難或者因設(shè)備數(shù)量不足而難以完成的教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目，它還能幫助學(xué)習(xí)者擺脫區(qū)域和時(shí)間的限制，為自主學(xué)習(xí)提供便