虛擬現實技術在測繪領域的應用研究

藍圖

摘要：數字時代的到來，虛擬現實技術基本實現了在多個行業領域中的普及。在20世紀90年代，相關行業領域對于虛擬現實技術的研究已經呈現出重點關注的趨向，與該技術相關的研究也從單純的實驗室研究轉向了實踐應用方面的研究，這對于測繪、教育、航天等領域的發展起到了至關重要的促進作用。將針對虛擬現實技術在測繪領域的應用，做出針對性剖析與闡述。

關鍵詞：虛擬現實技術；測繪領域；應用分析

一、前言

虛擬現實技術，是一種多學科交叉研究而衍生的產物，于20世紀發展起來的一種創新的實用技術，其中包含仿真技術、電子信息技術等多種內容，最基本的實現形式，就展現在計算機技術的應用上。而在社會發展速度不斷提升的助力下，在多個行業的發展中，都應用了虛擬現實技術。行業領域對于這種技術的需求也呈現出一種渴求的特點，并十分注重這方面的研究，當然測繪領域也不例外。

二、虛擬現實技術的內涵、特點與類型

（一）虛擬現實技術的內涵

虛擬現實技術是一種可以讓使用者沉浸在虛擬世界中的先進科學技術，它可以將各種信息融合在一起，創造出一個三維動態的、可以實時交互的虛擬環境，讓使用者可以體驗到真實世界中的各種元素。虛擬現實技術是一種跨學科的高新技術交叉學科專業，它將計算機圖形學、人機接口信息技術、多媒體教學信息技術、傳感系統技術、網絡等各種信息技術緊密聯系起來，以更加逼真的方式呈現給使用者，是一種具有挑戰性的前沿技術。虛擬現實技術（VR）是一種令人身臨其境的科技，它利用電腦形成的三維空間立體圖形，即時動感地模擬真實世界，并且能夠讓人們感受到自然界中的一切，從而實現真實的體驗[1]。除了計算機圖形技術所需要形成的視覺感知，人類還可以利用聽力、觸覺、力覺、運動等感覺，乃至嗅覺和味覺等多種感官來獲取信息，這種多感覺操作技能也被稱為天然操作技能。天然操作技能是指人類進行頭部轉動、眼神、手勢或一些身體行為動作，計算機系統能夠根據使用者的動作數據處理相應的數據分析，并對使用者的輸入做出即時反映，從而使用戶的五官得到及時的反映。感應器是一種三維空間交互設備。

（二）虛擬現實技術的特點

和傳統的測繪設備相比，虛擬現實技術有以下幾方面的特點：①構想性，指用戶能夠借助虛擬現實設備，感知其所產生的視線、聆聽、觸覺、嗅覺、味覺等感知內容。在虛幻情境中，用戶能夠感知一切在現實世界中的實際體驗。②互動性，指用戶借助自己的行為與虛擬世界的各種物體實現互動。互動能力要求用戶能夠對虛幻情境實施即時操縱，并進行信息反饋。即時化是互動環境中最關鍵的環節，而即時化是指計算機響應用戶命令后迅速改變虛幻環境狀況的能力。由于實時化效果較差，在實際互動中也就產生了很大的延時。③沉浸感，虛擬現實技術主要以人體的視野、聽力等生理和心理特點為依據，由電腦模擬真實的三維空間或立體畫面，人們仿佛置身于虛幻情境中，就如同在實際社會中一般[2]。體現了人們對在虛幻情境中所體驗到的真切的感受。而三維空間模型、空間感、三維環繞音響、畫面隨視角的不同而改變等等，都可以增加人們的沉浸性。④自主性，自主性是虛擬世界中物體可按各自的模型和規則自主運動。⑤動作性，指人能以客觀世界的實際動作或以人類實際的方式來操作虛擬系統，讓人感覺到自己面對的是一個真實的環境。

（三）虛擬現實技術的類型

虛擬現實技術依照不同標準，可劃分為以下四種類型：①高級虛擬現實系統，能夠完全提供沉浸式體驗，讓用戶在虛擬世界之中完全沉浸，充分發揮頭盔式顯示器、其他相應的設備的作用，并將用戶的視、聽、觸等多種感官知覺進行及時的封閉，以便將全新的虛擬感覺空間提供給參與者，并利用位置跟蹤器、數據手套等使參與者產生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。常見的沉浸式系統有：基于頭盔式顯示器的系統、遠程存在系統等。一般用于娛樂或驗證某一猜想假設、訓練、模擬、體驗等。②桌面虛擬現實，利用個人計算機和低級工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口。通過各種輸入設備實現與虛擬現實世界的充分交互，這些外部設備包括鼠標、追蹤球、力矩球等。它要求參與者使用輸入設備，通過計算機屏幕觀察360度范圍內的虛擬境界，并操縱其中的物體，但這時參與者缺少完全的沉浸感，因為它仍然會受到周圍現實環境的干擾。桌面虛擬現實的最大特點是缺乏真實的現實體驗，但是成本也相對較低，因而應用比較廣泛。其主要特點為全面、小型、經濟、適用，非常適合VR工作者的教學、研發和實際應用。③分布式虛擬現實，多個用戶通過計算機網絡連接在一起，同時參加一個虛擬空間，共同體驗虛擬經歷，而虛擬現實則提升到了一個更高的境界，這就是分布式虛擬現實系統。在分布式虛擬現實系統中，多個用戶可通過網絡對同一虛擬世界進行觀察和操作，以達到協同工作的目的。④增強現實性的虛擬現實，不僅利用虛擬現實技術來模擬現實世界、仿真現實世界，而且要利用它來增強參與者對真實環境的感受，也就是增強現實中無法感知或不方便的感受。典型的實例是戰機飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數和武器瞄準數據投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數據，可集中精力盯著敵人的飛機或導航偏差。虛擬現實技術在當期階段發展中的前景較為廣闊，但是，虛擬現實技術作為一項高速發展、不斷創新的科技技術，在不斷發展中，自身的問題也隨之逐漸浮出水面，需要引起相關研究人員、應用領域的重視，例如用戶視覺體驗問題等，需要相關行業企業重點關注與探究。

三、虛擬現實技術的發展現狀

當前我國進入5G建設高潮，正式進入規模商用時期。進入21世紀以來，虛擬現實技術已在全球所有國家中蓬勃發展。虛擬現實技術曾被認為是下一代通用技術平臺和下一代互聯網的入口，是引領全球新一輪產業變革的重要力量，是經濟發展的新增長點，目前已經在工業、軍事、醫療、航天、教育、娛樂等領域形成較為成熟的局面。據相關調查結果表明，虛擬現實技術正日益得到社會大眾的重視。以三個“I”，即“Immersion”（沉浸感）、“Interaction”（交互性）以及“Imagination”（思維構想性），成為虛擬現實技術最根本的特征，并融入了其他工藝技術。

四、我國測繪領域發展的現狀探究

“數字地球”這一理念被提出之后，在北京舉辦了第一個與數字地球理念相關的國際會議——數字地球國際會議。該會議成功舉辦之后，“數字地球”的理念有了中國化的發展趨向，逐漸演變為對數字區域、數字城市的發展、建設。而后測繪領域出現了地理空間數據庫的構建、管理技術能力等方面的發展與建設。

（一）地理空間數據庫的構建

基礎空間與資源信息系統是中國地理空間信息化的重要基石，也是我國信息基礎設施建設的主要部分，在我國農業現代化發展中起到了十分關鍵的作用，其具體框架內容如圖1所示。1949年以來，國家投巨資進行了大量的土地測量，積累了專業齊全、系統的、基礎的、面向全國、各階段、各種規模型的地理信息，大部分基礎地理空間信息都為企業提供了幫助[3]。據初步估計，經數字化，可以通過互聯網實現資源共享的基本地理空間信息約有1250GB。同時已累積了大量的對地探測資料，其中，20世紀50年代至今覆蓋全國的多期航空相片已達五百萬張以上，20世紀70年代至今多期覆蓋全國的各類衛星照片50余萬景，達140TB。我國目前已建立了500多個大中型電動機數據庫，主要覆蓋的領域為：工業基礎和技術研究領域；國土、房屋；城市、區域規劃；遙感；自然資源、環保和其他。

（二）空間信息處理分析能力、管理技術能力的發展

國家空間信息處理、分析與管理技術中心是中國地理空間信息技術發展基礎的重要平臺和工具，是中國產業發展的重要靈魂。該應用領域的重要高新技術包含：圖形圖像處理技術和應用軟件、地理信息系統專業技術和應用軟件以及全國衛星導航與定位專業技術和應用軟件等。長期以來，在這些應用領域，國外軟件始終占據著絕對的地位，國產軟件始終處在比較弱小的地位。但是，由于各國的十分重視，加上各相關方面的努力，這些局勢已大為改觀，特別是在“九五”計劃時期，中國自行研制的該應用領域的應用軟件，在很多技術方面都早已到達和超越了國外同類產品水平，在國際國內市場上都占據了相當的份額。

（三）空間信息技術標準的構建

其中包含三部分內容：①國家空間信息共享體系的構建已經逐漸在全國范圍內普及，國家測繪領域的信息化建設已經得到一定推動；②空間信息共享元數據標準的構建，通過這種標準的建設，將對地理空間信息描述的內容、基本模式等做出了規范，在整體上規劃了地理空間信息內容的表示信息內容、標志信息內容、屬性信息內容、元數據使用信息內容、服務質量信息內容等多個方面；③國家層面的空氣數據格式交換標準，空氣數據格式交換標準是由我國科技部組織開展分析并研究的，由于這種標準的出現，對矢量數據分析、影像數據分析以及柵格數據分析的交流格式都做出了規范。在這種技術基礎上，數據交換軟件的開發得到了推進，并保證了不同系統、部門間非空間數據、交換空間的有效實現[4]。

除了基礎軟件，對于AM/FM應用開發平臺的科技研究也需要高度關注，由于AM/FM應用開發平臺中的Grow擁有強大的數據量控制能力和強大的實時三維顯示功能，擁有動態拓撲實時重構機制、面向對象建模能力、支撐網絡浮動用戶管理與設備全生命周期控制、與即時通信底層技術密切耦合等AM/FM應用領域特別需要的能力，并能夠在廣域條件中進行成多級分布式多客戶端的協調操作，在總體技能上達到了全球先進水平。在太空數據存儲和加工生產應用領域層面，信息加工應用軟件GeoWay、EPS2000系列和數字正射影像處理軟件PhotoMapper等，支撐太空地圖掃描數字化、在外地直接收集大量的地域信息、通過運載火箭和飛機遙感圖像加工生產數碼正射影像圖，構成了完善的工程建設空間數據采集、加工生產網絡平臺，初步搶占了中國工程建設太空數據生產應用領域層面的地理信息系統軟件交易市場。在建筑圖片出版領域，國產圖片出版軟件方正智繪和MapCAD，在功用和質量上都早已超越了海外的同類應用軟件，牢牢地占有了國內工程圖片出版市場。另外，在地理信息系統的應用領域，國產軟件也彌補了中國國內在這方面的短板?，F已普遍運用在地理信息開發、交通旅游、地產營銷和物流運輸裝卸等領域中，在奧運申辦、數字京城、中國昆明世博會等重大項目中都發揮了重要的作用。而GeoBeens、Geosurf、AF InternetGIS等也是其中的重要成員。

隨著中國地理信息系統行業的蓬勃發展，國內外地理信息系統軟件開發和信息技術服務層出不窮，并取得了較大的進展。在我國“九五”重點科技攻關支援項目的區域，產品銷售與信息技術業務的總凈收入均已突破了一億多人民幣，近五年中的平均年增長率已達到了75%，直接拉動的國民經濟生產總值已達到了15億多人民幣。由于我國政府對地理信息系統開發工作的重視，也促進了整個社會對地理信息系統的重視，近兩年來，國內外地理信息系統的開發公司不斷出現，開發情況也非常可喜。

五、虛擬現實技術在測繪領域的應用探析

當前的測繪服務主要是簡單的二維地圖。但目前，由于消費者已經不再對普通的靜止地圖、計算機地圖感興趣了，這就要求對地理環境表現的發展狀態做出實時可視化和生動解析、動態仿真等。在復雜的靜止地圖上，不管是在紙張上或是在熒幕上，都無法滿足這樣的需求，因此人們更加渴望有一種生動的、三維可視化的、交互式的平臺，來管理、研究、展示各種地理數據資源。而虛擬現實技術，就是破解當前難題的最有力手段之一[5]。虛擬現實的最終任務是完成對整片世界的實時拼接、自由漫游與擴展。傳統地理環境材料的表述方式，是把現實生活中的三維空間地理環境實物及表現以一定的方法轉移到二維中，以點、線、面、體注記的形式加以表述。如把VR方式和GIS技術相結合，直接用三維空間形式在GIS中表述地理環境實物和表現，則使用者就能夠按照現實生活中習慣的認知模式去認知理解地域實物，而與用二維方式表述的傳統地理環境材料比較，也就更易于在系統中掌握必要的內容。

隨著計算機技術和圖形處理軟件等技術的日益提升，地形三維科學與計算可視化技術正向著動態顯示、交互操控、具備更高真實性的環境圖像表現等方面迅速演進。與常規地景虛擬實際表達形式不同的是，通過遙感圖像（多個感應器、多個清晰度或多光譜）的紋理映射方法和表現，能夠實現內涵上更為逼真、信息內容上更為豐富多彩、時態上更為逼真的視覺效果。通過GIS、VR或者RS等信息技術的整合與運用，測繪服務可視化的未來發展可以是：在呈現形式上，向虛幻真實方面進一步發展；在信息機構和能力構成上，向地域網絡（GIS）方面拓展；而維持著其內部生機與表現力的根本，就是源源不斷的地球遙感技術（RS）圖像信息，及由此所獲取的基礎地形信息。

在日常的實際應用中，可以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來進行基礎地理信息的展示，在虛擬現實技術軟件中需要對基礎的地理信息數據實現集成化、信息化以及知識化的展示，將其作為一款數字測繪產品和技術信息一體化的產品，其中需要包含多種信息系統內容，比如網絡化基礎地理信息系統、空間決策支持地理信息系統等，以此來實現產品自身的數字化、空間數據的信息化、數據應用的可視化、產品服務的網絡化。

在軍事測繪方面應用的虛擬現實技術方面，在以往的應用過程中主要是借助地圖以及相關的地形區域資料來對實際的區域范圍內所處環境以及信息進行分析和研究，但是在對地圖和資料進行查閱的過程中往往會造成較差的真實感以及不便利條件，并且對于實地勘察方面也會造成一定的影響，比如來自視野方面的阻礙等，因此，在此基礎上就產生了立體地圖以及沙盤，實現和真實區域的地理環境相匹配和相吻合。在不斷發展的過程中，很多區域的地理信息可以使用于測繪以及訓練模擬當中，利用虛擬現實技術的分析系統以及電子地圖方式可以進行區域場地場所的動態化顯示和精確化分析，實現測繪效率的大幅度提升。在此方法的應用過程中，其旁觀者可以對其實際產生的環境進行觀察，不能產生身臨其境的感覺。但是借助虛擬現實技術可以有效地結合地圖以及資料和實地勘察等多個方面的優勢特點，來實現參與者身臨其境的感受，保證測繪的正確性、精準性和穩定性。

六、結語

隨著科學技術的進步與人民生活水平的提升，高知識化的大數字測量信息技術與服務信息一體化科技，以及高電子化的地理環境網絡、高空中決策資源與服務地理網絡等各類信息系統的應用，實現了產業構成的電子化、空間數據的智能化、大數據應用的可視化、產業服務的電子化。在不久的將來，測繪技術還會走進我們的生活和休閑娛樂。希望本文的研究能夠為虛擬現實技術在測繪領域中的應用提供相應的建議，并推進測繪領域的高水平建設。

參考文獻

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[5]李舟.基于虛擬現實技術的智慧課堂教學應用研究——以攝像技術課程為例[J].廣西廣播電視大學學報，2022，33（6）：37-40.