构建VR交互式自然景观的技术策略研究

摘要：本文探讨了VR技术的基本原理和关键技术，提出了构建VR交互式自然景观的方法。该方法基于VR全景和虚拟现实引擎分析，比较了软件、航空影像和激光扫描的建模方法，旨在高效实现数字化自然景观。经过评估自然景观特征、建模技术特点以及包括形态采集、数据分析、场景规划、模型构建和交互设计在内实施方案，开发了以Unreal Engine为核心，融合激光扫描、景观敏感性分析、点云数据建模的高效策略，旨在促进用户与虚拟自然景观之间的实时交互，增强交互的沉浸感和满意度。

关键词：VR技术；自然景观；交互；数字景观

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.01.007

中图分类号：TP 18" " " " " " " " "文献标志码：A" " " " " " 文章编码：1672-7274（2025）01-00-03

Research on Technical Strategies for Building VR Interactive Natural Landscapes

CHENG Ting

（Jinzhong Information College， Jinzhong 030800， China）

Abstract： This article explores the basic principles and key technologies of VR technology， and proposes methods for constructing VR interactive natural landscapes. This method is based on VR panoramic and virtual reality engine analysis， comparing modeling methods of software， aerial imagery， and laser scanning， aiming to efficiently achieve digital natural landscapes. After evaluating the natural landscape features， modeling technology characteristics， and implementation plans including form collection， data analysis， scene planning， model construction， and interaction design， this article developed an efficient strategy that integrates laser scanning， landscape sensitivity analysis， and point cloud data modeling with Unreal Engine as the core. Intended to promote real-time interaction between users and virtual natural landscapes， enhancing the immersion and satisfaction of the interaction.

Keywords： VR technology; natural landscape; interaction; digital landscape

数字时代背景下，VR交互式自然景观作为虚拟现实技术的创新应用，利用数字景观与虚拟现实技术将真实自然景观精准模拟与还原，赋予用户沉浸式的感知、互动与探索体验。然而，当前该领域在细节呈现与真实感方面仍有不足，影响了沉浸效果。鉴于此，本文深入剖析VR技术核心，评估各技术优势，并依据特定需求与场景，探索优化VR交互式自然景观的技术路径[1]。

1" "自然景观的数字化表达

通过对真实景观的数据采集、数据处理与分析、优化与生成自然景观的数字化模拟，提供涵盖互动视频、设计建造、教育旅游等多个领域的To C与To B虚拟交互应用。该系统通过收集使用者数据来持续优化用户体验，形成良性机制，以促进景观认知、亲环境性发展及商业价值激发。其系统模式如图1所示。

1.1 自然景观的数字化采集与分析

通过遥感技术、数字摄影测量、三维激光扫描技术、全站仪测量等数据采集技术提供更为全面、客观、准确的数据资料，为互联网来源的OSM地图数据、DEM高程数据、POI城市空间点数据等提供了丰富的数据类型与样本。目前已经实现了开放共享的覆盖主要生态要素资源环境数据的互联互通，通过GIS将即时生成的关联数据可视化，为VR交互式自然景观的搭建积累了数据基础。ENVI、ERDAS、Depthmap、Fragstats等数字化软件的地理分析、空间分析、生境分析等功能为自然景观游览路径与热点的设置提供了支撑，使VR交互式自然景观结果更加合理。

1.2 自然景观的数字化模拟与呈现

数字化自然景观建立过程中的核心内容是三维空间模型的建立，目前主要仿真模式有以下三种[2]。

（1）软件建模：通过专业软件建模和渲染能够达到精细逼真的自然景观效果，例如3DMax。然而，自然景观往往具有极高的复杂性和多样性，不仅包含大量细节，还涉及复杂的物理和生态过程。一些软件，如Rhinoceros具备NURBS技术，能够进行复杂曲面建模。或Lumion通过导入DEM高程数据生成地形模型，通过添加光照、植被、水体等能快速创建出完整场景。但当体量庞大时，采用软件建模方式处理自然景观仍然吃力。

（2）航空影像建模：利用无人机或飞机搭载的高分辨率相机拍摄的地表影像，结合倾斜摄影测量技术和GIS捕捉地形、植被等细节，能够快速生成大面积的三维地形模型。通过Cesium平台或Smart3D Capture、Pix4D等专业软件的处理，将影像数据转化为高精度的三维点云，进而构建出逼真的自然景观模型，此方法是一种高效率的自然景观模型构建方式，适用于大范围、复杂地形的数字化模拟与呈现。

（3）激光扫描建模：通过激光扫描仪精确获取景观的三维坐标数据，这些数据可以直接生成模型，例如Faro Scene软件可用于处理Faro三维激光扫描仪的数据并直接生成三维点云模型，也可以通过PointCab、CloudCompare等软件进一步将点云数据转化为多边形网格模型。此技术能精准捕捉几何形态与表面细节，适用于高精度重建，且在密林、山地等复杂环境中表现卓越，为难以使用传统测量的区域提供建模新途径。

2" "VR技术与自然景观交互

2.1 VR基本原理与关键技术

VR（Virtual Reality）技术融合了计算机图形学、传感器及人机交互等多学科，通过构建三维虚拟环境，令使用者能够沉浸在模拟真实或虚构的数字化空间中，获得与现实世界相似的感知体验。其基本原理在于利用设备将用户的视觉与听觉输入替换为计算机生成的立体图像与3D音效，结合体感装置追踪身体动作，实现第一人称视角的自然互动[3]。支撑VR沉浸、互动与想象效果的关键技术如下。

（1）立体显示技术：通过头戴式显示器（HMD）的双屏设计或特殊光学结构，模拟人眼的立体视觉原理，使左右眼分别看到略有差异的图像，提供深度感强烈的虚拟环境。

（2）场景建模技术：运用建模软件、3D扫描设备与摄影测量技术获取环境三维数据并转化为详尽的虚拟模型，涵盖地形地物环境、建筑物、材质与光影效果，营造逼真数字景观。

（3）自然交互技术：借助VR手套、手柄等设备的传感器捕捉用户动作与声音，利用手势识别算法、语音识别算法等技术将这些输入转化为虚拟操作指令，增强沉浸感与参与感。

（4）物理仿真技术：利用物理引擎精确计算物体之间的相互作用和运动状态，模拟重力、碰撞、摩擦等真实物理规律，确保虚拟环境中物理效果的真实呈现，提升体验真实性。

（5）系统集成技术：通过信息同步、模型标定、数据转换与管理等技术，整合多源感知信息，确保不同设备和模型之间的数据交换和协同工作，实现VR系统的整体协同与高效运行。

2.2 构建VR交互式自然景观的技术策略

（1）VR全景：该方法基于实地拍摄，通过全景图技术提供自然景观的360°沉浸效果。具备制作易、成本低、真实性强的特点，观看者通过佩戴显示设备能够进行人机交互，具有极强的可塑性[4]。图2展示了VR全景自然景观的实现流程，涵盖拍摄规划、影像采集、处理、平台制作及多渠道分享。根据不同尺度的自然景观，选择影像采集技术与设备，以获取符合技术要求的影像数据。目前使用较多的VR全景平台，如720云，具有开放的全景图制作、全景展示与交互设置功能，操作容易，呈现效果能够符合大多数应用领域的要求。对于尺度较大或要求较高的自然景观VR全景，则会通过PTGui、Nuke、Pano2VR、VRMaster以及3DVista等软件生成。

（2）虚拟现实引擎：以虚拟现实引擎作为核心技术平台提供自然景观的自然式交互，参与度高、沉浸性强，具有极强的互动性[5]。以Unity3D与Unreal Engine作为主流引擎，在开发场景中各具优劣。Unity3D具备跨平台兼容性以及丰富的插件生态，支持从基础的三维建模到高级的物理模拟、光照效果及音频处理，使开发者能够轻松地将自然景观的复杂细节以高度逼真的方式呈现出来。其Shader编程能力也为自然景观的动态光影效果提供了无限可能，增强了用户的沉浸感。Unreal Engine则以其强大的图形渲染能力和高度优化的性能著称，尤其适合需要极致视觉体验的项目。其内置的蓝图系统降低了编程门槛，使非程序员也能参与到交互逻辑的设计中来。对于自然景观而言，Unreal Engine能够利用其先进的光照模型、全局光照解决方案以及实时物理模拟技术，创造出令人叹为观止的视觉效果，如逼真的水流、植被摇曳、天气变化等，极大地提升了自然景观的真实感和动态性。

3" 构建VR交互式自然景观的策略评估

与优化

鉴于自然景观的特征和模型生成的技术特点[6]，本文提出了基于VR全景和虚拟现实引擎构建VR交互式自然景观的技术路线，如图2所示。

图2 VR交互式自然景观技术路线与对比

在技术路线中，本文探讨了多样化的实施方案，并找到合适本文所提路径。笔者认为，用户参与的VR交互式自然景观的核心需求是景观类型的多样性和景观提供信息的丰富程度，用以激发用户探索行为或沉浸行为，需要模拟真实世界的观赏体验规律，因此并不需要过大的景观规模。基于此，笔者认为以虚拟现实引擎驱动的自然景观构建技术更符合这一需求。结合激光扫描技术进行自然景观形态采集，以高效获取自然景观的精确数据；利用ArcGIS、Fragstats等工具进行科学的景观敏感度分析，提供利于用户偏好的场景规划方案并找到模拟真实观测点，确保用户在虚拟环境中能够体验到与自然景观相似的视角和感知；借助Fraro scene、pointCab或pix4D等三维实景建模技术，生成精细的自然景观模型；在此基础上，利用Unreal Engine进行自然景观的互动设计，实现用户与自然景观视觉之间的实时交互，提升用户体验感和满意度。

4" "结束语

近年来，虚拟现实技术已经融入人们的日常生活，改变了人们对于世界的感知方式，为人们提供了前所未有的沉浸式体验。在VR技术应用领域中，虚拟自然景观的交互至关重要。因此，本文系统地分析了VR技术在自然景观数字化与交互性提升中的应用潜力，提出了数据采集、方案规划与建模技术的合理方案。以探索高品质的自然景观真实再现与用户的自然交互，提升沉浸式体验感受，为VR技术在景观设计、自然生态旅游、教育等领域的应用提供参考。■

参考文献

[1] 袁茜茜，吕星月，冯大权，等．基于技术驱动与服务创新的虚拟现实产业发展研究[J]．中国工程科学，2024（1）：26．

[2] 成玉宁，樊柏青．数字景观进程[J]．中国园林，2023，39（6）：6-12．

[3] 李亚娟，王海峰．基于VR技术的虚拟旅游系统的设计与实现[J]．自动化与仪器仪表，2019（9）：195-197，201．

[4] 陈梓茹，傅伟聪，朱志鹏，等．全景呈现技术在景观视觉评价中应用的优劣势分析[J]．西安建筑科技大学学报：自然科学版，2021（4）：584-593．

[5] 韩旭，王祥．基于VR技术的游戏化旅游系统设计研究——以东湖听涛景区为例[J]．艺术科技，2023，36（13）：27-29．

[6] 王浩淼，桑胜举，段晓东，等．虚拟现实环境下的协同式三维建模方法[J]．图学学报，2024，45（1）：169-182．

基金项目：山西省教育厅2023年度高等学校科技创新计划项目，基于VR技术的虚拟自然景观的交互式探索与学习（编号2023L527）。

作者简介：程" 婷（1988—），女，汉族，山西太原人，讲师，博士研究生，研究方向为景观规划设计。