摄影测量教学中虚拟仿真技术对学生空间认知能力提升的影响分析

［摘 要］ 摄影测量作为现代测绘技术重要的组成部分，不仅要求学生掌握扎实的理论基础，还强调对空间数据的采集、处理和分析能力。然而，传统的摄影测量教学受限于实验设备、场地和成本等因素，难以提供足够的实践机会，导致学生空间认知能力提升不足。而虚拟仿真技术模拟真实的测量环境和场景，为学生提供了一个安全、便捷、高效的实践平台，极大弥补了传统教学的不足。主要分析摄影测量教学中虚拟仿真技术对学生空间认知能力提升的影响。

［关 键 词］ 摄影测量教学；虚拟仿真技术；空间认知能力

［中图分类号］ G642 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 2096-0603（2024）33-0０57-04

虚拟仿真技术在摄影测量教学中的应用，可直观展示摄影测量的基本原理、操作流程和数据处理方法，帮助学生更好地理解和掌握相关知识。开展虚拟仿真实验，学生可身临其境地体验摄影测量的全过程，从仪器的操作、数据的采集到处理分析，每一个环节都能得到充分的实践。沉浸式的学习方式，不仅能提高学生的学习兴趣和积极性，还能促进他们对空间数据的感知和理解，从而有效提升空间认知能力。

一、摄影测量中的空间认知能力概述

在摄影测量中，空间认知能力是一项至关重要的能力，涉及个体对三维空间内物体位置、形状、大小及其相互关系的感知、理解和想象。空间认知能力是指个体通过视觉、触觉等多种感官途径，对空间信息进行感知、加工、存储、提取和应用的能力。在摄影测量领域，空间认知能力具体表现为对摄影图像中地物空间信息的识别、提取、重建和解释[1]。

空间认知能力的构成要素包含如下：（1）空间观察能力，指个体准确观察并识别摄影图像中地物的空间位置和形态特征，如建筑物的轮廓、道路的走向、地形的起伏等。（2）空间记忆能力，指个体将观察到的空间信息在大脑中进行编码、存储和回忆的能力。在摄影测量中，有助于在后续的数据处理和分析中快速检索和应用相关信息[2]。（3）空间想象能力，指个体能够根据已有的空间信息，在大脑中构建出三维空间模型，并对其进行旋转、缩放、平移等操作，以便更好地理解和分析空间关系。（4）空间思维能力，指个体运用逻辑思维和推理能力，对空间信息进行深入分析和处理，解决复杂的空间问题。在摄影测量中，包括利用摄影测量原理进行地物空间坐标的计算、地形图的绘制等。

二、虚拟仿真技术在摄影测量教学中的优势

（一）沉浸感与交互性

沉浸感是指学习者在虚拟环境中体验到的身临其境的感觉，通过高质量的图形渲染、真实的音效和互动操作实现。例如，学生在进行三维建模时，利用虚拟现实设备与模型进行直接交互，改变视角、放大细节，仿佛置身处于真正测量现场；交互性则是学习者与虚拟环境之间的动态互动。高水平的交互性不仅能提高学生的参与感，还能促使他们主动探索和学习[3]。以摄影测量中的航线规划为例，学生在虚拟环境中调整飞行路径，实时观察不同设置对数据采集效果的影响。交互体验使学生在实际操作中更好地理解摄影测量的原理与方法。

（二）安全性与成本效益

传统的摄影测量教学需学生在实地进行操作，不仅存在一定的安全隐患，还导致高昂的设备及材料成本。利用虚拟仿真技术，教学过程在安全的虚拟环境中进行，避免实际操作中遇到的意外情况[4]。例如，在进行无人机航测教学时，学生在虚拟环境中模拟飞行操作，熟悉无人机的操控，而不必担心设备损坏或人员受伤。从成本效益的角度来看，虚拟仿真技术的引入，显著降低教学的总体开支。虚拟仿真系统通常包含多种教学模块，满足不同课程内容的需求，进一步提高了资源的利用效率。

（三）灵活性与可重复性

灵活性体现在多个方面，包括教学内容的多样化、学习方式的选择以及时间和地点的自由度。虚拟仿真环境根据不同的教学目标和学生需求，快速调整和适应课程内容。例如，教师根据学生对知识的掌握情况，灵活设计不同难度的虚拟测量任务，帮助学生在不同层次进行学习；可重复性则是虚拟仿真技术的一大优势。学生在同一虚拟环境中多次进行操作和实验，直至完全掌握相关技能。重复练习的机制，有助于巩固知识，提高学生的空间认知能力。以航线规划为例，学生反复进行不同场景下的航线设计，逐步理解航线与地形之间的关系，从而提升空间思维能力[5]。

三、摄影测量教学中虚拟仿真技术对学生空间认知能力提升的影响

（一）提高空间感知能力

空间感知能力是指个体理解和处理空间信息的能力，包括对物体位置、方向、距离和形状的感知。利用虚拟仿真技术，学生在三维环境中进行直观观察和操作，有助于更好地理解摄影测量的基本概念[6]。例如，在虚拟仿真环境中，学生利用虚拟相机进行场景观察，实时调整视角和焦距，从而获得对目标对象的多维度理解，不仅提高对空间关系的认知，还能更加准确地评估目标对象的位置和方向。以无人机航测为例，学生利用虚拟仿真软件，模拟无人机的飞行路径，观察不同高度和角度下的地形特征，增强对空间结构的准确把握。此外，虚拟仿真技术展示复杂的空间变化过程，帮助学生理解摄影测量中动态元素的影响[7]。例如，在进行地形测绘时，虚拟仿真模拟不同天气条件和光照变化对摄影效果的影响。学生观察这些变化，更好地理解如何在实际操作中调整拍摄参数，以获得最佳的测量结果。同时，对虚拟环境的交互，学生还可进行多次实验，探索不同的操作方法和结果。这种灵活性使得学生在无风险的环境中反复练习，从而加深对空间信息的理解。研究表明，频繁的实践和反馈，有效提升了学生的空间感知能力，使他们在实际应用中更加得心应手。

（二）培养空间想象能力

空间想象能力是指个体在脑海中对空间信息进行加工、重组和再现的能力。在摄影测量的学习过程中，学生需对复杂的三维空间进行理解，这一过程依赖于良好的空间想象能力[8]。利用虚拟仿真技术，学生在三维环境中进行模拟操作，感受从不同角度观察物体的效果。例如，在虚拟环境中，学生可自由旋转和缩放三维模型，从而更好地理解物体的空间布局和结构。沉浸式的体验，帮助学生打破传统教学中静态图像和二维平面的限制，使他们在脑海中形成更为立体和动态的空间概念。具体而言，虚拟仿真技术提供的交互性和即时反馈机制，使学生在进行空间想象训练时及时调整和优化自己的理解。例如，在进行航线规划时，学生可利用虚拟无人机的视角观察地形变化，实时调整航线设计。动态的学习方式，提高了学生的空间思维能力，使他们更灵活地应对实际摄影测量中的复杂情况。此外，虚拟仿真环境可设计多种情境，帮助学生在不同的空间条件下进行练习。例如，模拟不同的地理环境或气象条件，要求学生在这些特定情境下完成任务。多样化的训练方式，不仅丰富了学习内容，还提升了学生在不同空间情境中进行想象和推理的能力。

（三）提升空间定位与定向能力

空间定位与定向能力，是指个体在三维空间中识别和定位物体的能力，有利于摄影测量的实际操作。利用虚拟仿真技术，学生在计算机生成的三维环境中进行反复操作，从而加深对空间关系的理解。例如，利用虚拟现实设备，学生在模拟环境中进行航线规划和相机角度调整，沉浸式体验使他们直观地感受到不同拍摄角度和高度对最终影像的影响，有助于学生在真实环境中进行摄影测量时迅速而准确地进行空间定位。在教学过程中，利用虚拟仿真技术进行空间定向训练时，设置不同的场景，如城市建筑、自然地形等。学生在这些场景中不仅要识别出自身位置，还需根据已有数据进行有效导航。此外，虚拟仿真技术还设置多种任务，挑战学生的空间定位与定向能力。例如，设计一项任务要求学生在虚拟环境中找到特定的目标点，并记录其坐标。在这一过程中，学生需利用自身的空间想象能力进行有效的路径规划和判断，不仅锻炼了空间定位能力，还提高了在动态环境中快速反应的能力。

（四）提高空间分析与决策能力

空间分析能力，是指学生在面对复杂的空间信息时进行有效的解读与分析，从而做出合理决策的能力。利用虚拟仿真技术，学生在模拟环境中进行实际操作，有助于在真实场景中灵活应对各种问题。在虚拟仿真环境中，学生可实时处理和分析从不同角度获取的空间数据。例如，在进行航测任务时，学生be6d82dd9e97d0b842876b9b0c758a0dbb080863ea15c93bde833e4f6151bc2c结合虚拟仿真软件对航线进行规划，观察不同航线对数据采集的影响。在此过程中，学生需考虑航线的选择、重叠度、飞行高度等因素，分析不同参数对最终数据质量的影响，培养空间分析能力。同时，决策能力的提升则体现在学生在多种解决方案中进行选择。虚拟仿真技术提供多种情境模拟，使学生在面对问题时可进行多次尝试，观察不同策略下的结果。例如，在进行建筑物三维重建时，学生在虚拟环境中测试不同的建模方法，分析其优缺点，从而选择最佳方案。这种经验有助于学生在今后的工作中做出更为科学的决策。此外，虚拟仿真技术支持数据的可视化呈现，帮助学生更直观地理解复杂的空间关系。结合三维模型的交互式展示，学生更好地识别空间位置、方向和相对关系，进而在分析数据时做出更合理的判断，不仅提高了空间认知能力，还增强了在真实环境中进行空间决策的信心与能力。

四、摄影测量教学中利用虚拟仿真技术提升学生空间认知能力的途径

（一）构建逼真的三维虚拟环境

逼真的虚拟环境，不仅能模拟实际的摄影测量场景，还能为学生提供沉浸式的学习体验，促进其空间思维的提升。三维虚拟环境的构建，需要高精度的地理数据和真实的场景模型。利用激光扫描、无人机航拍和地理信息系统（GIS）等技术，获取真实场景的三维数据。这些数据经过处理后，可生成高质量的三维模型，确保虚拟环境的真实性。例如，在一个城市规划的教学案例中，教师利用实际的城市三维模型，模拟不同的建筑布局和地形变化，让学生在虚拟环境中进行摄影测量操作。在虚拟环境中，交互性是提升学习效果的关键。学生利用虚拟现实（VR）设备或计算机界面与环境进行互动，例如移动视角、放大缩小视图、改变光线条件等。这种互动不仅使学习过程更加生动，还能帮助学生理解复杂的空间关系和测量原理。以航线规划为例，学生在虚拟环境中尝试不同的相机参数和飞行路径，观察这些变化对测量结果的影响，从而加深对摄影测量原理的理解。此外，虚拟环境的构建，应考虑用户的操作便捷性和学习的多样性。设计合理的用户界面和操作流程，使学生轻松上手。设置不同的学习模式，如自主学习、合作学习或任务导向学习，满足不同学生的学习需求和偏好。教师可设计一系列任务，例如在虚拟环境中完成特定的测量任务，学生在完成任务的过程中，不仅锻炼空间认知能力，还提高了实际操作技能。最后，虚拟环境的构建还应注重反馈机制的设计。在学生进行测量操作后，系统应提供即时的反馈，帮助学生识别错误并进行改正。

（二）模拟实际摄影测量操作

在摄影测量教学中，模拟实际操作，是提高学生空间认知能力的有效手段之一。利用虚拟仿真技术，在安全的环境中模拟航线规划、相机操控和数据处理等实际操作，帮助学生更好地理解和掌握摄影测量的基本技能。首先，航线规划是摄影测量流程中的重要环节，直接影响数据采集的效率和质量。在虚拟仿真环境中，学生使用不同的飞行高度、速度和拍摄角度进行航线规划。开展实际操作，学生直观看到不同参数设置对航线的影响，进而理解如何根据项目需求进行合理的航线设计。例如，学生模拟在复杂地形中进行航线优化，学习如何避免障碍物，确保数据采集的完整性和准确性。其次，相机操控，则涉及摄影测量设备的使用技巧。在虚拟仿真平台，学生可体验不同相机参数的调整，如快门速度、光圈大小和ISO设置等。开展模拟操作，学生理解这些参数对图像质量的影响。例如，学生在模拟拍摄时，观察到在不同光照条件下不同相机设置所拍摄的图像质量变化，从而掌握最佳的相机操控技巧。此外，数据处理是完成摄影测量任务的最后一步。在虚拟仿真技术的支持下，学生可体验从数据采集到数据处理的整个流程。利用模拟软件，学生学习如何使用专业的数据处理工具进行三维重建、点云处理和影像拼接等操作。在这一过程中，学生不仅了解数据处理的基本原理，还可结合实例分析掌握处理过程中的关键技术和常见的问题解决方法。例如，学生模拟不同类型的数据处理软件，比较其在速度和结果准确性上的差异，增强对数据处理工具的熟悉度。

（三）开展综合性实验

在摄影测量教学中开展综合性实验，有利于提升学生的空间认知能力，尤其是利用无人机进行航测数据的快速采集与处理、园区测绘以及考古地形的构建，具有重要的实践意义。首先，近年来，无人机航测技术得到了广泛应用，具备高效、精准的特点。利用无人机进行航测数据的快速采集，学生在真实的操作环境中了解航测的基本流程，包括航线规划、飞行控制和数据获取。这一过程不仅让学生掌握数据采集的技术，还能在操作中提升其空间感知能力。例如，在进行航测时，学生需根据地形特征合理规划航线，并考虑飞行高度和重叠率。这些决策过程要求学生具备良好的空间思维能力。其次，在园区测绘实验中，学生利用无人机收集特定区域的影像数据，结合后续的图像处理和数据分析，将获取的影像转化为可用的三维模型。这一过程不仅让学生熟悉影像处理软件的使用，还能培养其空间想象能力。对比实际园区的三维模型与其二维影像，学生更直观地理解空间关系及其变化，进而提升空间定位与定向能力。最后，考古地形构建实验，则为学生提供更为丰富的实践体验。在这一实验中，学生利用无人机采集考古遗址的影像数据，随后进行数据处理和分析，最终重建考古地点的三维模型。这一过程不仅涉及技术操作，还需要学生进行空间分析与决策。例如，学生需要判断哪些数据点更为重要，如何优化数据处理流程以获得最佳的模型效果。综合性的实验培养学生的空间分析能力，使其在实际应用中能够快速做出有效的决策。

（四）强化实践与反馈

在摄影测量教学中，虚拟仿真技术不仅提供丰富的学习环境，还能有效强化学生的实践能力与反馈机制。实践环节的设计，能帮助学生将理论知识与实际操作相结合，深化对空间认知的理解。引入虚拟仿真技术，教师可设计多样化的实践活动。例如，利用虚拟现实（VR）技术，学生在模拟环境中进行无人机航测，体验航线规划、相机操控以及数据处理的整个过程，不仅激发学生的学习兴趣，还让他们在安全的环境中进行操作，避免实际操作中可能遇到的风险。同时，反馈机制的建立，促使教师通过系统记录学生在虚拟仿真环境中的操作数据，分析其决策过程和操作结果。基于这些数据，教师提供个性化的反馈，帮助学生识别自己的优缺点，从而进行针对性改进。此外，开展小组讨论，也是一种有效的强化实践与反馈的方式。学生在完成虚拟仿真实践后，围绕操作过程中的问题进行讨论，分享各自的经验与见解，不仅促进学生之间的交流，还加深了他们对实践内容的理解。教师在这一过程中充当引导者，帮助学生梳理思路，深化对空间认知能力的认识。

五、结束语

在摄影测量教学中，虚拟仿真技术的应用，为提升学生的空间认知能力提供新的视角和方法。构建逼真的三维虚拟环境，学生不仅在安全、可控的条件下进行实际操作，还能充分体验到真实场景下的复杂性与多样性。虚拟仿真技术的引入，有效地提高了学生的空间感知能力，使他们在面对实际测量任务时能够更加从容应对。同时，虚拟仿真技术的交互性特点，使学生通过实践活动深入理解摄影测量的基本原理和操作流程。模拟实际摄影测量操作的过程，如航线规划、相机操控及数据处理，使学生在虚拟环境中反复练习，从而培养其空间想象能力和空间定位与定向能力。此外，开展综合性实验，例如无人机航测数据的快速采集与处理，不仅提升学生的实践能力，还为他们提供了真实的应用场景，进一步巩固了所学知识。总之，虚拟仿真技术在摄影测量教学中的有效应用，显著提升了学生的空间认知能力，为其未来的学习和职业发展奠定了坚实基础。

参考文献：

［1］ 陈时雨，牛继强，胡月.虚拟仿真技术在“摄影测量学”中的教学实践研究［J］.黑龙江生态工程职业学院学报，2020，33（2）：128-130，142.

［2］ 刘继庚，邓仕雄，何清平，等.基于OBTL模式下虚拟仿真技术在无人机摄影测量教学中的应用［J］.模具制造，2024，24（4）：41-43，47.

［3］ 邓兴升.虚拟仿真平台下摄影测量实践教学模式探索［J］.测绘工程，2015（9）：74-76.

［4］ 郭春蕾.基于虚拟仿真技术的实践教学改革：以摄影测量基础实践课程为例［J］.大学，2021（7）：47-49.

［5］ 段祝庚，陈丰田，岳雄，等.虚实结合无人机摄影测量实验教学改革与效果评价［J］.实验室研究与探索，2021，40（10）：201-205.

［6］ 吴玮，徐敬海.无人机航空测绘过程虚拟仿真实验教学的探索［J］.现代测绘，2021，44（5）：62-64.

［7］ 邓磊，段福洲，李家存，等.虚拟仿真实验教学模式探索：以无人机航测综合实习为例［J］.科技创新导报，2019，16（35）：234-237.

［8］ 梅晓丹，王晓宇，丁乾坤，等.虚拟航空摄影测量实验系统的设计与实现［J］.测绘工程，2015（12）：75-80.

◎编辑 尹 军