地质园实训基地三维仿真系统设计与实现

杨军义 刘安伟 康建芳

（1.甘肃工业职业技术学院，甘肃天水 741025；2.国家冰川冻土沙漠科学数据中心，甘肃兰州 730000；3.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃兰州 730000）

测绘与地质专业绝大部分实习实训项目要求地质现象比较典型、清晰、直观、便于学生反复使用的野外实习实训场所。传统的野外实习实训难以继续实行的原因有：一是高校测绘地质类野外实训场所一般非常分散，遍布在学校所在省市之外，这使得组织野外实训难度大，成本高；二是野外实训一定程度上会破坏生态；三是野外实训条件艰苦且易发生危险，存在极大的安全隐患。因此，开发一套能满足测绘地质野外实训的虚拟仿真系统，改革传统的教学实训方案势在必行[1]。

1 三维场景建设

1.1 建模技术与流程

基于三维激光移动扫描测绘技术和人工精细化三维建模技术建设实训所需的各类地质与测绘模型，并引入LOD多细节层次技术、空间数据库技术、三维实时渲染技术、三维空间分析技术和三维时空推演模拟等技术，实现地质实训基地三维实体模型的建立与存储；然后利用三维GIS平台集成各类三维模型，使其能流畅高效地加载在统一的地理场景中，将分散的野外测绘与地质现象集中展现，以解决传统测绘与地质野外实训场景不集中、难以观测、实训组织困难、学生学习效果不佳的问题。针对表面规则和不规则的地质测绘实体，分别采用了不同建模技术流程。地质实训基地三维实体模型建设与入库流程如图1所示。

图1 地质实训基地三维实体模型建设流程

1.2 普通三维建模

三维实训基地的重要构成部分包括建筑物、探槽、地形地貌、古生物地史长廊、地下管廊、岩性墙、走廊、道路等地质测绘专业实训模型要素，这些模型种类繁多、结构多样、细节复杂，为达到更逼真的显示效果，采用了MultiGen Creator[2]和3DMAX这两款建模软件开展精细化建模工作，最短边大于等于0.5 m的实体表面要求构建详细的立体结构，最短边小于0.5 m的实体表面可直接贴上照片纹理，以保证模型的精度。场景中的小品模型如树木、花草、栅栏、桌椅、垃圾桶等属于三维场景的装饰性模型，可采用两种方式建模：一是采用十字面片建模法建模，这种方法主要针对树木和花草建模，只需在两个垂直面上贴上植物纹理即可完成建模；二是对于桌椅、垃圾桶这些模型直接在自建的模型库或者网上下载合适的模型并集成到场景，对这些装饰性模型并不要求模型的准确度。

1.3 基于激光点云的不规则体建模

地质实训基地存在大量的不规则测绘与地质实训要素，如地质剖面、矿物标本、假山、地质园大门、溶洞、矿山等，可利用三维激光移动扫描测绘技术针对表面不规则的实体扫描得到三维激光点云数据，并拼接多个测站的获取的点云数据，使其成为一个完整的模型；然后通过滤波处理剔除多余的数据，只保留参与三维建模点云数据[3]；之后再将处理完的点云数据导入3DMAX建模软件，通过构建不规则三角网和贴图完成不规则溶洞、地质剖面、矿物标本等实体模型的建模工作，实现地质实训基地地上地下、室内室外、规则和不规则实体模型一体化集成与展示。利用激光点云建模的不规则溶洞模型如图2所示。

图2 不规则溶洞模型

2 地质实训基地三维仿真系统开发

2.1 系统技术架构

基于三维实时渲染引擎OSGEarth[4]、三维展示平台Skyline和多源数据融合GDAL组件库，系统设计与开发遵循软件设计的高耦合低内聚、可拓展性、安全性和稳定性要求，并应用C#.NET程序语言和Visual Studio2019集成开发环境完成了地质园实训基地三维仿真系统的界面设计、代码编写、编译运行和测试发布工作。系统实现了三维实训实景模型数据的统一管理及地质实体模型漫游导览、属性查询、三维空间分析、语音视频讲解等功能。整个系统的设计架构如图3所示。

图3 系统设计架构

支撑层是整个系统的基础，主要实现整个系统的软硬件组成和关键技术组成，系统应用Skyline和OSGEarth三维引擎，引入了金字塔自适应调度机制[5]，实现了二三维地质测绘数据的统一管理、分析与可视化。

数据层是系统运行的“血液”，系统基于空间数据库技术，实现矢量、影像、属性、建筑模型、地质体模型、小品模型等三维模型的统一管理。相对于传统的本地文件管理方式，空间数据库对各类数据的加载、展示、分析有着更高的效率，能为用户提供更好的交互体验感受[6]。

功能服务层和访问层是用户和系统直接交互的接口，详细的功能介绍见2.2中的系统功能模块。

2.2 系统功能模块

地质园实训基地三维仿真系统利用VR技术、3DGIS技术、RS技术、网络技术、全景技术，具有真实感强、操作简单、功能强大、维护更新便捷等特点，平台能让用户体验到一种主体存在感和沉浸感，可以在学生实习实训、校园历史与文化展现、招生宣传、信息查询与服务等各个方面发挥重要作用。系统主界面如图4所示。

图4 系统主界面

（1）导航漫游模块。导航漫游模块是系统人机交互的基本功能，系统通过展示、旋转、拖行、放大、缩小、漫游等方式展示各类和实习实训相关的三维地形、地貌、岩性强、探槽、矿井、地下管网、古生物地质长廊等。

（2）数据加载与管理模块。系统能够接入标准OGC服务（WMS，WMTS，WFS），同时能加载本地三维模型数据、*.shp格式矢量数据和*.tif格式的栅格数据、数字高程模型数据、遥感影像数据等；还能对添加到场景中的数据进行管理，控制数据在场景中的显示、隐藏、符号化等。

（3）测量量算模块。该系统是一个可量测的三维地理信息平台，可在三维场景中进行地表距离测量、地表面积测量、空间测量、高度测量等，方便测绘地质实训获取准确的位置、长度和面积信息。

（4）查询定位模块。可对添加到场景中的各类三维测绘与地质模型进行查询，获得更加详细的属性信息、图文介绍和语音讲解，让学生足不出户就能掌握对应的知识。

（5）地理分析模块。在三维场景中对地理对象和现象进行空间分析，如等高线分析、通视分析、视域分析、雷达分析、填挖方分析、淹没分析等基于地形地貌的分析[7]，这充分展示了三维虚拟实训场景的动态性、直观性和多样性。

（6）解说学习模块。系统集成了各类地质测绘模型、现象、结构的文字描述、音频介绍和视频讲解内容，用户可根据学习进度或兴趣学习具体的理论和技术知识。

2.3 地质园实训的优势

基于虚拟仿真的测绘与地质实训相较传统的实训有以下三个方面的优势：

（1）避免危险，组织容易。传统的测绘与地质实训环境大多遍布在交通不便、危险易发的野外，而且需要教师提前踏勘实训基地，在组织学生实训的过程中，指导老师需全程关注学生的吃、住、行、纪律、安全等事项。而使用地质园实训基地三维仿真系统，足不出户即可让学生了解分布在千里之外的地质现象和测绘地形地貌，让组织学生实训变得简单易行。

（2）场景丰富，激发创新意识。传统的地质测绘类专业实训很难寻找全门类的实训场景，如煤矿隧道、地下管廊、溶洞熔岩、动态场景（钻机运行、洪水淹没等）。而基于虚拟仿真技术则可以将这些实训场景搬到计算机上，让学生全面了解各类实训仪器、场景和环境，还可进一步操作、模拟与分析各类地质与测绘现象，激发学生创新意识。

（3）自主体验，主动学习。传统的地质测绘类实训以教师引导为主，学生只是被动地学习，很难发挥主观能动性。而地质园实训基地三维仿真系统具有“沉浸式体验”特征，在具体实训过程中学生每人操作一台电脑，能够根据自己的学习节奏熟悉三维场景中每一个地质特征、结构、现象、分类等，且可根据系统提供的三维地质模型、文字描述、语音讲解、视频介绍举一反三地去学习和思考，最终掌握实训的各项知识与技能。

3 结语

文章以甘肃工业职业技术学院地质园为研究基础，以先进的虚拟现实技术和三维GIS技术为依托，将虚拟仿真系统引入高职实训教学中，构建了基于三维虚拟仿真平台的实习实训方案，改变传统的教学实训教学方式，一方面让测绘地理技术专业的学生掌握测绘数据采集、处理、建库、三维可视化、仿真系统研发专业技术流程，另一方面也为职业教育中测绘与地质实训课程服务，促进教育的信息化，真正实现教、学、做一体化的教学模式创新。