虛擬現實技術在測繪領域的應用研究

【摘 要】本文介紹了虛擬現實的概念及分類，分析了虛擬現實的作用特點以及虛擬現實實現的關鍵技術，并就虛擬現實技術在測繪領域中的應用趨勢提出觀點。

【關鍵詞】虛擬現實 測繪 3S技術 應用研究

【中圖分類號】TP319 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2013）28-0194-02

虛擬現實技術自20世紀90年代以來已成為非常活躍的研究方向，已經逐漸從實驗室走向實際應用，并在疾病診斷、康復治療、航空航天、教育、娛樂等領域有著廣泛的應用。虛擬現實技術的優勢首先在軍事領域中凸顯出來，它的實時三維空間表現能力、人機交互式的操作環境給人們帶來了身臨其境的感受。虛擬現實技術正被越來越多的測繪管理層和測繪從業者關注并應用到測繪領域中，實現測繪信息的可視化和地理景觀的虛擬再現，是當今測繪領域的研究熱點。

一 虛擬現實技術的概念及分類

虛擬現實技術，又為臨境、靈境等。從應用上看它，是一種應用綜合計算機圖形技術、多媒體技術、人機交互技術、網絡技術、立體顯示技術及仿真技術等多種科學技術綜合發展起來的計算機領域的最新技術，也是力學、數學、光學、機構運動學等各種學科的綜合應用。這種新技術的特點在于通過模仿的方式，利用感覺反饋裝置及建模技術為用戶創造一種虛擬的環境，使得用戶產生一種沉浸于虛擬環境的感覺，并與虛擬環境相互作用，從而引起虛擬環境的實時變化。

根據呈現模式的不同，虛擬現實技術可分為兩大類：沉浸式虛擬現實技術和非沉浸式虛擬現實技術，后者是將影像呈現在計算機屏幕或投射到幕布上，屏幕越大，沉浸在虛擬實境中的感覺就越深刻。另外，虛擬現實系統還可根據其規模分為桌面型、頭盔型、洞空型、遙現型以及擴張型等類型。

二 虛擬現實的作用特點

與傳統測繪設備相比，虛擬現實系統有三個重要特點。

第一，沉浸性。虛擬現實技術是以人類的視覺、聽覺等生理和心理特點為基礎，由計算機模擬逼真的三維立體圖像，用戶置身于虛擬環境中，猶如真實世界一樣。反映了用戶存在于虛擬環境中感受到的真實的度。三維模型、空間感、三維環繞音響、場景隨視點的變化而變化等，都會加強用戶的沉浸感。

第二，交互性。指用戶通過自然的動作與虛擬世界中各種對象進行交互的能力。交互能力使得用戶能實時地對虛擬環境進行操作，并得到實時反饋。實時性是交互過程中最重要的因素，實時性是指計算機響應用戶指令并立即改變虛擬環境狀態的時間。實時性不好，在交互時就存在較大的延遲。

第三，構想性。即用戶可以通過虛擬現實系統感知其所具有的視、聽、觸、嗅、味等感覺信息。在虛擬環境中，用戶可以體會到一切真實環境中的真實感受。

三 虛擬現實的關鍵技術

虛擬現實是多種技術的綜合，其關鍵技術和研究內容包括以下幾個方面。

第一，虛擬環境建模技術。目的是根據應用的需要，利用獲取的實際環境的三維數據建立相應的虛擬環境模型。

第二，立體聲合成和立體顯示技術。在虛擬現實系統中消除聲音的方向與用戶頭部運動的相關性，同時在復雜的場景中實時生成立體圖形。

第三，觸覺反饋技術。讓用戶在虛擬現實系統中直接操作虛擬物體并感覺到虛擬物體的反作用力，從而產生身臨其境的感覺。

第四，交互技術。虛擬現實中，利用數字頭盔、數字手套、三維交互技術與語音識別、語音輸入技術已成為重要的人機交互手段。

第五，系統集成技術。虛擬現實系統中包括大量的感知信息和模型，因此，系統的集成技術為重中之重，包括信息同步技術、模型標定技術、數據轉換技術、識別和合成技術等。

四 虛擬現實技術在測繪中的應用

當前的測繪產品大部分是靜態的二維地圖，然而，用戶更感興趣的是對地理現象的演化過程進行可視化和動態分析、動態模擬。在傳統的靜態地圖上，即使顯示在屏幕上，也不能滿足用戶的要求，用戶希望在一個動態的、三維可視化的、交互的環境中來處理、分析、顯示多種地理數據。虛擬現實技術是對于解決當前問題的有效方法之一。

對整個地球實現無縫拼接，任意漫游和放大是虛擬現實的終極目標。在傳統地理信息的表達中，現實生活中的三維地理實體與現象是通過一定的方式轉換到二維空間中來表達的。與二維空間中地理信息的表達方式相比，將VR技術與GIS相結合起來，用戶就容易以日常生活中習慣的思維方式去認識、理解地理事物，就更容易從系統中獲得所需的知識。

隨著計算機及圖形處理設備性能的不斷提高，實時動態顯示、交互式控制、具有高度真實感的場景畫面顯示方式將是未來地形三維可視化發展的趨勢。如果將遙感影像的紋理映射技術和表現形式與VR結合起來，那么，在表達地理信息實體與現象時就可以達到內容上更加真實，信息上更加豐富，時態上更加現實的效果。結合GIS、VR以及RS等技術的融合與應用，測繪產品可視化的發展應該是：以虛擬現實為其顯示方式發展方向；以地理信息系統（GIS）為其數據組織和結構功能發展方向；以源源不斷的遙感（RS）影像數據及其衍生的地形數據為其內在生命力和表現力的源泉。

結合可持續發展戰略、數字地球戰略的實施以及人們生產生活的需要，未來虛擬現實技術軟件要開發基于基礎地理信息數據的集成化、信息化、知識化的數字測繪產品和技術信息一體化產品，包括網絡化基礎地理信息系統、空間決策支持地理信息系統等各種信息系統產品，實現產品形成的數字化、空間數據的信息化、數據應用的可視化、產品服務的網絡化。

五 虛擬現實技術在測繪領域的應用前景展望

虛擬現實技術在測繪領域應用前景廣闊，但我國的虛擬現實技術起步較晚，尤其是在測繪領域仍存在著許多尚未解決的理論問題和尚未涉及的領域，這些都為目前的研究提供了方向。將虛擬現實技術與3S技術相結合，實現高精度、實時的地面影像信息的獲取、空間信息的自動提取、空間數據的智能化處理、三維景觀的可視化與虛擬再現是測繪學的必然發展趨勢。

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〔責任編輯：范可〕